CN107359363A - 一种基于太阳能光伏制氢的氢燃料电池系统及其发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太阳能光伏制氢的氢燃料电池系统及其发电方法。本发明根据光照情况有三种工作模式，当光照足以满足负载的用电量时采用光伏满功率发电模式，光伏电池方阵吸收太阳能，通过光伏发电满足负载用电，并将剩余的直流电用来制氢并存储起来；当判断无光照时，采用燃料电池发电模式，将存储的氢气输送至燃料电池发电供给负载；当光照情况不足以满足负载的用电量时，采用联合发电模式，光伏电池方阵通过光伏发电，同时将存储的氢气输送至燃料电池发电，共同供给负载；从而保证了系统供电的连续性；本发明运行成本低、没有污染，可最大限度的发挥光伏系统的发电能力。
Description
技术领域
本发明涉及氢燃料电池发电技术，具体涉及一种基于太阳能光伏制氢的氢燃料电池系统及其发电方法。
背景技术
燃料电池是继火电、水电和核电之后的第4代发电技术，它是唯一兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和模块化特点的动力装置，被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。按燃料的来源，燃料电池又可分为三类。第一类是直接式燃料电池，即其燃料直接用氢气或轻醇类；第二类是间接式燃料电池，其燃料不是直接用氢，而是通过某种方法(如重整转化)将轻醇、天然气、汽油等化合物转变成氢(或氢的混合物)后再供给燃料电池发电；第三类是再生式燃料电池，它是指把燃料电池反应生成的水，经过电解分解成氢和氧，再将氢和氧输入燃料电池发电。作为燃料电池的一种，氢氧燃料电池(Hydrogen-Oxygen Fuel Cell)以氢气为燃料作还原剂，氧气作氧化剂，通过燃料的燃烧反应，将化学能转变为电能的电池，与原电池的工作原理相同。
如图1所示，氢燃料电池工作时，向阳极供应氢气，同时向阴极供应氧气。氢气H2、氧气O2在电极上的催化剂作用下，通过电解质生成水H2O，此时氢电极上有多余电子带负电，氧电极上由于缺少电子e-而带正电，形成氢离子H+。接通电路后，这一类似于燃烧的反应过程就能连续进行。其具有如下特点：产物是水，清洁环保；容易持续通氢气和氧气，产生持续电流；能量转换率较高；排放废弃物少；噪音低。因此，氢燃料电池近年来受到人们的广泛关注。
目前国内外氢燃料电池的相关专利的研究内容基本上围绕着燃料电池的结构设计、电极材料、反应装置、电解质组成优化以及氢气的制造与储存系统等方面。
经过二十余年的发展，国外光伏技术有了巨大进步，太阳电池性能和可靠性有了很大提高，成本和销售价不断降低，应用范围逐年扩大，市场迅速发展，产业化已达到规模化自动化阶段。太阳能光伏发电成本的不断降低，有利于低价电制氢的发展。大量廉价的生产氢是实现氢能利用的关键。
基于氢能本身的优越性，近年来，国际社会对发展氢能的呼声愈来愈高。现代科学技术的进步，特别是制氢、储氢技术的提高，使氢能的利用已不是科学家们的设想，而是各国都在积极规划和实施中的项目。例如：利比亚计划在撒哈拉沙漠建设一座5MW太阳能发电厂和一座4MW电解水制氢装置，广泛开展氢能利用。日本的新阳光计划中氢能是重要内容，他们计划在海上建设大学浮筏，在其上建造太阳能光伏电站，用于电解水制氢。
我国光伏发电技术通过“六五”至“九五”四个五年计划的研制开发，其关键技术与总体水平都有了显著提高，已开始形成产业。目前，国内光电池硅片的生产能力已达4.5MW。在西藏1个无水无电县中，已全部建成了光电站，其中功率最大的100KW。此外，千瓦级的光伏发电系统在解决石油、通讯及边防地区无电村镇的供电方面正在发挥愈来愈大的作用。
在氢能研究和利用方面，我国实施可持续发展战略，积极推动包括氢能在内的洁净能源的开发和利用。近年来，科研人员在制氢技术、储氢技术、储氢材料和氢能利用等方面进行了开创性工作，拥有一批氢能领域的知识产权，使低电耗制氢技术达到了世界先进水平。水电解制氢和生物质气化制氢等方法，现已形成规模。其中，低价电电解水制氢方法是当前氢能规模制备的主要方法，但目前由于电耗较高，仍有待进一步改进。从最新发展角度看，如采用离子交换膜为隔膜材料，并兼起电解质的作用，同时采用紧密结构式电解槽，则电解水制氢能耗可大大降低，实现4.5kWh/Nm3H2是完全有可能的。
储氢技术是氢能利用走向实用化、规模化的关键。近年来，我国在金属氢化物储氢技术领域又取得了新的进展。浙江大学新材料研究所承担的“九五”国家“863”高技术项目已研制出三类新的储氢合金，其储氢能力分别为l.61wt％、l.8wt％和2.1wt％。此外，还设计并试制成功容量为700L和4.0Nm3的便携式氢源样机，可用于lkW及5kw质子交换模燃料电池。燃料电池发电系统仍是实现氢能应用的重要途径。目前，我国己研制出百瓦至千瓦级质子交换膜燃料电池，最大的电池组功率为30kW。上述各项氢能技术的进展，为发展氢能应用创造了有利条件。
