[实用新型]一种风电制氢储能的氢燃料复合电池

说明书

技术领域

本实用新型涉及氢燃料电池技术，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。

背景技术

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。

发明内容

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，本实用新型提供一种风电制氢储能的氢燃料复合电池，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。