CN215580980U - 一种利用弃风弃光发电制氢的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用弃风弃光发电制氢的系统。该系统中的新能源发电系统包括风力发电系统、光伏发电系统和三层液储能系统；铝电解槽电解得到液态铝并释放氧气；液态铝用于制备铝阳极板或铝粉；铝空气电池发电系统以铝阳极板作为阳极发电，释放氢气，并生成副产物氧化铝以作为铝电解槽的原料；铝粉水解释放氢气，并生成副产物氧化铝以作为铝电解槽的原料；燃料电池发电系统以铝电解槽释放的氧气、铝空气电池发电系统及铝粉水解释放的氢气为原料发电，并生成副产品水以作为铝粉水解的原料；新能源发电系统分别与铝电解槽以及制备液态铝制备铝阳极板或制备铝粉的设备电连接。本实用新型利用弃风弃光发电制氢，提高了风电及光伏电的消纳能力。

Description

一种利用弃风弃光发电制氢的系统

技术领域

本实用新型涉及可再生能源应用领域，特别是涉及一种利用弃风弃光发电制氢的系统。

背景技术

目前中国新疆、内蒙古等西部地区，风能及太阳能资源丰富，风力发电和光伏发电发展速度极快。风电不同于火电、水电及核电，具有间歇性强、波动大等特点，风电及光伏电并网对电网功角稳定、频率稳定、电压稳定、系统备用和电能质量等有明显的负面影响，该影响成为风电和光伏电发展的主要障碍，消纳风电及光伏电成为难题。弃风弃光现象严重，造成投资浪费。

风电、光伏电上网后，由于保证国家电网安全，特别是午夜，风能产生较大电能不能上网，需要弃风，白天有时需要弃光，因此，如何消纳风电及光伏电成为目前亟待解决的技术问题。

实用新型内容

基于此，有必要提供一种利用弃风弃光发电制氢的系统，以提高消纳风电及光伏电的能力。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种利用弃风弃光发电制氢的系统，包括：新能源发电系统、铝电解槽、铝空气电池发电系统和燃料电池发电系统；

所述新能源发电系统包括风力发电系统、光伏发电系统和三层液储能系统；

所述铝电解槽用于以氧化铝作为原料电解得到液态铝并释放氧气；所述液态铝用于制备铝阳极板或铝粉；

所述铝空气电池发电系统用于以所述铝阳极板作为阳极发电，释放氢气，并生成副产物氧化铝以作为所述铝电解槽的原料；

所述铝粉用于水解释放氢气，并生成副产物氧化铝以作为所述铝电解槽的原料；

所述燃料电池发电系统用于以所述铝电解槽释放的氧气、所述铝空气电池发电系统释放的氢气和所述铝粉水解释放的氢气为原料发电，并生成副产品水以作为所述铝粉水解的原料；

所述新能源发电系统分别与所述铝电解槽、所述液态铝制备铝阳极板的设备以及所述液态铝制备铝粉的设备电连接。

可选的，所述利用弃风弃光发电制氢的系统，还包括：AC/DC变换器、第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器、DC母线、第三DC/DC变换器和第一DC/AC变换器；

所述风力发电系统通过所述AC/DC变换器与所述DC母线电连接；所述光伏发电系统通过所述第一DC/DC变换器与所述DC母线电连接；所述三层液储能系统通过所述第二DC/DC变换器与所述DC母线电连接；所述DC母线通过所述第三DC/DC变换器与所述铝电解槽电连接；所述DC母线通过所述第一DC/AC变换器分别与所述液态铝制备铝阳极板的设备以及所述液态铝制备铝粉的设备电连接。

可选的，所述利用弃风弃光发电制氢的系统，还包括：供电变换器；所述铝空气电池发电系统和所述燃料电池发电系统均通过所述供电变换器为用电设备供电；所述供电设备为直流负载、交流负载和国家电网中的至少一者。

可选的，所述供电变换器包括第四DC/DC变换器和/或第二DC/AC变换器。

可选的，所述三层液储能系统处于真空环境中，所述三层液储能系统包括：储能槽、阳极结构、阴极结构、耐火结构、阳极液态金属合金、阴极液态金属和第一电解质；

所述耐火结构将所述储能槽划分为加料区和储能区；所述加料区的底部出料口与所述储能区连通；所述储能区由底向上依次放置所述阳极液态金属合金、所述第一电解质和所述阴极液态金属；所述阳极结构与所述阳极液态金属合金接触；所述阴极结构与所述阴极液态金属接触。

可选的，所述阳极结构包括阳极导线和阳极石墨块；所述阴极结构包括阴极导线和阴极石墨块；所述阳极液态金属合金的底部与所述阳极石墨块接触设置；所述阳极石墨块的底部设置阳极导线；所述阴极液态金属的表面接触设置所述阴极石墨块；所述阴极导线与所述阴极石墨块连接。

可选的，所述阳极液态金属合金为液态Sn-Bi，所述阴极液态金属为液态金属Li，所述第一电解质为LI-KI电解质。

可选的，所述铝电解槽包括反应槽、阳极、阴极和第二电解质；所述反应槽的底部插入所述阴极；所述反应槽的侧壁上插入所述阳极；所述反应槽内放置所述第二电解液；当有氧化铝进入所述反应槽后，所述阴极所在的第一设定区域内析出液态铝，所述阳极所在的第二设定区域内释放氧气。

