一种风电制氢储能的氢燃料复合电池及其发电方法技术

本发明专利技术公开了一种风电制氢储能的氢燃料复合电池及其发电方法。本发明专利技术根据风力大小有四种工作模式，当大风时采用风电制储氢发电模式，在额定功率内的风电用来为外电网发电，同时将剩余风电转换为氢气存储；当风力较小时时，采用全系统运行模式，将风电供给外电网，同时启动燃料电池发电系统，将储氢系统的氢能转化为电能；当风电质量较差时采用风电制氢燃料发电模式，风电只制氢同时燃料电池发电系统向外供电；当调度要求弃风时，采用燃料电池独立运行模式，燃料电池发电系统将存储的氢气转化为高品质电能馈送至电网。本发明专利技术能有效弥补风电等可再生能源发电间歇性、波动性的缺点，改善电场输出功率的可控性，提升发电的稳定性水平。

Hydrogen fuel composite battery capable of producing hydrogen by wind energy and power generation method thereof

The invention discloses a hydrogen fuel composite battery with wind energy hydrogen production energy storage and a power generation method thereof. The present invention has four working modes according to the size of the wind, when the wind power generation mode for hydrogen storage in the wind, the wind power rated power for power generation, while the remaining wind power into hydrogen storage; when the wind is small from time to time, with the whole system running mode, the wind power supply grid. At the same time start the fuel cell power generation system, the hydrogen storage system of hydrogen into electricity; wind power generation mode using hydrogen fuel when the wind power quality is poor, only the wind power and hydrogen fuel cell power generation system, the external power supply; when the scheduling requirements of abandoned wind, fuel cell using independent operation mode, the fuel cell power generation system will be stored the hydrogen into high-quality electric energy to feed the grid. The invention can effectively compensate for the intermittent and fluctuation of wind power and other renewable energy power generation, improve the controllability of the electric field output power, and improve the stability level of the power generation.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及直接碳燃料电池技术，具体涉及一种风电制氢储能的氢燃料复合电池及其发电方法。
技术介绍
