專利名稱：一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力儲能領域，特別涉及可逆燃料電池儲能技術，通過可逆氫/氧燃料電池、儲氫與儲氧系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，實現電能的大規(guī)模存儲，具體涉及一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置。
背景技術：
能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質基礎，是國民經濟、國家安全和實現可持續(xù)發(fā)展的重要基石。隨著國民經濟的迅速增長，對能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所產生的環(huán)境污染問題日益尖銳。在能源安全與環(huán)境保護的雙重壓力下，可再生能源，包括風能、太陽能、生物質能、海洋能、地熱能等的開發(fā)和利用引起了國際社會的廣泛關注。然而，風能、太陽能等可再生能源受天氣及時間段的影響較大，是典型的隨機性、間歇性電源，需要開發(fā)和建設相應的電力儲能裝置或儲能電站確保可再生能源發(fā)電、供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。此外，大規(guī)模電能存儲技術還可廣泛應用于電力工業(yè)中的“削峰填谷”，將會大幅改善電力的供需矛盾，提高現有發(fā)電設備的利用率。因此，大容量電力儲能技術與裝置的開發(fā)為高效利用現有各類發(fā)電系統(tǒng)并實現連續(xù)穩(wěn)定供電具有重大意義，有可能改變未來的能源生產、運輸和使用方式。根據能量轉換形式不同，儲能技術可分為機械儲能如抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能；電磁儲能如超導磁儲能和超級電容器儲能；電化學儲能如各類蓄電池儲能和液流電池儲能等。其中抽水蓄能和壓縮空氣儲能受地域限制影響很大；飛輪儲能、超導磁儲能和超級電容器儲能的持續(xù)時間較短，最長儲能時間一般不超過15min ；電化學儲能技術具有能量密度大，持續(xù)時間長，且不受地域限制等優(yōu)點，是目前最有應用前景的大規(guī)模電力儲能技術?？赡嫒剂想姵?RFC)是一種將電解水制氫技術與氫氧燃料電池發(fā)電技術相結合的可充放儲能電池，即2H20+電能一2H2+02的正、逆過程得以循環(huán)進行。氫氧燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的活性物質純氫和純氧可通過電解水制氫技術得以“再生”，從而起到儲能作用?？赡嫒剂想姵嘏c目前應用的二次蓄電池相比，具有更高的比能量及比功率，特別是可實現更高的儲能容量，且使用中無自放電，也不受放電深度及電池容量的限制等，是一種具有廣闊發(fā)展前景的新型大容量電力儲能電池?？赡嫒剂想姵乜蓪崿F燃料電池模式和電解模式的雙模式工作，將水電解制氫系統(tǒng)和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)整合為一個可逆燃料電池系統(tǒng)，簡化了儲能裝置的系統(tǒng)結構，提高了系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)比能量?？赡嫒剂想姵匕措娊赓|特性可分為堿性氫氧可逆燃料電池、 質子交換膜氫氧可逆燃料電池和固體氧化物氫氧可逆燃料電池。

發(fā)明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于可逆燃 料電池的大容量電力儲能裝置，能將電能通過可逆燃料電池的實現電能和化學能在不同需求下的能量轉換，具有容量大，成本低，壽命長，結構簡單的特點。為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置，包括AC/DC變換系統(tǒng)III，將需要儲存的電能由交流轉化為直流；可逆燃料電池系統(tǒng)IV，通過電解運行模式即充電過程將轉化后的直流電能轉換為化學能純氫和純氧，通過發(fā)電運行模式即放電過程將化學能轉換為電能；DC/AC變換系統(tǒng)VII，將可逆燃料電池系統(tǒng)IV放電過程轉換的電能轉化為交流后并入電網；控制系統(tǒng)X，根據電網負荷控制可逆燃料電池系統(tǒng)IV的充放電；儲氫系統(tǒng)V，儲存充電過程中生成的氫氣并供放電過程使用；儲氧系統(tǒng)VI，儲存充電過程中生成的氧氣并供放電過程使用；儲水系統(tǒng)IX，儲存放電過程產生的水并供充電過程使用。