新能源發(fā)電技術(shù) 第2版 課件 第9、10講 氫能與燃料電池、分布式發(fā)電與能源互補(bǔ)

第9講氫能與燃料電池§9

氫能與燃料電池關(guān)注的問題怎樣才能從各種化合物中制取氫氣？氫氣應(yīng)該如何保存？燃料電池是怎樣工作的？有哪些類型？各自有什么特點(diǎn)？燃料電池可以在哪些場(chǎng)合應(yīng)用？海面為何會(huì)突然燒起大火？§9.1氫和氫能概述§9.1.1氫和氫能簡(jiǎn)介氫在元素周期表中排在首位，是已知最輕的元素。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫氣為無色無味的氣體，密度是空氣的1/14.5。1766年英國(guó)的亨利·卡文迪什發(fā)表《關(guān)于人造空氣的實(shí)驗(yàn)》，詳述了用鋅、鐵、錫與稀酸反應(yīng)制備氫氣的方法和氫氣的性質(zhì)，成為公認(rèn)的發(fā)現(xiàn)氫的人。1777年，法國(guó)化學(xué)家安托萬·拉瓦錫通過實(shí)驗(yàn)證明水是由氫和氧組成的，把氫稱為“水素”；1785年拉瓦錫根據(jù)這種氣體能夠與氧氣反應(yīng)生成水的性質(zhì)，為其取名為“Hydrogen”，其中Hydro為水，gen即產(chǎn)生。氫是宇宙中最豐富的元素(約占總質(zhì)量的3/4)，在地球上的含量排第三。除了空氣中的少量氫氣，絕大部分氫元素都以化合物形態(tài)存在，雖然甲烷、氨和各種烴類中有氫，但主要存在水中。地球上的水約有14億km3，水中約含11%的氫。若把全球水中的氫都提煉出來，約有15億億(1.5×1017)噸，所產(chǎn)生的熱量是地球上化石燃料的9000倍?！?.1.1氫和氫能簡(jiǎn)介§9.1.2氫能及其利用方式氫能主要是指氫元素燃燒、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或核聚變時(shí)釋放的能量。在所有的氣體中，氫氣的導(dǎo)熱性最好，比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出10倍以上，是能源工業(yè)中極好的傳熱載體。此外，還能轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料。（1）氫燃料氫的含熱量很高，燃燒時(shí)釋放熱量>140MJ/kg，超過任何有機(jī)燃料，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氫氣燃燒性能好，點(diǎn)燃快，燃點(diǎn)高，混入4%~74%的空氣時(shí)仍能穩(wěn)定燃燒。氫是最清潔的燃料，燃燒后只生成水和微量的氮化氫，而沒有其它任何污染環(huán)境的排放物。氮化氫經(jīng)適當(dāng)處理后也不污染環(huán)境，生成的水還可繼續(xù)制氫，循環(huán)使用。到21世紀(jì)中葉，氫有可能取代石油，成為使用最廣泛的燃料之一?！?.1.2氫能及其利用方式（2）氫的核聚變氫的核能利用，理論基礎(chǔ)是愛因斯坦的相對(duì)論。發(fā)生質(zhì)量虧損時(shí)釋放出的能量為E=mc2?？梢姡瑲涞暮司圩兡芰渴鞘志薮蟮?。核聚變產(chǎn)生的能量比鈾原子核裂變釋放出來的能量大若干倍?！?.1.2氫能及其利用方式（3）氫燃料電池參見后面燃料電池的內(nèi)容。除了作燃料以外，長(zhǎng)期以來，氫一直是石油、化工、化肥和冶金工業(yè)的重要原料。氫能可以輸送、儲(chǔ)存、大規(guī)模生產(chǎn)并且能再生利用，同時(shí)對(duì)環(huán)境友好，基本上沒有環(huán)境污染，具有無可比擬的潛在開發(fā)價(jià)值?！?.1.2氫能及其利用方式20世紀(jì)初，比空氣輕很多的氫氣被用于充裝飛行物。由于液氫的優(yōu)良燃燒特性和能量密度，廣泛用于衛(wèi)星和航天器的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中。§9.1.3氫能的應(yīng)用20世紀(jì)60年代以后，氫－氧燃料電池發(fā)展起來，又給氫能的利用開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。近年來，美國(guó)、歐洲、日本研制成功的以液氫為原料的燃料電池電動(dòng)汽車，已進(jìn)入了商業(yè)化生產(chǎn)階段。如今，氫能在化工、化肥、塑料和冶金行業(yè)中，也作為一種重要的原料而獲得廣泛應(yīng)用?！?.1.3氫能的應(yīng)用§9.2氫的制取氫能，通常指游離的分子氫H2所具有的能量。氫通常以化合物形態(tài)存在于水、生物質(zhì)和礦物質(zhì)燃料中。從這些物質(zhì)中獲取氫，需要消耗大量的能量。（1）煤為原料制氫煤制氫的本質(zhì)是用碳置換水中的氫，生成H2和CO2。發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是C+2H2O→CO2+2H2方法主要有兩種：一是煤的焦化(高溫干餾)二是煤的氣化§9.2.1化石燃料制氫（2）天然氣制氫天然氣的主要成分甲烷含有氫元素，制氫方式主要有兩種。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫方法曾經(jīng)比較普遍，其化學(xué)反應(yīng)為CH4+2H2O→4H2+CO2甲烷(催化)高溫裂解制氫技術(shù)，起于20世紀(jì)中葉，制取高純H2的同時(shí)，還能得到更有經(jīng)濟(jì)價(jià)值、易儲(chǔ)存的固體碳，而不向大氣排放CO2?！?.2.1化石燃料制氫（3）重油部分氧化制氫重油是煉油過程中的殘余物，部分氧化過程中碳?xì)浠衔锱c氧氣、水蒸氣反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳。催化部分氧化通常以甲烷或石腦油為主的低碳烴為原料，而非催化部分氧化則以重油為原料，溫度1150～1315℃。§9.2.1化石燃料制氫化石燃料制造氫氣的傳統(tǒng)方法，會(huì)排放大量的溫室氣體，對(duì)環(huán)境不利。氫氣中的90%是以石油、天然氣和煤為主要原料制取的。在我國(guó)由化石燃料生產(chǎn)的氫氣比例更高?！?.2.1化石燃料制氫氫大多存在水中，將水分解制取氫氣是最直接的方式?！?.2.2水分解制氫（1）電解水制氫水的電解過程就是在導(dǎo)電的水溶液中通入直流電，將水分解成H2

