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CN102185327A - 一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置 - Google Patents

一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置 Download PDF

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许世森
刘明义
程健
徐越
王保民
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Abstract

本发明公开了一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置，包括AC/DC变换系统，可逆燃料电池系统，DC/AC变换系统，控制系统，储氢系统，储氧系统和储水系统，通过将电能通过可逆燃料电池系统的电解运行模式，将电能转换为化学能纯氢和纯氧，分别储存于储氢系统和储氧系统中，在电网负荷峰高峰期将存储的氢气和氧气通过可逆燃料电池系统的发电运行模式，将化学能转换为电能，通过DC/AC变换系统并入电网。整个储能装置运行过程的产物水储存至储水系统，并且电解运行模式下消耗的水可与发电运行模式下生成的水进行循环利用，本发明实现了电能和化学能在不同需求下的能量转换，具有容量大，成本低，寿命长，结构简单的特点。

Description

一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置
技术领域
本发明属于电力储能领域，特别涉及可逆燃料电池储能技术，通过可逆氢/氧燃料电池、储氢与储氧系统及控制系统，实现电能的大规模存储，具体涉及一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置。
背景技术
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，是国民经济、国家安全和实现可持续发展的重要基石。随着国民经济的迅速增长，对能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所产生的环境污染问题日益尖锐。在能源安全与环境保护的双重压力下，可再生能源，包括：风能、太阳能、生物质能、海洋能、地热能等的开发和利用引起了国际社会的广泛关注。然而，风能、太阳能等可再生能源受天气及时间段的影响较大，是典型的随机性、间歇性电源，需要开发和建设相应的电力储能装置或储能电站确保可再生能源发电、供电的连续性和稳定性。此外，大规模电能存储技术还可广泛应用于电力工业中的“削峰填谷”，将会大幅改善电力的供需矛盾，提高现有发电设备的利用率。因此，大容量电力储能技术与装置的开发为高效利用现有各类发电系统并实现连续稳定供电具有重大意义，有可能改变未来的能源生产、运输和使用方式。
根据能量转换形式不同，储能技术可分为：机械储能如抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能；电磁储能如超导磁储能和超级电容器储能；电化学储能如各类蓄电池储能和液流电池储能等。其中抽水蓄能和压缩空气储能受地域限制影响很大；飞轮储能、超导磁储能和超级电容器储能的持续时间较短，最长储能时间一般不超过15min；电化学储能技术具有能量密度大，持续时间长，且不受地域限制等优点，是目前最有应用前景的大规模电力储能技术。
可逆燃料电池(RFC)是一种将电解水制氢技术与氢氧燃料电池发电技术相结合的可充放储能电池，即2H2O+电能→2H2+O2的正、逆过程得以循环进行。氢氧燃料电池发电系统的活性物质纯氢和纯氧可通过电解水制氢技术得以“再生”，从而起到储能作用。可逆燃料电池与目前应用的二次蓄电池相比，具有更高的比能量及比功率，特别是可实现更高的储能容量，且使用中无自放电，也不受放电深度及电池容量的限制等，是一种具有广阔发展前景的新型大容量电力储能电池。
可逆燃料电池可实现燃料电池模式和电解模式的双模式工作，将水电解制氢系统和燃料电池发电系统整合为一个可逆燃料电池系统，简化了储能装置的系统结构，提高了系统的可靠性和系统比能量。可逆燃料电池按电解质特性可分为碱性氢氧可逆燃料电池、质子交换膜氢氧可逆燃料电池和固体氧化物氢氧可逆燃料电池。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置，能将电能通过可逆燃料电池的实现电能和化学能在不同需求下的能量转换，具有容量大，成本低，寿命长，结构简单的特点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置，包括
AC/DC变换系统III，将需要储存的电能由交流转化为直流；
可逆燃料电池系统IV，通过电解运行模式即充电过程将转化后的直流电能转换为化学能纯氢和纯氧，通过发电运行模式即放电过程将化学能转换为电能；
DC/AC变换系统VII，将可逆燃料电池系统IV放电过程转换的电能转化为交流后并入电网；
控制系统X，根据电网负荷控制可逆燃料电池系统IV的充放电；
储氢系统V，储存充电过程中生成的氢气并供放电过程使用；
储氧系统VI，储存充电过程中生成的氧气并供放电过程使用；
储水系统IX，储存放电过程产生的水并供充电过程使用。
其中，所述可逆燃料电池系统IV与非可逆燃料电池结构基本相同，由氢电极、氧电极和电解质组成，其氢电极和氧电极在电解运行模式(充电)和发电运行模式(放电)时分别起着不同作用，在电解运行模式(充电)时，外部电能使水发生电解反应，氢电极产生氢气，氧电极产生氧气；在发电运行模式(放电)时，氢气在氢电极被氧化为H+，氧气在氧电极被还原为O2-，并与H+生产产物水，同时向外释放电能。其采用纯氢/纯氧燃料运行，可以为碱性氢氧可逆燃料电池、质子交换膜氢氧可逆燃料电池或者固体氧化物氢氧可逆燃料电池。
所述输入到AC/DC变换系统III的电能来源于风力发电系统、太阳能发电系统、火力发电系统、水力发电系统、核电站或者运行中的电网。
所述储氢系统V和储氧系统VI采用常压存储、中压存储或者高压存储，压力范围0～80MPa。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1)容量大：电能的大容量存储是电力储能装置的核心，本发明基于可逆燃料电池的大容量的电力储能装置，其活性物质纯氢和纯氧采用外部储存的方式，分别储存在储氢系统和储氧系统中，该储能装置的储能容量仅由储氢系统和储氧系统的体积和压力决定，在现有技术条件下，通过增加储氢系统和储氧系统的体积和储存压力，该储能装置的储能容量可达数十兆至百兆瓦时，远高于活性物质封闭在电池内部的二次蓄电池的储能电容量。并且该储能装置的储能容量与输出功率相互独立，可分别设计。可逆燃料电池系统采用模块组合，输入、输出功率易于调节，适应广泛。活性物质纯氢和纯氧的储存过程采用物理存储，存储容量和储存时间均可便于调节。
