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CN2893940Y - 可再生能源与燃料电池耦合发电装置 - Google Patents

可再生能源与燃料电池耦合发电装置 Download PDF

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CN2893940Y CNU2005200430896U CN200520043089U CN2893940Y CN 2893940 Y CN2893940 Y CN 2893940Y CN U2005200430896 U CNU2005200430896 U CN U2005200430896U CN 200520043089 U CN200520043089 U CN 200520043089U CN 2893940 Y CN2893940 Y CN 2893940Y
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胡里清
夏建伟
付明竹
章波
郭伟良
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Shanghai Shenli Technology Co Ltd
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Shanghai Shen Li High Tech Co Ltd
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Abstract

本实用新型涉及可再生能源与燃料电池耦合发电装置，包括可再生能源发电系统、电解水制氢系统、燃料电池发电系统，所述的可再生能源发电系统发出的电力通过电解水制氢系统制成氢气，该氢气提供给燃料电池发电系统作为燃料。与现有技术相比，本实用新型既可以充分利用与节约能源，又可以有效缓解用电高峰时刻用电紧张的状况，是一种很有发展前途的发电装置。

Description

可再生能源与燃料电池耦合发电装置
技术领域
本实用新型涉及发电装置，尤其涉及可再生能源与燃料电池耦合发电装置。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池既可以用作车、船等运载工具的动力系统，又可以用作移动式或固定式的发电站。
目前，我国电力能源工业的主要发展方式依然是“大机组，大电厂，大电网”，其中新增电力能源主要依靠燃煤、燃气、火力发电为主。
但是这种以大量消耗不可再生能源的发电方式不可能持续支撑国家的经济高速增长，我国的经济、社会可持续发展正遇到前所未有的严峻挑战。
分布式供电是相对于传统的集中式供电方式而言的，是指将发电系统以小规模(数百瓦至数百千瓦的小型模块)的方式布置在用户附近。因分布式供电电源的特殊而具有良好的环保性能，与集中供电电站相比，分布式供电具有以下优势：没有或有很低的输配电损耗；无需建设配电站，可避免增加输配电成本；各电站相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模停电事故，供电的可靠性高。
目前新能源主要指包括太阳能、风能、潮汐能等在内的可再生能源，可再生能源对于环境没有污染，并且取之不尽用之不竭，它将成为未来能源的主体。但是上述可再生能源也存在着非常明显的缺点，如，风能发电受到风力大小的影响非常明显，它无法随着人们用电负荷的变化而改变其发电功率。有时候风较大，但是用电负荷较小，多余的能量就无法利用，有些时候风又较小甚至没有风，此时又有较大的用电负荷，所提供的电力也就无法满足人们的用电需求。太阳能和潮汐能发电也存在类似的缺陷，其发电功率与用电负荷无法同步响应。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种既可以充分利用与节约能源，又可以有效缓解用电高峰时刻用电紧张状况的可再生能源与燃料电池耦合发电装置。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：可再生能源与燃料电池耦合发电装置，其特征在于，包括可再生能源发电系统、电解水制氢系统、燃料电池发电系统，所述的可再生能源发电系统发出的电力通过电解水制氢系统制成氢气，该氢气提供给燃料电池发电系统作为燃料。
所述的可再生能源发电系统所使用的可再生能源包括风能、太阳能、潮汐能。
所述的电解水制氢系统包括电解水制氢站、氢压机、高压储氢槽，所述的电解水制氢站与氢压机连接，该氢压机与高压储氢槽连接。
还包括直流-直流变换装置，所述的可再生能源发电系统发出的电力通过该直流-直流变换装置后为电解水制氢系统供电生产氢气。
还包括直流-直流逆变装置，所述的可再生能源发电系统与燃料电池发电系统同时工作，通过该直流-直流逆变装置向用户或电网供电。
还包括中央控制器，该中央控制器采用CAN通讯方式，将上述各个系统进行监控，并根据用户或电网的用电功率需求采用一种或多种工作模式。
本实用新型采用一种实用型分布式地面电站，就是将太阳能、风能或潮汐能等可再生能源发电站与燃料电池发电站耦合发电，从而弥补因天气等自然原因造成的供电不足。可再生能源可通过电解制得氢气并用氢作为中间载能体来调节、贮存转化能量，使得对用户的能量供应更为灵活方便。供电系统在低谷时，富余电能也可用于电解水制氢，达到储能的目的。通过这种可再生能源发电站与燃料电池发电站耦合的方式削峰填谷，充分利用了能源，既可以节约能源，又可以有效缓解用电高峰时刻的用电紧张状况。
通过与燃料电池发电站耦合，风能等可再生能源发电站的发电能力对于天气等自然因素的依赖程度可以有效降低。供电系统启动速度加快，寿命加长，节约能源的同时，对于环境零污染，也无二次污染。
可再生能源发电可以是小型的风能、太阳能等发电，通过与质子交换膜燃料电池联合发电，解决了风能、太阳能等可再生能源发电的不足之处，例如：当风力、太阳光较大充足时，可以直接给用户、电网供电，并可以通过水电解制氢装置将过量的电力通过电解水制成氢气，以氢能的方式储存起来。一般来说，这种水电解制氢技术与装置是目前国内、外很成熟的商业化产品。当风力、太阳光不充足时，或完全中断时，氢气加燃料电池就可以起动为用户或电网供电；或当用户、电网处于用电高峰时，氢气加燃料电池也可以帮助调峰。
这种分布式发电系统工作模式主要有：
1.风能或太阳能等发电系统直接为用户或电网供电；
2.同时将过量充足的风力、太阳能等可再生能源利用电解水制氢将氢气储存起来；
3.当风力或太阳光不充足时，或完全中断时，或用户、电网用电处于高峰时，氢气与燃料电池起动为用户或电网供电，同时生成纯净水，循环利用，返回电解水制氢所需要的水。
附图说明
图1为本实用新型可再生能源与燃料电池耦合发电装置的工作原理图。
具体实施方式
实施例
如图1所示，一种0.1～30KW的太阳能与质子交换膜燃料电池联合发电的分布式发电系统由以下子系统构成，并按图1的联合发电原理进行系统整合运行：
A.太阳能发电系统1，由现在产业化的太阳能电池板串、并联而成，发电功率为0.1～30KW，输出电压为300V，电流为0～100A；
B.大功率太阳能电池(0.1～30KW)的直流-直流变换、直流-交流逆变装置2，输出电力直接为用户、电网供电，输入电压、电流为直流300V、100A；输出电压、电流为交流220V、50HZ、140A；
C.大功率太阳能电池(0.1～30KW)的直流-直流变换装置3，输入电压、电流为直流300V、100A，输出电力为电解水制氢装置供电，直流5V、6000A，进行电解水制氢；
D.隔膜式电解水制氢装置，例如：成熟的Stuart Energy市场产品电解水制氢站4，产氢能力为10～300升/分钟；
E.成熟的市场产品隔膜泵高压氢压机5，将电解水制成的氢压缩到高压储氢容器中，压缩压力达300个大气压；
F.高压储氢容器为市场上成熟的50～100升的铝内胆、碳纤维缠绕、环氧树脂浸渍的高压储氢罐6，工作压力为100～300个大气压，数量为10～100只；
G.0.1～30KW质子交换膜燃料电池7，该燃料电池以氢为燃料，以空气为氧化剂，额定输出电压、电流为直流300V、100A。
本实施例的工作模式有：
a.1经过2，直接为用户、电网供电；
b.1经过2，直接为用户、电网供电；同时经过3为4供电生产氢气；
c.生产的氢气通过5压缩并储存到6中；
d.用户、电网用电高峰时，由7同时工作，通过2合并供电；
e.由7单独通过2向用户、电网供电。
本实施例中的整个系统有一个中央控制器，采用CAN通讯方式，将上述各个子系统进行监控与控制，并根据电网、用户的用电功率需求的实际情况采取上述a～e中的一种或多种模式。