发明内容
针对以上氢燃料电池的现状，本发明提供一种基于太阳能光伏制氢的氢燃料电池系统及其发电方法，燃料电池在光伏发电系统中，以太阳能制氢储能方式替代传统的蓄电池储能环节，当日照情况良好时，通过电解水制氢将多余的电能储存起来；在阳光条件下不能使光伏发电系统正常工作时，将储存的氢通过燃料电池转换为电能，继续向负载送电，从而保证了系统供电的连续性。
本发明的一个目的在于提出一种基于太阳能光伏制氢的氢燃料电池系统。
本发明的基于太阳能光伏制氢的氢燃料电池系统包括：光伏电池方阵、光传感器、功率分配器、整流装置、制氢设备、储氢设备、燃料电池、逆变器和控制器；其中，光伏电池方阵上设置光传感器，光传感器连接至控制器；功率分配器、储氢设备和燃料电池也分别连接至控制器；光传感器感受太阳光的光照情况，并传输给控制器；控制器根据光照情况判断光伏电池方阵的光伏发电量，并根据负载的用电量，设置功率分配器的阈值，传输至功率分配器；控制器将光伏发电量与负载的用电量进行比较，选择氢燃料电池系统的工作模式，具有三种工作模式：光伏满功率发电模式、燃料电池发电模式和联合发电模式；当控制器判断光伏发电量足以满足负载的用电量时，采用光伏满功率发电模式：光伏电池方阵吸收太阳能，通过光伏发电将太阳能转换成直流电，传输至功率分配器；功率分配器根据阈值，将负载的用电量分配至逆变器，逆变器将直流电转变成交流电输出至负载，为负载供电；功率分配器将超过负载的用电量的直流电传输至整流装置；整流装置将直流电转变为制氢设备工作所需的直流电，传输至制氢设备；制氢设备通过电解水制取氢气，将氢气输送至储氢设备；当控制器判断无光照时，采用燃料电池发电模式：控制器控制储氢设备将氢气输送至燃料电池；燃料电池以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将氢气转换成电能，通过逆变器转变成交流电，传输至外部的负载；当控制器判断光照情况不足以满足负载的用电量时，采用联合发电模式：光伏电池方阵吸收太阳能，通过光伏发电将太阳能转换成直流电，传输至功率分配器；功率分配器将全部直流电传输至逆变器，逆变器将直流电转变成交流电输出至负载；同时储氢设备在控制器的控制下，将氢气输送至燃料电池；燃料电池以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将氢气转换成电能，通过逆变器转变成交流电，传输至外部的负载。
光传感器采用太阳光传感器。
燃料电池为氢燃料电池。
制氢设备采用各种类型的电化学制氢方式的设备，如：目前工业上已经大规模使用的水电解槽或技术上已经成熟离子膜法制氢等。
储氢设备采用通常的高压储氢钢瓶，或者采用更先进的金属储氢器。
进一步本发明还包括加注机，设置在储氢设备和燃料电池之间，储氢设备通过加注机，向燃料电池加注氢气。
本发明的另一个目的在于提供一种基于太阳能光伏制氢的氢燃料电池系统的发电方法。
本发明的基于太阳能光伏制氢的氢燃料电池系统的发电方法，包括以下步骤：
1)光传感器感受太阳光的光照情况，并传输给控制器；
2)控制器根据光照情况判断光伏电池方阵的光伏发电量；
3)控制器根据负载的用电量，设置阈值，传输至功率分配器；
4)控制器将光伏发电量与负载的用电量相比较，选择氢燃料电池系统的工作模式，氢燃料电池系统具有三种工作模式：光伏满功率发电模式、燃料电池发电模式和联合发电模式；当控制器判断光伏发电量足以满足负载的用电量时，采用光伏满功率发电模式，进入步骤a)，当控制器判断无光照时，或者光伏电池方阵出现故障不能发电时，采用燃料电池发电模式，进入步骤b)，当控制器判断光照情况不足以满足负载的用电量时，采用联合发电模式，进入步骤c)：
a)光伏电池方阵吸收太阳能，通过光伏发电将太阳能转换成直流电，传输至功率分配器；功率分配器根据阈值，将负载的用电量分配至逆变器，逆变器将直流电转变成交流电输出至负载，为负载供电；功率分配器将超过负载的用电量的直流电传输至整流装置；整流装置将直流电转变为制氢设备工作所需的直流电，传输至制氢设备；制氢设备通过电解水制取氢气，将氢气输送至储氢设备储存起来；
b)控制器通过判断负载的用电量，控制氢气的输送量，使得燃料电池的发电量满足负载的用电量；燃料电池以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将氢气转换成电能，通过逆变器转变成交流电，传输至外部的负载；
