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CN111668522A - 可再生能源和燃料电池的联合发电系统 - Google Patents

可再生能源和燃料电池的联合发电系统 Download PDF

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CN111668522A CN202010664903.5A CN202010664903A CN111668522A CN 111668522 A CN111668522 A CN 111668522A CN 202010664903 A CN202010664903 A CN 202010664903A CN 111668522 A CN111668522 A CN 111668522A
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唐军柯
孙宁
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Abstract

本发明涉及联合发电控制技术领域，具体涉及可再生能源和燃料电池的联合发电系统，该系统收集电解槽电解水过程中产生的氢气和氧气，把氧气和空气混合后得到的富氧空气供给系统中的燃料电池使用，无需通过空气压缩机生成高浓度氧气，节约成本。并且，控制器通过预先存储的电流控制装置和反应气控制装置的控制程序把燃料电池的运行电压控制在预设范围内，以此来减少对燃料电池寿命的损耗。

Description

可再生能源和燃料电池的联合发电系统
技术领域
本发明涉及联合发电控制技术领域，具体涉及可再生能源和燃料电池的联合发电系统。
背景技术
伴随着煤炭、石油和天然气等传统不可再生资源的日渐枯竭，以及其所带来的环境污染和温室效应，目前世界主要工业国政府对于能源结构都在进行规划和重组，逐步提高清洁和可再生能源在能源使用中的比例。
近年来，风能和太阳能等可再生能源发电在我国的应用越来越广泛，但是风能以及太阳能(光伏发电)都有其各自的缺点。风能受自然界各种不可控制因素的影响较大，风力发电的不稳定使其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放弃风能，据估计，蒙东风场一年的弃风量就高达30亿度。光伏发电则受到光照强度和天气限制，光照强度不足或者阴雨天都会严重影响到光伏电池发电效率，这给光伏发电的应用带来相当大的阻碍。与此同时，另一项清洁能源技术氢燃料电池得到越来越多的重视，氢燃料电池技术只产生水和热，对环境无污染，一直被认为是利用氢能解决未来人类能源危机的终极方案。而如果氢燃料电池技术中用到的氢原料通过风电或太阳能发电产生，整个循环就是彻底不产生有害物质排放的过程。
可再生能源制氢是利用风力发电/光伏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。风力发电/光伏发电输出的直流电经整流器整流后接至电解槽，电解槽通过直流电将水电解成氢气，储存于压力罐中，储氢罐通过管道与燃料电池进气口相连。可再生能源制氢与燃料电池系统的集成可以分为两种形式：一种是将制备的氢能源直接用于氢燃料电池，从而为新能源汽车等终端设备供电；另一种是用于独立微网系统，如可离网型风储(光储)/氢燃料电池多元耦合独立微网系统，见图1，燃料电池的阳极接入由可再生能源制得的氢气，燃料电池的阴极接入空气，整个系统配置好相应的监控及保护装置后，燃料电池输出的电既可给用户供电，又可实现向电网侧馈电。
燃料电池发电的反应过程如下：燃料电池中阳极催化剂将氢气分解成质子，并释放出电子，电子通过外电路到达阴极；阴极催化剂催化质子和氧气发生电化学反应，得到电子生成水。理论研究表明阴极侧氧气浓度对燃料电池的性能有很大的影响。通常，燃料电池发电系统都是通过调节空气压缩机输出的空气流量来调整供给燃料电池阴极的氧气浓度，而采用空气压缩机生成高浓度氧气的方案成本较高。
而且，质子膜燃料电池中氧气浓度会对燃料电池的寿命造成影响。其原理主要是质子膜燃料电池的阴极反应气中氧气浓度的增加会引起质子交换膜和催化层中全氟磺酸离聚物的降解。燃料电池运行过程中，经质子交换膜渗透过去的氧气会和质子发生2电子的反应形成过氧化氢，形成的过氧化氢与Fenton离子如Fe2+、Cu+等反应形成自由基，自由基可以进攻质子交换膜或者催化层中的离聚物，导致质子交换膜和离聚物降解，催化层结构也因此受到破坏，如此则降低了燃料电池的膜电极寿命。燃料电池阴极侧的氧气浓度越高，经膜渗透过去的氧气越多，产生的过氧化氢和自由基也越多，对膜电极的破坏也越严重，反映出来的就是阴极侧提供的氧气浓度越高，对燃料电池使用寿命的影响越大。质子交换膜在降解过程中会释放氟离子，因此测定氟离子的释放速度可以表征质子交换膜的降解速度，相关实验表明，随着氧气浓度(分压)提高，氟离子释放速度显著增加，氟离子释放速度越快，质子交换膜降解也越严重，即现有的实验结果表明采用极高浓度的氧气作为燃料电池阴极反应气会降低燃料电池的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是：在为燃料电池提供成本较低的高浓度氧气的基础上，尽量减少对燃料电池寿命的损耗。
