CN115839298A - 一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统，涉及海洋能源技术领域，包括：微电网，用于产生电能，微电网内部的氢氧燃料电池堆发电装置发电供电以维持微电网电流电压稳定；海水淡化装置、电解水装置、储能装置分别通过变换器与微电网连接，利用微电网电能用于海水淡化制淡水、电解水制取氢气和电解氧化铝制铝，并且从浓海水中制取氢氧化镁，加热生成氧化镁；还原后生成镁蒸气；液态铝制铝粉和铝空气电池阳极板。本发明提供的一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统，利用海洋能源，实现海水淡化、电解水制氢、氢氧燃料电池发电平衡微电网供电、海水制镁、低温铝储能，满足岛内建设需要。

Description

一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统

技术领域

本发明涉及海洋能源技术领域，更具体的说是涉及一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统。

背景技术

海洋是富饶的，海洋中蕴藏着洁净、可再生、取之不尽的能源，包括潮能、波能、流能、热能和盐能。海洋是个庞大的蓄能库，它将太阳能、派生的风能等以热能、机械能等形式蓄在海水里。同时，近海与沿海陆地风力比较稳定，只是昼夜风向交替变换，沿海地区海上与陆地上所形成的风，其风向是交替出现的。白天，陆地上接受的太阳辐射热量较海水要多，因而陆地上的空气向上流动，而海洋面上的空气较冷，则从海洋流向沿岸陆地形成海风；夜间，陆地上的空气比海洋上的空气冷却要快一些，因此造成海洋上的空气上升，而陆地上较冷的空气沿地面流向海洋，形成陆风。

但是，现有技术中还没有海上风能及海洋能利用、制氢、供氢和供电、海水淡化产业集群。海洋能利用、制氢储氢运氢及供电潜力大，利用海洋资源和能量，打造集成海洋能开发、氢能利用、海水淡化及海洋牧场建设等的海上“能源岛”意义很大。

此外，对于潮汐发电，其周期性变化会导致发电波动性，这就导致电能不稳定；对于风能发电，由于白天与晚上风向不同，并且海上风大时发电多，风小时发电少，也会导致产生的电能不稳定。

因此，如何提供一种集成海洋能开发、平衡微电网供电、氢能利用、海水淡化等海上“能源岛”，满足岛内建设需要是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统，利用海洋能源，实现海水淡化、电解水制氢、氢氧燃料电池发电平衡微电网供电、海水制镁、低温铝储能，满足岛内能源岛建设需要。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统，包括：

微电网，用于产生电能；所述微电网包括海洋能源发电装置、海上风能发电装置和氢氧燃料电池堆发电装置；所述海洋能源发电装置与微电网电性连接，所述海上风能发电装置与微电网电性连接，所述氢氧燃料电池堆发电装置与微电网电性连接；

制氢系统，所述微电网为所述制氢系统供电，用于制取氢气；

所述制氢系统包括电解水装置，所述电解水装置与所述微电网电性连接；所述电解水装置与所述氢氧燃料电池堆发电装置管道连接，用于提供氢氧燃料；

放电系统，所述微电网为所述放电系统供电。

优选的，所述制氢系统还包括：

海水淡化装置，所述海水淡化装置与所述微电网电性连接；

海洋牧场，所述海洋牧场与所述海上风能发电装置和/或所述微电网电性连接；

制镁装置，所述制镁装置包括依次连接的加热炉、还原炉和高压反应釜，所述加热炉与所述微电网电性连接；所述还原炉与所述微电网电性连接；所述加热炉的出口与所述还原炉的还原部连接；所述高压反应釜的气体进口与所述电解水装置连接，所述高压反应釜的蒸气进口与所述还原炉的蒸气出口管连接；

水解装置，所述水解装置的入口与高压反应釜的出口连接；所述水解装置的气体出口连接干燥设备，所述水解装置的固体出口连接加热炉的入口。

优选的，放电系统包括：

储能装置，所述储能装置与微电网电性连接；

轧制板，所述轧制板与所述微电网电性连接，所述轧制板的入口连接所述储能装置的第二出口；

电池装置，所述轧制板的出口连接所述电池装置，所述电池装置的固体出口连接所述储能装置。

优选的，所述制氢系统还包括制粉装置，所述制粉装置与所述微电网电性连接；所述制粉装置的入口连接所述储能装置的第一出口；所述制粉装置的出口连接制氢装置的入口；所述制氢装置的气体出口连接干燥设备；所述制氢装置的固体出口连接所述储能装置的入口。

优选的，所述海洋能源发电装置包括潮汐发电装置和/或海流轮叶式发电装置；

所述潮汐发电装置包括海水涨落、海湾区域、中空容器、叶轮发电机组；所述中空容器固定在海湾区域内浅海底地基上，所述中空容器内部包含活塞，所述活塞与悬浮平板连接，所述悬浮平板随海水涨落上下运动，并带动中空容器内的活塞上下运动；所述叶轮发电机组的轮叶安装在活塞上，所述叶轮发电机组的轮叶与所述叶轮发电机组的发电装置连接；所述的叶轮发电机组的发电装置与变换器电性连接；