2)寿命长，成本低：本发明的基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置的主要组成部分：可逆燃料电池系统IV，早在1996年，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室LLNL采用质子交换膜型可逆燃料电池进行几千次循环实验，证实了其具有长的循环寿命和高性能。LLNL还与其工业合作者一起设计、开发、示范了具有高性能、长循环寿命的可逆燃料电池系统。在美国航天局NASA和电力研究会EPRI的资助下，Proton Energy Systems公司从1998年开始可逆燃料电池技术开发工作，其研究结果表明：可逆燃料电池在电解运行模式充电和发电运行模式放电下的性能与专门的电解水制氢系统和燃料电池发电系统的性能基本相同，而且在燃料电池发电运行模式下的性能更优。其次，与二次蓄电池相比，可逆燃料电池系统不会由于自放电而产生能量损失，并且可逆燃料电池系统充、放电时无二次蓄电池常有的活性物质的固相及形貌变化，使其使用寿命更长。而且可逆燃料电池系统可以实现高压电解，从而不需要机械压缩便能实现高压储气，简化了系统结构、减少了系统能耗。另外，该大容量电力储能装置的储氢系统V和储氧系统VI、AC/DC变换系统III、DC/AC变换系统VII等组成部分均为技术较成熟的商业化产品，其使用寿命均在15年以上。通过各组成部分的系统集成，该大容量电力储能装置在使用寿命和成本方面优势明显。
3)结构简单：本发明一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置，仅采用可逆燃料电池一个电化学装置，即可同时实现电解水制氢(电解模式)和燃料电池发电(发电模式)两个过程，实现以纯氢和纯氧作为能源介质的大容量电力储能，简化了储能装置的系统结构，降低了系统运行和维护费用，提高了系统的可靠性和系统比能量。
综合来看，本发明的一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置具有大容量、低成本、长寿命和结构简单等优势，在大规模电力储能领域有着广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置结构图；
图2为本发明一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置电解运行模式(充电)示意图；
图3为本发明一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置发电运行模式(放电)示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
图1给出了本发明的一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置结构图，包括
AC/DC变换系统III，将需要储存的电能由交流转化为直流；
可逆燃料电池系统IV，通过电解运行模式即充电过程将转化后的直流电能转换为化学能纯氢和纯氧，通过发电运行模式即放电过程将化学能转换为电能；
DC/AC变换系统VII，将可逆燃料电池系统IV放电过程转换的电能转化为交流后并入电网；
控制系统X，根据电网负荷控制可逆燃料电池系统IV的充放电；
储氢系统V，储存充电过程中生成的氢气并供放电过程使用；
储氧系统VI，储存充电过程中生成的氧气并供放电过程使用；
储水系统IX，储存放电过程产生的水并供充电过程使用。
首先根据风能、太阳能等可再生能源发电系统或电网负荷低谷期的实际情况确定该储能装置的功率和储能容量。然后依据该储能装置所需功率设计储能装置中可逆燃料电池系统IV、AC/DC变换系统III、DC/AC变换系统VII的实际运行功率及所需的电堆模块数；依据该储能装置所需容量设计储能装置中储氢系统V、储氧系统VI、储水系统IX的体积及储气压力。
本发明的具体操作方法是：
由于该储能装置采用可逆燃料电池一个电化学装置，即可同时实现电解水制氢(电解模式)和燃料电池发电(发电模式)两个过程，因此其具体操作主要分为两个运行模式：
(1)电解运行模式即充电过程：如图2，本发明一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置电解运行模式充电示意图所示。将太阳能、风能等可再生能源发电系统I或电网负荷低谷期的电网II电能通过AC/DC变换系统III转换为直流电，输入可逆燃料电池系统IV，控制系统X控制可逆燃料电池系统IV在电解模式下运行，将储水系统IX中的水电解为纯氢和纯氧，分别储存于储氢系统V和储氧系统VI中实现将电能转换为化学能进行储存。
该电解运行模式下所需控制运行的部分有：AC/DC变换系统III、可逆燃料电池系统IV、储氢V、储氧系统VI、储水系统IX和控制系统X。其中AC/DC变换系统III和可逆燃料电池系统IV均采用模块化设计以适应不同输入功率下的电解模式运行；
(2)发电运行模式放电过程：如图3，本发明一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置发电运行模式放电示意图所示。在电网负荷高峰期，通过控制系统X控制可逆燃料电池系统IV在发电模式下运行，控制释放分别储存于储氢系统V和储氧系统VI内的纯氢和纯氧至可逆燃料电池系统IV，将纯氢和纯氧的化学能直接高效的转换为直流电能，并通过DC/AC变换系统VII将其变换为交流电输送电网，以满足电网负荷高峰期的用电需求。可逆燃料电池系统IV在发电运行模式下的产物水输送至储水系统IX中进行储存，以便可逆燃料电池系统IV在电解运行模式下的循环利用。
该发电运行模式下所需控制运行的部分有：储氢V和储氧系统VI、可逆燃料电池系统IV、储水系统IX、DC/AC变换系统VII。其中可逆燃料电池系统IV、DC/AC变换系统VII均采用模块化设计以适应不同输出功率下的放电过程。
本发明一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置通过控制可逆燃料电池系统IV分别在电解模式和发电模式下的独立运行，即可实现电力的大规模储存，而且该具有大容量、低成本、长寿命和结构简单等优势，应用前景广阔。

