[發明專利]一種氫氧燃料電池能源再生循環裝置

在審

• 申請號: 202110174925.8
• 申請日: 2021-02-07
• 公開（公告）號: CN112993362A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 邢少鋒;其他發明人請求不公開姓名
• 申請（專利權）人: 上海羿灃氫能科技有限公司
• 主分類號: H01M8/18
• 分類號: H01M8/18;H01M8/04;H01M8/04082;H02J3/38
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明公開了一種氫氧燃料電池的能源再生循環裝置，包括氫氣再生循環系統、氧氣再生循環系統、熱能再生循環系統以及電力逆變系統，包括再生氫氧燃料電池堆、氫氣液氣分離罐、氫氣脫水罐、氫氣儲罐、氧氣液氣分離罐、氧氣儲罐、循環水泵、電解水水泵、水箱以及電力轉換控制器等；其中再生氫氧燃料電池堆包括氫氣進出口、氧氣進出口、循環水進出口；氫氣液氣分離罐內設置第一換熱管，氧氣液氣分離罐內設置第二換熱管；該裝置為氫氧燃料電池與電解水結合為一體的再生燃料電池裝置，既可以通過氫氧氣產生電能，也可以通過逆向電解水制取氫氧氣，實現氫氧氣體的再生、儲存及循環利用，同時還能夠實現裝置的反應水以及熱能的回收、儲存及循環利用。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，尤其涉及一種再生氫氧燃料電池的能源再生循環裝置。

背景技術

隨著我國新能源的發展和技術進步，風電和太陽能發電已經獲得了長足的發展，其在能源方面的占比也越來越多，截止到2019年年底，可再生能源在我國的能源結構中的占比已經達到27.9％左右，其中，風電發電量4057億千瓦時，占全部發電量的5.5％，光伏發電量2243億千瓦時，占全部發電量的3.1％，并且仍在以較快的速度增長。但是隨著我國清潔能源發展步伐加快，風電、光伏發電面臨的并網消納問題也日益嚴重，造成了大量的“棄風棄光”現象，其比率遠遠超過歐美等發達國家。

風能和太陽能等可再生能源具有區域性、間歇性、利用小時數低等缺點，一旦并入電網，將給電網帶來穩定性和安全性的沖擊。為了實現電網內大規模間歇性清潔能源并網發電的可持續發展和協調、安全、可靠、高效運行，解決該問題一個有效的辦法是將可再生能源的電力與電解水技術結合，大規模利用風電、光電等可再生能源制氫、儲氫，或采用燃料電池轉換成電力以補充電網用電高峰的用電需求等，提高可再生能源的利用率和占比。這已經成為解決間歇性清潔能源并網發電所帶來一系列問題的有效途徑之一。

目前關于國內對風能和太陽能的利用和儲存，解決棄風、棄光的問題，已經在探索采用電解水制氫和燃料電池發電的方式，將可再生能源并入電網進行補充和平衡。其采用的方案，也多數屬于采用PEM電解水制氫技術與PEM燃料電池發電的結合，但二者之間是各自相對獨立的系統，PEM燃料電池發電是基于PEM電解水制氫的后續程序的延伸。屬于分體式再生氫氧燃料電池系統。

再生氫氧燃料電池是指將氫氧燃料電池技術與水電解技術相結合，使[2H₂+O₂→O氫₂O+電能]與[電能+2H₂O→2H₂+O₂]過程得以循環進行，使氫氧燃料電池的燃料H₂和氧化劑O₂可通過水電解過程得以“再生”，起到蓄能作用。其目前的結構形式包括三種，一種是分體式的結構形式，即電解水系統與燃料電池發電系統分屬兩個獨立的系統；一種是混合式的結構形式，其電解水系統和燃料電池發電系統部分共用一些公共部件和系統；第三種是一體式的結構形式，其電解水系統和燃料電池系統為一套系統，能夠實現一套系統完成水電解制氫(氧)和氫氧燃料電池發電的雙重功效，即PEM再生氫氧燃料電池系統。

PEM電解水制氫、氧技術原理：

如圖2所示，PEM電解水制氫、氧技術是采用了一種高分子聚合物陽離子交換膜代替了堿性水電解中的隔膜和液態電解質，起到隔離氣體和離子傳導的作用。當PEM電解系統工作時，水通過陽極室在陽極催化反應界面發生電化學反應被分解成氧氣、氫離子以及電子。陽極所產生的氫離子以水合氫離子(H⁺·H₂O)的形式通過電解質隔膜，并在陰極室反應界面處與通過外電路輸運過來的電子發生電化學反應生成氫氣。

PEM電解水制氫、氧的電極反應方程式如下：

陽極反應:2H₂O→4H⁺+O₂+4e^－