可选的，所述阳极为Ni-Fe-Al₂O₃金属陶瓷，所述阴极由钢表面喷涂TiB₂制成，所述第二电解质为NaF-AlF₃-BaF₂-CaF₂熔体。

可选的，所述铝空气电池发电系统包括电池堆主体结构；

所述电池堆主体结构包括单电池容器、滤网、废液箱、储液箱和泵送装置；所述单电池容器内放置单电池；所述单电池容器的底部开设排液孔；所述滤网设置在所述单电池容器的底部；所述滤网为抽屉结构，所述滤网的上部与所述单电池容器的下表面贴合，所述滤网的下部为金属网状结构；所述滤网的下方设置所述废液箱；所述储液箱通过所述泵送装置与所述单电池容器连通。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提出了一种利用弃风弃光发电制氢的系统，该系统中新能源发电系统包括风力发电系统、光伏发电系统和三层液储能系统，利用弃风、弃光所发出的电，通过储能电池储存，再用于铝电解槽电解转变为液态铝并放出氧气。液态铝用于制备铝阳极板或铝粉，铝阳极板用于铝空气电池发电系统，得到直流电和氢气，并副产氧化铝，铝粉水解放出氢气，也副产氧化铝。氢气一是可用于燃料电池发电系统，一是用于氢气汽车或用氢客户。副产的氧化铝，返回铝电解槽，进一步得到液态铝，放出氧气。铝空气电池发电系统和氢氧燃料电池发电系统所发出电，可以直接用于直流负载和交流负载，也可以逆变后直接接入国家电网。本实用新型利用弃风弃光发电制氢，提高了风电及光伏电的消纳能力，节能环保。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的利用弃风弃光发电制氢的系统的结构图；

图2为本实用新型实施例提供的三层液储能系统的结构图；

图3为本实用新型实施例提供的低温铝电解槽的结构图；

图4为本实用新型实施例提供的等通道转角挤压的原理图；

图5为本实用新型实施例提供的电池堆主体结构的三维示意图；

图6为本实用新型实施例提供的电池堆主体结构的后视图；

图7为本实用新型实施例提供的辅助系统的连接关系图；

图8为本实用新型实施例提供的氧化铝回收系统反应流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型实施例提供的利用弃风弃光发电制氢的系统的结构图。参见图1，本实施例的利用弃风弃光发电制氢的系统，包括：新能源发电系统、铝电解槽4、铝空气电池发电系统5和燃料电池发电系统6。

所述新能源发电系统包括风力发电系统1、光伏发电系统2和三层液储能系统3。所述铝电解槽4用于以氧化铝作为原料电解得到液态铝并释放氧气；所述液态铝用于制备铝阳极板或铝粉。所述铝空气电池发电系统5用于以所述铝阳极板作为阳极发电，释放氢气，并生成副产物氧化铝以作为所述铝电解槽4的原料。所述铝粉用于水解释放氢气，并生成副产物氧化铝以作为所述铝电解槽4的原料。所述燃料电池发电系统6用于以所述铝电解槽4释放的氧气、所述铝空气电池发电系统5释放的氢气和所述铝粉水解释放的氢气为原料发电，并生成副产品水以作为所述铝粉水解的原料。所述新能源发电系统分别与所述铝电解槽4、所述液态铝制备铝阳极板的设备以及所述液态铝制备铝粉的设备电连接。所述铝电解槽4为低温铝电解槽。

所述利用弃风弃光发电制氢的系统，还包括：AC/DC变换器7、第一DC/DC变换器8、第二DC/DC变换器9、DC母线10、第三DC/DC变换器11、第一DC/AC变换器12和供电变换器13。所述风力发电系统1通过所述AC/DC变换器7与所述DC母线10电连接；所述光伏发电系统2通过所述第一DC/DC变换器8与所述DC母线10电连接；所述三层液储能系统3通过所述第二DC/DC变换器9与所述DC母线10电连接；所述DC母线10通过所述第三DC/DC变换器11与所述铝电解槽4电连接；所述DC母线10通过所述第一DC/AC变换器12分别与所述液态铝制备铝阳极板的设备以及所述液态铝制备铝粉的设备电连接。

所述铝空气电池发电系统5和所述燃料电池发电系统6均通过所述供电变换器13为用电设备供电；所述供电设备为直流负载、交流负载和国家电网中的至少一者。所述供电变换器13包括第四DC/DC变换器和/或第二DC/AC变换器。

所述利用弃风弃光发电制氢的系统的实现过程为：

风力发电系统1发出的电为交流电，通过AC/DC变换器7，转变为适合DC母线10的直流电；光伏发电系统2发出的电为直流电，通过第一DC/DC变换器8，转变为适合DC直流母线的直流电，三层液储能系统3，特点是能够充放电，通过第二DC/DC变换器9，根据发电系统和用电系统的平衡，不断充电或放电，保持DC母线10电流电压平稳。用电端为低温铝电解槽，铝阳极板或铝粉制备设备，电源来自DC直流母线，低温铝电解槽通过第三DC/DC变换器11与DC直流母线连接，低温铝电解槽主要功能是将来自铝空气电池发电系统5的氧化铝和来自铝粉水解制氢的副产品氧化铝电解放出氧气，得到液态铝，液态铝铸锭为铝锭，再进一步深加工为铝阳极板作为铝空气电池发电系统5的阳极板；或液态铝雾化为铝粉，进一步水解制氢。其中，铝阳极板制备设备和雾化制铝粉设备电源也来自DC直流母线，DC直流母线上的电流由第一DC/AC变换器12转变为适合这些的交流电。铝空气电池发电系统5，阳极板采用等通道挤压设备制作，晶粒为纳米级，在铝空气电池发电系统5中不加缓蚀剂，也能够平稳放电和释放出氢气，副产物为氢氧化铝，再进一步煅烧为氧化铝；铝粉与碱水在水解设备中反应生成氢气和氢氧化铝，进一步煅烧为氧化铝，供给低温铝电解槽作为原料。燃料电池发电系统6中的氢气来自铝空气电池发电系统5和铝粉水解反应器，氧气来自低温铝电解槽，氢氧燃料电池发电，副产品水用于铝粉水解。铝空气电池发电系统5和燃料电池发电系统6所发出的电为直流电，可以通过第四DC/DC变换器供直流负载使用；也可以通过第二DC/AC变换器供交流负载使用；也可以通过第二DC/AC变换器发电上网，实现风光发电平稳上网。

