未來(lái)的能源系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)成能夠應(yīng)對(duì)氣候變化，以及應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的能源需求以及日益增長(zhǎng)的世界人口的交通和能源需求等社會(huì)挑戰(zhàn)。燃料電池可能是這個(gè)難題的重要組成部分。
燃料電池技術(shù)的潛力令人信服，氫作為整個(gè)能源系統(tǒng)中的存儲(chǔ)介質(zhì)也是如此。使用和推廣該技術(shù)的強(qiáng)烈論據(jù)是高可靠性、可擴(kuò)展性以及使用可再生能源的能力。
憑借其模塊化設(shè)計(jì)，燃料電池系統(tǒng)可輕松適應(yīng)輸出功率與需求的匹配，其低維護(hù)要求和低運(yùn)行成本也使其具有吸引力。此外，燃料電池技術(shù)已準(zhǔn)備好推向市場(chǎng)并適合商業(yè)用途�？焖侔l(fā)展的市場(chǎng)為零排放燃料電池技術(shù)提供了良好的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。
燃料電池如何工作
與內(nèi)燃機(jī)相比，燃料電池的工作方式有所不同。它們將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，然后可用于驅(qū)動(dòng)越來(lái)越多的電氣系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)換比內(nèi)燃機(jī)更有效，因?yàn)槭∪チ顺Ｒ?guī)能量轉(zhuǎn)換器（熱機(jī)）所需的中間熱機(jī)械步驟。
當(dāng)所使用的燃料是可再生產(chǎn)生的氫氣時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生最大的加分值，因?yàn)樗墒刮廴疚锖蛯?duì)氣候造成破壞的氣體排放量都減少到零。這樣，燃料電池具有巨大的潛力，可以成為推進(jìn)和能源系統(tǒng)脫碳的必要技術(shù)組件。
低溫質(zhì)子交換膜燃料電池或PEM（有時(shí)稱為聚合物電解質(zhì)膜燃料電池）目前代表著最合適的技術(shù)，用于開(kāi)發(fā)和發(fā)展羅爾斯·羅伊斯動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)品組合。這種低溫燃料電池具有很高的功率密度，即使是很小的單元也可以實(shí)現(xiàn)可觀的輸出。
低溫燃料電池的最高工作溫度約為100攝氏度，對(duì)材料和人員的危害最小，而高溫燃料電池則可達(dá)到250攝氏度至1,000攝氏度。與其他類型的PEM相比，PEM具有良好的負(fù)載跟蹤特性，因此它可以在幾秒鐘內(nèi)響應(yīng)電源需求的變化。
緊湊型PEM燃料電池的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其非常高的電效率。它們通常使用氫燃料作為燃料。但是，它們可以使用多種烴類燃料（例如甲醇，柴油或天然氣）運(yùn)行。這是通過(guò)使用眾所周知的重整技術(shù)將燃料轉(zhuǎn)化為氫氣來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這為PEM燃料電池提供了非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
PEM燃料電池是一種原電池，可以使燃料和氧化劑（通常是空氣）發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，以產(chǎn)生電和廢氣（圖1）。它運(yùn)行安靜，沒(méi)有太多的振動(dòng)。類似于電池，燃料電池也產(chǎn)生直流電壓。然而，與電池不同，燃料電池需要恒定的燃料和氧化劑流入。