和O2。水的理論分解電壓為1.23V，其反應(yīng)式為：§9.2.2水分解制氫（2）高溫水蒸氣分解制氫利用化學(xué)試劑在一組熱循環(huán)反應(yīng)中互為反應(yīng)物和產(chǎn)物，循環(huán)使用，最終只有水分解為氫和氧。其化學(xué)反應(yīng)通式為X為中間媒體，僅參與反應(yīng)，并不消耗，但是因其反應(yīng)呈氣態(tài)，很易和氧氣發(fā)生反應(yīng)而重新生成氧化物。因此，需將它們從產(chǎn)物中分離出來。一般采用快速冷卻法，使其冷卻成固體。整個(gè)過程僅僅消耗水和一定的熱量。§9.2.2水分解制氫（3）等離子體制造氫氣過程用電場(chǎng)電弧能將水加熱到5000℃，分解成H、H2、O、O2、OH和水，其中H、H2的含量可達(dá)到50%。要使等離子體中氫組分含量穩(wěn)定，就必須進(jìn)行淬火，使氫不再和氧結(jié)合。該過程能耗很高，因而制氫成本很高。§9.2.2水分解制氫（1）生物質(zhì)氣化制氫是將生物質(zhì)原料壓制成型，在氣化爐（或裂解爐）中進(jìn)行反應(yīng)制得含氫的混合燃料氣。其中的碳?xì)浠衔镌倥c水蒸氣發(fā)生催化重整反應(yīng)，生成H2

和CO2（參見天然氣制氫）。生物制氫是指所有利用生物產(chǎn)生氫氣的方法，包括生物質(zhì)氣化制氫和微生物制氫等不同的技術(shù)手段?！?.2.3生物制氫（2）微生物制氫是在常溫常壓下利用微生物進(jìn)行酶催化反應(yīng)制得氫氣。用于制氫的微生物有兩大類：－光合細(xì)菌或藻類，

－厭氧菌江河湖海中的某些藻類、細(xì)菌，像一個(gè)生物反應(yīng)器，用水做原料，在太陽光的照射下連續(xù)地釋放出氫氣?！?.2.3生物制氫（1）間接制氫太陽能間接制氫法主要包括太陽能發(fā)電和電解水制氫。目前已無技術(shù)困難，需要大幅度提高系統(tǒng)效率和降低成本。太陽能制氫是未來規(guī)?；茪浞椒ㄖ凶罹哂形η易罹攥F(xiàn)實(shí)意義的一條途徑?！?.2.4太陽能制氫（2）直接制氫太陽能直接制氫法有兩類：熱分解法，用太陽能的高熱量直接裂解水，得到氫和氧。光分解法，光量子可使水和其他含氫化合物分子中氫鍵斷裂，制氫途徑主要有光催化法和光電解法等。－光催化－光電解§9.2.4太陽能制氫§9.2.5制氫方式總結(jié)以石油、天然氣和煤為主要原料制取氫氣的比例約為90%。在我國(guó)，由化石燃料生產(chǎn)的氫氣比例更高，其余主要是通過水電解產(chǎn)生的?！?.3氫的儲(chǔ)存氫能的儲(chǔ)存很關(guān)鍵，是目前氫能開發(fā)的主要技術(shù)障礙。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫的密度是空氣的1/14.5，水的萬分之一。在-252.7℃的低溫下可變?yōu)橐后w，密度也只有70kg/m3，相當(dāng)于水的1/15。氫氣很難高密度儲(chǔ)存。

而且，氫還是易燃、易爆的高能燃料。安全性當(dāng)然是第一重要的要求，不過因?yàn)閮?chǔ)氫系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)充分考慮安全性，并且在使用中能夠滿足安全要求，人們反而不經(jīng)常單獨(dú)提出了。單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度，即儲(chǔ)氫質(zhì)量與整個(gè)儲(chǔ)氫單元（含容器、存儲(chǔ)介質(zhì)材料、閥及氫氣等）的質(zhì)量之比。§9.3.1對(duì)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的要求儲(chǔ)氫設(shè)備使用的方便性也是很重要的要求，例如充放氫氣的時(shí)間、使用的環(huán)境溫度等?？梢韵裉烊粴庖粯佑镁薮蟮乃芊鈨?chǔ)罐低壓儲(chǔ)存，不過因氫氣密度太低，只適合大規(guī)模儲(chǔ)存氣體時(shí)使用，應(yīng)用不多。氣態(tài)高壓儲(chǔ)氫是最普通和最直接的儲(chǔ)氫方式，一般將氫氣壓縮到15~40MPa高壓，裝入鋼瓶中儲(chǔ)存和運(yùn)輸?！?.3.2氫氣的儲(chǔ)存高壓儲(chǔ)氫動(dòng)態(tài)響應(yīng)最好，能瞬間提供足夠的氫氣保證氫燃料供應(yīng)；也能瞬間關(guān)閉閥門，停止供氣。實(shí)際使用最廣泛。