作为一种可选的实施方式，所述利用弃风弃光发电制氢的系统还包括智能控制系统；智能控制系统与风力发电系统1、光伏发电系统2、三层液储能系统3、铝电解槽4、铝阳极板和铝粉制备设备电连接，以检测风力发电系统1、光伏发电系统2、三层液储能系统3、铝电解槽4、铝阳极板和铝粉制备设备的用电与发电，保持发电与用电平衡。

作为一种可选的实施方式，风力发电系统1中风力发电机的型式可以是双馈或直驱型风力发电机组，风力发电机具有卸荷装置，当风电无法消纳时能够卸荷，风力发电用交直流(AC/DC)变换器与传输系统(DC母线10)连接；光伏发电系统2用直流(DC/DC)变换器与传输系统连接；三层液储能系统3中的三层液储能电池以锂为负极，铋锡合金为正极，正负极摩尔比Li:Bi:Sn＝80:3:4作为电极对，以LiI-KI摩尔配比为58:42的二元熔盐作为共晶电解质，工作温度290℃。电池的平衡电压在0.74-0.79之间，比较稳定，可以以大的电流密度充放电。层液储能系统通过直流变换器接入DC母线10，层液储能系统的功能是平抑风电的波动性和间歇性，风电功率大于负荷时吸收功率，风电功率小于负荷时发出功率，从而保持专属系统内电压及功率稳定，满足负荷需要。此外，传输系统采用直流母线，在风电、光伏电一端整流将交流转换为直流，送至直流母线，在整流侧装设有滤波器来滤除特征谐波。

作为一种可选的实施方式，所述三层液储能系统3处于真空环境中，例如，可以将所述三层液储能系统3放置在真空箱中。如图2所示，所述三层液储能系统3包括：储能槽、阳极结构、阴极结构、耐火结构22、阳极液态金属合金17、阴极液态金属15和第一电解质16。所述耐火结构22将所述储能槽划分为加料区和储能区；所述加料区的底部出料口与所述储能区连通；所述储能区由底向上依次放置所述阳极液态金属合金17、所述第一电解质16和所述阴极液态金属15；所述阳极结构与所述阳极液态金属合金17接触；所述阴极结构与所述阴极液态金属15接触。

所述阳极结构包括阳极导线18和阳极石墨块19；所述阴极结构包括阴极导线14和阴极石墨块24；所述阳极液态金属合金17的底部与所述阳极石墨块19接触设置；所述阳极石墨块19的底部设置阳极导线18；所述阴极液态金属15的表面接触设置所述阴极石墨块24；所述阴极导线14与所述阴极石墨块24连接。所述阳极石墨块19为高纯石墨块。

所述阳极液态金属合金17为液态Sn-Bi，所述阴极液态金属15为液态金属Li，所述第一电解质16为LI-KI电解质。所述耐火结构22的材料为氧化镁耐火材料。

所述储能槽有外到内依次为钢壳20和绝缘结构21；所述绝缘结构21的材料为耐火或绝缘材料。工作过程中，不断从加料区的加料口23加入阳极液态金属合金17，不断从储能区的加料口加入阴极液态金属15和第一电解质16。

作为一种可选的实施方式，所述低温铝液电解槽的电解温度为700～800℃，低温铝液电解槽中的电解质可以为轻电解质，也可以为重电解质，轻电解质密度低于液体铝密度，电解时铝液在电解质下面；重电解质密度高于液态铝密度，电解时铝液在电解质上面。依据使用电解质密度设计不同形式的电解槽。采用惰性阳极和阴极，电解时得到铝和氧气。依据使用的氧化铝纯度不同，得到不同纯度级别的铝。氧化铝是对铝空气电池发电后的副产品氢氧化铝进行焙烧得到的。

如图3所示，所述低温铝电解槽包括反应槽31、阳极25、阴极26和第二电解质27；所述反应槽31的底部插入所述阴极26；所述反应槽31的侧壁上插入所述阳极25；所述反应槽31内放置所述第二电解液；当有氧化铝进入所述反应槽31后，所述阴极26所在的第一设定区域内析出液态铝28，所述阳极25所在的第二设定区域内释放氧气。所述液态铝在集铝室29收集，所述集铝室为铸铁表面喷涂氧化铝的集铝室。

所述阳极25为环形惰性阳极25，所述阳极25具体为Ni-Fe-Al₂O₃金属陶瓷；所述阴极26由钢表面喷涂TiB₂制成；所述第二电解质27为重电解质，所述第二电解质27具体为NaF-AlF₃-BaF₂-CaF₂熔体。所述反应槽31为热绝缘体，所述反应槽31的材料为SiC-BN。

