风电制氢与燃料电池集成系统初步分析与研究

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1、风电制氢与燃料电池集成系统初步分析与研究作者：北京天润新能投资冇限公司工程技术部牛清华电话：15901316805摘要：目前，随着风电的大规模开发，部分地区风电弃风现彖严重，本文首先结合当前已有的风电和氢能技术平台，阐述了风电制氢与燃料电池集成系统的总体设计思路，其次对部分关键的子系统进行了分析，并提出了整个系统的初步集成方案，最后根据当前的技术水平，提出了后续需要重点研究的技术方向。关键词：风屯制氢燃料屯池系统集成一、引言风能是清洁的可再生能源，近年风力发电在我国取得了飞速发展，装机容量突飞猛进，但由于风能受自然界各种不可控制因素的影响，风力发电非常不稳定，

2、对并入的电网冲击很大，很多情况下由于电网的限制会被迫弃风，据估计，蒙东风场一年的弃风量就高达30亿度。与此同时，氢燃料电池得到越来越多的重视，氢燃料电池对环境基木无污染，它只会产生水和热。如果氢原料通过风电产生，整个循环就是彻底不产生有害物质排放的过程。风电制氢是利用风力发电将水电解制造氢气，以氢气作为能源的载体，进行储存和运输，并将其在终端加以利用。成功的开发低电耗、低成本的屯解制氢并将其有机地和风电场集成结合，不仅可以解决消纳弃风限电的难题，更可以为氢燃料电池提供必不可少的燃料。二、研究意义风电制氢与燃料电池集成系统的研究方向可以分为两个方面：1、氢燃料电

3、池汽车。发展燃料电池汽车的关键Z—就是如何捉供清洁的氢燃料。在短期内，以化石能源为主体的化学能源制氮将山成本和成熟技术上的优势，但是从长远来看，可再生能源制氢，并提供给燃料电池汽车，才能成为真正意义上的绿色能源汽车。2、智能微网系统。风电经整流器整流后接至电解桝，电解榊通过直流电流将水电解成氢气，储存丁•压力罐屮，储氢罐通过管道与燃料电池进气口相连，整个系统配置好相应的监控及保护装置后，燃料电池输出的电能既可给用户供电，又可实现向电网侧馈电。本文主要研究采用已有的风电和氢能的技术平台，对风电制氧与燃料电池集成系统关键技术进行初步分析与研究，在全面掌握风电、电解

4、槽、压力储氢、燃料电池等技术性能后，可以开展风电制氢与燃料电池集成系统工程设计，进行风电制氢与燃料电池集成系统工程的建设及经济技术分析，为解决风电弃风难题和发展智能微网捉供了新的思路。三、系统总体设计思路（一）、系统划分风电制氢与燃料电池集成系统主要由以下6个子系统构成：1、输变电子系统。该子系统主要为集成系统供电和配电，包括变压器、断路器柜、配电柜、整流逆变装置和电力电缆等。2、电解槽了系统。该了系统主要用于制氢和为燃料电池提供原料，包括电解槽、电源转换控制系统、控制面板、气液分离系统、储气罐和水碱箱循环系统等。3、燃料电池子系统。该子系统主要用于维持电解槽

5、的最小运行状态和向系统馈电,包描电堆组件、空压机、增湿器和冷凝器等。4、水过滤子系统。该子系统主要用于为电解槽和燃料电池捉供纯净水，包括储水罐、水泵、过滤器等。5、水冷却子系统。该子系统主要用于为碱液冷却器和电源转换系统提供冷水，包括储水罐、水泵、管道等。6、智能控制子系统。该子系统主要根据电网对风电的并网要求，将各子系统进行智能I■办调控制，包括控制计算机、中央控制器、控制电缆、通信电缆和光缆等。（二）、总体框架图1集成系统总体框架、关键子系统工作原理及技术要求(一)、电解槽子系统1、电解槽工作原理电解槽通过直流(DC)电流，将水电解成氢(H2)和(02),

6、DC电流通过电解液(30%K0I1)在两个电极邙H极和阴极)Z间流通。屯解槽屯解液采用30%K0H溶液，增加了屯解液的电导率。为了避免屯极在碱性屯解液下被腐蚀，电解槽阳极由银(Ni),钻(Co),铁(Fe)组成，阴极由银(Ni)和钳活性炭(C-Pt)催化剂，膜采用电阻很小的氧化银(NiO)o电解槽工作原理图如图2。-+膜(NiO)屯解液03(%KOH)阴极ONi,O-Pt)阳极Sbe)图2电解槽工作原理图2()1"2011水屯解阳极、阴极以及总反应如下：阳极反应方程式为：20H伽）t丄Q（g）+比0（1）+2e~阴极反应方程式为：H2O（l）+2矿t/（g）+

7、20/T（两）总反应方程式为：2、设备主要技术要求（1）新能源电源转换控制系统，整合了AC/DC整流功能的电源调节部件，门动控制系统整合，确保制氢系统获得额定屯压范围内的屯源供应；（2）电解槽，碱式电解技术；（3）气液分离系统，内置氢气干燥纯化系统，利用吸附剂，高速吸收产品粗氢中的水分和杂志，确保氢气纯度99.9%；（4）储氢罐，耐高压碳钢材料，可采用立式罐设计，占地面积小；（5）水碱箱循环系统，不锈钢罐体，耐腐蚀，免维修，KOH溶液冇防渗漏装置，可确保安全。（二）、燃料电池了系统1、燃料电池工作原理固体氧化物燃料电池在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池

8、由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