不過高壓帶來安全隱患。氫氣在-252.7℃低溫下可以變?yōu)橐后w，體積大大縮小。液體的氫可以儲(chǔ)存在絕熱的低溫容器中。液氫的單位體積含能量很高，常壓下密度為氫氣的845倍，體積能量密度比高壓氣態(tài)儲(chǔ)存高好幾倍。氫的沸點(diǎn)很低，氣化潛熱小，容器內(nèi)外存在巨大溫差，稍有熱量從外界滲入容器，就可能迅速沸騰氣化。液氫的理論體積密度只有70kg/m3，約為水的1/15。考慮容器和附件的體積，液氫系統(tǒng)的儲(chǔ)氫密度還不到40kg/m3?！?.3.3液氫的儲(chǔ)存大的液氫儲(chǔ)罐存在熱分層問題。儲(chǔ)罐底部液體因承受壓力而沸點(diǎn)略高，上部由于少量揮發(fā)而始終保持極低溫度。靜置后，液體形成下熱上冷的兩層，顯然是不穩(wěn)定狀態(tài)，稍有擾動(dòng)就會(huì)翻動(dòng)。如果略熱而蒸氣壓較高的底層翻到上部，就會(huì)發(fā)生液氫爆沸，產(chǎn)生氫氣，體積膨脹，使儲(chǔ)罐爆破?！?.3.3液氫的儲(chǔ)存液氫儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，一般如圖，最理想的形狀是球形。（圖片請(qǐng)參考教材《新能源發(fā)電技術(shù)》P163圖9.2）§9.3.3液氫的儲(chǔ)存某些金屬具有很強(qiáng)的捕捉氫的能力，在一定的溫度和壓力條件下，能大量“吸收”氫氣，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬氫化物，氫就以固體形式存儲(chǔ)起來。需要用氫時(shí)，可將這些金屬氫化物加熱，使其分解，將儲(chǔ)存在其中的氫釋放出來。金屬氫化物的儲(chǔ)氫容量較大，相同溫度、壓力，體積儲(chǔ)氫密度是氫氣的1000倍，與液氫相當(dāng)，不過質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度低?！?.3.4固體金屬氫化物儲(chǔ)存（1）有機(jī)物儲(chǔ)氫已成為一項(xiàng)有發(fā)展前景的儲(chǔ)氫技術(shù)。有機(jī)液體化合物儲(chǔ)氫劑主要是苯和甲苯，與氫反應(yīng)生成環(huán)己烷或甲基環(huán)己烷（理論貯氫量為7.19%和6.18%)，在0.1MPa、室溫下呈液態(tài)，通過催化脫氫反應(yīng)又可產(chǎn)氫以供使用?！?.3.5研究中的新儲(chǔ)氫方法（2）地下壓縮儲(chǔ)氫是一種長(zhǎng)期大量?jī)?chǔ)氫的主要方法。儲(chǔ)氫規(guī)模可達(dá)百萬立方米以上。多孔、水飽和的巖石是理想的防止氫氣擴(kuò)散的介質(zhì)。但地下儲(chǔ)存的氫氣大約有50%左右會(huì)滯留在巖洞中，難于被釋放出來。德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)都有相關(guān)的儲(chǔ)氫實(shí)踐。§9.3.5研究中的新儲(chǔ)氫方法（3）碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料一直為人們所關(guān)注。主要是高比表面積活性炭等。特殊加工后的高比表面積活性炭，在2-4MPa和超低溫下，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度可達(dá)5%-7%。低溫條件限制了它的廣泛應(yīng)用。碳納米管自1991年被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)成為目前人們研究最多的碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料，具有儲(chǔ)氫量大、釋氫速度快、常溫下釋氫等優(yōu)點(diǎn)，但工業(yè)化應(yīng)用還不成熟。此外，配位氫化物儲(chǔ)氫和水合物儲(chǔ)氫近年來也得到廣泛研究?！?.4燃料電池概述發(fā)現(xiàn)故事：1938年，德國(guó)的斯孔貝恩教授發(fā)現(xiàn)，在電解液里的氫氣和氧氣中分別插入一根鉑電極，兩個(gè)電極之間會(huì)產(chǎn)生電壓，這就是最早發(fā)現(xiàn)的燃料電池原理。1839年，英國(guó)的格羅夫在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證燃料電池現(xiàn)象。將鉑金電極放入試管，在不同的試管里分別充滿氫氣和氧氣，再把多個(gè)這樣的裝置串聯(lián)起來將試管的開口浸入稀硫酸溶液，在兩端的電極之間形成了較高的電壓。燃料電池是一種直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。不經(jīng)過燃燒而以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能變?yōu)殡娔?。和化學(xué)電池不同，它工作時(shí)需要連續(xù)地從外部供給反應(yīng)物。燃料電池利用的水電解的逆反應(yīng)，即氫元素和氧元素合成水并輸出電能。§9.4.1燃料電池的基本原理燃料電池由陽極、陰極和夾在中間的電解質(zhì)及外接電路組成。工作時(shí)，一般向陽極供燃料(氫)，向陰極供氧化劑(氧)。氫在陽極分解成氫離子H+和電子e-。氫離子進(jìn)入電解質(zhì)中，而電子則沿外部電路移向正極。陰極的氧同電解質(zhì)中的氫離子吸收抵達(dá)陰極的電子形成水。電子在外部電路從陽極向陰極移動(dòng)的過程中形成電流，接在外部電路中的用電負(fù)載即可因此獲得電能。當(dāng)源源不斷地從外部供給燃料和氧化劑時(shí)，燃料電池即可連續(xù)發(fā)電。最主要的燃料是氫。氧化劑是氧氣或空氣?！?.4.1燃料電池的基本原理§9.4.1燃料電池的基本原理氫燃料電池的基本結(jié)構(gòu)，如圖所示。發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下陽極： 陰極：