所述低温铝电解槽还包括表面涂TiB₂的钢制网状隔板30；该钢制网状隔板30的一端与所述阳极25的一端固定，固定端位于所述反应槽31的侧壁内部，所述阳极25的另一端延伸至所述反应槽31的外部，所述钢制网状隔板30的另一端延伸至第二电解质27中。

上述低温铝电解槽中采用的重电解质还可以采用由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℃。

工作过程为：原料高纯氧化铝来自铝空气电池发电系统5放电产物氢氧化铝在1000～1100℃下煅烧的产物，进入该低温铝电解槽后，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，高纯液体铝为阴极26，高纯石墨连接液体铝，Ni-Fe合金为阳极25，工作温度700℃～800℃；金属铝在阴极26区不断析出，定期取出，纯度为99.99％，阳极区不断放出氧气。

低温铝电解槽中产生的液态铝用于制备铝阳极板或铝粉。

采用等通道挤压设备、轧制设备制备铝阳极板的过程为：

(1)采用等通道挤压设备加工纳米晶铝阳极：

对低温铝电解得到的液态铝(4～6N)浇铸成直径为10～20cm、长度为20cm的圆柱，进行等通道转角挤压(ECAP)，得到纳米晶铝圆柱；等通道转角挤压的ψ为30～70°，Φ为90°，挤压道次为5～10次，挤压压力为50～90T，ψ为样品经过的等通道挤压装置时外弧角度，Φ为样品经过等通道挤压装置时进出两个通道相交的角度，a为柱塞，b为样品，c为模具，如图4所示。采用等通道转角挤压技术，改变高纯铝样品的微观结构为纳米晶结构，减小了晶粒尺寸，细小均匀的晶粒组织从整体上改善了微观组织的均匀性，减少了晶粒之间的电偶腐蚀，因而减小了析氢速率，提高了放电效率，大大提高了纳米晶铝材料作为负极材料的质量能量密度。试验数据表明，通过等通道挤压制得的纳米晶铝材料的晶粒尺寸为90～220nm，析氢速率为0.087mL·min^-1·cm^-2，远低于现有技术中铝合金的析氢速率(0.6～2mL·min^-1·cm^-2)，制得的纳米晶纯铝材料在4MNaOH溶液中构成的铝空气染料电池的开路电压为1.882V，而铸态纯铝负极组成的铝空气燃料电池的开路电压只有1.591V，在10mA·cm^-2电流密度下，纳米晶纯铝材料的比容量达到2408mAhg^-1，比能量达到3725Wh·kg^-1，而铸态纯铝负极的比容量只有1631mA·h·g^-1，比能量只有2267Wh·kg^-1，能量密度提高了64.3％；纳米晶纯高纯铝材料负极比能量达到4200Wh·kg^-1，比铸态纯铝合金负极提高了60％。

表1总结了铝空气燃料电池在不同电流密度下的平均电压、容量密度、电极效率和能量密度。压力70吨，挤压7道次，ψ为30°时的纳米晶铝负极组成的铝空气电池的开路电压为1.882V，而铸态铝负极组成的铝空气电池的开路电压只有1.591V；在10mA·cm^-2电流密度下，纳米晶高纯铝负极的比容量达到2408mA·h·g^-1，比能量达到3725Wh·kg^-1，而高纯铝负极的比容量只有1631mA·hg^-1，比能量只有2267Wh·kg^-1，采用纳米晶铝负极能量密度提高了64.3％，而析氢腐蚀速率也降为铸态粗晶的约五分之一。随着电流密度的增加，容量密度持续增加，在50mA·cm^-2电流密度下，容量密度已达2900mA·h·g^-1，两者的电极效率均达到了95％以上。这是因为在高电流密度下，放电是主要反应，负极的电位已经下降较多，纳米晶铝材料的析氢腐蚀被抑制且降低到很小。能量密度随电流密度的增加先增大，然后减小。在低电流密度下，负极的腐蚀对电池的性能起决定作用，更耐腐蚀的负极拥有更高的能量密度；在高电流密度下，电池的极化则控制着电池的性能，由电压的下降引起的能量密度减小很快显现出来。相比较而言，细化晶粒带来的益处随电流密度的增加而渐渐弱化，两种铝负极的电压在30mA·cm^-2下相当，容量密度则在50mA·cm^-2电流密度下相当。均匀细小的晶粒具有较大的电化学活性，能够降低析氢腐蚀速率，因此电池的自放电率低，在较小的电流密度下电池能够提供更高的能量密度。

表1

(2)采用轧制设备轧制高纯铝阳极板

在等通道大塑性变形后，在金属冷轧机上轧制，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将高纯Al锭(99.99％)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。

以上述纳米晶铝片为负极，空气电极为正极，6mol/LNaOH为电解液，组成单体电池并进行了放电试验。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0.05cm，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。

铝粉制备过程为：

将高温铝液通过导液槽送至氮气雾化装置中，高温铝液在氮气雾化装置中被继续加热并在文丘里效应作用下，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；具体地，高温铝液在雾化炉中被继续加热并保持在一定的雾化温度，高温铝液在液面压力和环形雾化器的雾化氮气的文丘里效应作用下，由雾化炉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铝粉分级单元进行分级，分离出各种不同中粒径的铝粉送入料罐。由密相气力输送系统分别送往铝粉真空包装机进行真空包装；在高温铝液的雾化、分级和包装等生产过程中均需在氮气保护中进行；雾化炉的温度控制在850～900℃，严格捞渣作业以防止雾化器喷嘴堵塞；雾化温度控制在720～780℃，雾化氮气压力控制在2.2～2.5MPa，雾化氮气流速控制在350～400m/s，喷嘴间隙控制在0.40～0.55mm。

