风电制氢与燃料电池集成系统初步分析与研究

1、风电制氢与燃料电池集成系统初步分析与研究 作者：北京天润新能投资有限公司 工程技术部 牛清华 电话要： 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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气如：氢气(H2)，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通人氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴

8、极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。燃料电池系统图如图3所示。图3 燃料电池系统图2、燃料电池运行框图如下图所示。图4 燃料电池运行框图（三）、智能控制子系统智能控制子系统根据不同的工况及控制策略要求，完成系统的自动控制，保证安全稳定运行。1、风资源充足时，智能控制系统根据电网调度、氢存储/运输量确定风电上网功率、电解消耗功率和燃料电池发电功率的协调比例，实现经济优化运行。2、当风资源不足时，智能控制系统根据电网调度，保证电

9、解槽最小稳定运行，进行燃料电池-电解槽-压力储氢循环控制。五、系统集成方案（一）、集成系统方案本系统主要包括输变电子系统、电解槽子系统、燃料电池子系统、水过滤子系统、水冷却子系统和智能控制子系统。根据目前风电场电气主接线方案，用于系统分析与研究的输变电子系统配置如下，输变电子系统设置3个断路器柜：1#断路器柜为主回路断路器（TM1），通过1根1kV电缆与箱变低压侧相连，负责风电与制氢系统之间的开断连接；2#断路器柜内为单母线结构，1条支路通过断路器（TM2）与电解槽子系统的相连，负责风电与电解槽的开断连接，另1条支路通过3#断路器柜与燃料电池供电出口相连，负责风电与燃料电池的开断连接；3#断路

10、器柜内为单母线结构，1条支路通过断路器（TM3）与电解槽子系统相连，负责燃料电池与电解槽的开断连接，另一条支路通过断路器（TM4）经逆变器与2#断路器柜相连。集成系统电气连接方案如图5所示。图5 集成系统电气连接图集成系统中目前电解槽的运行环境最低温度约为-15，燃料电池的运行环境最低温度为0，需将电解槽、燃料电池、水过滤及水冷设备等置于屋内，电源可引自升压站的低压配电屏，用于系统的辅助供电，并为屋内的采暖通风设备和照明提供电源。（二）、集成系统工作流程本集成系统可实现风-电解槽-压力储氢-运氢、风-电解槽-压力储氢-燃料电池-电网、风-电网、电解槽-压力储氢-燃料电池循环等全工况快速智能协调

11、控制。当风资源充足时，根据电网调度、氢存储/运输量确定风电上网功率、电解消耗功率和燃料电池发电功率的协调比例，实现经济优化运行；当风资源不足时，燃料电池-电解槽-压力储氢循环系统智能控制，保证了电解槽最小技术稳定运行；同时还可通过共用电网保证电解槽最小技术稳定运行。1、风电-电网工况该工况状态下，保证风电的最大上网电量，因此本系统退出运行，所有断路器均处于断开状态，只保证辅助电源的连接。2、风电-电解槽-压力储氢工况该工况状态下，风电弃风现象严重，风电与电网分离并全程参与制氢，此时风机配套箱变的低压侧断路器断开，集成系统TM1断路器闭合，TM2断路器闭合，TM3断路器由系统中央处理器给予的指令

12、动作，TM4断路器断开。3、风电-电解槽-压力储氢-燃料电池-电网工况该工况状态下，风电、制氢、燃料电池、电网全部参与运行，TM1断路器闭合，TM2、TM3、TM4断路器由系统中央处理器给予的指令动作。4、电解槽-压力储氢-燃料电池-电网工况该工况状态下，风电不参与系统运行，TM1断路器闭合，TM2断路器断开、TM3断路器闭合，TM4断路器由系统中央处理器给予的指令动作。六、技术研究方向上述内容为集成系统的初步分析与研究，要完成该系统需要重点研究的技术方向如下：1、研究不稳定电能制氢技术，开发稳定、高效、经济的风电电解制氢和压力储氢技术；2、研究风电电解制氢与离/并网风电耦合控制及智能优化运行

13、技术；3、研究离/并网风电直接制氢与燃料电池系统集成关键技术，集成系统的动态功率调控与故障穿越技术；4、研究风电制氢与燃料电池集成系统进行转换效率分析及技术经济评价。七、结语通过对风电制氢与燃料电池集成系统的研究与分析，为消纳弃风问题提供了新的解决途径，不仅给亟待发展的燃料电池汽车提供必需的氢燃料，也可为智能微网系统的研究提供实践经验。参考文献：1刘明义，于波，徐景明固体氧化物电解水制氢系统效率J 清华大学学报（自然科学版），2009，49(6)：868-871.2张文强，于波，陈靖. 高温固体氧化物电解水制氢技术J. 化学进展，2008，20(5)：778-787.3李炜，PEM燃料电池动态特性的建模与仿真研究，上海交通大学 D 20074冷贵峰