其中，所述中空容器内部有三个活塞，所述叶轮发电机组的轮叶安装在活塞上与所述叶轮发电机组的发电装置用转动轴连接；所述的叶轮发电机组的发电装置与变换器的电缆电性连接；

所述海流轮叶式发电装置包括电缆线、发电机组、轮叶；所述海流轮叶式发电装置与悬挂在海面的浮体固定连接，所述发电机组与所述轮叶电性连接，所述发电机组与变换器电性连接。

优选的，所述加热炉采用中空的金属管缠绕形成，所述金属管内设置有降温装置，所述金属管外壁设置有保温层；

所述还原炉从上到下顺次连接的蒸气出口管、还原部和排渣部；所述蒸气出口管前端设置有过滤器。

其中，所述加热炉为电磁加热线圈，所述电磁加热线圈采用中空的铜管缠绕形成，所述铜管内设置有降温装置，所述电磁加热线圈外壁设置有保温层；

所述还原炉为感应电流竖罐炉，所述感应电流竖罐炉从上到下顺次连接的蒸气出口管、还原部和排渣部；所述蒸气出口管前端设置有过滤器，所述过滤器为石墨过滤器。

优选的，所述基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统还包括：

真空单元，所述真空单元分别与所述还原炉、所述高压反应釜连接，用于抽取气体使所述还原炉和所述高压反应釜内部为真空状态；

冷却单元，所述冷却单元分别与所述还原炉和所述高压反应釜连接，用于降低所述还原炉和所述高压反应釜的温度，冷却水为所述海水淡化装置产生的淡水。

优选的，所述微电网还包括：

检测模块，所述检测模块分别与所述氢氧燃料电池堆发电装置、所述海洋能源发电装置、所述海上风能发电装置相连接，用于检测所述氢氧燃料电池堆发电装置、所述海洋能源发电装置、所述海上风能发电装置的电压；

控制模块，所述控制模块分别与所述检测模块、所述氢氧燃料电池堆发电装置、所述海洋能源发电装置、所述海上风能发电装置连接，用于根据所述检测模块检测到的电压控制所述氢氧燃料电池堆发电装置开始发电或停止发电。

优选的，所述电解水装置的阳极和阴极为钢棒，所述钢棒采取等离子喷涂硼化钛，所述硼化钛是一种无极催化剂，熔点为2980℃，采用等离子设备喷涂。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统，包括：微电网，用于产生电能；微电网包括海洋能源发电装置、海上风能发电装置和氢氧燃料电池堆发电装置；海洋能源发电装置与微电网电性连接，海上风能发电装置与微电网电性连接，氢氧燃料电池堆发电装置与微电网电性连接；制氢系统，微电网为制氢系统供电，用于制取氢气；制氢系统包括电解水装置，电解水装置与微电网电性连接；电解水装置与氢氧燃料电池堆发电装置管道连接，用于提供氢氧燃料；放电系统，微电网为放电系统供电。

本发明的有益效果包括：微电网中的氢氧燃料电池发电装置产生电能供微电网平衡微电网电压与电流，这样可以解决微电网电能波动问题；制氢系统中的海水淡化装置产生淡水和浓海水，淡水供岛上生产生活用水，浓海水供制镁装置制镁用；电解水装置利用淡水电解水制取氢气，由于岛上微电网不存在波动，是稳定的电能，因此电解水装置可以连续不断的工作，提高了电解水制氢的效率；制氢系统中的制镁装置利用微电网电能，将从浓海水中提取的氢氧化镁和氢化镁水解副产的氢氧化镁煅烧为氧化镁；还原炉还原氧化镁生成镁蒸气；高压反应釜用于镁蒸气与氢气反应生成氢化镁粉；氢化镁水解产生氢气和氢氧化镁。放电系统中的储能装置用于氧化铝电解，得到高纯铝板或铝粉，用于制镁、制氢或发电。利用海洋能源和海洋资源，通过发电装置获取电能、镁和铝，镁和铝作为储氢或储电载体，将电解水得到的氢气运至所需要的地方，供氢或供电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的潮汐发电装置示意图；

图3为本发明实施例提供的海流发电装置示意图；

图4为本发明实施例提供的PEMFC氢氧燃料电池发电装置示意图；

图5为本发明实施例提供的海洋牧场在海上风场区域建设方案；

图6为本发明实施例提供的基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统结构示意图。

其中，201-浅海底地基，202-海湾区，203-悬浮平板，204-中空容器，205-电缆，206-海水进水阀，207-第一空气阀，213-第二空气阀，208-海水出水阀，209-海水涨落，210-活塞，211-叶轮发电机组，212-发电装置；301-海流方向，302-电缆线，303-发电机组，304-轮叶，305-浮体，306-海面；401-储氧单元，402-氧气压缩机，403-去离子水罐，404-储氢单元，405-燃料电池堆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统，如图1所示，包括：