能源是人类经济的支柱，也是社会活动的必须动力。目前主要通过热机获得社会活动所需的初级动力，然后转化为电能。由于热机受到卡诺循环的限制，效率提高较为困难，造成了能源浪费、污染排放增加等问题。因此开发高效、清洁的电能获取方式，称为能源发展的必然方向。风能等可再生能源自身特点决定了风电是典型的随机性、间歇性电源，然而随着风力发电规模的不断扩大，对电网的影响将更加显著，这已成为制约风电等可再生能源发电规模化发展的严重障碍。研究表明，储能技术具有动态吸收能量并适时平稳释放的特点，能有效弥补风电等可再生能源发电间歇性、波动性的缺点，改善电场输出功率的可控性，提升发电的稳定性水平。电化学储能系统能量密度大，响应时间长，不受地域限制，非常适用于风电的储能需求。电化学储能系统技术相对较成熟，其中，电解制氢复合储能系统具有大容量、长寿命、低成本及环境友好等优势，且其各主要组成部分的技术成熟度较高，在大规模电力储能领域具有较为广阔的应用前景。燃料电池是继火电、水电和核电之后的第4代发电技术，它是唯一兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和模块化特点的动力装置，被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。作为燃料电池的一种，氢燃料电池以氢气为燃料作还原剂，氧气作氧化剂，通过燃料的燃烧反应，将化学能转变为电能的电池，与原电池的工作原理相同。氢燃料电池工作时，向氢电极供应氢气，同时向氧电极供应氧气。氢气、氧气在电极上的催化剂作用下，通过电解质生成水，此时氢电极上有多余电子带负电，氧电极上由于缺少电子而带正电。接通电路后，这一类似于燃烧的反应过程就能连续进行。其具有如下特点：产物是水，清洁环保；容易持续通氢气和氧气，产生持续电流；能量转换率较高；排放废弃物少；噪音低。因此，氢氧燃料电池近年来受到人们的广泛关注。目前国内外氢燃料电池的相关专利的研究内容基本上围绕着燃料电池的结构设计、电极材料、反应装置、电解质组成优化以及氢气的制造与储存系统等方面。近年来，我国风电发展迅猛，截至2012年底风电装机达到7532万千瓦，全年发电量1004亿千瓦时，均居全球第一。风电装备产业也取得长足进步，技术水平逐步赶超世界先进。在风电发展取得了举世瞩目成绩的同时，风电消纳困难、弃风电量逐年增加的问题也凸显出来。但由于风电具有间歇性，不易控制和调度，风电上网难题仍没有取得突破性进展。随着科技创新和技术进步，储能技术和手段也不断丰富。相对于电化学和其它储能手段，利用风电电解水制氢、储氢成本相对较低，具有较高的推广价值。2014年，由中国节能环保集团公司负责的国家863“风电直接制氢及燃料电池发电系统技术研究与示范”项目，在中节能风电公司张北分公司建设风电场，制氢功率为100kW，燃料电池发电为30kW。2015年，由河北建投新能源有限公司投资，与德国McPhy、Encon等公司联合开展的中德合作示范项目，该项目在河北沽源投建10MW电解水制氢系统，配合200MW风电场制氢，项目建成后，可形成年制氢1752万标准立方米的生产能力，成为我国目前最大的风电制氢示范项目。加拿大的Smart是目前世界上利用电解水制氢和开发氢能汽车最为有名的公司，其开发的HESfp系统包括一个能日产氢25kg的碱性电解槽、一个能储存60kg氢的高压储氢罐和氢内燃机车，其用于汽车的氢能系统每小时可产氢3kg，能够为3辆巴士提供能量。Hmnilton是另一个有名的电解槽开发制造商，其ES系列利用PEM电解槽技术，可实现每小时产氢6～30Nm3，所制氢的纯度可达99.999％。由于电解槽造价还比较昂贵，尤其是PEM电解槽，使得制氢成本较其他制氢方式的成本高。当电解槽和太阳能电池联合使用制氢时，产氢成本约24～41USD/GJ，和风力发电机组联合使用时，制氢成本则降为11～20USD/GJ。
技术实现思路
为解决因风能的间歇性、波动性以及输电容量限制等因素导致的大规模弃风问题，本专利技术提供一种风电制氢储能的氢燃料复合电池及其发电方法，在电网用电负荷较低时，将风电直接制成氢气储存起来，在负荷系统处于用电高峰时，再将储存的氢气通过燃料电池转化为电能回馈给电网，为解决大规模风电储存提供一种新途径。本专利技术的一个目的在于提出一种风电制氢储能的氢燃料复合电池。本专利技术的风电制氢储能的氢燃料复合电池包括：风力发电机、电解制氢系统、压缩储氢系统、燃料电池发电系统、AC/DC整流器、DC/AC逆变器、变压器、升压器、负荷系统以及协调控制单元；其中，风力发电机、电解制氢系统、压缩储氢系统、燃料电池发电系统、AC/DC整流器、DC/AC逆变器和负荷系统分别连接至协调控制单元；风力发电机依次经变压器和升压器连接至外电网；风力发电机还经过AC/DC整流器连接至电解制氢系统；电解制氢系统连接至压缩储氢系统；压缩储氢系统连接至燃料电池发电系统；燃料电池发电系统连接至DC/AC逆变器，依次经变压器和升压器连接至外电网，DC/AC逆变器还连接至负荷系统；氢燃料复合电池包括四种工作模式：风电制储氢发电模式、全系统运行模式、风电制氢燃料发电模式和燃料电池独立运行模式；协调控制单元感知并判断风力大小，当风力达到高阈