风电制氢与燃料电池集成系统初步与研讨.doc

风电制氢与燃料电池集成系统初步分析与研究 作者：北京天润新能投资有限公司 工程技术部 牛清华 电话摘要： 目前，随着风电的大规模开发，部分地区风电弃风现象严重，本文首先结合当前已有的风电和氢能技术平台，阐述了风电制氢与燃料电池集成系统的总体设计思路，其次对部分关键的子系统进行了分析，并提出了整个系统的初步集成方案，最后根据当前的技术水平，提出了后续需要重点研究的技术方向。 关键词： 风电制氢 燃料电池 系统集成 一、引言 风能是清洁的可再生能源，近年风力发电在我国取得了飞速发展，装机容量突飞猛进，但由于风能受自然界各种不可控制因素的影响，风力发电非常不稳定，对并入的电网冲击很大，很多情况下由于电网的限制会被迫弃风，据估计，蒙东风场一年的弃风量就高达30亿度。 与此同时，氢燃料电池得到越来越多的重视，氢燃料电池对环境无污染只会产生水和热。如果氢通过产生，整个循环就是彻底不产生有害物质排放的过程。 图1 集成系统总体框架 四、关键子系统工作原理及技术要求 （一）、电解槽子系统 1、电解槽工作原理 电解槽通过直流（DC）电流，将水电解成氢（H2）和（O2），DC电流通过电解液（30% KOH）在两个电极（阳极和阴极）之间流通。 电解槽电解液采用30% KOH溶液，增加了电解液的电导率为了避免电极在碱性电解液下被腐蚀，电解槽阳极由镍（Ni），钴（Co），铁（Fe）组成，阴极由镍（Ni）和铂活性炭（C-Pt）催化剂 图2 电解槽工作原理图 水电解阳极、阴极以及总反应如下： 阳极反应方程式为： 阴极反应方程式为： 总反应方程式为： 2、设备主要技术要求 （1）新能源电源转换控制系统，整合了AC/DC整流功能的电源调节部件，自动控制系统整合，确保制氢系统获得额定电压范围内的电源供应； （2）电解槽，碱式电解技术； （3）气液分离系统，内置氢气干燥纯化系统，利用吸附剂，高速吸收产品粗氢中的水分和杂志，确保氢气纯度99.9%； （4）储氢罐，耐高压碳钢材料，可采用立式罐设计，占地面积小； （5）水碱箱循环系统，不锈钢罐体，耐腐蚀，免维修，KOH溶液有防渗漏装置，可确保安全。 （二）、燃料电池子系统 1、燃料电池工作原理 固体氧化物燃料电池在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。 在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气如：氢气(H2)，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通人氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。燃料电池系统图如图3所示。 图3 燃料电池系统图 2、燃料电池运行框图如下图所示。 图4 燃料电池运行框图 （三）、智能控制子系统 智能控制子系统根据不同的工况及控制策略要求，完成系统的自动控制，保证安全稳定运行/运输量确定风电上网功率、电解消耗功率和燃料电池发电功率的协调比例，实现经济优化运行当风资源不足时，智能控制系统保证电解槽最小稳定运行，进行燃料电池-电解槽-压力储氢循环控制。 图5 集成系统电气连接图 集成系统中目前电解槽的运行环境最低温度约为-15℃，燃料电池的运行环境最低温度为0℃，需将电解槽、燃料电池、水过滤及水冷设备等置于屋内，电源可引自升压站的低压配电屏，用于系统的辅助供电，并为屋内的采暖通风设备和照明提供电源。 （二）、集成系统工作流程 本集成系统可实现风-电解槽-压力储氢-运氢、风-电解槽-压力储氢-燃料电池-电网、风-电网、电解槽-压力储氢-燃料电池循环等全工况快速智能协调控制。 当风资源充足时，根据电网调度、氢存储/运输量确定风电上网功率、电解消耗功率和燃料电池发电功率的协调比例，实现经济优化运行；当风资源不足时，燃料电池-电解槽-压力储氢循环系统智能控制，保证了电解槽最小技术稳定运行；同时还可通过共用电网保证电解槽最小技术稳定运行。 1、风电-电网工况 该工况状态下，保证风电的最大上网电量，因此本系统退出运行，所有断路器均处于断开状态，只保证辅助电源的连接。 2、风电-电解槽-压力储氢工况 该工况状态下，风电弃风现象严重，风电与电网分离并全程参与制氢，此时风机配套箱变的低