總反應(yīng)： 為加速電化學(xué)反應(yīng)，燃料電池的電極上往往都有催化劑。催化劑一般做成多孔材料，以增大燃料、電解質(zhì)和電極之間的接觸截面。對(duì)于液態(tài)電解質(zhì)，需要有電解質(zhì)保持材料，即電解質(zhì)膜。外電路包括集電器（極板）和負(fù)載?！?.4.1燃料電池的基本原理由一個(gè)陽極、一個(gè)陰極和相關(guān)的電解質(zhì)、燃料、空氣通路組成的最小電池單元稱為單體電池；多個(gè)單體電池重疊連接形成的整體，稱為電堆。實(shí)用的燃料電池均由電堆組成。燃料電池就像積木一樣，可以根據(jù)功率要求靈活組合，容量小到為手機(jī)供電、大到可與常規(guī)發(fā)電廠相提并論?！?.4.1燃料電池的基本原理燃料電池系統(tǒng)，除燃料電池本體(發(fā)電系統(tǒng))外，還有一些外圍裝置，用于燃料重整供應(yīng)、氧氣供應(yīng)、水管理、熱管理、逆變、控制、安全等。§9.4.2燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成（1）燃料重整供應(yīng)系統(tǒng)，將外部供給的燃料轉(zhuǎn)化為以氫為主要成分的燃料。直接以氫為燃料，供應(yīng)系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單。（2）氧氣供給系統(tǒng)，作用是提供反應(yīng)所需的氧，可以是純氧，也可以用空氣。§9.4.2燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成（3）水管理系統(tǒng)，可將陰極生成的水及時(shí)帶走，以免造成燃料電池失效。對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池，質(zhì)子是以水合離子狀態(tài)進(jìn)行傳導(dǎo)的，需要有水參與，而且水少了還會(huì)影響電解質(zhì)膜的質(zhì)子傳導(dǎo)特性，進(jìn)而影響電池的性能。（4）熱管理系統(tǒng)，作用是將電池產(chǎn)生的熱量帶走，避免因溫度過高而燒壞電解質(zhì)膜。外電路接通時(shí)，燃料電池會(huì)因內(nèi)電阻上的功耗而發(fā)熱（與輸出的發(fā)電量大體相當(dāng)）。（5）直流－交流逆變系統(tǒng)（6）控制系統(tǒng)，控制燃料電池發(fā)電裝置啟動(dòng)和停止、接通或斷開負(fù)載，往往還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)工況、傳輸數(shù)據(jù)。（7）安全系統(tǒng)，主要由氫氣探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理器以及滅火設(shè)備構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)防火、防爆等安全措施?！?.4.2燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成與干電池與蓄電池不同，燃料電池不是能量?jī)?chǔ)存裝置，而是能量轉(zhuǎn)化裝置。燃料電池具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。§9.4.3燃料電池發(fā)電的特點(diǎn)(1)成本因素§9.4.4制約燃料電池行業(yè)發(fā)展的因素(2)燃料來源(3)配套設(shè)施§9.4.4制約燃料電池行業(yè)發(fā)展的因素(4)儲(chǔ)存與運(yùn)輸§9.5燃料電池的分類