其中，所述可逆燃料電池系統(tǒng)IV與非可逆燃料電池結構基本相同，由氫電極、氧電極和電解質組成，其氫電極和氧電極在電解運行模式(充電)和發(fā)電運行模式(放電) 時分別起著不同作用，在電解運行模式(充電)時，外部電能使水發(fā)生電解反應，氫電極產生氫氣，氧電極產生氧氣；在發(fā)電運行模式(放電)時，氫氣在氫電極被氧化為H+，氧氣在氧電極被還原為02_，并與H+生產產物水，同時向外釋放電能。其采用純氫/純氧燃料運行， 可以為堿性氫氧可逆燃料電池、質子交換膜氫氧可逆燃料電池或者固體氧化物氫氧可逆燃料電池。所述輸入到AC/DC變換系統(tǒng)III的電能來源于風力發(fā)電系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、火力發(fā)電系統(tǒng)、水力發(fā)電系統(tǒng)、核電站或者運行中的電網。所述儲氫系統(tǒng)V和儲氧系統(tǒng)VI采用常壓存儲、中壓存儲或者高壓存儲，壓力范圍 0 80MPao本發(fā)明與現有技術相比具有以下優(yōu)點1)容量大電能的大容量存儲是電力儲能裝置的核心，本發(fā)明基于可逆燃料電池的大容量的電力儲能裝置，其活性物質純氫和純氧采用外部儲存的方式，分別儲存在儲氫系統(tǒng)和儲氧系統(tǒng)中，該儲能裝置的儲能容量僅由儲氫系統(tǒng)和儲氧系統(tǒng)的體積和壓力決定， 在現有技術條件下，通過增加儲氫系統(tǒng)和儲氧系統(tǒng)的體積和儲存壓力，該儲能裝置的儲能容量可達數十兆至百兆瓦時，遠高于活性物質封閉在電池內部的二次蓄電池的儲能電容量。并且該儲能裝置的儲能容量與輸出功率相互獨立，可分別設計?？赡嫒剂想姵叵到y(tǒng)采用模塊組合，輸入、輸出功率易于調節(jié)，適應廣泛。活性物質純氫和純氧的儲存過程采用物理存儲，存儲容量和儲存時間均可便于調節(jié)。2)壽命長，成本低本發(fā)明的基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置的主要組成部分可逆燃料電池系統(tǒng)IV，早在1996年，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室LLNL采用質子交換膜型可逆燃料電池進行幾千次循環(huán)實驗，證實了其具有長的循環(huán)壽命和高性能。 LLNL還與其工業(yè)合作者一起設計、開發(fā)、示范了具有高性能、長循環(huán)壽命的可逆燃料電池系統(tǒng)。在美國航天局NASA和電力研究會EPRI的資助下，Proton Energy Systems公司從1998 年開始可逆燃料電池技術開發(fā)工作，其研究結果表明可逆燃料電池在電解運行模式充電和發(fā)電運行模式放電下的性能與專門的電解水制氫系統(tǒng)和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的性能基本相同，而且在燃料電池發(fā)電運行模式下的性能更優(yōu)。其次，與二次蓄電池相比，可逆燃料電池系統(tǒng)不會由于自放電而產生能量損失，并且可逆燃料電池系統(tǒng)充、放電時無二次蓄電池常有的活性物質的固相及形貌變化，使其使用壽命更長。而且可逆燃料電池系統(tǒng)可以實現高壓電解，從而不需要機械壓縮便能實現高壓儲氣，簡化了系統(tǒng)結構、減少了系統(tǒng)能耗。另夕卜，該大容量電力儲能裝置的儲氫系統(tǒng)V和儲氧系統(tǒng)VI、AC/DC變換系統(tǒng)III、DC/AC變換系統(tǒng)VII等組成部分均為技術較成熟的商業(yè)化產品，其使用壽命均在15年以上。通過各組成部分的系統(tǒng)集成，該大容量電力儲能裝置在使用壽命和成本方面優(yōu)勢明顯。 3)結構簡單本發(fā)明一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置，僅采用可逆燃料電池一個電化學裝置，即可同時實現電解水制氫(電解模式)和燃料電池發(fā)電(發(fā)電模式)兩個過程，實現以純氫和純氧作為能源介質的大容量電力儲能，簡化了儲能裝置的系統(tǒng)結構，降低了系統(tǒng)運行和維護費用，提高了系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)比能量。綜合來看，本發(fā)明的一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置具有大容量、 低成本、長壽命和結構簡單等優(yōu)勢，在大規(guī)模電力儲能領域有著廣闊的應用前景。