微电网，用于产生电能；所述微电网包括海洋能源发电装置、海上风能发电装置和氢氧燃料电池堆发电装置；所述海洋能源发电装置与微电网电性连接，所述海上风能发电装置与微电网电性连接，所述氢氧燃料电池堆发电装置与微电网电性连接；

制氢系统，所述微电网为所述制氢系统供电，用于制取氢气；

所述制氢系统包括电解水装置，所述电解水装置与所述微电网电性连接；所述电解水装置与所述氢氧燃料电池堆发电装置管道连接，用于提供氢氧燃料；

放电系统，所述微电网为所述放电系统供电。

在本发明的一个具体实施例中，如图6所示，所述制氢系统还包括：

海水淡化装置，所述海水淡化装置与所述微电网电性连接；

海洋牧场，所述海洋牧场与所述海上风能发电装置和/或所述微电网电性连接；

制镁装置，所述制镁装置包括依次连接的加热炉、还原炉和高压反应釜，所述加热炉与所述微电网电性连接；所述还原炉与所述微电网电性连接；所述加热炉的出口与所述还原炉的还原部连接；所述高压反应釜的气体进口与所述电解水装置连接，所述高压反应釜的蒸气进口与所述还原炉的蒸气出口管连接；

水解装置，所述水解装置的入口与高压反应釜的出口连接；所述水解装置的气体出口连接干燥设备，所述水解装置的固体出口连接加热炉的入口。

具体的，放电系统包括：

储能装置，所述储能装置与微电网电性连接；

轧制板，所述轧制板与所述微电网电性连接，所述轧制板的入口连接所述储能装置的第二出口；

电池装置，所述轧制板的出口连接所述电池装置，所述电池装置的固体出口连接所述储能装置。

具体的，所述制氢系统还包括制粉装置，所述制粉装置与所述微电网电性连接；所述制粉装置的入口连接所述储能装置的第一出口；所述制粉装置的出口连接制氢装置的入口；所述制氢装置的气体出口连接干燥设备；所述制氢装置的固体出口连接所述储能装置的入口。

在本发明的一个实施例中，海洋能源发电装置通过AC/AC1变换器与微电网电性连接，海上风能发电装置通过AC/AC2变换器与微电网电性连接，氢氧燃料电池堆发电装置通过DC/AC变换器与微电网电性连接；

海水淡化装置，海水淡化装置与微电网通过AC/AC3变换器电性连接；

其中，海水淡化装置采用一级反渗透纯水设备，设备电源电压为380V/60Hz。海水淡化型号为KYSW-72T/D，每天产出72吨淡水，进水为海水，海水淡化率40％，海水淡化后浓水量为处理海水的60％，海水中镁含量1.29克/升，浓海水中镁含量为2.43克/升。采用海洋牧场养殖的贝类海鲜，除了供人们享用外，其贝壳在900℃下煅烧1小时，得到氧化钙，溶于水中，得到石灰乳，再加入到海水淡化装置产生的浓海水中，得到氢氧化镁沉淀，过滤得到氢氧化镁。将氢氧化镁加入到加热炉中，2小时升温到350～450℃，煅烧2小时，得到氧化镁。将煅烧贝壳时放出的二氧化碳充入到含钙离子的溶液中，得到碳酸钙沉淀，再煅烧碳酸钙得到氧化钙，进入钙循环。

将氧化镁研磨碎达到120目，再将质量占比8～10％的100目铝粉、质量占比2～3％氟化钙同时加入混合搅拌器中搅拌1小时，再通过干法压球得到干球。将干球添加到还原部后，关闭还原炉的上炉盖，装好镁蒸气出口管，镁蒸气出口管前端安装石墨过滤器。将还原炉与真空机组、冷却水系统等连接完毕，启动冷却水系统，启动真空机组，对还原炉抽真空到工作真空度5-10Pa。启动还原炉加热单元，将还原炉升温到工艺温度1150～1200℃，镁以蒸气的形式上升进入到镁蒸气出口管中，镁蒸气温度保持在600～650℃。待还原反应完成后，关闭加热单元，并冷却至500℃，关闭真空机组和冷却水系统。启动运渣车把渣料罐运到还原炉的排渣部附近，打开还原炉下炉盖，调整运渣车的升降装置使渣料罐与排渣部对接，打开排渣部，使残渣掉落到渣料罐内。出渣结束后，关闭排渣部，移走运渣车，关闭下炉盖。再向还原炉加入干球，依次循环上述步骤，进行连续生产。其中，残渣为还原镁渣。

