风电制氢与燃料电池集成系统初步分析解析与研究.doc

风电制氢与燃料电池集成系统初步分析与研究 作者：北京天润新能投资有限公司 工程技术部 牛清华 电话摘要： 目前，随着风电的大规模开发，部分地区风电弃风现象严重，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： 风电制氢 燃料电池 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，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本无污染，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、低成本的电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、氢燃料电池汽车。发展燃料电池汽车的关键之一就是如何提供清洁的氢燃料。在短期内，以化石能源为主体的化学能源制氢将占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槽，电解槽通过直流电流将水电解成氢气，储存于压力罐中，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，对风电制氢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提供了新的思路。 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、电解槽子系统。该子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的最小运行状态和向系统馈电，包括电堆组件、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提供纯净水，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协调控制，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 四、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（O2），DC电流通过电解液（30% KOH）在两个电极（阳极和阴极）之间流通。 电解槽电解液采用30% KOH溶液，增加了电解液的电导率。为了避免电极在碱性电解液下被腐蚀，电解槽阳极由镍（Ni），钴（Co），铁（Fe）组成，阴极由镍（Ni）和铂活性炭（C-Pt）催化剂，膜采用电阻很小的氧化镍（NiO）。电解槽工作原理图如图2。 图2 电解槽工作原理图 水电解阳极、阴极以及总反应如下： 阳极反应方程式为： 阴极反应方程式为： 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，自动控制系统整合，确保制氢系统获得额定电压范围内的电源供应； （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溶液有防渗漏装置，可确保安全。 （二）、燃料电池子系统 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