圖1為本發(fā)明一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置結構圖；圖2為本發(fā)明一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置電解運行模式(充電)示意圖；圖3為本發(fā)明一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置發(fā)電運行模式(放電)示意具體實施例方式下面結合附圖和實施例詳細說明本發(fā)明的實施方式。圖1給出了本發(fā)明的一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置結構圖，包括AC/DC變換系統(tǒng)III，將需要儲存的電能由交流轉化為直流；可逆燃料電池系統(tǒng)IV，通過電解運行模式即充電過程將轉化后的直流電能轉換為化學能純氫和純氧，通過發(fā)電運行模式即放電過程將化學能轉換為電能；DC/AC變換系統(tǒng)VII，將可逆燃料電池系統(tǒng)IV放電過程轉換的電能轉化為交流后并入電網；控制系統(tǒng)X，根據電網負荷控制可逆燃料電池系統(tǒng)IV的充放電；儲氫系統(tǒng)V，儲存充電過程中生成的氫氣并供放電過程使用；儲氧系統(tǒng)VI，儲存充電過程中生成的氧氣并供放電過程使用；儲水系統(tǒng)IX，儲存放電過程產生的水并供充電過程使用。首先根據風能、太陽能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)或電網負荷低谷期的實際情況確定該儲能裝置的功率和儲能容量。然后依據該儲能裝置所需功率設計儲能裝置中可逆燃料電池系統(tǒng)IV、AC/DC變換系統(tǒng)III、DC/AC變換系統(tǒng)VII的實際運行功率及所需的電堆模塊數； 依據該儲能裝置所需容量設計儲能裝置中儲氫系統(tǒng)V、儲氧系統(tǒng)VI、儲水系統(tǒng)IX的體積及儲氣壓力。本發(fā)明的具體操作方法是
由于該儲能裝置采用可逆燃料電池一個電化學裝置，即可同時實現電解水制氫 (電解模式)和燃料電池發(fā)電(發(fā)電模式)兩個過程，因此其具體操作主要分為兩個運行模式(1)電解運行模式即充電過程如圖2，本發(fā)明一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置電解運行模式充電示意圖所示。將太陽能、風能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)I或電網負荷低谷期的電網II電能通過AC/DC變換系統(tǒng)III轉換為直流電，輸入可逆燃料電池系統(tǒng)IV，控制系統(tǒng)X控制可逆燃料電池系統(tǒng)IV在電解模式下運行，將儲水系統(tǒng)IX中的水電解為純氫和純氧，分別儲存于儲氫系統(tǒng)V和儲氧系統(tǒng)VI中實現將電能轉換為化學能進行儲存。該電解運行模式下所需控制運行的部分有AC/DC變換系統(tǒng)III、可逆燃料電池系統(tǒng)IV、儲氫V、儲氧系統(tǒng)VI、儲水系統(tǒng)IX和控制系統(tǒng)X。其中AC/DC變換系統(tǒng)III和可逆燃料電池系統(tǒng)IV均采用模塊化設計以適應不同輸入功率下的電解模式運行；(2)發(fā)電運行模式放電過程如圖3，本發(fā)明一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能 裝置發(fā)電運行模式放電示意圖所示。在電網負荷高峰期，通過控制系統(tǒng)X控制可逆燃料電池系統(tǒng)IV在發(fā)電模式下運行，控制釋放分別儲存于儲氫系統(tǒng)V和儲氧系統(tǒng)VI內的純氫和純氧至可逆燃料電池系統(tǒng)IV，將純氫和純氧的化學能直接高效的轉換為直流電能，并通過DC/AC變換系統(tǒng)VII將其變換為交流電輸送電網，以滿足電網負荷高峰期的用電需求。 可逆燃料電池系統(tǒng)IV在發(fā)電運行模式下的產物水輸送至儲水系統(tǒng)IX中進行儲存，以便可逆燃料電池系統(tǒng)IV在電解運行模式下的循環(huán)利用。該發(fā)電運行模式下所需控制運行的部分有儲氫V和儲氧系統(tǒng)VI、可逆燃料電池系統(tǒng)IV、儲水系統(tǒng)IX、DC/AC變換系統(tǒng)VII。其中可逆燃料電池系統(tǒng)IV、DC/AC變換系統(tǒng)VII 均采用模塊化設計以適應不同輸出功率下的放電過程。本發(fā)明一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置通過控制可逆燃料電池系統(tǒng)IV分別在電解模式和發(fā)電模式下的獨立運行，即可實現電力的大規(guī)模儲存，而且該具有大容量、低成本、長壽命和結構簡單等優(yōu)勢，應用前景廣闊。
