CN101841277A - 可再生能源储能储氢综合发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型可再生能源能量存储和不间断利用系统，特别涉及一种可再生能源发电后电解水制氢，通过电化学增压、金属氢化物储氢达到储能目的，利用质子交换膜燃料电池发电的能源综合利用系统。所述的可再生能源储能储氢综合发电系统，包括可再生能源发电系统、中高压水电解制氢系统、金属氢化物储氢系统、燃料电池发电系统，其中可再生能源发电系统发出的电力通过中高压水电解制氢系统制成氢气，直接储存在金属氢化物储氢器中，该氢气提供给燃料电池发电系统作为燃料。这种可再生能源综合应用体系可满足全天候稳定电力供应需求，并长期可靠运行，节约能源、高效环保，将是未来氢能时代电力供应的重要发电模式。

Description

可再生能源储能储氢综合发电系统
技术领域：
本发明设计一种新型可再生能源能量存储和不间断利用系统，特别涉及一种用可再生能源发电，通过电解水制氢、电化学增压、金属氢化物储氢材料实现储能，最终利用氢/氧或氢/空气质子交换膜燃料电池发电，达到能源综合利用的能源系统。
背景技术：
可再生能源泛指多种取之不竭的可长期持续利用的能源，包括太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能和生物能等，可再生能源可以通过直接或间接的方式转化为电能，从而供人类使用。其中水力发电是大家最为熟悉的可再生能源发电方式，而太阳能光伏发电和风力发电机发电近年来随着全球能源危机和环境可持续发展的要求而大力发展起来，可再生能源发电在未来电力格局中的地位将日益加重。
氢能作为一种极为优越的二次能源，其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源，演义了自然物质循环利用、持续发展的经典过程。同时，氢能作为“含能体能源”，具有汽油、柴油一样的直接存储、运输、使用的特性，而克服了电能等“过程性能源”无法大量直接存储的缺陷。
氢的贮存与输送是氢能利用中的重要环节。由于氢的易燃性、易扩散性和重量轻，因此其贮存与输送中的安全、高效和无泄漏损失是人们在实际应用中优先考虑的问题。工业实际应用中大致有五种贮氢方法：(1)常压贮存；(2)高压容器；(3)液氢贮存；(4)金属氢化物储氢；(5)吸附贮存。其中金属氢化物体积比储氢密度高于其它储氢技术，具有平衡压力低，使用安全等优点，不仅可用于工业应用场合，也可以进入民用应用场合，从而使氢能的利用走进我们的日常生活。
质子交换膜燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的装置。克服了氢气直接燃烧推动汽轮机发电的热损失和卡诺循环限制，具有能量转换率高、清洁无污染等优点。
目前国内外已经有可再生能源与蓄电池或与氢能燃料电池综合发电系统的报道，但尚未有将可再生能源发电-中高压纯水水电解制氢-金属氢化物储氢-燃料电池发电作为可再生能源一体化综合发电解决方案的报道，尤其是针对独立单元(如基站、舰船、应急等)应用的面向商业化所需要的可再生能源综合发电装置。
发明内容：
本发明的目的是建立新型可再生能源储能储氢综合发电系统，开发无人值守连续稳定运行，并通过网络远程监控的可再生能源储能储氢综合发电产品，促进可再生能源和氢能燃料电池的推广普及。
本发明的目的可以通过下列技术方案实现：可再生能源通过相应的发电装置转化为电能，通过中高压水电解装置，将电能转化为氢能，直接存储于金属氢化物中，当可再生能源发电装置无以为继或不稳定时，利用燃料电池将氢能转化为电能，补充电力供应。
本发明与传统装置的比较：