電池類型堿性(AFC)磷酸型(PAFC)熔融碳酸鹽型(MCFC)固體電解質(zhì)型(SOFC)固體高分子型(PEFC/PEMFC)直接甲醇型(DMFC)工作溫度/℃60～80約100600～700800～1000約100約100電解質(zhì)KOH磷酸溶液熔融碳酸鹽固體氧化物全氟磺酸膜全氟磺酸膜反應(yīng)離子OH-H+O2-H+H+可用燃料純氫天然氣、甲醇天然氣、甲醇、煤天然氣、甲醇、煤氫、天然氣、甲醇甲醇適用領(lǐng)域移動(dòng)電源分散電源分散電源分散電源移動(dòng)電源、分散電源移動(dòng)電源污染性—CO中毒無無CO中毒CO中毒§9.5燃料電池的類型（1）堿性燃料電池（AFC）以氫氧化鉀等堿性溶液為電解質(zhì)，以高純度氫氣為燃料，以純氧氣作為氧化劑，工作溫度為60~80℃。§9.5燃料電池的類型（2）磷酸型燃料電池（PAFC）以磷酸水溶液為電解質(zhì)，以天然氣或甲醇等氣體的重整氣為燃料，以空氣為氧化劑，一般要用鉑金作催化劑?！?.5燃料電池的類型（3）熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）以碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉等碳酸鹽為電解質(zhì)；以混有CO2的O2為氧化劑；可用天然氣、甲醇、煤等原料的重整氣(含H2和CO2)為燃料。電極采用鎳?！?.5燃料電池的類型（4）固體氧化物型燃料電池（SOFC）常采用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯基(ZrO2+Y2O3)固體電解質(zhì)，以重整氣(H2和CO)為燃料，以空氣為氧化劑。多孔電極。§9.5燃料電池的類型（5）質(zhì)子交換膜型燃料電池（PEMFC）也叫固體高分子型或聚合物電解質(zhì)燃料電池。燃料一般為高純度的氫氣。采用以離子導(dǎo)電的固體高分子電解質(zhì)膜。是一種陽離子交換膜，導(dǎo)電體為H+。構(gòu)造以氟的樹脂為主鏈、以能夠負(fù)載質(zhì)子(H+)的磺酸基為支鏈?！?.5燃料電池的類型（6）直接甲醇型燃料電池（DMFC）是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的一種，原理與PEMFC基本相同，氧化劑為空氣或純氧。DMFC特別之處燃料為甲醇，而不是氫氣。也不重整甲醇來生成氫，而是直接把蒸汽與甲醇變換成質(zhì)子(H+)來發(fā)電。§9.6燃料電池電站工程實(shí)例燃料電池電站具有效率高、噪聲小、污染少、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，可能是未來最主要的發(fā)電技術(shù)之一。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，有可能對(duì)改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)、能源的戰(zhàn)略儲(chǔ)備和國(guó)家安全等都具有重要意義。燃料電池既可用于大型集中式發(fā)電站，又可用于分布式電站。大型集中式電站，以高溫燃料電池為主體，可建立煤炭氣化和燃料電池的大型復(fù)合能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤化工和熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)。中小型分布式電站，可以靈活布置在城市、農(nóng)村、企事業(yè)單位甚至居民小區(qū)，也可以安裝在缺乏電力供應(yīng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)和沙漠地區(qū)，磷酸鹽型和高溫型燃料電池都是可能的選擇?！?.6燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域（1）世界最大的燃料電池公園由美國(guó)開發(fā)商FuelCell承建的世界最大的燃料電池公園，已于2014年在韓國(guó)京畿道華城市(Hwasang)建成并投產(chǎn)。§9.6燃料電池電站工程實(shí)例（2）世界最大質(zhì)子交換膜型燃料電池示范電站位于華南理工大學(xué)大學(xué)城校區(qū)內(nèi)，電站占地2000平方米?！?.6燃料電池電站工程實(shí)例（3）世界首個(gè)氫能市政供電設(shè)施2017年，日本川崎重工業(yè)公司和大型建筑公司大林組共同建設(shè)的氫能發(fā)電設(shè)施在神戶市落成。這是世界首個(gè)向市政設(shè)施供應(yīng)電力和熱能的氫能發(fā)電設(shè)施。本課程配套教材：《新能源發(fā)電技術(shù)》朱永強(qiáng)趙紅月，

機(jī)械工業(yè)出版社“十三五”國(guó)家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認(rèn)證系列規(guī)劃教材第10講分布式發(fā)電與能源互補(bǔ)第一部分分布式發(fā)電§10.1.1分布式發(fā)電的概念分布式發(fā)電：在一定的地域范圍內(nèi)，由多個(gè)甚至多種形式的發(fā)電設(shè)備共同發(fā)電，以就地滿足較大規(guī)模的用電要求。相對(duì)于集中發(fā)電的大型機(jī)組而言，其總的發(fā)電能力由分布在不同位置的多個(gè)中小型電源來實(shí)現(xiàn)；相對(duì)于過去的小型獨(dú)立電源而言，其容量分配和布置有一定的規(guī)律，滿足特定的整體要求。§10.1分布式與互補(bǔ)發(fā)電概述區(qū)分幾個(gè)類似的概念：DP，DER，DG。分布式發(fā)電一般獨(dú)立于公共電網(wǎng)而靠近用電負(fù)荷，可以包括任何安裝在用戶附近的發(fā)電設(shè)施，而不論其規(guī)模大小和一次能源的種類。一般來說，分布式電源是集成或單獨(dú)使用的、靠近用戶的小型模塊化發(fā)電設(shè)備，多為容量在50兆瓦以下的小型發(fā)電機(jī)組?！?0.1.1

分布式發(fā)電的概念§10.1.2

分布式發(fā)電的特點(diǎn)（1）建設(shè)容易，投資少（2）靠近用戶，輸配電簡(jiǎn)單，損耗?。?）污染少，環(huán)境相容性好（4）能源利用效率高（5）運(yùn)行靈活，安全可靠性有保障（6）聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，有提供輔助性服務(wù)的能力§10.1.2

分布式發(fā)電的特點(diǎn)夏季和冬季用電高峰期，冷熱電聯(lián)供可滿足季節(jié)供熱或制冷需要，并節(jié)省電力，從而減輕供電壓力。分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的輔助性服務(wù)分布式發(fā)電的適用場(chǎng)合分布式發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模式：－獨(dú)立運(yùn)行多用于大電網(wǎng)覆蓋不到的邊遠(yuǎn)地區(qū)、農(nóng)牧區(qū)。－聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行多用于電網(wǎng)中負(fù)荷快速增長(zhǎng)的區(qū)域和某些重要的負(fù)荷區(qū)域（工廠、醫(yī)院等），分布式電源與公用電網(wǎng)共同向負(fù)荷供電?！?0.2分布式電源與儲(chǔ)能§10.2.1

新能源分布式電源分布式電源就是分散的小規(guī)模電源，容量<50MW，包括：(1)天然氣分布式能源(2)可再生能源分布式發(fā)電(3)廢棄資源綜合利用常利用基于可再生能源的分布式電源。此外，微型燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用廣泛——熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組微型燃?xì)廨啓C(jī)是一類新近發(fā)展起來的小型熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，是以天然氣、汽油、柴油等為燃料的超小型燃?xì)廨啓C(jī)。§10.2.1

