化学储能系统：燃料电池与电能转化为气体及电化学储能

# 化学储能系统：燃料电池与电能转化为气体及电化学储能 ## 1. 燃料电池性能参数与类型对比 燃料电池的性能可以通过多个参数来衡量，如工作温度、发电功率、电池效率和每千瓦成本等。以下是一些常见燃料电池类型的性能参数对比表格： | FC类型 | 电解质 | 功率 (W) | 工作温度 (°C) | 效率 (%) - 电池 | 效率 (%) - 系统 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | 直接甲醇FC | 聚合物膜 (离聚物) | 100 W - 1 kW | 90 - 120 | 20 - 30 | 10 - 25 | | 重整甲醇FC | 聚合物膜 (离聚物) | 5 W - 100 kW | 250 - 300 | 50 - 60 | 25 - 40 | | 质子交换膜FC | 聚合物膜 (离聚物) | 1 W - 500 kW | 50 - 100 | 50 - 70 | 30 - 50 | | 磷酸FC | 熔融磷酸 (H₃PO₄) | <10 MW | 150 - 200 | 55 | 40 和热电联产 90 | | 固体酸FC | H⁺传导的含氧阴离子盐 (固体酸) | 10 W - 1 kW | 200 - 300 | 55 - 60 | 40 - 45 | | 熔融碳酸盐FC | 熔融碱性碳酸盐 | 100 MW | 600 - 650 | 55 | 45 - 55 | | 平板固体氧化物FC | O²⁻传导的陶瓷氧化物 | <100 MW | 500 - 1,100 | 60 - 65 | 55 - 60 | | 管状固体氧化物FC (TSOFC) | O²⁻传导的陶瓷氧化物 | <100 MW | 850 - 1,100 | 60 - 65 | 55 - 60 | 电池效率指的是单个燃料电池元件的效率，而系统效率则表示包含所有组件的整个系统的效率。 ## 2. 电能转化为气体 (PtG) 技术 ### 2.1 原理 PtG技术的核心概念是将电能转化为以氢气和/或甲烷形式存在的化学能（气体能量）。该技术可以有效解决可再生能源（如风能和太阳能）发电的间歇性问题，应对电力过剩和不足的情况。其主要过程如下： 1. **水电解**：利用电网中的剩余电能，通过电解装置将水分解为氢气和氧气，化学反应式为 \(H₂O → H₂ + ½O₂\)。常见的电解技术有碱性 (AEL)、聚合物电解质膜 (PEM) 和固体氧化物电解 (SOEC) 三种。 2. **氢气储存**：由于可再生能源供电的波动性，临时氢气储存至关重要。以下是几种常见的氢气储存方法： - 低温压缩液态氢气罐：存在持续的气体泄漏问题，且隔热成本高，不太适合PtG系统。 - 物理储存：通常是地下洞穴，是所有储存方法中最便宜的选择，适合大容量、长期的氢气储存，但不适合小型PtG系统。 - 高压圆柱形气体罐：是临时氢气储存的最佳选择。 - 金属混合罐：是高压圆柱形气体罐的替代方法。 3. **甲烷化**：该过程是合成天然气（即甲烷，CH₄）的过程。甲烷化需要二氧化碳 (CO₂) 或一氧化碳 (CO)，这些可以从生物碳源（如沼气）或工业过程中获得。相关化学反应式如下： - \(CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O\) - \(CO + 3H₂ → CH₄ + H₂O\) 甲烷化可以在生物或催化的甲烷化反应器中进行，例如使用镍作为催化剂。PtG技术产生的氢气和甲烷可以混合形成混合天然气 (CNG)，并集成到天然气基础设施中。 ### 2.2 应用 PtG系统产生的天然气可用于固定电力应用，如热电联产 (CHP) 厂和小型工业，分别使用燃气轮机 (GTs) 和微型涡轮机。 #### 2.2.1 燃气轮机 燃气轮机设计用于为大多数CHP应用和区域供热系统提供高质量的热输出，是商业和工业终端用户的经济有效替代方案和可靠的发电设备。其技术主要基于布雷顿热力学循环，主要组件包括压缩机、燃烧室、燃气发生器涡轮机、动力涡轮机和发电机。简单循环工业燃气轮机的电气效率在25% - 40%之间，大型燃气轮机采用联合循环可将电气效率提高到约60%。通过热回收可以进一步提高电气效率，例如利用热回收蒸汽发生器 (HRSG) 产生蒸汽驱动蒸汽轮机发电。 #### 2.2.2 微型涡轮机 微型涡轮机是小型燃气轮机的一种，其工作原理与大型燃气轮机相同，但设计上使用回热器回收部分废气热量来预热燃烧空气。空气通过压缩机吸入并与燃料（天然气、汽油、柴油和酒精）混合，然后点火驱动涡轮机并旋转发电机（如同步发电机和永磁发电机），转速可达120,000 rpm。 ### 2.3 PtG技术流程图 ```mermaid graph LR A[可再生能源] --> B[电网] B --> C[水电解器] C --> D[氢气] C --> E[氧气] D --> F[氢气储存] G[CO₂源] --> H[甲烷化] F --> H H --> I[甲烷] I --> J[天然气基础设施] D --> K[燃料电池车辆等] I --> K ``` ## 3. 电化学储能系统 电化学储能 (EcES) 系统技术成熟，可将电能以化学能的形式储存，并通过电化学反应以电能的形式释放。它包括各种类型的电池储能 (BES)，如传统二次（可充电）电池和液流电池。 ### 3.1 传统二次BES技术 #### 3.1.1