1.目前中高压水电解制氢装置均为碱性水电解，系统复杂，补液、操作及维护繁复，成本高，而本发明涉及的中高压水电解制氢装置采用纯水水电解，通过常见的纯水装置就可以制得，系统简单，操作方便，维护成本低；
2.目前纯水水电解制氢装置一般不超过0.4MPa，必须经过气体压缩机多级压缩才能充装到高压容器中以备使用，且对水质要求较高，而本发明涉及的中高压水电解制氢装置通过特殊技术和工艺，产生氢气的压力可以达到2.5-10MPa，因此，可以直接对金属氢化物储氢系统充氢，大大简化了设备和装置构成；
3.目前常规碱性中高压水电解制氢装置和氢气压缩机均有价格昂贵，系统庞大，无法小型化的缺陷，而本发明涉及的系统结构简单，模块化设计，可同时满足微型化和规模化大生产要求；
4.目前太阳能风能等可再生能源均通过铅蓄电池储能，储能密度低，占地面积大，维护成本高，存在环境污染问题，而采用水电解制氢-金属氢化物储氢-燃料电池发电体系，清洁环保，稳定高效运行；
5.目前高压钢瓶和碳纤维缠绕瓶的储氢压力为15MPa和35MPa，压力高，存在安全隐患，而且将氢气增压到上述压力所耗费的成本较高，设备复杂，金属氢化物储氢具有体积比储氢密度高，平衡压力低，使用安全的特点，充氢压力为2.5MPa，使用本发明涉及的中高压水电解制氢装置，可以直接向金属氢化物储氢单元进行充氢，结构简单。
附图说明：
图1为可再生能源储能储氢综合发电系统的结构图
图2为实施方式1的结构图
具体实施方式：
下面将结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，所述的可再生能源储能储氢综合发电系统，其主要包括，网络远程监控系统(Ⅰ)，通过电脑连接中央控制系统(Ⅱ)来操控分别连接在可再生能源发电系统(Ⅲ)、中高压水电解制氢系统(Ⅴ)、质子交换膜燃料电池发电系统(Ⅶ)上的控制器；可再生能源发电系统产生的电能通过直流-直流变换装置(Ⅳ)后一方面输送给中高压水电解制氢系统(Ⅴ)，其产生的氢气经过滤直接储存在金属氢化物储氢装置(Ⅵ)中，供应给质子交换膜燃料电池发电装置(Ⅶ)发电，另一方面输送给充电器并转移给外接电池组(Ⅷ)储存起来；两者的电能通过直流-交流变换装置(Ⅸ)后供应给用户。其中所述的燃料电池发电系统产生的尾气需经过催化燃烧，尾气中氢气的含量通过在线检测装置进行实时监控。所述的可再生能源储能储氢综合发电系统，通过控制协调可实现多种综合发电模式，当太阳光或风力充足时，可再生能源发电可以直接供应给用户用电，并通过水电解制氢的方式将氢能储存起来；当太阳光或风力不充足、中断时，燃料电池发电系统起动为用户供电；当处于用电高峰时，可以两者相结合缓解用电压力。
实施方式1：可再生能源发电(太阳能光伏发电、风力发电机发电或其他发电方式)-中高压水电解制氢-金属氢化物储氢-燃料电池备用电源的具体实施方式，如图2所示。
1.所述的可再生能源发电系统(Ⅲ)(包括太阳能光伏发电、风力发电机发电或其他发电方式)，由远程网络控制系统(Ⅰ)、中央控制系统(Ⅱ)控制，能源充足时主要靠这种方式发电，并将富余能量转移给中高压水电解系统(Ⅴ)制备氢气，达到储能的目的，其发电功率为100W～50KW，输出电压为0～300V，输出电流为0～500A；
2.上述电能通过远程网络控制系统(Ⅰ)、中央控制系统(Ⅱ)到达直流-直流变换装置(Ⅳ)，转换后输出电压为0～300V，输出电流为0～500A，此电能输送给中高压水电解制氢系统(Ⅴ)；
3.中高压水电解制氢系统(Ⅴ)，其中水源为自来水过滤即可，产生氢气的能力为0.5～150升/分钟，产生氢气的压力为0.1～3.0MPa，生成的纯净水可返回中高压水电解制氢系统作为循环利用；
