[實用新型]一種風電制氫儲能的氫燃料復合電池

有效

• 申請號: 201720853961.6
• 申請日: 2017-07-14
• 公開（公告）號: CN207010249U
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發明（設計）人: 王亞斌;李曉峰;史衛澤
• 申請（專利權）人: 北京理工大學;北京鑫海港億科技有限公司
• 主分類號: H02J3/32
• 分類號: H02J3/32;H02J3/38;H01M8/0656
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙)11360
• 代理人: 王巖

技術領域

本實用新型涉及氫燃料電池技術，具體涉及一種風電制氫儲能的氫燃料復合電池及其發電方法。

背景技術

能源是人類經濟的支柱，也是社會活動的必須動力。目前主要通過熱機獲得社會活動所需的初級動力，然后轉化為電能。由于熱機受到卡諾循環的限制，效率提高較為困難，造成了能源浪費、污染排放增加等問題。因此開發高效、清潔的電能獲取方式，稱為能源發展的必然方向。

風能等可再生能源自身特點決定了風電是典型的隨機性、間歇性電源，然而隨著風力發電規模的不斷擴大，對電網的影響將更加顯著，這已成為制約風電等可再生能源發電規模化發展的嚴重障礙。研究表明，儲能技術具有動態吸收能量并適時平穩釋放的特點，能有效彌補風電等可再生能源發電間歇性、波動性的缺點，改善電場輸出功率的可控性，提升發電的穩定性水平。

電化學儲能系統能量密度大，響應時間長，不受地域限制，非常適用于風電的儲能需求。電化學儲能系統技術相對較成熟，其中，電解制氫復合儲能系統具有大容量、長壽命、低成本及環境友好等優勢，且其各主要組成部分的技術成熟度較高，在大規模電力儲能領域具有較為廣闊的應用前景。

燃料電池是繼火電、水電和核電之后的第4代發電技術，它是唯一兼備無污染、高效率、適用廣、無噪聲和具有連續工作和模塊化特點的動力裝置，被認為是21世紀最有發展前景的高效清潔發電技術。作為燃料電池的一種，氫燃料電池以氫氣為燃料作還原劑，氧氣作氧化劑，通過燃料的燃燒反應，將化學能轉變為電能的電池，與原電池的工作原理相同。

氫燃料電池工作時，向氫電極供應氫氣，同時向氧電極供應氧氣。氫氣、氧氣在電極上的催化劑作用下，通過電解質生成水，此時氫電極上有多余電子帶負電，氧電極上由于缺少電子而帶正電。接通電路后，這一類似于燃燒的反應過程就能連續進行。其具有如下特點：產物是水，清潔環保；容易持續通氫氣和氧氣，產生持續電流；能量轉換率較高；排放廢棄物少；噪音低。因此，氫氧燃料電池近年來受到人們的廣泛關注。

目前國內外氫燃料電池的相關專利的研究內容基本上圍繞著燃料電池的結構設計、電極材料、反應裝置、電解質組成優化以及氫氣的制造與儲存系統等方面。

近年來，我國風電發展迅猛，截至2012年底風電裝機達到7532萬千瓦，全年發電量1004億千瓦時，均居全球第一。風電裝備產業也取得長足進步，技術水平逐步趕超世界先進。在風電發展取得了舉世矚目成績的同時，風電消納困難、棄風電量逐年增加的問題也凸顯出來。但由于風電具有間歇性，不易控制和調度，風電上網難題仍沒有取得突破性進展。

隨著科技創新和技術進步，儲能技術和手段也不斷豐富。相對于電化學和其它儲能手段，利用風電電解水制氫、儲氫成本相對較低，具有較高的推廣價值。

2014年，由中國節能環保集團公司負責的國家863“風電直接制氫及燃料電池發電系統技術研究與示范”項目，在中節能風電公司張北分公司建設風電場，制氫功率為100kW，燃料電池發電為30kW。

2015年，由河北建投新能源有限公司投資，與德國McPhy、Encon等公司聯合開展的中德合作示范項目，該項目在河北沽源投建10MW電解水制氫系統，配合200MW風電場制氫，項目建成后，可形成年制氫1752萬標準立方米的生產能力，成為我國目前最大的風電制氫示范項目。

加拿大的Smart是目前世界上利用電解水制氫和開發氫能汽車最為有名的公司，其開發的HESfp系統包括一個能日產氫25kg的堿性電解槽、一個能儲存60kg氫的高壓儲氫罐和氫內燃機車，其用于汽車的氫能系統每小時可產氫3kg，能夠為3輛巴士提供能量。

Hmnilton是另一個有名的電解槽開發制造商，其ES系列利用PEM電解槽技術，可實現每小時產氫6～30Nm³，所制氫的純度可達99.999％。由于電解槽造價還比較昂貴，尤其是PEM電解槽，使得制氫成本較其他制氫方式的成本高。當電解槽和太陽能電池聯合使用制氫時，產氫成本約24～41USD/GJ，和風力發電機組聯合使用時，制氫成本則降為11～20USD/GJ。

發明內容

為解決因風能的間歇性、波動性以及輸電容量限制等因素導致的大規模棄風問題，本實用新型提供一種風電制氫儲能的氫燃料復合電池，在電網用電負荷較低時，將風電直接制成氫氣儲存起來，在負荷系統處于用電高峰時，再將儲存的氫氣通過燃料電池轉化為電能回饋給電網，為解決大規模風電儲存提供一種新途徑。