作为一种可选的实施方式，铝空气电池发电系统5的整体结构包括电池堆主体结构和辅助系统两部分。电池堆主体结构包括电池单体容器、滤网、储液箱、废液箱等。辅助系统包括电解质循环系统、热交换系统、气体净化系统、氧化铝回收系统、电控系统等。

随着单体电池串联个数的增多，电池的内环电流相应大幅增大，即热损耗相应大幅增大。有研究测试了在串联单体个数不同时，内环电流的大小。在串联5个单电池时，单体电池的输出电流几乎等于整个电池模块的输出电流，这说明内环电流很小，即损耗很低。在串联30个单体电池时，内环电流约占输出总电流的13.6％，内环电流产热造成的电量损耗亦可接受。

在电池总体设计中，还需要考虑到由于溶液浓度、极板成分、零件尺寸、环境温度等差异，造成不同单体电池内环电流存在差异的问题。这就导致内环电流较大的单体电池内的铝电极可能先被消耗，所以，在单个电池包中单电池串联个数较少时，电池堆系统的可靠性也会降低。因此，为实现功率输出要求，以28个单体为一组，设计为两组结构，电池组额定输出电压为48V，输出电流为110A，额定功率为5kW。

电池堆主体结构如图5和图6所示。参见图5和图6，所述电池堆主体结构包括单电池容器32、滤网33、废液箱38、储液箱35和泵送装置36。所述单电池容器32的顶部为滑动样式盖板，所述单电池容器32内放置单电池；所述单电池容器32的底部开设排液孔，与单体电池底部电磁开关阀对应。所述滤网33设置在所述单电池容器32的底部；所述滤网33为抽屉结构，所述滤网33的上部与所述单电池容器32的下表面贴合，所述滤网33的下部为金属网状结构以过滤并收集氢氧化铝沉淀；所述滤网33的下方设置所述废液箱38，所述废液箱38用于收集反应后的电解液；所述储液箱35通过所述泵送装置与所述单电池容器32连通。工作时泵送装置36使电解液通过分液器进入单电池容器32，不工作时电解液通过储液箱35的进液口34进入储液箱35。所述废液箱38的底部设置有废液出口37。

电池堆主体结构的一侧设置辅助系统。如图7所示，电控系统47连接电池堆主体结构40，并且电控系统47连接显示器，电池组各种数据包括电压、电流等在显示器上显示。电控系统47发出指令，电池堆主体结构40工作或停止。电池堆主体结构40与液泵43连接。电解质循环系统由液泵43、小型铅酸蓄电池、废液箱38、储液过滤结构(储液箱与过滤器)45、连接管线等组成。打开电池组开关后，首先由铅酸蓄电池为直流液泵43供电，将储液箱35中电解液经分液器均分，注入到各单体电池中。注意应使得电解液稍过量，或打开各单体电池排液口一段时间，使得废液箱38中存有一定量液体，以便后续进行电解液循环操作。数分钟后，反应速率达到最大值，随后反应速率一直维持在稳定的较高水平。这时，各单体电池下方排液口小幅度打开，同时液泵43工作，把废液箱38中电解液经分液器输入到各单体中，此时进液与排液速率相同。此过程中液泵43可以以较低功率运行。在运行过程中，当铝空气电池系统负载较小，存在功率冗余时，可以为铅酸蓄电池进行充电。由于经过了滤网33过滤，电解质循环过程可有效除去反应生成的杂质，也对电池单体内部空间起到冲刷作用。另外，应在单电池排液口处设置氢氧根离子浓度传感器，在电解液浓度不支持电池反应快速进行时，应从储液箱35泵入新电解液进行更换。

热交换系统具体为冷却剂循环系统44。冷却剂循环系统44与设置在电池堆主体结构40中的冷却装置连接。冷却装置为一块尺寸为700mm*500mm*14mm的矩形铝合金散热板，设置在单体电池的中间位置。铝合金散热板中含有10mm内径的液体冷却管。冷却水水箱中选用蒸馏水作为冷却剂，通过直流水泵泵入到冷却管中，冷却管出液口又连接到冷却水水箱。由于水箱与外界对流换热面积较大，在循环过程中，冷却水不需要额外冷却装置。冷却水水箱也与各单体电池进液口连接，在电池反应需要暂停时，待电解液完全流入到废液箱38中后，令冷却水对极板进行冲刷，可降低残余氢氧根离子的影响，使得电池阳极的腐蚀率尽可能降低。

气体净化系统具体为二氧化碳水洗涤器39。空气进入二氧化碳水洗涤器39，二氧化碳被水吸收，干净的空气进入电池堆主体结构40，电池堆主体结构40工作时放出氢气以及水蒸气，进入膜分离装置41，氢气进入氢气收集装置42收集。

