專利名稱：可再生能源與燃料電池耦合發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及發(fā)電裝置，尤其涉及可再生能源與燃料電池耦合發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)
陽極反應(yīng)H2→2H++2e陰極反應(yīng)1/2O2+2H++2e→H2O在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池既可以用作車、船等運(yùn)載工具的動力系統(tǒng)，又可以用作移動式或固定式的發(fā)電站。
目前，我國電力能源工業(yè)的主要發(fā)展方式依然是“大機(jī)組，大電廠，大電網(wǎng)”，其中新增電力能源主要依靠燃煤、燃?xì)?、火力發(fā)電為主。
但是這種以大量消耗不可再生能源的發(fā)電方式不可能持續(xù)支撐國家的經(jīng)濟(jì)高速增長，我國的經(jīng)濟(jì)、社會可持續(xù)發(fā)展正遇到前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
分布式供電是相對于傳統(tǒng)的集中式供電方式而言的，是指將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模(數(shù)百瓦至數(shù)百千瓦的小型模塊)的方式布置在用戶附近。因分布式供電電源的特殊而具有良好的環(huán)保性能，與集中供電電站相比，分布式供電具有以下優(yōu)勢沒有或有很低的輸配電損耗；無需建設(shè)配電站，可避免增加輸配電成本；各電站相互獨(dú)立，用戶可自行控制，不會發(fā)生大規(guī)模停電事故，供電的可靠性高。
目前新能源主要指包括太陽能、風(fēng)能、潮汐能等在內(nèi)的可再生能源，可再生能源對于環(huán)境沒有污染，并且取之不盡用之不竭，它將成為未來能源的主體。但是上述可再生能源也存在著非常明顯的缺點(diǎn)，如，風(fēng)能發(fā)電受到風(fēng)力大小的影響非常明顯，它無法隨著人們用電負(fù)荷的變化而改變其發(fā)電功率。有時候風(fēng)較大，但是用電負(fù)荷較小，多余的能量就無法利用，有些時候風(fēng)又較小甚至沒有風(fēng)，此時又有較大的用電負(fù)荷，所提供的電力也就無法滿足人們的用電需求。太陽能和潮汐能發(fā)電也存在類似的缺陷，其發(fā)電功率與用電負(fù)荷無法同步響應(yīng)。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種既可以充分利用與節(jié)約能源，又可以有效緩解用電高峰時刻用電緊張狀況的可再生能源與燃料電池耦合發(fā)電裝置。
本實(shí)用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)可再生能源與燃料電池耦合發(fā)電裝置，其特征在于，包括可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、電解水制氫系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，所述的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電力通過電解水制氫系統(tǒng)制成氫氣，該氫氣提供給燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為燃料。
所述的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)所使用的可再生能源包括風(fēng)能、太陽能、潮汐能。
所述的電解水制氫系統(tǒng)包括電解水制氫站、氫壓機(jī)、高壓儲氫槽，所述的電解水制氫站與氫壓機(jī)連接，該氫壓機(jī)與高壓儲氫槽連接。
還包括直流-直流變換裝置，所述的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電力通過該直流-直流變換裝置后為電解水制氫系統(tǒng)供電生產(chǎn)氫氣。
還包括直流-直流逆變裝置，所述的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)同時工作，通過該直流-直流逆變裝置向用戶或電網(wǎng)供電。
還包括中央控制器，該中央控制器采用CAN通訊方式，將上述各個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)用戶或電網(wǎng)的用電功率需求采用一種或多種工作模式。
本實(shí)用新型采用一種實(shí)用型分布式地面電站，就是將太陽能、風(fēng)能或潮汐能等可再生能源發(fā)電站與燃料電池發(fā)電站耦合發(fā)電，從而彌補(bǔ)因天氣等自然原因造成的供電不足?？稍偕茉纯赏ㄟ^電解制得氫氣并用氫作為中間載能體來調(diào)節(jié)、貯存轉(zhuǎn)化能量，使得對用戶的能量供應(yīng)更為靈活方便。供電系統(tǒng)在低谷時，富余電能也可用于電解水制氫，達(dá)到儲能的目的。通過這種可再生能源發(fā)電站與燃料電池發(fā)電站耦合的方式削峰填谷，充分利用了能源，既可以節(jié)約能源，又可以有效緩解用電高峰時刻的用電緊張狀況。
通過與燃料電池發(fā)電站耦合，風(fēng)能等可再生能源發(fā)電站的發(fā)電能力對于天氣等自然因素的依賴程度可以有效降低。供電系統(tǒng)啟動速度加快，壽命加長，節(jié)約能源的同時，對于環(huán)境零污染，也無二次污染。
可再生能源發(fā)電可以是小型的風(fēng)能、太陽能等發(fā)電，通過與質(zhì)子交換膜燃料電池聯(lián)合發(fā)電，解決了風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電的不足之處，例如當(dāng)風(fēng)力、太陽光較大充足時，可以直接給用戶、電網(wǎng)供電，并可以通過水電解制氫裝置將過量的電力通過電解水制成氫氣，以氫能的方式儲存起來。一般來說，這種水電解制氫技術(shù)與裝置是目前國內(nèi)、外很成熟的商業(yè)化產(chǎn)品。當(dāng)風(fēng)力、太陽光不充足時，或完全中斷時，氫氣加燃料電池就可以起動為用戶或電網(wǎng)供電；或當(dāng)用戶、電網(wǎng)處于用電高峰時，氫氣加燃料電池也可以幫助調(diào)峰。
這種分布式發(fā)電系統(tǒng)工作模式主要有1.風(fēng)能或太陽能等發(fā)電系統(tǒng)直接為用戶或電網(wǎng)供電；2.同時將過量充足的風(fēng)力、太陽能等可再生能源利用電解水制氫將氫氣儲存起來；3.當(dāng)風(fēng)力或太陽光不充足時，或完全中斷時，或用戶、電網(wǎng)用電處于高峰時，氫氣與燃料電池起動為用戶或電網(wǎng)供電，同時生成純凈水，循環(huán)利用，返回電解水制氫所需要的水。