反应方程式为：Mg(OH)₂＝MgO+H₂O↑；

3MgO+2Al＝Al₂O₃+3Mg↑

具体的，将还原炉制取的镁蒸气与电解水装置制取的氢气引入高压反应釜，通过搅动装置使氢气与镁蒸气充分接触；生成的氢化镁粉从出口排出进入水解装置；氢化镁粉水解后生成的氢气进入氢气干燥装置进行干燥，并利用变压吸附法得到的纯化后的氢气。

在本发明的一个实施例中，高压反应釜分别与还原炉和电解水装置连接，高压反应釜用于镁蒸气与氢气反应生成氢化镁粉；氢化镁水解产生氢气和氢氧化镁。高压反应釜可以为双室高压流化床反应釜，高压反应釜至少包括氢气进口，搅动装置，釜体，镁蒸气进口，真空抽气口和氢化镁出口。高压反应釜氢气进口与电解水装置连接，用于进入氢气。镁蒸气进口与还原炉的镁蒸气出口管连接，用于进入镁蒸气。氢气与镁蒸气在釜体中反应生成氢化镁粉，搅动装置使氢气与镁蒸气充分接触，增大反应面积。釜体在反应开始之前通过真空抽气口进行抽真空处理，反应结束后氢化镁粉从氢化镁出口排出。

将镁蒸气和氢气引入高压反应釜时，在引入过程中氢气压力为2MPa，氢气温度50～60℃，镁蒸气压力为1MPa，镁蒸气温度600～650℃。高压反应釜内温度达到550℃，反应时间5小时，时间到后停止引入氢气和镁蒸气。反应结束后氢化镁粉含量达到7.2％。在合适范围，压力增速0.023MPa/分，温度增速5℃/分，控制在30分钟完成制氢；高压反应釜采用不锈钢材质2205，可以调节压力和温度，搅动装置72搅拌速度为300～2000转/分。

电解水装置通过AC/DC1变换器与微电网电性连接；电解水装置与氢氧燃料电池堆发电装置管道连接。

在一个实施例中，电解水装置采用碱水电解，纯水来自海水淡化的淡水，电解水装置的阳极和阴极可以为钢棒，钢棒采取等离子喷涂硼化钛，硼化钛是一种无极催化剂，成本低，寿命长，熔点为2980℃，采用等离子设备喷涂。因为硼化钛作为碱水电解的催化剂，提高了电流流动效率，从而提高了碱水电解效率。

海洋牧场与海上风能发电装置和/或微电网电性连接；

制镁装置，制镁装置包括依次连接的加热炉、还原炉和高压反应釜，加热炉与微电网通过AC/AC4变换器电性连接；还原炉与微电网通过AC/AC5变换器电性连接；加热炉的出口与还原炉的还原部连接；高压反应釜的气体进口与电解水装置连接，高压反应釜的蒸气进口与还原炉的蒸气出口管连接。

在一个实施例中，加热炉与微电网通过AC/AC4变换器连接，加热炉用于加热氢氧化镁生成氧化镁。加热炉可以为电磁加热线圈，电磁加热线圈采用中空的铜管缠绕形成，铜管内通入冷却水用于降温，电磁加热线圈外壁设置有保温层。电磁加热线圈与微电网连接后，将电能转化为热能，将氢氧化镁在350～550℃范围内煅烧2小时生成氧化镁。还原炉与微电网通过AC/AC5变换器连接，还原炉用于还原氧化镁生成镁蒸气。还原炉可以为感应电流竖罐炉。感应电流竖罐炉从上到下顺次设置的镁蒸气出口管、还原部和排渣部。氧化镁在还原部还原生成镁蒸气，镁蒸气通过镁蒸气出口管排出，镁蒸气的出口管前端设置有石墨过滤器，还原后剩余的残渣通过位于感应电流竖罐炉底部排渣部排出。感应电流竖罐炉采用耐热钢，耐热钢材质为28Cr16Ni合金钢，耐高温1400℃。高压反应釜分别与还原炉和电解水装置连接，高压反应釜用于镁蒸气与氢气反应生成氢化镁粉；氢化镁水解产生氢气和氢氧化镁。高压反应釜可以为双室高压流化床反应釜，高压反应釜至少包括氢气进口，搅动装置，釜体，镁蒸气进口，真空抽气口和氢化镁出口。高压反应釜氢气进口与电解水装置连接，用于进入氢气。镁蒸气进口与还原炉的镁蒸气出口管连接，用于进入镁蒸气。氢气与镁蒸气在釜体中反应生成氢化镁粉，搅动装置使氢气与镁蒸气充分接触，增大反应面积。釜体在反应开始之前通过真空抽气口进行抽真空处理，反应结束后氢化镁粉从氢化镁出口排出。