c)光伏电池方阵吸收太阳能，通过光伏发电将太阳能转换成直流电，传输至功率分配器；功率分配器将全部直流电传输至逆变器，逆变器将直流电转变成交流电输出至负载；同时控制器通过判断负载的用电量及光伏电池方阵输出的光伏发电量，控制氢气的输送量，使得燃料电池的发电量和光伏发电量共同满足负载的用电量；储氢设备在控制器的控制下，将氢气输送至燃料电池；燃料电池以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将氢气转换成电能，通过逆变器转变成交流电，传输至外部的负载。
本发明的优点：
本发明根据光照情况有三种工作模式，当光照足以满足负载的用电量时采用光伏满功率发电模式，光伏电池方阵吸收太阳能，通过光伏发电满足负载用电，并将剩余的直流电用来制氢并存储起来；当判断无光照时，采用燃料电池发电模式，将存储的氢气输送至燃料电池发电供给负载；当光照情况不足以满足负载的用电量时，采用联合发电模式，光伏电池方阵通过光伏发电，同时将存储的氢气输送至燃料电池发电，共同供给负载；从而保证了系统供电的连续性。
1.本发明的储能密度高：无论是高压贮氢还是金属贮氢，其能量密度均远高于蓄电池。经粗略计算，高压贮氢能量密度大约是铅酸电池的4倍，金属贮氢大约是铅酸电池的6倍；
2.本发明的使用寿命长：氢的储存基本没有时间限制，而铅酸电池如长时间蓄电，必须考虑硫酸化和自放电问题；
3.本发明的维护周期长：高压贮氢钢瓶及金属贮氢器的维护工作量极少，维护周期以若干年计；
4.本发明运行成本低、没有污染，可最大限度的发挥光伏系统的发电能力。
附图说明
图1为现有的氢燃料电池的示意图；
图2为本发明的基于太阳能光伏制氢的氢燃料电池系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图2所示，本实施例的基于太阳能光伏制氢的氢燃料电池系统包括：光伏电池方阵、光传感器、功率分配器、整流装置、制氢设备、储氢设备、燃料电池、逆变器和控制器；其中，光伏电池方阵上设置光传感器，光传感器连接至控制器；功率分配器、储氢设备和燃料电池也分别连接至控制器。
本实施例的基于太阳能光伏制氢的氢燃料电池系统的发电方法，包括以下步骤：
1)光传感器感受太阳光的光照情况，并传输给控制器；
2)控制器根据光照情况判断光伏电池方阵的光伏发电量；
3)控制器根据负载的用电量，设置阈值，传输至功率分配器；
4)控制器将光伏发电量与负载的用电量相比较，选择氢燃料电池系统的工作模式，氢燃料电池系统具有三种工作模式：光伏满功率发电模式、燃料电池发电模式和联合发电模式；当控制器判断光伏发电量足以满足负载的用电量时，采用光伏满功率发电模式，进入步骤a)，当控制器判断无光照时，或者光伏电池方阵出现故障不能发电时，采用燃料电池发电模式，进入步骤b)，当控制器判断光照情况不足以满足负载的用电量时，采用联合发电模式，进入步骤c)：
a)光伏电池方阵吸收太阳能，通过光伏发电将太阳能转换成直流电，传输至功率分配器；功率分配器根据阈值，将负载的用电量分配至逆变器，逆变器将直流电转变成交流电输出至负载，为负载供电；功率分配器将超过负载的用电量的直流电传输至整流装置；整流装置将直流电转变为制氢设备工作所需的直流电，传输至制氢设备；制氢设备通过电解水制取氢气，将氢气输送至储氢设备储存起来；
b)控制器通过判断负载的用电量，控制氢气的输送量，使得燃料电池的发电量满足负载的用电量；燃料电池以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将氢气转换成电能，通过逆变器转变成交流电，传输至外部的负载；
c)光伏电池方阵吸收太阳能，通过光伏发电将太阳能转换成直流电，传输至功率分配器；功率分配器将全部直流电传输至逆变器，逆变器将直流电转变成交流电输出至负载；同时控制器通过判断负载的用电量及光伏电池方阵输出的光伏发电量，控制氢气的输送量，使得燃料电池的发电量和光伏发电量共同满足负载的用电量；储氢设备在控制器的控制下，将氢气输送至燃料电池；燃料电池以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将氢气转换成电能，通过逆变器转变成交流电，传输至外部的负载。