电网氢储能场景下的固态储氢系统及储氢材料的技术指标研究

 摘要：目前固态储氢技术和储氢材料的研究大多以氢燃料电池汽车为应用导向,而电网氢储能应用场景与氢燃料电池汽车应用场景相差较大,电网氢储能亟需出台有关固态储氢技术及储氢材料的技术指标和发展目标。以电网氢储能场景下的固态储氢技术及储氢材料的技术指标为研究对象,首先通过分析电网氢储能系统上游电解水制氢和下游燃料电池的技术特点获得电网氢储能系统对氢气存储和释放的特性要求。在此基础上,结合固态储氢技术和储氢材料的技术发展现状,分析并确定了以电网氢储能为应用导向的固态储氢系统和储氢材料的技术指标和发展目标,从而指导未来以电网氢储能为应用导向的固态储氢技术及储氢材料的研究和开发。

0 引言

电网氢储能是一种将可再生能源电力转化成氢气储存起来的技术,它是一种清洁无污染、能量密度高、运行维护成本低、存储时间长、氢利用形式多样的新型大规模储能技术,可有效解决风能、太阳能等新能源发电稳定并网和弃风弃光问题,并能大幅度降低碳排放[1-6]。近年来,氢储能技术已成为全球研究的热点,并将在电网储能领域得到重要的应用。欧[7-13]、美[14-16]、日[17-18]以及其他国家[13,19-22]都将氢储能作为电网新能源应用长期的重点发展方向进行战略规划,并加大了研发投入,且目前已经有相当规模的氢能示范应用,国际上已有多个配合新能源接入使用的氢储能系统的示范项目,我国也积极探索氢储能系统的应用[23-28]。

本文的主要目的是研究并提出电网氢储能场景下的固态储氢技术和储氢材料的技术指标和发展目标。首先分析了氢储能系统中电解水制氢和燃料电池发电的技术特性,借以得出氢储能系统对氢气存储的特性要求。在此基础上,结合现有固态储氢技术及储氢材料的技术发展水平,分析并提出了电网氢储能场景下固态储氢系统和储氢材料的技术指标和发展目标。

1 氢储能技术概述

氢储能系统一般用可再生能源(太阳能、风能等)电力电解水制取氢气,并将氢气储存起来,待需要时通过燃料电池进行发电,其基本结构包括：电解水制氢系统、储氢系统、燃料电池发电系统、能量管理和控制系统等[1],如图1所示。

图1 氢能利用系统示意图

氢储能系统中电解水产生的氢气除通过燃料电池发电并网外,还可以作为氢燃料电池汽车和燃料电池备用电源的氢源,也可以用于楼宇/园区/家用氢燃料电池热电联供系统,还可以运输至化工厂作为化工原料,甚至还能掺入天然气管道中。

氢气的储存是氢储能系统的关键技术之一[1,3]。按照氢气的存在状态,储氢方式包括压缩气态储氢、低温液态储氢和固态储氢。压缩气态储氢是目前最常用的储氢方式,即将氢气以高压氢气的形式压缩在储氢罐中。高压气态储氢罐的体积一般非常庞大,且储存压力越低,所需要的储罐体积越大,因而一般通过提高储存压力来提高高压气态储氢罐的储氢密度。目前商业化的纤维缠绕复合储氢罐的储存压力可达70 MPa,体积储氢密度可达 35 kg H  m以上,但是成本较高。此外,高压气态储氢方式由于储存压力高导致安全性较低,并且消耗的压缩功也大。

基于储氢材料氢化/脱氢反应的固态储氢技术具有体积储氢密度大、工作压力低、安全性好等优点。表1对比了采用不同储氢罐储存480  Nm3氢气时的储氢特性。从储氢密度来看,固态储氢技术的体积储氢密度比压缩气态储氢大得多,是3 MPa大型储罐的10倍,是15 MPa标准钢瓶组的4倍,是35  MPa纤维缠绕罐的3倍。固态储氢具有比压缩气态储氢高得多的体积储氢密度,这可以大大节省安装空间,减少占地面积,特别适合对场所有严格限制的应用场合,如楼宇/园区/家用燃料电池热电联供系统、燃料电池备用电源、分布式氢储能系统等。

表1 几种储氢罐储存480 Nm3氢气时的储氢性能

固态储氢的工作压力低,安全性高,在电网系统中的应用潜力巨大。事实上,目前国际上已有部分氢能示范项目采用固态储氢技术。如表2所示,这些示范项目主要采用气态储氢和固态储氢2种方式,其中气态储氢有的采用低压气态储氢(如3  MPa),有的采用高压气态储氢(如20 MPa)[35],而固态储氢使用的储氢材料为镁基或者稀土系材料。

表2 部分氢能示范项目采用的储氢方式

近二三十年来,国际上针对固态储氢技术和储氢材料的基础研究和应用开发已经作了大量的工作[36-47],但是,这些研究大多以氢燃料电池汽车为应用导向,其研究目标大多是美国能源部提出的车载储氢系统的技术指标和发展目标[48]。然而,电网氢储能系统的运行环境与车载相差很大,电网氢储能用固态储氢技术及储氢材料有着不同于车载环境的技术要求,因此迫切需要开展以电网氢储能为应用导向的固态储氢技术及储氢材料的研究,而其关键在于电网氢储能场景下的固态储氢技术及储氢材料技术指标和发展目标的提出。