水解装置，水解装置的入口与高压反应釜的出口连接；水解装置的气体出口连接干燥设备，水解装置的固体出口连接加热炉的入口；

在一个实施例中，将得到的氢化镁粉直接注入一个氢化镁水解设备中，加入纯水，氢化镁浓度20～40％，搅拌，生成氢气与氢氧化镁沉淀，反应时间为20～60分钟，反应温度100～150℃，压力0.5～1MPa。

反应方程式为：MgH₂+2H₂O→Mg(OH)₂↓+2H₂↑；

氢气出口压力(可调节)为1～2MPa。除了蒸馏水外，还可以为自来水、脏水、海水、碱水、盐水中的一种或多种。反应完后将容器中蒸馏水溶液与氢氧化镁沉淀过滤分离、洗涤，在加热炉中煅烧氢氧化镁生成氧化镁，将氧化镁送入还原炉循环利用。氢化镁水解放氢量为1800ml/g，约是氢化镁含氢量的15％。由于氢化镁水解所产生的氢气含有水分，将制取的氢气送入氢气干燥装置进行干燥，(氢气干燥装置为氢气干燥塔)对氢气进行纯化，纯化后得到纯度为99.9％的纯氢气；纯化采用变压吸附法，该法是利用气体组分在吸附剂上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化的原理，通过周期性的压力变化过程实现气体的分离纯化。

储能装置，储能装置通过AC/DC2变换器与微电网电性连接；

具体的，所述储能装置为低温铝储能装置，利用微电网电能在储能装置中进行低温700～800℃铝储能，原料为4N高纯氧化铝，得到4N高纯铝，用于氧化镁还原制取镁；运至岛外，进行水解供氢或制作成铝阳极板，进行铝空气电池堆发电；

制粉装置，制粉装置通过AC/AC6变换器与微电网电性连接；制粉装置的入口连接储能装置的第一出口；制粉装置的出口连接制氢装置的入口；制氢装置的气体出口连接干燥设备；制氢装置的固体出口连接储能装置的入口；

轧制板，轧制板通过AC/AC7变换器与微电网电性连接，轧制板的入口连接储能装置的第二出口。

电池装置，电池装置用于放电；轧制板的出口连接电池装置，电池装置的固体出口连接储能装置。

在一个实施例中，储能装置为低温铝储能设备，将低温铝储能设备通过AC/DC2变换器接入微电网制粉装置通过AC/AC6变换器与微电网电性连接，轧制板通过AC/AC7变换器与微电网电性连接。原料为4N高纯氧化铝，将氧化铝在低温铝储能设备上电解得到4N液体高纯铝。其中，原料高纯氧化铝来自铝空气电池发电系统放电产物氢氧化铝或来自铝粉制氢副产的氢氧化铝在900～1000℃下煅烧的产物。氧化铝进入该低温铝储能设备后，溶解在液态电解质中，溶解度为2～3％，电解质密度为3～3.5g/cm³，电解质为重电解质，重电解质由30％AlF₃、20％CaF₂、15％MgF₂、25％BaF₂和10％KF组成的电解质，该电解质熔点为630℃。槽电压3～4V，高纯液体铝在阴极上析出，高纯石墨连接液体铝，Ni-Fe合金为阳极，工作温度700℃～800℃；金属铝在阴极区不断析出，定期取出，纯度为99.99％，阳极区不断放出氧气。

其中，液态铝制备铝粉的过程如下：在氮气雾化装置中被继续加热并保持在一定的雾化温度，液态铝在液面压力和氮气雾化装置中氮气的文丘里效应作用下，由氮气雾化装置前端的雾化喷嘴喷到雾化室中雾化成小液滴，并在环境氮气的保护和冷却下迅速凝固成铝粉，铝粉经高压风机吸入至储料罐。在氮气雾化装置中雾化温度控制在720～750℃，雾化氮气压力控制在2.2～2.5MPa，雾化氮气流速控制在300～350m/s，喷嘴间隙控制在0.30～0.45mm。

铝粉制氢过程如下：首先将铝粉与催化剂混合得到混合物，催化剂为镓铟合金，其中镓占20％～30％，余量为铟，铝粉与催化剂的质量比例为80-95：20-5。再将混合物与水按照质量比例45-50：55-50混合。铝粉制氢水解反应时间为20-60分钟，反应温度为100-150℃，反应压力为0.5-1MPa，水解产物为氢氧化铝，在900～1000℃下煅烧1～1.5h，得到氧化铝。氧化铝返回铝储能设备电解得到金属铝，形成铝循环。反应方程式为：