发明人研究发现，在不同氧气浓度下燃料电池的极化曲线如图2所示，在1A/cm2的电流密度下，当氧气浓度从21％(空气)增加到100％(纯氧)时，燃料电池的运行电压可以提升70多毫伏。而在质子膜燃料电池的运行电压范围(≤1.05伏)内，以燃料电池阴极催化层结构采用铂金催化剂为例，如图3的铂金催化剂溶解速度的对数与电势的关系开方图所示，铂金催化剂的溶解速率随电压的升高而加快。燃料电池运行电压在0.85伏以下时，由图3左侧实线斜率可知，铂金催化剂的溶解速率比较慢，电压的升高对铂金催化剂溶解速度的影响也比较小，但当运行电压高于0.85伏时，由图3右侧虚线斜率可知，铂金溶解的速度随着电压的升高而显著加快。
因此，发明人认为：在提高阴极反应气中氧气浓度来提高燃料电池性能的过程中，可以通过把燃料电池的运行电压控制在0.85伏以下来减缓铂金催化剂的溶解速度，从而减少对燃料电池寿命的损耗。
为此给出可再生能源和燃料电池的联合发电系统，包括控制器和分别连接控制器的可再生能源发电装置、电解水装置和燃料电池，可再生能源发电装置输出的电能为电解水装置供电，电解水装置输出的氢气接入燃料电池阳极侧，电解水装置输出的氧气与空气混合后接入燃料电池的阴极侧，所述控制器通过对燃料电池进行双极板测试来得到膜电极性能与阴极反应气中氧气浓度的关系曲线，所述控制器根据上述关系曲线来控制氧气与空气的混合比例以及燃料电池的电流密度，以使燃料电池的运行电压在预设范围内。
其中，所述燃料电池的运行电压的预设范围是0.7伏到0.85伏。
其中，所述燃料电池的运行电压是0.8伏。
其中，电流密度在0.35—1.05A/cm2之间的情况下，控制氧气浓度为21％—100％。
其中，电流密度在1.05—1.35A/cm2之间的情况下，控制氧气浓度为40％—100％。
其中，电流密度在1.35—1.6A/cm2之间的情况下，控制氧气浓度为60％—100％％。
其中，电流密度在大于等于1.6A/cm2的情况下，控制氧气浓度大于等于80％。
其中，该系统包括设有氧气阀和空气阀的气体混合调控室，气体混合调控室输出端连接燃料电池阴极；所述控制器包括反应气控制装置，其控制氧气阀和空气阀的开闭时间来调整从气体混合调控室输出给的气体中的氧气含量。
其中，燃料电池的输出端分别连接用户端和电网。
其中，可再生能源发电装置包括风力发电和/或光伏发电。
本发明给出的可再生能源和燃料电池的联合发电系统，收集电解槽电解水过程中产生的氧气，把氧气和空气混合后得到的富氧空气供给系统中的燃料电池使用，无需通过空气压缩机生成高浓度氧气，节约成本。并且，控制器通过预先存储的电流控制装置和反应气控制装置的控制程序把燃料电池的运行电压控制在预设范围内，以此来减少对燃料电池寿命的损耗。
附图说明
图1是现有技术中可再生能源和燃料电池的联合发电系统的结构示意图。
图2是该可再生能源和燃料电池的联合发电系统的的氧气浓度对膜电极性能影响的示意图。
图3是该可再生能源和燃料电池的联合发电系统的铂金催化剂溶解速度的对数与电势的关系开方图。
图4是该可再生能源和燃料电池的联合发电系统的结构示意图。
图5是把该系统的燃料电池运行电压控制在0.70～0.85伏范围内的情况下，燃料电池的电流密度和氧气浓度的配合关系示意图。
具体实施方式
可再生能源和燃料电池的联合发电系统如图4所示，风力或者光伏等可再生能源发电方式输出的电能经过整流器处理后提供给电解槽电解水装置，电解槽电解水装置输出的氢气存储在氢气罐内，以便供给燃料电池的阳极；电解槽电解水装置输出的氧气存储在氧气罐内，氧气罐内储存的氧气能进入气体混合调控室与空气混合，从而调配成富氧空气，以便供给燃料电池的阴极。燃料电池产生的电能一方面通过为用户供电的方式输出到终端，另一方面以电网馈电的方式传输给电网，实现燃料电池电能的综合应用。该可再生能源和燃料电池的联合发电系统收集电解槽电解水过程中产生的氧气，把氧气和空气混合后得到的富氧空气供给系统中的燃料电池使用，无需通过空气压缩机生成高浓度氧气，节约成本。
该系统的控制器中设有电流控制装置、电池检测装置和反应气控制装置，电池检测装置检测燃料电池的运行电压并反馈给控制器，控制器内存储有根据燃料电池所采用的膜电极和双极板测试得到的膜电极性能和阴极反应气中氧气浓度的关系(见图5)，控制器通过预先存储的电流控制装置和反应气控制装置的控制程序把燃料电池的运行电压控制在0.70～0.85伏之间，以此来减少对燃料电池寿命的损耗。控制器通过下述配合关系来控制燃料电池的运行电压在上述范围内：电流密度在0.35—1.05A/cm2之间的情况下，控制氧气浓度为21％—100％；电流密度在1.05—1.35A/cm2之间的情况下，控制氧气浓度为40％—100％；电流密度在1.35—1.6A/cm2之间的情况下，控制氧气浓度为60％—100％；电流密度在大于等于1.6A/cm2的情况下，需控制氧气浓度大于等于80％。
气体混合调控室内设有氧气阀和空气阀，反应气控制装置控制氧气阀和空气阀的开闭时间来调整从气体混合调控室输出的气体中的氧气含量，从而为燃料电池提供不同氧气浓度的富氧空气。
进一步地，在相同的电流密度下，氧气浓度的调节可以根据用户在不用的应用场景下对电和热的相对需求进行调整。例如，当电的需求较高时，增加氧的浓度，以增加发电功率和效率；当热的需求较大时，减低氧气的浓度，以产生较多的热，并提高热效率。