權利要求
1.一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置，其特征在于，包括AC/DC變換系統(tǒng)(III)，將需要儲存的電能由交流轉化為直流；可逆燃料電池系統(tǒng)(IV)，通過電解運行模式即充電過程將轉化后的直流電能轉換為化學能純氫和純氧，通過發(fā)電運行模式即放電過程將化學能轉換為電能；DC/AC變換系統(tǒng)(VII)，將可逆燃料電池系統(tǒng)(IV)放電過程轉換的電能轉化為交流后并入電網；控制系統(tǒng)(X)，根據電網負荷控制可逆燃料電池系統(tǒng)(IV)的充放電；儲氫系統(tǒng)(V)，儲存充電過程中生成的氫氣并供放電過程使用；儲氧系統(tǒng)(VI)，儲存充電過程中生成的氧氣并供放電過程使用；儲水系統(tǒng)(IX)，儲存放電過程產生的水并供充電過程使用。
2.根據權利要求1所述的一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置，其特征在于，所述輸入到AC/DC變換系統(tǒng)(III)的電能來源于風力發(fā)電系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、火力發(fā)電系統(tǒng)、水力發(fā)電系統(tǒng)、核電站或者運行中的電網。
3.根據權利要求1所述的一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置，其特征在于，所述可逆燃料電池系統(tǒng)(IV)采用純氫/純氧燃料運行。
4.根據權利要求1所述的一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置，其特征在于，所述可逆燃料電池系統(tǒng)(IV)為堿性氫氧可逆燃料電池、質子交換膜氫氧可逆燃料電池或者固體氧化物氫氧可逆燃料電池。
5.根據權利要求1所述的一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置，其特征在于，所述儲氫系統(tǒng)(V)采用常壓存儲、中壓存儲或者高壓存儲，壓力范圍O 80MPa。
6.根據權利要求1所述的一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置，其特征在于，所述儲氧系統(tǒng)(VI)采用常壓存儲、中壓存儲或者高壓存儲，壓力范圍O 80MPa。
7.根據權利要求1所述的一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置，其特征在于，所述可逆燃料電池系統(tǒng)(IV)由氫電極、氧電極和電解質組成，在電解運行模式時，外部電能使水發(fā)生電解反應，氫電極產生氫氣，氧電極產生氧氣；在發(fā)電運行模式時，氫氣在氫電極被氧化為H+,氧氣在氧電極被還原為02_，并與H+生產產物水，同時向外釋放電能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置，包括AC/DC變換系統(tǒng)，可逆燃料電池系統(tǒng)，DC/AC變換系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，儲氫系統(tǒng)，儲氧系統(tǒng)和儲水系統(tǒng)，通過將電能通過可逆燃料電池系統(tǒng)的電解運行模式，將電能轉換為化學能純氫和純氧，分別儲存于儲氫系統(tǒng)和儲氧系統(tǒng)中，在電網負荷峰高峰期將存儲的氫氣和氧氣通過可逆燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電運行模式，將化學能轉換為電能，通過DC/AC變換系統(tǒng)并入電網。整個儲能裝置運行過程的產物水儲存至儲水系統(tǒng)，并且電解運行模式下消耗的水可與發(fā)電運行模式下生成的水進行循環(huán)利用，本發(fā)明實現了電能和化學能在不同需求下的能量轉換，具有容量大，成本低，壽命長，結構簡單的特點。
文檔編號H02J3/28GK102185327SQ20111007543
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權日2011年3月28日
發(fā)明者劉明義, 徐越, 王保民, 程健, 許世森 申請人:中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司