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种基于太阳能光伏制氢的氢燃料电池系统，其特征在于，所述光伏电池方阵、光传感器、功率分配器、整流装置、制氢设备、储氢设备、燃料电池、逆变器和控制器；其中，所述光伏电池方阵上设置光传感器，光传感器连接至控制器；所述功率分配器、储氢设备和燃料电池也分别连接至控制器；所述光传感器感受太阳光的光照情况，并传输给控制器；控制器根据光照情况判断光伏电池方阵的光伏发电量，并根据负载的用电量，设置功率分配器的阈值，传输至功率分配器；控制器将光伏发电量与负载的用电量进行比较，选择氢燃料电池系统的工作模式，具有三种工作模式：光伏满功率发电模式、燃料电池发电模式和联合发电模式；当控制器判断光伏发电量足以满足负载的用电量时，采用光伏满功率发电模式：光伏电池方阵吸收太阳能，通过光伏发电将太阳能转换成直流电，传输至功率分配器；功率分配器根据阈值，将负载的用电量分配至逆变器，逆变器将直流电转变成交流电输出至负载，为负载供电；功率分配器将超过负载的用电量的直流电传输至整流装置；整流装置将直流电转变为制氢设备工作所需的直流电，传输至制氢设备；制氢设备通过电解水制取氢气，将氢气输送至储氢设备；当控制器判断无光照时，采用燃料电池发电模式：控制器控制储氢设备将氢气输送至燃料电池；燃料电池以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将氢气转换成电能，通过逆变器转变成交流电，传输至外部的负载；当控制器判断光照情况不足以满足负载的用电量时，采用联合发电模式：光伏电池方阵吸收太阳能，通过光伏发电将太阳能转换成直流电，传输至功率分配器；功率分配器将全部直流电传输至逆变器，逆变器将直流电转变成交流电输出至负载；同时储氢设备在控制器的控制下，将氢气输送至燃料电池；燃料电池以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将氢气转换成电能，通过逆变器转变成交流电，传输至外部的负载。
2.如权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述光传感器采用太阳光传感器。
3.如权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池为氢燃料电池。
4.如权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述制氢设备采用电化学制氢方式的设备。
5.如权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述储氢设备采用高压储氢钢瓶，或者采用金属储氢器。
6.如权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，还包括加注机，所述加注机设置在储氢设备和燃料电池之间。
7.一种基于太阳能光伏制氢的氢燃料电池系统的发电方法，其特征在于，所述发电方法包括以下步骤：
1)光传感器感受太阳光的光照情况，并传输给控制器；
2)控制器根据光照情况判断光伏电池方阵的光伏发电量；
3)控制器根据负载的用电量，设置阈值，传输至功率分配器；
4)控制器将光伏发电量与负载的用电量相比较，选择氢燃料电池系统的工作模式，氢燃料电池系统具有三种工作模式：光伏满功率发电模式、燃料电池发电模式和联合发电模式；当控制器判断光伏发电量足以满足负载的用电量时，采用光伏满功率发电模式，进入步骤a)，当控制器判断无光照时，或者光伏电池方阵出现故障不能发电时，采用燃料电池发电模式，进入步骤b)，当控制器判断光照情况不足以满足负载的用电量时，采用联合发电模式，进入步骤c)：
a)光伏电池方阵吸收太阳能，通过光伏发电将太阳能转换成直流电，传输至功率分配器；功率分配器根据阈值，将负载的用电量分配至逆变器，逆变器将直流电转变成交流电输出至负载，为负载供电；功率分配器将超过负载的用电量的直流电传输至整流装置；整流装置将直流电转变为制氢设备工作所需的直流电，传输至制氢设备；制氢设备通过电解水制取氢气，将氢气输送至储氢设备储存起来；
b)控制器通过判断负载的用电量，控制氢气的输送量，使得燃料电池的发电量满足负载的用电量；燃料电池以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将氢气转换成电能，通过逆变器转变成交流电，传输至外部的负载；
c)光伏电池方阵吸收太阳能，通过光伏发电将太阳能转换成直流电，传输至功率分配器；功率分配器将全部直流电传输至逆变器，逆变器将直流电转变成交流电输出至负载；同时控制器通过判断负载的用电量及光伏电池方阵输出的光伏发电量，控制氢气的输送量，使得燃料电池的发电量和光伏发电量共同满足负载的用电量；储氢设备在控制器的控制下，将氢气输送至燃料电池；燃料电池以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将氢气转换成电能，通过逆变器转变成交流电，传输至外部的负载。
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