Claims (10)

1.可再生能源和燃料电池的联合发电系统，包括控制器和分别连接控制器的可再生能源发电装置、电解水装置和燃料电池，可再生能源发电装置输出的电能为电解水装置供电，电解水装置输出的氢气接入燃料电池阳极侧，其特征是，电解水装置输出的氧气与空气混合后接入燃料电池的阴极侧，所述控制器通过对燃料电池进行双极板测试来得到膜电极性能与阴极反应气中氧气浓度的关系曲线，所述控制器根据上述关系曲线来控制氧气与空气的混合比例以及燃料电池的电流密度，以使燃料电池的运行电压维持在预设范围内。
2.根据权利要求1所述的可再生能源和燃料电池的联合发电系统，其特征是，所述燃料电池的运行电压的预设范围是0.7伏到0.85伏。
3.根据权利要求2所述的可再生能源和燃料电池的联合发电系统，其特征是，所述燃料电池的运行电压是0.8伏。
4.根据权利要求2所述的可再生能源和燃料电池的联合发电系统，其特征是，电流密度在0.35—1.05A/cm2之间的情况下，控制氧气浓度为21％—100％。
5.根据权利要求2所述的可再生能源和燃料电池的联合发电系统，其特征是，电流密度在1.05—1.35A/cm2之间的情况下，控制氧气浓度为40％—100％。
6.根据权利要求2所述的可再生能源和燃料电池的联合发电系统，其特征是，电流密度在1.35—1.6A/cm2之间的情况下，控制氧气浓度为60％—100％％。
7.根据权利要求2所述的可再生能源和燃料电池的联合发电系统，其特征是，电流密度在大于等于1.6A/cm2的情况下，控制氧气浓度大于等于80％。
8.根据权利要求1所述的可再生能源和燃料电池的联合发电系统，其特征是，该系统包括设有氧气阀和空气阀的气体混合调控室，气体混合调控室输出端连接燃料电池阴极；所述控制器包括反应气控制装置，其控制氧气阀和空气阀的开闭时间来调整从气体混合调控室输出给的气体中的氧气含量。
9.根据权利要求1所述的可再生能源和燃料电池的联合发电系统，其特征是，燃料电池的输出端分别连接用户端和电网。
10.根据权利要求1所述的可再生能源和燃料电池的联合发电系统，其特征是，可再生能源发电装置包括风力发电和/或光伏发电。
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