新能源分布式電源微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的工作原理圖§10.2.2分布式發(fā)電的儲(chǔ)能裝置由于自然資源的特性，可再生能源用于發(fā)電時(shí)其功率輸出具有明顯的間歇性和波動(dòng)性，其變化甚是可能是隨機(jī)的，容易對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)電網(wǎng)事故。為充分利用可再生能源并保障其供電可靠性，就要對(duì)這種難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的能量變化進(jìn)行及時(shí)的控制和抑制。儲(chǔ)能裝置，就是用來解決這一問題?！?0.2.2.1常用的儲(chǔ)能技術(shù)（1）蓄電池儲(chǔ)能蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由蓄電池、逆變器、控制裝置、輔助設(shè)備（安全、環(huán)境保護(hù)設(shè)備）等部分組成?？梢苑譃殂U酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。（2）超導(dǎo)儲(chǔ)能核心部件是由超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)線圈。通入直流電，線圈中就會(huì)形成強(qiáng)磁場(chǎng)，

把電能以磁場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存起來。由于超導(dǎo)體的電阻幾乎為零，電流在超導(dǎo)線圈中循環(huán)時(shí)產(chǎn)生的功率損耗很小，因而儲(chǔ)存的能量不易流失。在外部需要能量時(shí)，可以把儲(chǔ)存的能量送回電網(wǎng)或?qū)崿F(xiàn)其它用途。§10.2.2.1常用的儲(chǔ)能技術(shù)超導(dǎo)特性一般需要在很低的溫度下才能維持。一旦溫度升高，超導(dǎo)體就變?yōu)橐话愕膶?dǎo)體，電流流過時(shí)將產(chǎn)生很大的功率損耗，儲(chǔ)能的效果也就不復(fù)存在了。一般將超導(dǎo)線圈浸泡在溫度極低的液體（液氫等），然后封閉在容器中。因此，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)除了核心部件超導(dǎo)線圈以外，還包括冷卻系統(tǒng)、密封容器以及用于控制的電子裝置。（2）超導(dǎo)儲(chǔ)能§10.2.2.1常用的儲(chǔ)能技術(shù)是一種機(jī)械儲(chǔ)能方式。1970s就有了利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來儲(chǔ)存能量，并應(yīng)用于電動(dòng)汽車的構(gòu)想。由于飛輪材料和軸承等關(guān)鍵技術(shù)一直沒有解決而停滯，1990s以來，高強(qiáng)度的碳纖維材料、低損耗磁懸浮軸承、電力電子學(xué)三方面的技術(shù)發(fā)展，飛輪儲(chǔ)能得到快速發(fā)展。（3）飛輪儲(chǔ)能§10.2.2.1常用的儲(chǔ)能技術(shù)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖§10.2.2.1常用的儲(chǔ)能技術(shù)（4）水制氫儲(chǔ)能這種儲(chǔ)能系統(tǒng)需與燃料電池聯(lián)合應(yīng)用。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)負(fù)荷減小或發(fā)電容量增加時(shí)，將多余的電能用來電解水，使氫和氧分離，作為燃料電池的燃料送入燃料電池中存儲(chǔ)起來；當(dāng)負(fù)荷增加或發(fā)電容量不足時(shí)，使存儲(chǔ)在燃料電池中的氫和氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電能，繼續(xù)向負(fù)荷供電，從而保證供電的連續(xù)性。(詳見本書的第9章)§10.2.2.1常用的儲(chǔ)能技術(shù)（5）超級(jí)電容器儲(chǔ)能雙電層電容器的基本原理是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來儲(chǔ)存能量。這種電容器的儲(chǔ)能是通過使電解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)極化來實(shí)現(xiàn)的，并沒有產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過程是可逆的。法拉第準(zhǔn)電容是以準(zhǔn)電容-準(zhǔn)電容為主要機(jī)制，在正極和負(fù)極表面分別以金屬氧化物的氧化/還原反應(yīng)為基礎(chǔ)或以有機(jī)半導(dǎo)體聚合物表面摻雜不同電荷的離子為基礎(chǔ)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容?！?0.2.2.1常用的儲(chǔ)能技術(shù)（5）超級(jí)電容器儲(chǔ)能根據(jù)電化學(xué)電容器的結(jié)構(gòu)及電極上發(fā)生反應(yīng)的不同，超級(jí)電容器又可分為對(duì)稱型和非對(duì)稱型。如果兩個(gè)電極的組成相同且電極反應(yīng)相同，反應(yīng)方向相反，則被稱為對(duì)稱型；反之則被稱為非對(duì)稱型。非對(duì)稱型電容器具有比常規(guī)電容器更高的比能量和比二次電池更高的比功率。近年來開發(fā)出的一種新型的電容器——混合型超級(jí)電容器，一極采用傳統(tǒng)的電池電極并通過電化學(xué)反應(yīng)來儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化能量，另一極則通過雙電層來儲(chǔ)存能量?！?0.2.2.2儲(chǔ)能裝置在分布式系統(tǒng)中的作用（1）平衡發(fā)電量和用電量（2）充當(dāng)備用或應(yīng)急電源某些分布式電源受自然條件影響而減少甚至不能供電時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)就像備用電源，可臨時(shí)維持供電。（3）改善分布式系統(tǒng)的可控性儲(chǔ)能系統(tǒng)可調(diào)節(jié)分布式系統(tǒng)與大電網(wǎng)的能量交換，將難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制的分布式電源，整合為能夠按計(jì)劃輸出電能的系統(tǒng)，使其成為可以調(diào)度的發(fā)電單元。（4）提供輔助服務(wù)§10.3分布式供電系統(tǒng)和微電網(wǎng)§10.3.1分布式供電系統(tǒng)構(gòu)成分布式供電系統(tǒng)包含很多分散在各處的分布式電源，種類也往往不只一種，再加上儲(chǔ)能裝置和附近用電的負(fù)荷，其結(jié)構(gòu)可能也相當(dāng)復(fù)雜?！?0.3.1分布式供電系統(tǒng)構(gòu)成分布式供電系統(tǒng)一般由分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備、分布式供電網(wǎng)絡(luò)及控制中心和附近的用電負(fù)荷構(gòu)成，如果與公共電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行還包括并網(wǎng)接口。微電網(wǎng)是能夠獨(dú)立運(yùn)行或者作為一個(gè)整體與公共電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的分布式供電系統(tǒng)。用戶所需能量由各種分布式電源、冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和公共電網(wǎng)提供，微電網(wǎng)在滿足用戶供熱和供冷需求的前提下，最終以電能作為統(tǒng)一的能源形式將各種分布式能源加以融合，滿足特定的電能質(zhì)量要求和供電可靠性。§10.3.2微電網(wǎng)微電網(wǎng)可看作大電網(wǎng)中的一個(gè)可控單元，而不再是多個(gè)分散的電源和負(fù)荷?！?0.3.2微電網(wǎng)§10.3.2微電網(wǎng)基于我國(guó)的實(shí)際情況，我國(guó)微電網(wǎng)建設(shè)可以分為以下幾種類型：（1）城市微電網(wǎng)。