2Al+6H₂O→2Al(OH)₃↓+3H₂↑

2Al(OH)₃→Al₂O₃+3H₂O↑

液态铝经过轧制板制备高纯铝阳极板的过程为：

在铝冷轧机上轧制，轧制出的阳极尺寸为：17cm×17.5cm×0.5cm，铝电极面积为296.4cm²。

阳极电片制作过程：

(1)将液态铝先铸成高纯Al锭(99.99％)，进行冷变形处理，铸态试样在等通道设备上大塑性变形7次后在双辊轧机上采用多道次变形至0.5cm厚。

(2)将铸态试样在SX-12-17型的箱式电阻炉中480℃保温4h后进行水淬，得到纳米晶铝片。

以上述纳米晶铝片为负极，空气电极为正极，4mol/LKOH为电解液，组成单体电池并进行放电试验。铝-空气电源单体的放电特性是开路电压较高(1.81V)，单体输出截止电压为0.2V，单体工作电流密度为84.35mA/cm²左右，单体稳定输出40W的时间至少为5h，即单体以25A放电、1.6V电压输出持续时间≥5h，本实施例进行了放电5小时试验。依据铝-空气电源单体的放电特性可知：单体铝合金的面积尺寸决定其电流大小，单体铝合金厚度决定其容量大小，单体工作电流密度为84.35mA/cm²左右。为设计出放电电流≥25A的单体，单体铝合金反应面积至少≥298cm²。考虑到单体空气透气膜的生产工艺，可将单体铝合金有效反应面积设计为298cm²(170mm×175mm)，单体铝合金厚度设计为0.5cm，这样每个单体的功率则为40W，电容量为100Ah。25个单体串联组合为1kW。

电池装置为铝空气电池，将铝空气电池放电后产生的氢氧化铝取出煅烧得到氧化铝，煅烧温度控制在900～1000℃，煅烧1～1.5h，然后氧化铝再次进入低温铝储能设备中重新电解进入下一循环，形成闭合循环回路。

在本发明的一个实施例中，基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统还包括：

真空单元，真空单元分别与还原炉、高压反应釜连接，用于抽取气体使还原炉和高压反应釜内部为真空状态。真空单元可以为真空泵。

冷却单元，冷却单元分别与还原炉和高压反应釜连接，用于降低还原炉和高压反应釜的温度，冷却水为海水淡化装置产生的淡水。冷却单元可以为水冷系统或者风冷系统。

具体的，微电网还包括：检测模块和控制模块。

检测模块分别与氢氧燃料电池堆发电装置、海洋能源发电装置、海上风能发电装置相连接，用于检测氢氧燃料电池堆发电装置、海洋能源发电装置、海上风能发电装置的电压。

检测模块包括电压检测子模块、电流检测子模块和温度检测子模块。

特别是电压检测子模块对氢氧燃料电池堆发电装置的整体电压和氢氧燃料电池的电压进行检测。对于氢氧燃料电池堆发电装置整体电压的检测方法有2种：(1)采用霍尔电压传感器检测电压；(2)采用电阻分压电路检测电压。由于采用霍尔电压传感器成本较高，而且还需要特定的电源，过程比较复杂。所以在本发明中采用电阻分压电路检测电压。

控制模块，控制模块分别与检测模块、氢氧燃料电池堆发电装置、海洋能源发电装置、海上风能发电装置连接，用于根据检测模块检测到的电压控制氢氧燃料电池堆发电装置开始发电或停止发电。

控制模块可以为MCU子模块或GH05-V2S05-R子模块。例如，MCU子模块是M68HC08系列的GZ16型号的单片机。M68HC08系列所有的MCU子模块均采用增强型M68HC08中央处理器(CP08)。该单片机具有以下特性：(1)8MHz内部总线频率；(2)16KB的内置FLASH存储器；(3)2个16位定时器接口单元；(4)支持1MHz～8MHz晶振的时钟发生器；(5)增强型串行通信接口(ESCI)单元。

其中，所述海洋能源发电装置包括潮汐发电装置和/或海流轮叶式发电装置；

所述潮汐发电装置包括海水涨落209、海湾区域202、中空容器204、悬浮平板203、叶轮发电机组211；所述中空容器204固定在海湾区域202内浅海底地基201上，所述中空容器204内部包含活塞210，所述活塞210与悬浮平板203连接，所述悬浮平板203随海水涨落209上下运动，并带动中空容器204内的活塞210上下运动；所述叶轮发电机组211的轮叶安装在活塞上，所述叶轮发电机组211的轮叶与所述叶轮发电机组的发电装置212连接；所述的叶轮发电机组的发电装置212与变换器电性连接；

其中，所述中空容器内部有三个活塞210，所述叶轮发电机组211的轮叶安装在活塞210上与所述叶轮发电机组的发电装置212用转动轴连接；所述的叶轮发电机组的发电装置212与变换器的电缆205电性连接；