對(duì)于PEM燃料電池，化學(xué)過(guò)程發(fā)生在電極（陽(yáng)極和陰極）之間，其中正離子（質(zhì)子）從陽(yáng)極遷移到陰極，并且電子通過(guò)電從陽(yáng)極向外傳導(dǎo)到陰極導(dǎo)體。該過(guò)程的產(chǎn)物是可以提取和使用的電能。電極涂有鉑或鈀催化劑，并通過(guò)電解質(zhì)彼此隔開(kāi)。沒(méi)有催化劑，氫和氧將不會(huì)發(fā)生反應(yīng)以產(chǎn)生熱量和電能。電解質(zhì)由離子導(dǎo)電膜組成，重要的是該膜對(duì)于質(zhì)子而言是可滲透的，而對(duì)于電子而言則不可滲透。
完善成熟的技術(shù)
“聚合物電解質(zhì)膜燃料電池”表示該膜是該燃料電池的關(guān)鍵特征。它通常由塑料制成，類似于特氟龍。充當(dāng)電解質(zhì)的水飽和聚合物膜僅允許質(zhì)子（帶正電的氫原子核）從陽(yáng)極穿過(guò)到陰極。該離子傳導(dǎo)所需的膜中的水含量負(fù)責(zé)將操作溫度限制為最大100℃。近年來(lái)，催化劑所需的貴金屬（例如鉑）的量一直在穩(wěn)定減少。這已經(jīng)導(dǎo)致成本大幅度降低，并且仍然是開(kāi)發(fā)工作的重點(diǎn)。
對(duì)于羅爾斯·羅伊斯動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用而言，PEM燃料電池是理想的選擇，這歸功于其高功率密度，高可擴(kuò)展性，模塊化設(shè)計(jì)能力以及由此帶來(lái)的靈活性。例如，燃料電池可以直接內(nèi)置在電池供電或電氣化的能源系統(tǒng)中。該電池可實(shí)現(xiàn)高電效率（約50％）和高電流密度，并且使用非常安全。這使其不僅適合用作固定電源，例如以應(yīng)急發(fā)電機(jī)或不間斷電源的形式，還可以在船上使用作為移動(dòng)電源。
為了進(jìn)一步提高功率密度，當(dāng)今的燃料電池系統(tǒng)有時(shí)會(huì)配備空氣壓縮機(jī)或電動(dòng)渦輪增壓器。與內(nèi)燃機(jī)一樣，壓縮機(jī)或渦輪增壓器將空氣以2 bar至3 bar的壓力泵入空氣系統(tǒng)。幾個(gè)串聯(lián)的單個(gè)燃料電池可以串聯(lián)形成一個(gè)堆，從而提高了電壓。為了獲得更高的性能，堆棧也可以并聯(lián)連接。這將產(chǎn)生的電流量增加到串行連接所產(chǎn)生的電流的倍數(shù)。
在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用燃料電池技術(shù)時(shí)，羅爾斯·羅伊斯動(dòng)力系統(tǒng)公司吸收了深厚的專業(yè)知識(shí)和多年的經(jīng)驗(yàn)（圖2）。從1999年到2011年，共安裝了26個(gè)高溫燃料電池系統(tǒng)，即熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），并在各種應(yīng)用領(lǐng)域中成功運(yùn)行。電力和加壓蒸汽的結(jié)合被廣泛用于工業(yè)和衛(wèi)生部門的過(guò)程中。該系統(tǒng)平均運(yùn)行約22,000小時(shí)，并且已記錄并分析了所有性能數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)值。盡管當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)條件和總體框架不支持全面生產(chǎn)，但現(xiàn)在所有指示燈都變?yōu)榫G色，可以將PEM燃料電池引入大眾市場(chǎng)，作為驅(qū)動(dòng)力的替代來(lái)源。
燃料電池應(yīng)用
它們的特征意味著PEM燃料電池適用于當(dāng)前由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的各種應(yīng)用。其中，燃料電池可以在零碳數(shù)據(jù)中心，需求響應(yīng)和船舶推進(jìn)系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心是全球安全關(guān)鍵基礎(chǔ)架構(gòu)的一部分，包括醫(yī)院，機(jī)場(chǎng)和電信中心。許多數(shù)據(jù)中心使用柴油發(fā)電機(jī)組提供應(yīng)急電源�；剂希ú裼停┑娜紵豢杀苊獾貙�(dǎo)致廢氣排放。