我國(guó)城市微電網(wǎng)可以依托居民小區(qū)、賓館、醫(yī)院、商場(chǎng)及辦公樓等進(jìn)行建設(shè)，城市微電網(wǎng)可以在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)優(yōu)先發(fā)展。（2）企業(yè)微電網(wǎng)一般在中壓配電網(wǎng)等級(jí)，容量較大，常見于石化、鋼鐵等大型企業(yè)，一般分布在城市的郊區(qū)。（3）偏遠(yuǎn)農(nóng)村微電網(wǎng)主要建設(shè)在草原、山區(qū)等電力需求較低的偏遠(yuǎn)地區(qū)，將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)延伸到這類地區(qū)需要很大的成本。這類微電網(wǎng)以孤島運(yùn)行為主。在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行是兩種基本的運(yùn)行模式。為了更好地發(fā)揮分布式發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)采用一定的控制策略實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)孤島和并網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行及兩者之間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換?！?0.3.3微電網(wǎng)的運(yùn)行控制§10.3.3微電網(wǎng)的運(yùn)行控制基于逆變器側(cè)的孤島檢測(cè)方法可分為被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)兩大類。被動(dòng)檢測(cè)是直接監(jiān)測(cè)選定的公共耦合點(diǎn)PCC的參數(shù)（電壓、頻率、諧波等），同時(shí)控制逆變器在一定條件下停止并網(wǎng)運(yùn)行。主動(dòng)檢測(cè)法是指在逆變器控制信號(hào)中加入相應(yīng)的擾動(dòng)，當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，由于電網(wǎng)的平衡作用，擾動(dòng)信號(hào)幾乎不起作用；若出現(xiàn)孤島，擾動(dòng)信號(hào)的存在會(huì)破壞系統(tǒng)的平衡，使得電壓、頻率等出現(xiàn)明顯的變化，如果變化超出所規(guī)定的閾值范圍，則可檢測(cè)出孤島?！?0.3.3微電網(wǎng)的運(yùn)行控制微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)部的各個(gè)分布式電源只需控制功率輸出以保證微電網(wǎng)內(nèi)部的功率平衡，而電壓和頻率由大電網(wǎng)來支持和調(diào)節(jié)，此時(shí)的逆變器可以采用恒功率（PQ）控制方法?！?0.3.3微電網(wǎng)的運(yùn)行控制當(dāng)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，與大電網(wǎng)的連接斷開。此時(shí)，需由一個(gè)或幾個(gè)分布式電源來維持微電網(wǎng)的電壓和頻率。由一個(gè)逆變型分布式電源執(zhí)行恒壓恒頻（Vf）控制調(diào)節(jié)微電網(wǎng)頻率和電壓的情況構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)；由多個(gè)逆變型分布式電源執(zhí)行下垂（Droop）控制共同調(diào)節(jié)微電網(wǎng)頻率和電壓的情況構(gòu)成對(duì)等結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)。其余分布式電源逆變器仍然采用PQ控制方法。近年來，在對(duì)等結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，人們又提出了結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的微電網(wǎng)分層控制結(jié)構(gòu)（也稱多代理控制），由控制器（MGCC）對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制，并負(fù)責(zé)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的通信與協(xié)調(diào)；微電源控制器（MC）和負(fù)荷控制器（LC）從屬于MGCC，分別控制具體的微電源和負(fù)荷。1970s就有了分布式電源的概念，美國(guó)公共事業(yè)管理政策法公布后，正式得以推廣，并很快被其它國(guó)家接受?！?·11”后，出于對(duì)供電安全的考慮，美國(guó)等加快分布式供電系統(tǒng)研究和建設(shè)的步伐，在很多國(guó)家已頗具規(guī)模。目前分布式電源站美國(guó)有6000多座；英國(guó)有1000多座；日本有近5000家，總?cè)萘砍^600萬千瓦。2006年歐盟國(guó)家的分布式供電系統(tǒng)達(dá)到1.5萬個(gè)左右。2015年，風(fēng)能和光伏電力的增長(zhǎng)速度在美國(guó)能源增速中躍居首位，對(duì)美國(guó)新增發(fā)電能力的貢獻(xiàn)達(dá)三分之二。分布式發(fā)電為減小碳排放量作出了巨大貢獻(xiàn)。分布式發(fā)電的發(fā)展應(yīng)用分布式發(fā)電的發(fā)展應(yīng)用歐盟國(guó)家的分布式發(fā)電以太陽能光伏、風(fēng)能和熱電聯(lián)產(chǎn)為主。歐洲風(fēng)電的發(fā)展側(cè)重于分散接入。經(jīng)有關(guān)機(jī)構(gòu)評(píng)估表明，僅分布式熱電聯(lián)產(chǎn)就能完成1/3的歐盟節(jié)能目標(biāo)，每年可減少CO2排放1億噸。日本的分布式發(fā)電以熱電聯(lián)產(chǎn)和太陽能光伏發(fā)電為主。2006年，熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量達(dá)到870萬千瓦，占日本電力裝機(jī)4%。光伏分布式發(fā)電應(yīng)用廣泛，不僅用于公園、學(xué)校、醫(yī)院、展覽館等公用設(shè)施，還開展了居民住宅屋頂光電的應(yīng)用示范工程。丹麥?zhǔn)鞘澜缟夏茉蠢眯首罡叩膰?guó)家，80％以上的區(qū)域供熱能源采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式產(chǎn)生。丹麥分布式發(fā)電量超過全部發(fā)電量的50％。上海、北京、廣州等大城市，10多年前就嘗試分布式供電，已有成功范例(參見教材)。2005年，我國(guó)首個(gè)分布式電力技術(shù)集成工程中心落戶廣州，標(biāo)志著我國(guó)分布式供電技術(shù)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性發(fā)展階段。分布式發(fā)電的發(fā)展應(yīng)用§10.6分布式發(fā)電工程實(shí)例（參見教材P191）國(guó)網(wǎng)山東電科院——新能源分布式發(fā)電及微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)示范工程（風(fēng)、光、儲(chǔ)、輔為一體的多能互補(bǔ)微電網(wǎng)工程，總?cè)萘拷咏?00kW）國(guó)網(wǎng)山東青島——國(guó)內(nèi)首個(gè)正式并網(wǎng)的居民分布式光伏電源——徐鵬飛的家庭小“發(fā)電廠”（總?cè)萘?kW）,發(fā)電收益超過了其家庭同期使用的電網(wǎng)公司電量的支出，實(shí)現(xiàn)了用電、賣電的收支平衡，意味其個(gè)人光伏電站開始盈利。美國(guó)海上能源島（容量250MW）第一部分小結(jié)分布式能源供電：某些中小型發(fā)電裝置靠近用戶側(cè)安裝，它既可獨(dú)立于公共電網(wǎng)直接為少量用戶提供電能，也可將其并入電力系統(tǒng)低壓配電網(wǎng)，與公共電網(wǎng)一起共同為用戶提供電能。將分布式發(fā)電供能系統(tǒng)以微電網(wǎng)形式接入到大電網(wǎng)運(yùn)行，與大電網(wǎng)互為支撐，是發(fā)揮分布式發(fā)電供能系統(tǒng)效能的最有效方式。分布式發(fā)電要想在電網(wǎng)中發(fā)揮更大的作用還面臨很多挑戰(zhàn)，需要在很多方面取得突破。本課程配套教材：《新能源發(fā)電技術(shù)》朱永強(qiáng)趙紅月，

