[发明专利]一种耦合铝燃烧和氢燃料电池的发电系统及其工作方法

说明书

本发明公开了一种耦合铝燃烧和氢燃料电池的发电系统及其工作方法，该系统包括铝燃烧及氢燃料电池发电子系统和铝燃料电解再生子系统；本发明通过将基于铝燃料储能、铝燃烧发电、氢燃料电池和氧化铝电解制铝等进行有效地耦合，具有储能密度高、储能周期长可实现永久储存、燃料循环再生无消耗和便于开展全球能源贸易等优点。

技术领域

本发明属于绿色发电和先进储能技术领域，具体涉及一种耦合铝燃烧 和氢燃料电池的发电系统及其工作方法。

背景技术

随着全球大气污染和气候变暖形势的日趋严峻，传统的以化石能源为 主的发电系统将面临前所未有的压力和挑战。从世界范围来看，各国都在 努力提高自身电力结构中可再生能源发电的比例。未来，世界能源领域的 发展趋势必然是可再生能源逐步替代化石能源。然而，可再生能源由于自 身的间歇性、不稳定性和不确定性等特点，严重阻碍了可再生能源发电的 发展。未来要实现可再生能源替代化石能源，必须依赖大规模和长周期储能技术的发展和支撑。

目前，储能技术领域的研究十分活跃，各种储能技术迅猛发展，如抽 水蓄能、压缩空气储能、锂电池储能、超级电容器储能、飞轮储能、储氢 等。然而，现有的储能技术难以同时满足储能密度大、可移动性、自耗损 失小和全球能源贸易的要求。因此，需要开发一种新的储能技术，从而使 可再生能源发电在全世界范围内向更深、更广方向发展。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种耦合铝燃烧 和氢燃料电池的发电系统及其工作方法，该系统将基于铝燃料储能、铝燃 烧发电、氢燃料电池和氧化铝电解制铝等进行有效地耦合，具有储能密度 高、储能周期长可实现永久储存、燃料循环再生无消耗和便于开展全球能 源贸易等优点。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种耦合铝燃烧和氢燃料电池的发电系统，包括铝燃烧及氢燃料电池 发电子系统和铝燃料电解再生子系统；

所述铝燃烧及氢燃料电池发电子系统包括制粉装置1、铝水燃烧装置 2、气固分离装置3、混合工质透平4、发电机5、冷凝器6和氢燃料电池 7；铝燃料通过输送管路与制粉装置1的物料进口相连接，制粉装置1的 出口与铝水燃烧装置2的燃料进口相连接，铝水燃烧装置2的氧化剂进口 与氧化剂水输送管路相连接，在铝水燃烧装置2中，铝粉与水发生剧烈的 燃烧反应，反应方程式为2Al+3H₂O＝Al₂O₃+3H₂，反应过程中氧化剂水是 过量的，反应产物为固体Al₂O₃、蒸汽和氢气；铝水燃烧装置2的出口与 气固分离装置3的进口相连通，完成气固分离后，蒸汽和氢气的混合气体 经气固分离装置3的气体出口与混合工质透平4的进口相连通，高温高压 的混合气体在混合工质透平4中膨胀做功并带动发电机5旋转发电，发电 机5与混合工质透平4同轴连接，固体Al₂O₃经气固分离装置3的固体物 料出口进行收集；混合工质透平4的工质出口与冷凝器6的气体进口相连 接，混合工质中的水蒸气经冷凝后与氢气进行分离，冷凝器6的气体出口 与氢燃料电池7的氢气进口相连接，氢气在氢燃料电池7中发生电化学反 应向外提供电能；

所述铝燃料电解再生子系统包括运输装置8和氧化铝电解装置9；铝 与水燃烧反应生成的固体Al₂O₃经运输装置8运送到工业电解铝工厂，固 体Al₂O₃与氧化铝电解装置9的氧化铝物料进口相连接，氧化铝电解装置 9的另一个物料进口与助熔剂冰晶石输送管路相连接，氧化铝电解装置9 的电源与电网中富余的可再生能源电力供应10相连接，氧化铝在氧化铝 电解装置9中发生电解反应，在氧化铝电解装置9的阴极上又重新生成燃 料铝。

所述混合工质透平4的进口工质中蒸汽与氢气的质量比为(20-45)：1。

所述电网中富余的可再生能源电力供应10是电网中难以被利用的由 可再生能源发出的电。