如图2所示，为本发明实施例提供的一种不需要建筑蓄水坝就可以利用潮汐能的潮汐发电装置，将潮汐发电装置中的关键设备中空容器204固定在海湾区202内浅海底地基201上，这个中空容器204如抽水机的泵，其中有三个活塞210，活塞210安置在中空容器204中浮在海面上的悬浮平板203上，悬浮平板随潮汐的涨落上下运动，并带动中空容器204内的活塞210上下运动。在海水涨潮时，活塞处于容器顶部，当潮水下落时，容器上面的第一空气阀207和第二空气阀213被打开，通过一根通气管和海面上的大气相通。与此同时，处于容器上方的一个进水阀206也被打开，这样水就可以流动，海水就经过叶轮发电机组211的轮叶流进容器，水连续流动带到叶轮发电机组211的轮叶旋转，进而带动发电装置212发电。当潮水又一次上涨时，悬浮平板203带动活塞210随潮水向上运动，此刻，容器的第一空气阀207和第二空气阀213自动关闭，容器顶部的出水阀208同时打开，于是容器内的水在活塞210的推动下流出出水阀208。在潮水涨到最高时，活塞210再次被浮体203带到容器顶部，这时出水口208又自动关闭。此后整个装置准备随潮水的下落，重新开始发电。叶轮发电机发电装置212通过电缆205连接AC/AC1变换器。

所述海流轮叶式发电装置包括电缆线302、发电机组303、轮叶304；所述海流轮叶式发电装置与悬挂在海面306的浮体305固定连接，所述发电机组303与所述轮叶304电性连接，所述发电机组303与变换器电性连接。

如图3所示，为本实施例提供的一种海流发电装置，海流发电装置的原理就是海流推动轮叶304，轮叶304带动发电机发电。轮叶304可以是螺旋桨式的，也可以是转轮式的。轮叶的转轴与海流方向301可以是平行的，也可以垂直的。轮叶304可以直接带动发电机组303，也可以先带动水泵，再由泵产生高压来驱动发电机组303。发电机组303产生的发电电流经过缆线302连接AC/AC1转换器。整个装置可以是固定式的，也可以是锚系式的；可以是全潜式的，也可以是半潜式的。本实施例将海流发电装置悬挂在海面306的浮体305上，当海流改变方向时，发电机组303能够自动调节方向，使轮叶304正好对准海流方向，叶片随之转动，从而产生电能。

海洋能源发电装置和海上风能发电装置用于产生电能。海洋能源发电装置至少包括潮汐发电装置与海流发电装置中的一种。海洋能源发电装置产生的电能具有波动性，例如潮汐发电装置周期性变化导致发电波动性，这就导致电能不稳定。岛上电能也可以由海上风能发电装置提供。海上风能发电装置产生的电能也具有波动性，例如海上风能发电系统在白天与晚上风向不同，并且海上风大时能够多发电，在风小时发电少，这也会导致电能不稳定。在本发明的一个实施例中，通过氢氧燃料电池发电装置补充海洋能源发电装置和海上风能发电装置发电量少时不能满足的部分交流电，确保微电网中电能连续且更加稳定。

如图4所示为本发明实施例提供的PEMFC氢氧燃料电池发电装置示意图，PEMFC氢氧燃料电池发电装置包括：储氢单元404、储氧单元401、氧气压缩机402，去离子水罐403、控制柜、燃料电池堆405、温度控制系统；储氢单元404中的氢气来源于电解水装置产生的氢气，储氧单元401中的氧气来源于电解水装置产生的氧气。氢氧燃料电池发电装置发出的直流电经过逆变器变为交流电接入微电网，氢氧燃料电池发电装置受微电网中智能控制器协调，原则是保证海洋能源发电装置和海上风能发电装置所发出的电全部上网，氢氧燃料电池发电装置只是补充海洋能源发电装置和海上风能发电装置发电量少时不能满足的部分交流电，确保微电网中电能连续且更加稳定。

氢氧燃料电池包括氢气极、固体电解质和氧气极。其中，电解质为全氟磺酸型固体聚合物；电催化剂采用碳载铂合金催化剂，合金元素有铂、铬、锰、钴和镍，铂的比例在35～65％之间，铂合金通过化学还原法沉积在碳载体上，形成碳载铂合金催化剂；电极是多孔气体扩散电极，由催化剂和扩散层构成。电极扩散层材料是碳纸或碳布，厚度约为0.2～0.3mm。催化层的材料是纯铂黑和聚四氟乙烯乳液；双极板材料为无孔石墨板、表面活性的金属板或复合双极板。

如图5所示为本发明实施例提供的海洋牧场在海上风场区域建设方案，在海上风场区域内可做成延绳结构、环形结构、可旋转养殖网箱和半潜式网箱四种方案；框架材料用塑料制品、金属合金和复合纤维；网衣材料用聚乙烯、尼龙和金属网衣；用于养殖贝类海鲜。海洋牧场用电由海上风电发电装置自身提供或微电网提供，在本发明的另一个实施例中，将贝壳粉碎，煅烧贝壳，得到氧化钙，溶于水中，得到石灰乳，再加入海水淡化的浓海水中，得到氢氧化镁。将氢氧化镁在350～450℃条件下煅烧，得到氧化镁。将煅烧贝壳时放出的二氧化碳充入氢氧化镁过滤后的残液中，得到碳酸钙沉淀，进入钙循环。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统，其特征在于，包括：