图2为本文内容的概览图。

2 氢储能系统对氢气存储释放的特性要求

表3 氢储能系统对储氢系统氢气存储释放的特性要求

为获得氢储能系统对氢气存储的特性要求,分析了电解水制氢技术的技术特性。按照电解槽的不同,电解水制氢技术可以分为碱性电解(AE)、固体聚合物电解质电解(SPE)和高温固体氧化物电解(SOEC)。碱性电解制氢通常采用浓度为20~40%的KOH溶液作为电解质,电解槽的工作温度约为80°C,产氢压力为0.1~3  MPa,实际电耗约为4.5~ 5.5 kW•h Nm H,系统制氢效率最高仅为30%。如果按照5 kW•h电量可电解产生1  Nm氢气计算,则碱性电解的产氢速率为0.2 Nm h (kW)。固体聚合物电解质电解制氢以固体高分子膜作为电解质,电解槽的工作温度约为80°C,电耗约为3.6~  3.8 kW•h Nm  H,系统制氢效率约为35%。高温固体氧化物电解制氢采用氧化钇掺杂的氧化锆陶瓷作为固体电解质,氧离子穿过固体电解质从阴极到达阳极,其工作温度高达800~1000°C,因此其效率也较高,系统制氢效率可达52%~59%。

碱性电解制氢是目前最成熟和应用最广泛的电解制氢技术,尤其在大规模制氢方面,已有较为广泛的应用。而固体聚合物电解制氢和高温固体氧化物电解制氢技术由于尚存在成本、技术等问题,目前还不适合大规模应用。因此,本文在分析电网氢储能系统对氢气存储的特性需求时,将主要考虑碱性电解制氢的技术参数作为参考标准。

为了获得氢储能系统对储氢系统氢气释放的特性要求,调研了燃料电池的技术特性。燃料电池可以将氢的化学能直接转化成电能,按电解质种类分类,燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。在电网氢储能应用领域中,应重点关注质子交换膜燃料电池,质子交换膜燃料电池也是目前较为常用的燃料电池,具有功率密度高、能量转换效率高、能低温启动、环保等优点[1]。

燃料电池的工作参数直接决定了储氢系统的供氢要求。1 kW的质子交换膜燃料电池的供氢速率约为0.84 Nm3  h-1,而燃料电池的供氢速率与功率呈正相关,因此质子交换膜燃料电池的供氢速率为0.84 Nm3  h-1(kW)-1。此外,质子交换膜燃料电池的工作温度约为80°C,供氢压力约为0.03~ 0.06  MPa。本文将采用质子交换膜燃料电池的工作参数作为分析储氢系统释氢特性要求的参考 标准。

同的环境温度(-40~60°C),所以储氢系统的工作温度范围为-40~85°C。对于吸氢压力、供氢压力、吸氢速率、供氢速率,主要取决于电解水制氢和燃料电池环节。对于循环寿命,主要考虑氢储能系统的使用寿命,假设一天平均循环吸放氢1次,1年使用300天,保证10年的使用年限,则循环寿命至少应为3000次。

3 电网氢储能场景下的固态储氢系统的技术指标

在参考车载储氢系统技术指标的基础上,全面考虑电解水制氢的产氢特性以及燃料电池的供氢特性要求,结合目前固态储氢技术的发展水平,分析并提出了电网氢储能用固态储氢系统的关键技术指标,包括近期目标(2015—2025)和远期目标(2025—2035)。

3.1 储氢密度

氢燃料电池汽车的储氢系统是移动式的,因此对储氢系统的储氢密度有着严格的要求,这种要求包括质量储氢密度和体积储氢密度。而电网氢储能设施一般是固定式的,对储氢系统的重量储氢密度要求不如车载储氢高。对于电网氢储能发电系统,往往受制于建造场所的空间,因此体积储氢密度是电网氢储能用固态储氢系统的一个关键技术指标。

固态储氢系统的体积储氢密度与储氢容量有关,若采用同样的结构和同样的储氢材料,则储氢容量越大,装置的体积储氢密度越高。以北京有色金属研究总院研制的500  Nm3固态储氢装置为例,其直径为560 mm,长度3500 mm,安装空间储氢密度为19 kg H2 m-3,罐体体积储氢密度约为 50 kg H  m,重量储氢密度约为1.4 wt%。这里的安装空间储氢密度是按照实际占用空间算得的储氢密度,即：储氢容量/能容纳储氢系统的最小长方体的体积。

由于固态储氢装置的体积储氢密度与储氢容量有关,容量越大,体积储氢密度越能做大。因此,在设定电网氢储能场景下的固态储氢系统的技术指标时,以储氢容量100  Nm3为基准,分别设定了安装空间储氢密度和罐体体积储氢密度。

目前,固态储氢技术的罐体体积储氢密度可达50 kg H2 m-3,安装空间储氢密度接近20 kg H2  m-3。因此,基于目前固态储氢技术的发展水平,储氢容量为100 Nm3的固态储氢系统的安装空间储氢密度,近期内应≥20 kg H2 m-3(即265 kW•h  m-3,按照氢气常温常压下的密度0.089 9 kg m-3以及燃料电池0.84 Nm3转化成1 kW•h电量计算,下同),远期应≥30 kg H2  m-3(即397 kW•h m-3),罐体体积储氢密度,近期内应≥50 kg H2m-3(即662 kW•h m-3),远期应≥60 kg H2  m-3(即795 kW•h m-3)。