Claims (7)

1.一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置，其特征在于，包括：
AC/DC变换系统(III)，将需要储存的电能由交流转化为直流；
可逆燃料电池系统(IV)，通过电解运行模式即充电过程将转化后的直流电能转换为化学能纯氢和纯氧，通过发电运行模式即放电过程将化学能转换为电能；
DC/AC变换系统(VII)，将可逆燃料电池系统(IV)放电过程转换的电能转化为交流后并入电网；
控制系统(X)，根据电网负荷控制可逆燃料电池系统(IV)的充放电；
储氢系统(V)，储存充电过程中生成的氢气并供放电过程使用；
储氧系统(VI)，储存充电过程中生成的氧气并供放电过程使用；
储水系统(IX)，储存放电过程产生的水并供充电过程使用。
2.根据权利要求1所述的一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置，其特征在于，所述输入到AC/DC变换系统(III)的电能来源于风力发电系统、太阳能发电系统、火力发电系统、水力发电系统、核电站或者运行中的电网。
3.根据权利要求1所述的一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置，其特征在于，所述可逆燃料电池系统(IV)采用纯氢/纯氧燃料运行。
4.根据权利要求1所述的一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置，其特征在于，所述可逆燃料电池系统(IV)为碱性氢氧可逆燃料电池、质子交换膜氢氧可逆燃料电池或者固体氧化物氢氧可逆燃料电池。
5.根据权利要求1所述的一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置，其特征在于，所述储氢系统(V)采用常压存储、中压存储或者高压存储，压力范围0～80MPa。
6.根据权利要求1所述的一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置，其特征在于，所述储氧系统(VI)采用常压存储、中压存储或者高压存储，压力范围0～80MPa。
7.根据权利要求1所述的一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置，其特征在于，所述可逆燃料电池系统(IV)由氢电极、氧电极和电解质组成，在电解运行模式时，外部电能使水发生电解反应，氢电极产生氢气，氧电极产生氧气；在发电运行模式时，氢气在氢电极被氧化为H+，氧气在氧电极被还原为O2-，并与H+生产产物水，同时向外释放电能。
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