氧化铝回收系统46与储液箱35过滤系统相连。下面对氧化铝回收系统46进行详细介绍。

氧化铝回收系统46的目的是通过回收反应后的沉淀物与反应剩余电解液，最终回收生成高纯度氧化铝产物。

对滤网33上的沉淀物进行XRD衍射分析，对照晶体的标准PDF卡片，可得到沉淀物主要成分为氢氧化铝。而氢氧化铝在一定温度下，可溶于强酸。这使得其回收流程较为简易。

用浓硫酸溶解一定量沉淀物，结晶得到硫酸铝，然后将制备的硫酸铝配成0.2mol/L的溶液。配制2.0mol/L的碳酸铵溶液，并向其中加入一定量分散剂，然后将制备的硫酸铝溶液缓慢加入其中，加入完毕后搅拌1h，然后陈化、抽滤。在抽滤过程中，沉淀先用蒸馏水洗涤数次，后用无水乙醇洗涤数次。将抽滤得到的滤饼放入烘箱中干燥，得到碳酸铝铵前驱体。

最后进行分步煅烧，首先在约300℃条件下进行低温煅烧，再升温到1200℃进行高温煅烧，即可得到单分散α-Al₂O₃。

对于铝空气电池发电系统5工作一个周期(大约30天)的液体，易知其主要含有成分为偏铝酸钠，在160g-320g/L之间。而由于缓蚀剂或催化剂的影响，含有的杂质元素主要有硅、锌、镁、钙等，除杂过程需考虑对以上杂质离子进行分步沉淀，并过滤除去。因此，从铝空气电池发电系统5循环出来的液体回收氧化铝的流程如下：

首先，在偏铝酸钠溶液中加入过量氧化钙，氧化钙与偏铝酸钠溶液反应生成氢氧化钙，氢氧化钙与偏铝酸钠反应可生成水合铝酸钙(3CaO·Al₂O₃·6H₂O)，溶液中的SiO₂(OH)₂ ^2-离子在水合铝酸钙表层反应，生成水化石榴石沉淀，溶液中的硅杂质即被除去；除去硅杂质后，在溶液中加入适量硫化钠，硫离子与溶液中的锌离子发生反应，生成硫化锌沉淀，从而除去锌离子；再向溶液中再加入草酸钠并搅拌，过滤除去草酸镁、钙盐沉淀。

随后，在磁力搅拌反应釜50内，将除杂后的铝酸钾溶液升至指定温度，加入晶种混合搅拌，以一定流速通入CO₂、N₂的混合气体，以增加溶液过饱和度，促进溶液分解成氢氧化铝和碳酸钠两种产品。分解至终点后停止通气，并采用真空抽滤的方式进行固液分离。氢氧化铝滤饼用去离子水洗涤后进行干燥。

对不同类型的氢氧化铝可使用浓盐酸溶解。这一步亦可与之前回收铝空气电池产生的固体废物的步骤类似，即使用硫酸溶解得到硫酸铝盐。把Al³⁺盐溶液滴入NH₄HCO₃溶液中发生可反应生成碳酸铝铵。对碳酸铝铵进行沉淀后，进行真空干燥或烘干，干燥后的碳酸铝铵在高温下热解，最终可生成不发生团聚，分布均匀，晶粒细化，粒径达到50nm左右的氧化铝颗粒。

对生成的氧化铝进行砂磨，细化粒度，对砂磨后的氧化铝进行干燥，即得到纳米氧化铝成品。

两种回收流程在得到铝盐后，制备氧化铝的操作十分类似，且总体反应流程均包括酸溶、真空抽滤、烘干和多步煅烧，回收流程有很多重叠。

出于工业生产和节约成本的需要，多个铝空气电池组可以合用一套回收设备。其中包括：普通反应槽以及过滤设备，用于进行初步处理；酸溶反应槽及过滤设备，用于溶解反应后滤网33上的氢氧化铝以及废液沉淀反应后生成的氢氧化铝；磁力搅拌反应釜50，用于需要在密闭条件下通入气体并进行充分搅拌的反应过程；真空抽滤装置，用于抽滤得到碳酸铝铵滤饼；烘箱，用于干燥生成的碳酸铝铵饼体；工业煅烧炉，用于煅烧生成分散度较好的纳米氧化铝成品。这些设备均为工业生产中常见的反应设备，易于获取。

如图8所示，实线为铝空气电池反应后废液路线，虚线为铝空气电池反应后滤网33上固体产物路线。

对于反应后滤网33上固体产物路线。首先进入酸溶反应槽及过滤装置49，在此发生反应并进行过滤反应产物。在酸溶反应槽及过滤装置49中，用浓硫酸溶解一定量沉淀物，结晶得到硫酸铝，然后将制备的硫酸铝配成0.2mol/L的溶液。配制2.0mol/L的碳酸铵溶液，并向其中加入一定量分散剂，然后将制备的硫酸铝溶液缓慢加入其中，加入完毕后搅拌1h，然后陈化、抽滤。在抽滤过程中，沉淀先用蒸馏水洗涤数次，后用无水乙醇洗涤数次。将真空抽滤装置得到的滤饼放入烘箱52中干燥，得到碳酸铝铵前驱体。

最后进行分步煅烧，首先在约300℃条件下进行低温煅烧，再升温到1200℃进行高温煅烧，即可得到单分散α-Al₂O₃。这一步在工业煅烧炉53中进行。

对于铝空气电池反应后废液路线。

首先，在普通反应槽及过滤装置48中，在偏铝酸钠溶液中加入过量氧化钙，氧化钙与偏铝酸钠溶液反应生成氢氧化钙，氢氧化钙与偏铝酸钠反应可生成水合铝酸钙(3CaO·Al₂O₃·6H₂O)，溶液中的SiO₂(OH)₂ ^2-离子在水合铝酸钙表层反应，生成水化石榴石沉淀，溶液中的硅杂质即被除去；除去硅杂质后，在溶液中加入适量硫化钠，硫离子与溶液中的锌离子发生反应，生成硫化锌沉淀，从而除去锌离子；再向溶液中再加入草酸钠并搅拌，过滤除去草酸镁、钙盐沉淀。