機(jī)械工業(yè)出版社“十三五”國(guó)家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認(rèn)證系列規(guī)劃教材第10講分布式發(fā)電與能源互補(bǔ)第二部分互補(bǔ)發(fā)電新能源發(fā)電技術(shù)有多樣性，而且其變化規(guī)律不同，在大電網(wǎng)難以到達(dá)的邊遠(yuǎn)地區(qū)或隱蔽山區(qū)，一般可多種電源聯(lián)合運(yùn)行，讓各種發(fā)電方式在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)互為補(bǔ)充，通過其協(xié)調(diào)配合來提供穩(wěn)定可靠的、電能質(zhì)量合格的電力，這種多種電源聯(lián)合運(yùn)行的方式，就稱為互補(bǔ)發(fā)電?！?0.1分布式與互補(bǔ)發(fā)電概述§10.1.3互補(bǔ)發(fā)電的概念§10.1.4

互補(bǔ)發(fā)電的特點(diǎn)（1）可再生能源既可充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，又能克服本身不足。（2）對(duì)多種能源協(xié)調(diào)利用，可提高能源的綜合利用率。（3）電源供電質(zhì)量的提高，對(duì)補(bǔ)償設(shè)備的要求降低。§10.1.4互補(bǔ)發(fā)電的特點(diǎn)（4）合理的布局和配置，可充分利用土地和空間。（5）共用送變電設(shè)備和人員，可降低成本，提高運(yùn)行效率。§10.4風(fēng)能－太陽能互補(bǔ)發(fā)電§10.4.1風(fēng)-光互補(bǔ)的基礎(chǔ)我國(guó)屬季風(fēng)氣候區(qū)，很多地區(qū)風(fēng)能和太陽能有天然的季節(jié)互補(bǔ)性，適合采用風(fēng)-光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。在一些邊遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)，風(fēng)能資源豐富，且太陽能資源充足，聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行是解決供電問題的有效途徑。風(fēng)－光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)用電情況和資源條件進(jìn)行容量的合理配置，在保證系統(tǒng)供電可靠性的同時(shí)，還能減少占地，降低成本?！?0.4.2風(fēng)-光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配置風(fēng)－光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，一般由風(fēng)電機(jī)組、光伏電池組、儲(chǔ)能裝置、電力變換裝置、直流母線及控