Claims (6)

1.可再生能源与燃料电池耦合发电装置，其特征在于，包括可再生能源发电系统、电解水制氢系统、燃料电池发电系统，所述的可再生能源发电系统发出的电力通过电解水制氢系统制成氢气，该氢气提供给燃料电池发电系统作为燃料。
2.根据权利要求1所述的可再生能源与燃料电池耦合发电装置，其特征在于，所述的可再生能源发电系统所使用的可再生能源包括风能、太阳能、潮汐能。
3.根据权利要求1所述的可再生能源与燃料电池耦合发电装置，其特征在于，所述的电解水制氢系统包括电解水制氢站、氢压机、高压储氢槽，所述的电解水制氢站与氢压机连接，该氢压机与高压储氢槽连接。
4.根据权利要求1所述的可再生能源与燃料电池耦合发电装置，其特征在于，还包括直流-直流变换装置，所述的可再生能源发电系统发出的电力通过该直流-直流变换装置后为电解水制氢系统供电生产氢气。
5.根据权利要求1所述的可再生能源与燃料电池耦合发电装置，其特征在于，还包括直流-直流逆变装置，所述的可再生能源发电系统与燃料电池发电系统同时工作，通过该直流-直流逆变装置向用户或电网供电。
6.根据权利要求1或7所述的可再生能源与燃料电池耦合发电装置，其特征在于，还包括中央控制器，该中央控制器采用CAN通讯方式，将上述各个系统进行监控，并根据用户或电网的用电功率需求采用一种或多种工作模式。
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