微电网，用于产生电能；所述微电网包括海洋能源发电装置、海上风能发电装置和氢氧燃料电池堆发电装置；所述海洋能源发电装置与微电网电性连接，所述海上风能发电装置与微电网电性连接，所述氢氧燃料电池堆发电装置与微电网电性连接；

制氢系统，所述微电网为所述制氢系统供电，用于制取氢气；

所述制氢系统包括电解水装置，所述电解水装置与所述微电网电性连接；所述电解水装置与所述氢氧燃料电池堆发电装置管道连接，用于提供氢氧燃料；

放电系统，所述微电网为所述放电系统供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统，其特征在于，所述制氢系统还包括：

海水淡化装置，所述海水淡化装置与所述微电网电性连接；

海洋牧场，所述海洋牧场与所述海上风能发电装置和/或所述微电网电性连接；

制镁装置，所述制镁装置包括依次连接的加热炉、还原炉和高压反应釜，所述加热炉与所述微电网电性连接；所述还原炉与所述微电网电性连接；所述加热炉的出口与所述还原炉的还原部连接；所述高压反应釜的气体进口与所述电解水装置连接，所述高压反应釜的蒸气进口与所述还原炉的蒸气出口管连接；

水解装置，所述水解装置的入口与高压反应釜的出口连接；所述水解装置的气体出口连接干燥设备，所述水解装置的固体出口连接加热炉的入口。

3.根据权利要求2所述的一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统，其特征在于，放电系统包括：

储能装置，所述储能装置与微电网电性连接；

轧制板，所述轧制板与所述微电网电性连接，所述轧制板的入口连接所述储能装置的第二出口；

电池装置，所述轧制板的出口连接所述电池装置，所述电池装置的固体出口连接所述储能装置。

4.根据权利要求3所述的一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统，其特征在于，所述制氢系统还包括制粉装置，所述制粉装置与所述微电网电性连接；所述制粉装置的入口连接所述储能装置的第一出口；所述制粉装置的出口连接制氢装置的入口；所述制氢装置的气体出口连接干燥设备；所述制氢装置的固体出口连接所述储能装置的入口。

5.根据权利要求1所述的一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统，其特征在于，所述海洋能源发电装置包括潮汐发电装置和/或海流轮叶式发电装置；

所述潮汐发电装置包括海水涨落(209)、海湾区域(202)、中空容器(204)、悬浮平板(203)、叶轮发电机组(211)；所述中空容器(204)固定在海湾区域(202)内浅海底地基(201)上，所述中空容器(204)内部包含活塞(210)，所述活塞(210)与悬浮平板(203)连接，所述悬浮平板(203)随海水涨落(209)上下运动，并带动中空容器(204)内的活塞(210)上下运动；所述叶轮发电机组(211)的轮叶安装在活塞上，所述叶轮发电机组(211)的轮叶与所述叶轮发电机组的发电装置(212)连接；所述的叶轮发电机组的发电装置(212)与变换器电性连接；

所述海流轮叶式发电装置包括电缆线(302)、发电机组(303)、轮叶(304)；所述海流轮叶式发电装置与悬挂在海面(306)的浮体(305)固定连接，所述发电机组(303)与所述轮叶(304)电性连接，所述发电机组(303)与变换器电性连接。

6.根据权利要求2所述的一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统，其特征在于，所述加热炉采用中空的金属管缠绕形成，所述金属管内设置有降温装置，所述金属管外壁设置有保温层；

所述还原炉从上到下顺次连接的蒸气出口管、还原部和排渣部；所述蒸气出口管前端设置有过滤器。

7.根据权利要求1所述的一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统，其特征在于，所述基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统还包括：

真空单元，所述真空单元分别与所述还原炉、所述高压反应釜连接，用于抽取气体使所述还原炉和所述高压反应釜内部为真空状态；

冷却单元，所述冷却单元分别与所述还原炉和所述高压反应釜连接，用于降低所述还原炉和所述高压反应釜的温度，冷却水为所述海水淡化装置产生的淡水。

8.根据权利要求1所述的一种基于海洋能源和海上风能的供氢供电系统，其特征在于，所述微电网还包括：

检测模块，所述检测模块分别与所述氢氧燃料电池堆发电装置、所述海洋能源发电装置、所述海上风能发电装置相连接，用于检测所述氢氧燃料电池堆发电装置、所述海洋能源发电装置、所述海上风能发电装置的电压；

控制模块，所述控制模块分别与所述检测模块、所述氢氧燃料电池堆发电装置、所述海洋能源发电装置、所述海上风能发电装置连接，用于根据所述检测模块检测到的电压控制所述氢氧燃料电池堆发电装置开始发电或停止发电。

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