如果使用燃料電池作為備用電源，那么散發(fā)出來(lái)的只有熱量和潮濕的廢空氣。燃料電池系統(tǒng)沒(méi)有活動(dòng)部件，從而最大程度地減少了機(jī)械維護(hù)。燃料電池也比基于發(fā)動(dòng)機(jī)的備用系統(tǒng)更高效。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以輕松擴(kuò)展燃料電池系統(tǒng)的規(guī)模。更多的模塊意味著更多的功率，燃料電池系統(tǒng)可以在以后輕松添加并隨數(shù)據(jù)中心一起發(fā)展。
需求響應(yīng)。為了增加可再生能源的使用，需要高度的靈活性。當(dāng)存在多余的風(fēng)能或太陽(yáng)能時(shí)，不是減少生產(chǎn)，而是可以利用電能通過(guò)電解產(chǎn)生氫，并將其存儲(chǔ)起來(lái)。在需要時(shí)，可以借助燃料電池系統(tǒng)以電的形式在短時(shí)間內(nèi)再次提供這種能量。使用智能電網(wǎng)進(jìn)行的負(fù)載管理或“需求響應(yīng)”活動(dòng)可能是將能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為可持續(xù)生產(chǎn)方式的關(guān)鍵因素之一。
將PEM燃料電池與電池結(jié)合使用的需求響應(yīng)解決方案是穩(wěn)定電網(wǎng)和緩沖功率峰值的理想選擇。即使可再生能源的發(fā)電量較低，消費(fèi)者也可以使用該系統(tǒng)滿足他們的要求。PEM燃料電池發(fā)電機(jī)提供了連接到本地操作系統(tǒng)或微電網(wǎng)的能力。
船舶推進(jìn)。替代性的推進(jìn)系統(tǒng)是有吸引力的，不僅對(duì)于汽車和卡車，而且對(duì)于船舶都是必要的。航運(yùn)占全球CO 2排放量的2％至3％，并且隨著全球貿(mào)易的增加，這一比例到2050年將顯著增加。車載燃料電池系統(tǒng)具有眾多優(yōu)勢(shì)。除了具有可持續(xù)性和環(huán)境友好性外，基于燃料電池的船舶推進(jìn)系統(tǒng)還因其高水平的乘客舒適度和高度模塊化而受到青睞。它們安靜，不產(chǎn)生臭味的廢氣，并且?guī)缀鯚o(wú)振動(dòng)。這種無(wú)排放的推進(jìn)系統(tǒng)使船舶可以在海洋，湖泊和河流地區(qū)使用，而這些地區(qū)由于不利的環(huán)境影響而無(wú)法使用某些其他系統(tǒng)。
燃料電池船用推進(jìn)系統(tǒng)由幾個(gè)部分組成。該系統(tǒng)的核心是燃料電池，它將氫轉(zhuǎn)化為電能。該功率通過(guò)車載配電系統(tǒng)饋送到大型用戶，例如驅(qū)動(dòng)螺旋槳和絞盤(pán)的電動(dòng)機(jī)，還饋送到較小的“家庭”用戶。車載配電系統(tǒng)還具有一個(gè)電力存儲(chǔ)設(shè)備（通常是鋰離子電池）來(lái)臨時(shí)存儲(chǔ)電力。該電池允許在發(fā)電和耗電之間存在一定的時(shí)間間隔，因此開(kāi)辟了對(duì)單個(gè)組件進(jìn)行定時(shí)操作以實(shí)現(xiàn)最大效率的可能性。這需要用于控制各個(gè)組件的智能電源管理系統(tǒng)。
燃料電池展望
考慮到污染物排放和氣候保護(hù)要求，燃料電池技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。當(dāng)充分利用可再生能源以實(shí)現(xiàn)低排放，零碳的電力和熱量生產(chǎn)時(shí)，與其他系統(tǒng)相比，燃料電池在效率方面處于領(lǐng)先地位，因此對(duì)于各種燃料電池來(lái)說(shuō)，它都是極具吸引力的主張應(yīng)用程序。即使在今天，燃料電池仍可用于確保固定的獨(dú)立設(shè)施以及為陸上車輛和船舶提供動(dòng)力的移動(dòng)設(shè)備中的高效能源供應(yīng)。氫燃料電池的最大優(yōu)勢(shì)在于，無(wú)論使用船舶還是固定式發(fā)電廠，在使用綠色氫的情況下，CO 2排放均可以減少至零。