值以上时，采用风电制储氢发电模式，当风力处于高阈值与低阈值之间时，采用全系统运行模式，当风力不稳定或小于低阈值时，采用风电制氢燃料发电模式；当协调控制单元决定放弃风力时，采用燃料电池独立运行模式；在风电制储氢发电模式中，燃料电池发电系统不工作，只有风力发电机工作，并且风电一部分为外电网供电一部分产生氢气：风力发电机将风能转换为电能形成风电，在外电网的额定功率内的风电通过变压器和升压器输送至外电网；风电大于外电网的额定功率的那部分风电，传输至整流器；整流器将风电由交流转变成直流，传输至电解制氢系统，电解制氢系统利用风电产生氢气，输送至压缩储氢系统中存储；在全系统运行模式中，风力发电机和燃料电池发电系统一起工作，共同为外电网供电：风力发电机将风能转换为电能形成风电，通过变压器和升压器输送至外电网；同时，电解制氢系统将储存的氢气输送至燃料电池发电系统，燃料电池发电系统利用氢气产生直流电，DC/AC逆变器将直流电转换为交流电，通过变压器和升压器传输至外电网，或者直接传输至负荷系统；在风电制氢燃料发电模式中，风力发电机制备氢气，燃料电池发电系统发电：风力发电机将风能转换为电能形成风电，传输至整流器，整流器将风电由交流转变成直流，传输至电解制氢系统，电解制氢系统利用风电产生氢气，输送至压缩储氢系统中存储；同时，电解制氢系统将储存的氢气输送至燃料电池发电系统，燃料电池发电系统利用氢气产生直流电，DC/AC逆变器将直流电转换为交流电，通过变压器和升压器传输至外电网，或者直接传输至负荷系统；在燃料电池独立运行模式中，只有燃料电池发电系统工作，风力发电机停止工作：燃料电池发电系统利用存储在压缩储氢系统的氢气产生直流电，DC/AC逆变器将直流电转换为交流电，通过变压器和升压器传输至外电网，或者直接传输至负荷系统。进一步，本专利技术的氢燃料复合电池处于通信网络中，通过通信网络与中央协调控制系统进行数据交换和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风电制氢储能的氢燃料复合电池，其特征在于，所述氢燃料复合电池包括：风力发电机、电解制氢系统、压缩储氢系统、燃料电池发电系统、AC/DC整流器、DC/AC逆变器、变压器、升压器、负荷系统以及协调控制单元；其中，所述风力发电机、电解制氢系统、压缩储氢系统、燃料电池发电系统、AC/DC整流器、DC/AC逆变器和负荷系统分别连接至协调控制单元；所述风力发电机依次经变压器和升压器连接至外电网；风力发电机还经过AC/DC整流器连接至电解制氢系统；所述电解制氢系统连接至压缩储氢系统；所述压缩储氢系统连接至燃料电池发电系统；所述燃料电池发电系统连接至DC/AC逆变器，依次经变压器和升压器连接至外电网，DC/AC逆变器还连接至负荷系统；所述氢燃料复合电池包括四种工作模式：风电制储氢发电模式、全系统运行模式、风电制氢燃料发电模式和燃料电池独立运行模式；协调控制单元感知并判断风力大小，当风力达到高阈值以上时，采用风电制储氢发电模式，当风力处于高阈值与低阈值之间时，采用全系统运行模式，当风力不稳定或小于低阈值时，采用风电制氢燃料发电模式；当协调控制单元决定放弃风力时，采用燃料电池独立运行模式；在风电制储氢发电模式中，燃料电池发电系统不工作，只有风力发电机工作，并且风电一部分为外电网供电一部分产生氢气：风力发电机将风能转换为电能形成风电，在外电网的额定功率内的风电通过变压器和升压器输送至外电网；风电大于外电网的额定功率的那部分风电，传输至整流器；整流器将风电由交流转变成直流，传输至电解制氢系统，电解制氢系统利用风电产生氢气，输送至压缩储氢系统中存储；在全系统运行模式中，风力发电机和燃料电池发电系统一起工作，共同为外电网供电：风力发电机将风能转换为电能形成风电，通过变压器和升压器输送至外电网；同时，电解制氢系统将储存的氢气输送至燃料电池发电系统，燃料电池发电系统利用氢气产生直流电，DC/AC逆变器将直流电转换为交流电，通过变压器和升压器传输至外电网，或者直接传输至负荷系统；在风电制氢燃料发电模式中，风力发电机制备氢气，燃料电池发电系统发电：风力发电机将风能转换为电能形成风电，传输至整流器，整流器将风电由交流转变成直流，传输至电解制氢系统，电解制氢系统利用风电产生氢气，输送至压缩储氢系统中存储；同时，电解制氢系统将储存的氢气输送至燃料电池发电系统，燃料电池发电系统利用氢气产生直流电，DC/AC逆变器将直流电转换为交流电，通过变压器和升压器传输至外电网，或者直接传输至负荷系统；在燃料电池独立运行模式中，只有燃料电池发电系统工作，风力发电机停止工作：燃料电池发电系统利用存储在压缩储氢系统的氢气产生直流电，DC/AC逆变器将直流电转换为交流电，通过变压器和升压器传输至外电网，或者直接传输至负荷系统。...