4.将步骤1中所得到的氢气经过干燥、过滤、缓冲后稳压在2.5MPa，在远程网络控制系统(Ⅰ)、中央控制系统(Ⅱ)的监控下直接输送并直接罐充于金属氢化物储氢装置(Ⅵ)中，若经过电化学氢气增压器(Ⅹ)一级增压可将压力增至15MPa，可存储于高压钢瓶中，经过二级增压可将压力增至35MPa，可存储于碳纤维缠绕瓶中，从而达到储氢的目的，本专利采用金属氢化物储氢方式；
5.储存起来的氢气便可供应给质子交换膜燃料电池(Ⅶ)发电，在中央控制系统的调节下与可再生能源发电系统联合使用，即利用了能源，又可缓解可再生能源发电的不足之处，当太阳光或风力不充足、中断时，或用户用电处于高峰时，燃料电池便可起动起到辅助或主要发电的目的，该电池以氢气为燃料，空气为氧化剂，输出功率为50W～30KW，输出电压可以为直流0～72V、交流0～240V，输出电流为0～1000A；
6.中高压水电解制氢系统，产生的氧气的纯度亦可达到灌充标准，可通过过滤后经氧气增压器(Ⅺ)加压至15MPa和35MPa，存储于高压钢瓶和碳纤维缠绕瓶中，以备各种用途之用。
其中图2所示，A-直接充氢；B-氢气电化学一级增压；C-氢气电化学二级增压；D-氧气一级增压；E-氧气二级增压

Claims (8)

1.可再生能源储能储氢综合发电系统，其特征是，包括可再生能源发电系统、中高压水电解制氢系统、金属氢化物储氢系统、燃料电池发电系统，所述的可再生能源发电系统发出的电力通过中高压水电解制氢系统制成氢气，直接储存在金属氢化物储氢器中，该氢气提供给燃料电池发电系统作为燃料。
2.根据权利要求1所述的可再生能源储能储氢综合发电系统，其特征是，可再生能源发电系统所使用的发电方式包括太阳能光伏发电、风力发电机发电或其他发电方式，所利用的可再生能源包括太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能和生物能等。
3.根据权利要求1所述的可再生能源储能储氢综合发电系统，其特征是，中高压水电解制氢系统包括纯水水电解装置，水源为过滤的自来水或天然收集水，产生的氢气采用金属氢化物储氢装置储存，分离产生的纯水和燃料电池反应生成的纯水可返回中高压水电解制氢系统，循环利用。
4.根据权利要求1所述的可再生能源储能储氢综合发电系统，其特征是，所述的燃料电池发电系统为氢/氧或氢/空气质子交换膜燃料电池发电装置。
5.根据权利要求1所述的可再生能源储能储氢综合发电系统，其特征是，包括直流-直流变换装置，所述的可再生能源发电系统发出的电力通过该直流-直流交换装置后为中高压电解水制氢系统供电生产氢气；还包括直流-交流变换装置，所述的燃料电池发电系统产生的电能经直流-直流变换、直流-交流变换后向用户供电。
6.根据权利要求1所述的可再生能源储能储氢综合发电系统，其特征是，通过网络远程监控系统、中央控制系统同时对可再生能源发电系统和燃料电池发电系统进行监控，所述的可再生能源发电系统可直接向用户供电，同时将过量充足的电力通过电解水制成氢气储备；所述的燃料电池发电系统可直接向用户供电，也可与可再生能源发电系统合并向用户供电；所述的中央控制系统包括PLC可编程逻辑控制器、MCU多点控制单元单片机、DSP高速数字信号处理器等控制方案中的一种或多种。
7.根据权利要求1或6所述的可再生能源储能储氢综合发电系统，其特征是，包括网络远程监控系统和中央控制系统，对上述各个系统进行监控，并根据用户的用电功率需求采用一种或多种工作模式。
8.根据权利要求1所述的可再生能源储能储氢综合发电系统，其特征是，包括燃料电池发电系统产生的尾气的催化燃烧及尾气中氢气含量的在线检测装置。
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