“氫”風憑借力，助力碳中和

馬菡

北京航天動力研究所

|推薦單位|

北京熱物理與能源工程學會

有一種新的能源來源廣泛，幾乎可以取代我們現有的能源利用方式。它能驅動各種發(fā)動機，能以不同規(guī)模發(fā)電，還能進行能量存儲，同時還可以廣泛應用于運輸、工業(yè)、家庭等各個領域，且過程中不會產生任何有害排放。

它就是作為元素周期表的老大、宇宙中含量最多的物質——氫，它小小的身軀卻蘊含著巨大的能量。

它不僅是托舉神舟飛天、嫦娥攬月長征五號運載火箭的動力來源，還可以直接在燃料電池中通過電化學反應的方式將化學能直接轉變成電能，只產生熱量和水，若將此熱量進行合理利用，熱電聯(lián)供系統(tǒng)的效率可達90%以上，是能量效率最高的利用方式。

但是由于自然界中游離態(tài)的氫幾乎不存在，需要進行二次制取。雖然目前工業(yè)制氫技術已經成熟，只是如何采用最低的成本和最清潔的方式來制備、使用氫還需要進一步的科技攻 關。

憑借幾十年來在氫氧火箭發(fā)動機領域的技術積累，北京航天動力研究所從應用端出發(fā)，組建了燃料電池和氫能研究的國家隊，研發(fā)技術領域覆蓋了燃料電池電堆和系統(tǒng)、關鍵部件和測控系統(tǒng)，取得幾十余項發(fā)明專利，多項關鍵技術均處于國內領先水平。

團隊設計了“可再生能源制氫儲能+燃料電池發(fā)電的零碳氫能綜合利用”系統(tǒng)方案，以氫為媒介實現儲能，為解決可再生能源大規(guī)模消納問題及助推綠色氫能產業(yè)鏈形成和發(fā)展提供技術途徑。

將風能、水能、太陽能中波動性較高的難以直接利用的電力整合到電解制氫子系統(tǒng)中，得到氫并存儲起來。燃料電池子系統(tǒng)利用氫發(fā)電，電能可并網使用也可離網實現能源自持，氫還通過管道運輸等方式，送至加氫站，為燃料電池汽車、船舶等提供動力來源。

基于上述設計方案，中國航天科技集團北京航天動力研究所團隊建設了以燃料電池為核心的可再生能源微網系統(tǒng)示范工程。在有光照條件下，光伏發(fā)電經 MPPT 和電力變換器，供應用電設備，多余電能給蓄電池充電和電解水制氫。當光照不足時，燃料電池將氫能轉化為電能，供應負載用電需求。經驗證，系統(tǒng)的能量效率可達45%以上，按照每天8小時的工作時間，制氫量每天可達2.25千克。為可再生能源制氫儲能規(guī)?；a業(yè)化發(fā)展奠定了堅實的基礎。

燃料電池系統(tǒng)作為氫能利用的核心組成部分，一直是團隊研發(fā)工作的重點，主要由燃料電池電堆、空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、電子測控系統(tǒng)等部分組 成。

憑借航天人一直以來對技術的執(zhí)著追求，經過20多年的不斷耕耘，已研發(fā)出2?100千瓦燃料電池系統(tǒng)，并成功應用于陸、海、空、天各個領域。

氫利用率、系統(tǒng)控制策略、系統(tǒng)適用性等是評價燃料電池系統(tǒng)水平的關鍵因素。團隊通過優(yōu)化氫氣循環(huán)泵設計，實現氫氣利用率高于98%;解決了氫空壓差跟隨控制技術的難題，實現全工況氫空壓差小于20千帕，這兩項技術性能指標達到國際先進水平。由于燃料電池工作時產生的水會在低溫環(huán)境中結冰，破壞催化劑層，引起性能的衰減。因此目前低溫啟動是燃料電池亟待解決的關鍵問題之一。

針對這一難題，團隊制定了三步走戰(zhàn)略。第一步“吹”，停機后通過檢測交流阻抗等參數，制定合理的吹掃策略，排出電堆及管路內殘余水分;第二步“加”，通過電加熱器加熱小循環(huán)內冷卻液，電堆達到一定溫度后可以直接啟動。第三步“餓”，根據燃料電池的工作特性曲線，通過對空氣計量比進行控制，使陰極反應物產生饑餓，通過犧牲發(fā)電效率來換取發(fā)熱效率的增加，使電池快速升溫。

除了這三重保障，團隊還增加了一個利器，選取了帶有加熱破冰功能的排氫排液閥、泵頭等部組件，保證管路和組件內部不發(fā)生結冰堵塞。有了這重重保障，燃料電池系統(tǒng)就可以無懼嚴寒，實現零下30攝氏度低溫環(huán)境下的無損啟動。作為車用燃料電池系統(tǒng)，該項指標達到國內領先水平。

以100千瓦燃料電池系統(tǒng)為例，它可替代排量6.0的25座燃油大巴車的發(fā)動機，經測算每輛車百千米能減少約70千克的二氧化碳排放。應用氫燃料電池替代燃油動力，將助力交通運輸領域實現大規(guī)模深度脫碳。

據中國氫能聯(lián)盟發(fā)布的白皮書預測，在2060年碳中和背景下，我國氫氣的年需求量將增至1.3億噸，可再生能源制氫規(guī)模有望達到1億噸，氫能在中國終端能源體系占比將達到20%，屆時，每年可減少15億噸的碳排放，拉動超過33萬億元的經濟產值。