【技术特征摘要】
1.一种风电制氢储能的氢燃料复合电池，其特征在于，所述氢燃料复合电池包括：风力发电机、电解制氢系统、压缩储氢系统、燃料电池发电系统、AC/DC整流器、DC/AC逆变器、变压器、升压器、负荷系统以及协调控制单元；其中，所述风力发电机、电解制氢系统、压缩储氢系统、燃料电池发电系统、AC/DC整流器、DC/AC逆变器和负荷系统分别连接至协调控制单元；所述风力发电机依次经变压器和升压器连接至外电网；风力发电机还经过AC/DC整流器连接至电解制氢系统；所述电解制氢系统连接至压缩储氢系统；所述压缩储氢系统连接至燃料电池发电系统；所述燃料电池发电系统连接至DC/AC逆变器，依次经变压器和升压器连接至外电网，DC/AC逆变器还连接至负荷系统；所述氢燃料复合电池包括四种工作模式：风电制储氢发电模式、全系统运行模式、风电制氢燃料发电模式和燃料电池独立运行模式；协调控制单元感知并判断风力大小，当风力达到高阈值以上时，采用风电制储氢发电模式，当风力处于高阈值与低阈值之间时，采用全系统运行模式，当风力不稳定或小于低阈值时，采用风电制氢燃料发电模式；当协调控制单元决定放弃风力时，采用燃料电池独立运行模式；在风电制储氢发电模式中，燃料电池发电系统不工作，只有风力发电机工作，并且风电一部分为外电网供电一部分产生氢气：风力发电机将风能转换为电能形成风电，在外电网的额定功率内的风电通过变压器和升压器输送至外电网；风电大于外电网的额定功率的那部分风电，传输至整流器；整流器将风电由交流转变成直流，传输至电解制氢系统，电解制氢系统利用风电产生氢气，输送至压缩储氢系统中存储；在全系统运行模式中，风力发电机和燃料电池发电系统一起工作，共同为外电网供电：风力发电机将风能转换为电能形成风电，通过变压器和升压器输送至外电网；同时，电解制氢系统将储存的氢气输送至燃料电池发电系统，燃料电池发电系统利用氢气产生直流电，DC/AC逆变器将直流电转换为交流电，通过变压器和升压器传输至外电网，或者直接传输至负荷系统；在风电制氢燃料发电模式中，风力发电机制备氢气，燃料电池发电系统发电：风力发电机将风能转换为电能形成风电，传输至整流器，整流器将风电由交流转变成直流，传输至电解制氢系统，电解制氢系统利用风电产生氢气，输送至压缩储氢系统中存储；同时，电解制氢系统将储存的氢气输送至燃料电池发电系统，燃料电池发电系统利用氢气产生直流电，DC/AC逆变器将直流电转换为交流电，通过变压器和升压器传输至外电网，或者直接传输至负荷系统；在燃料电池独立运行模式中，只有燃料电池发电系统工作，风力发电机停止工作：燃料电池发电系统利用存储在压缩储氢系统的氢气产生直流电，DC/AC逆变器将直流电转换为交流电，通过变压器和升压器传输至外电网，或者直接传输至负荷系统。2.如权利要求1所述的氢燃料复合电池，其特征在于，所述氢燃料复合电池处于通信网络中，通过通信网络与中央协调控制系统进行数据交换和逻辑判断。3.如权利要求1所述的氢燃料复合电池，其特征在于，所述电解制氢系统包括：变压器、整流柜、电解槽、气液处理器和气体纯化系统；其中，来自风力发电机的高压电经变压器和整流柜形成供电解槽电解的直流电；所述整流柜连接至协调控制系统，调节运行功率；直流电在电解槽中通过电解液在阴极和阳极之间流通，并发生电水解的化学反应，阳极产生氧气，阴极产生氢气；氢气和碱液混合物以及氧气和碱液混合物通过电解槽的出口分别进入各自的气液处理器中，气体与液体分开后，碱液经过滤后回流至电解槽，氢气和氧气分别经分离洗涤后气体纯化系统中储存。4.如权利要求1所述的氢燃料复合电池，其特征在于，所述压缩储氢系统包括：氢气缓冲罐、储气压缩机和多个储氢罐；其中，来自电解制氢系统的气体纯化系统的氢气，经氢气缓冲罐...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚斌，李晓峰，史卫泽，
申请(专利权)人：北京鑫海港亿科技有限公司，北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11