随后，在磁力搅拌反应釜50内，将除杂后的铝酸钾溶液升至指定温度，加入晶种混合搅拌，以一定流速通入CO₂、N₂的混合气体，以增加溶液过饱和度，促进溶液分解成氢氧化铝和碳酸钠两种产品。分解至终点后停止通气，并采用真空抽滤装置51进行固液分离。氢氧化铝滤饼用去离子水洗涤后进行干燥。

对不同类型的氢氧化铝可使用浓盐酸溶解。这一步亦可与之前回收铝空气电池产生的固体废物的步骤类似，即使用硫酸溶解得到硫酸铝盐。把Al³⁺盐溶液滴入NH₄HCO₃溶液中发生可反应生成碳酸铝铵。对碳酸铝铵进行沉淀后，进行真空干燥或烘干，干燥后的碳酸铝铵在高温下热解，最终可生成不发生团聚，分布均匀，晶粒细化，粒径达到50nm左右的氧化铝颗粒。

铝粉制氢过程为：

铝粉与加入至铝水反应器中的水溶液反应制取氢气；或者铝粉与加入至铝水反应器中的碱水溶液反应制取氢气，将制取的氢气输出到加氢装置。具体地，铝粉与加入至铝水反应器中的水溶液反应制取氢气，反应方程式为：

2Al+6H₂O→Al(OH)₃↓+3H₂↑

水溶液为自来水、纯水、盐水中的一种或多种；盐水为质量比浓度为5％～40％的氯化钠或氯化钾水溶液。

铝粉与加入至铝水反应器中的碱水溶液反应制取氢气，反应方程式为：

2Al+6H₂O+2NaOH→2NaAl(OH)₄+3H₂↑

NaAl(OH)₄→NaOH+Al(OH)₃↓

碱水溶液为质量比浓度为5％～60％的氢氧化钠或氢氧化钾水溶液。

将制取氢气过程中产生的氢氧化铝沉淀泄放至回转烧结炉中进行烧结分解得到三氧化二铝粉末，然后打包封装运回铝电解槽4中重新电解进入下一循环，形成闭合循环回路。具体地，回转烧结炉的烧结分解过程的温度控制在450～500℃。

氢气处理过程为：

铝空气电池发电系统5放电过程中，不加缓蚀剂，所产生氢气与铝粉水解所产生的含有碱蒸气的氢气合流进入氢气干燥塔进行干燥，纯化后得到纯度为99.9％的纯氢气。纯化利用变压吸附法(PSA)，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。PSA技术的特点：具有能耗低，产品纯度高，工艺流程简单，预处理要求低，操作方便、可靠，自动化程度高等优点，回收率可达96％。再经由高纯无油增压器氢气压缩机压入高压储氢容器中储存，然后再经由减压阀进入加氢机为燃料电池汽车加氢。

燃料电池发电过程：

燃料电池发电系统6包括氢和氧储气罐，加氢装置将合格氢加入到燃料电池储氢罐。从低温铝电解副产的氧气由于含杂质及水分，需要进入纯化器进行纯化处理。纯化器主要由三个部分组成：脱水器，其功能主要是消除氧气中的水分；干燥器，其作用是进一步除去反应生成的水；脱烃器，其内部装有催化剂，目的是脱除一氧化碳、甲烷等杂质。合格的高纯氧气从纯化器出来后，再经膜压机二段加压至15MPa，送至合格的燃料电池储氧罐。氢氧燃料电池工作后，产生直流电能，副产水。这些水用来补充铝粉制氢工艺。

智能控制系统：

有五个监控点，监控风电输出、光伏电输出、三层液储能电池输出与输入、低温铝电解输入、阳极板及铝粉生产输入。智能控制系统始终保持平衡传输系统输入功率与输出功率平衡和输出电压稳定。当风电、光伏电功率大于负载输入功率之和时，给三层液电池充电，当风电光电功率小于负载输入功率之和时，三层液电池输出功率弥补不足部分。

本实施例的利用弃风弃光发电制氢的系统，利用弃风、弃光所发出的电，通过储能电池储存，再用于惰性电极低温铝电解转变为铝能并放出氧气。铝锭再进一步等通道挤压和轧制加工为纳米晶阳极铝板或通过雾化法制取铝粉，纳米晶铝阳极板用于铝空气电池发电系统5，得到直流电和氢气，并副产氢氧化铝，铝粉和碱水水解放出氢气，也副产氢氧化铝。氢气通过干燥、除杂得到纯氢气，一是可用于燃料电池发电系统6，一是用于氢气汽车或用氢客户。副产的氢氧化铝在1100～1200℃煅烧得到氧化铝，返回低温铝电解，进一步得到纯铝，放出氧气。铝空气电池发电系统5和燃料电池发电系统6所发出电，可以直接用于直流负载和交流负载，也可以逆变后直接接入国家电网。

本实施例的利用弃风弃光发电制氢的系统的优点如下：

(1)弃风的风电和光电可以达到100％利用，与三层液储能电池配合，输出功率稳定，电压稳定，满足交流负载和直流负载需求，还可以通过铝空气电池发电系统5和燃料电池发电系统6变为稳定交流电上网。