圖1為本實(shí)用新型可再生能源與燃料電池耦合發(fā)電裝置的工作原理圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例如圖1所示，一種0.1～30KW的太陽能與質(zhì)子交換膜燃料電池聯(lián)合發(fā)電的分布式發(fā)電系統(tǒng)由以下子系統(tǒng)構(gòu)成，并按圖1的聯(lián)合發(fā)電原理進(jìn)行系統(tǒng)整合運(yùn)行A.太陽能發(fā)電系統(tǒng)1，由現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化的太陽能電池板串、并聯(lián)而成，發(fā)電功率為0.1～30KW，輸出電壓為300V，電流為0～100A；B.大功率太陽能電池(0.1～30KW)的直流-直流變換、直流-交流逆變裝置2，輸出電力直接為用戶、電網(wǎng)供電，輸入電壓、電流為直流300V、100A；輸出電壓、電流為交流220V、50HZ、140A；C.大功率太陽能電池(0.1～30KW)的直流-直流變換裝置3，輸入電壓、電流為直流300V、100A，輸出電力為電解水制氫裝置供電，直流5V、6000A，進(jìn)行電解水制氫；D.隔膜式電解水制氫裝置，例如成熟的Stuart Energy市場產(chǎn)品電解水制氫站4，產(chǎn)氫能力為10～300升/分鐘；E.成熟的市場產(chǎn)品隔膜泵高壓氫壓機(jī)5，將電解水制成的氫壓縮到高壓儲氫容器中，壓縮壓力達(dá)300個大氣壓；F.高壓儲氫容器為市場上成熟的50～100升的鋁內(nèi)膽、碳纖維纏繞、環(huán)氧樹脂浸漬的高壓儲氫罐6，工作壓力為100～300個大氣壓，數(shù)量為10～100只；G.0.1～30KW質(zhì)子交換膜燃料電池7，該燃料電池以氫為燃料，以空氣為氧化劑，額定輸出電壓、電流為直流300V、100A。
本實(shí)施例的工作模式有
a.1經(jīng)過2，直接為用戶、電網(wǎng)供電；b.1經(jīng)過2，直接為用戶、電網(wǎng)供電；同時經(jīng)過3為4供電生產(chǎn)氫氣；c.生產(chǎn)的氫氣通過5壓縮并儲存到6中；d.用戶、電網(wǎng)用電高峰時，由7同時工作，通過2合并供電；e.由7單獨(dú)通過2向用戶、電網(wǎng)供電。
本實(shí)施例中的整個系統(tǒng)有一個中央控制器，采用CAN通訊方式，將上述各個子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與控制，并根據(jù)電網(wǎng)、用戶的用電功率需求的實(shí)際情況采取上述a～e中的一種或多種模式。
權(quán)利要求1.可再生能源與燃料電池耦合發(fā)電裝置，其特征在于，包括可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、電解水制氫系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，所述的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電力通過電解水制氫系統(tǒng)制成氫氣，該氫氣提供給燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為燃料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再生能源與燃料電池耦合發(fā)電裝置，其特征在于，所述的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)所使用的可再生能源包括風(fēng)能、太陽能、潮汐能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再生能源與燃料電池耦合發(fā)電裝置，其特征在于，所述的電解水制氫系統(tǒng)包括電解水制氫站、氫壓機(jī)、高壓儲氫槽，所述的電解水制氫站與氫壓機(jī)連接，該氫壓機(jī)與高壓儲氫槽連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再生能源與燃料電池耦合發(fā)電裝置，其特征在于，還包括直流-直流變換裝置，所述的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電力通過該直流-直流變換裝置后為電解水制氫系統(tǒng)供電生產(chǎn)氫氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再生能源與燃料電池耦合發(fā)電裝置，其特征在于，還包括直流-直流逆變裝置，所述的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)同時工作，通過該直流-直流逆變裝置向用戶或電網(wǎng)供電。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的可再生能源與燃料電池耦合發(fā)電裝置，其特征在于，還包括中央控制器，該中央控制器采用CAN通訊方式，將上述各個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)用戶或電網(wǎng)的用電功率需求采用一種或多種工作模式。
專利摘要本實(shí)用新型涉及可再生能源與燃料電池耦合發(fā)電裝置，包括可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、電解水制氫系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，所述的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電力通過電解水制氫系統(tǒng)制成氫氣，該氫氣提供給燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為燃料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型既可以充分利用與節(jié)約能源，又可以有效緩解用電高峰時刻用電緊張的狀況，是一種很有發(fā)展前途的發(fā)電裝置。
文檔編號H01M8/00GK2893940SQ200520043089
公開日2007年4月25日 申請日期2005年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月1日
發(fā)明者胡里清, 夏建偉, 付明竹, 章波, 郭偉良 申請人:上海神力科技有限公司