(2)氧化铝通过低温铝电解得到金属铝，风能与光能转变为铝能，铝能够运输，而且风电和光电一般都安装在沙漠或我国西部地区，缺水，铝比氢，更能体现方便，可行。

(3)铝粉制氢和铝空气电池制氢，得到副产品氧化铝，返回低温铝电解系统，铝在其中循环使用，铝只起到载能的载体作用。

(4)铝粉制氢，有利于氢能低成本制备与使用，有利于氢能技术发展。

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。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种利用弃风弃光发电制氢的系统，其特征在于，包括：新能源发电系统、铝电解槽、铝空气电池发电系统和燃料电池发电系统；

所述新能源发电系统包括风力发电系统、光伏发电系统和三层液储能系统；

所述铝电解槽用于以氧化铝作为原料电解得到液态铝并释放氧气；所述液态铝用于制备铝阳极板或铝粉；

所述铝空气电池发电系统用于以所述铝阳极板作为阳极发电，释放氢气，并生成副产物氧化铝以作为所述铝电解槽的原料；

所述铝粉用于水解释放氢气，并生成副产物氧化铝以作为所述铝电解槽的原料；

所述燃料电池发电系统用于以所述铝电解槽释放的氧气、所述铝空气电池发电系统释放的氢气和所述铝粉水解释放的氢气为原料发电，并生成副产品水以作为所述铝粉水解的原料；

所述新能源发电系统分别与所述铝电解槽、所述液态铝制备铝阳极板的设备以及所述液态铝制备铝粉的设备电连接。

2.根据权利要求1所述的一种利用弃风弃光发电制氢的系统，其特征在于，还包括：AC/DC变换器、第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器、DC母线、第三DC/DC变换器和第一DC/AC变换器；

所述风力发电系统通过所述AC/DC变换器与所述DC母线电连接；所述光伏发电系统通过所述第一DC/DC变换器与所述DC母线电连接；所述三层液储能系统通过所述第二DC/DC变换器与所述DC母线电连接；所述DC母线通过所述第三DC/DC变换器与所述铝电解槽电连接；所述DC母线通过所述第一DC/AC变换器分别与所述液态铝制备铝阳极板的设备以及所述液态铝制备铝粉的设备电连接。

3.根据权利要求2所述的一种利用弃风弃光发电制氢的系统，其特征在于，还包括：供电变换器；所述铝空气电池发电系统和所述燃料电池发电系统均通过所述供电变换器为用电设备供电；所述用电设备为直流负载、交流负载和国家电网中的至少一者。

4.根据权利要求3所述的一种利用弃风弃光发电制氢的系统，其特征在于，所述供电变换器包括第四DC/DC变换器和/或第二DC/AC变换器。

5.根据权利要求1所述的一种利用弃风弃光发电制氢的系统，其特征在于，所述三层液储能系统处于真空环境中，所述三层液储能系统包括：储能槽、阳极结构、阴极结构、耐火结构、阳极液态金属合金、阴极液态金属和第一电解质；

所述耐火结构将所述储能槽划分为加料区和储能区；所述加料区的底部出料口与所述储能区连通；所述储能区由底向上依次放置所述阳极液态金属合金、所述第一电解质和所述阴极液态金属；所述阳极结构与所述阳极液态金属合金接触；所述阴极结构与所述阴极液态金属接触。

6.根据权利要求5所述的一种利用弃风弃光发电制氢的系统，其特征在于，所述阳极结构包括阳极导线和阳极石墨块；所述阴极结构包括阴极导线和阴极石墨块；所述阳极液态金属合金的底部与所述阳极石墨块接触设置；所述阳极石墨块的底部设置阳极导线；所述阴极液态金属的表面接触设置所述阴极石墨块；所述阴极导线与所述阴极石墨块连接。

7.根据权利要求5所述的一种利用弃风弃光发电制氢的系统，其特征在于，所述阳极液态金属合金为液态Sn-Bi，所述阴极液态金属为液态金属Li，所述第一电解质为LI-KI电解质。

8.根据权利要求1所述的一种利用弃风弃光发电制氢的系统，其特征在于，所述铝电解槽包括反应槽、阳极、阴极和第二电解质；所述反应槽的底部插入所述阴极；所述反应槽的侧壁上插入所述阳极；所述反应槽内放置所述第二电解质；当有氧化铝进入所述反应槽后，所述阴极所在的第一设定区域内析出液态铝，所述阳极所在的第二设定区域内释放氧气。

9.根据权利要求8所述的一种利用弃风弃光发电制氢的系统，其特征在于，所述阳极为Ni-Fe-Al₂O₃金属陶瓷，所述阴极由钢表面喷涂TiB₂制成，所述第二电解质为NaF-AlF₃-BaF₂-CaF₂熔体。

10.根据权利要求1所述的一种利用弃风弃光发电制氢的系统，其特征在于，所述铝空气电池发电系统包括电池堆主体结构；

所述电池堆主体结构包括单电池容器、滤网、废液箱、储液箱和泵送装置；所述单电池容器内放置单电池；所述单电池容器的底部开设排液孔；所述滤网设置在所述单电池容器的底部；所述滤网为抽屉结构，所述滤网的上部与所述单电池容器的下表面贴合，所述滤网的下部为金属网状结构；所述滤网的下方设置所述废液箱；所述储液箱通过所述泵送装置与所述单电池容器连通。

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