氢燃料电池在电力系统后备电源的应用研究

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1、氢燃料电池在电力系统后备电源的应用研究张富刚，樊越甫，刘 方，刘海东  （河南洛阳供电公司，洛阳471000）    摘要：笔者针对变电站直流系统，应用新型氢燃料后备电源替代蓄电池组作为后备电源产品。旨在将氢燃料电源作为直流系统整体后备电源,氢燃料应急移动直流电源,直流技改中氢燃料后备电源的可行性和解决方案进行测试研究，提出新型后备电源设计、采取措施以及提出一整套系统的解决方案。结果显示，将氢燃料电池供电系统代替铅酸蓄电池组作为停电期间的后备电源，只保留少量的铅酸蓄电池作为系统启动过程中的支撑，停电时自动启动、市电恢复时自动进

2、入待机状态，铅酸电池随即进入浮充状态。大量减少铅酸蓄电池的使用，能减少对环境的污染。氢燃料电池供电系统若包含DC/AC逆变设备，即可为通信站的交流负载供电，替代汽柴油机，降低噪音和振动，减少二氧化碳等气体排放。    关键词：氢；燃料电池；后备电源；直流电源    中图分类号： TM911.4文献标志码： A文章编号：1001-1609（2012）02-0076-05    0引言    随着燃料电池技术的发展，氢燃料电池逐渐被业界认识到在后备电源领域具有广阔的应用前景，被认为是取代蓄电池和柴油发电机作为后备电源的最有应用前景

3、的新能源技术[1]。目前，国外已开发出相应的产品，功率普遍在5 kW以下，并且具有大量应用实例，国内在大功率燃料电池系统上也做过深入研究。截至目前为止，已经在国外商业化应用数千套,主要用于替代传统铅酸蓄电池。目前上述场合使用的备用电源以铅酸电池为主，但铅酸电池回收可能带来污染，而氢燃料电源系统是一种清洁、持久的供电系统。氢燃料电池的启动速度较快，输出电能较稳定，环境适应能力强，能够满足各个行业后备电源的需要;电化反应唯一产生的副产品即纯净水，节能环保，完全避免了铅、硫酸以及其他酸性污染物排放。    目前国外比较成熟的应用是，

4、氢燃料电池供电系统代替铅酸蓄电池组作为停电时的后备电源，只保留少量的铅酸蓄电池作为系统启动过程中的支撑。这样，就可以大量减少铅酸蓄电池的使用，减少对环境的污染。氢燃料电池供电系统若包含DC/AC逆变设备，即可为通信站的交流负载供电，替代汽柴油机，降低噪音和振动，减少二氧化碳等气体排放。国外的大量商业化运行显示氢燃料电池系统在后备电源将有长足的发展。    国内虽有少量通讯基站使用氢燃料电池供电系统代替铅酸蓄电池组作为停电时的后备电源，但未见相关应用研究文献出现，而在电力系统变电站更无应用及其研究。    笔者针对变电站直流系统

5、应用新型氢燃料后备电源替代蓄电池组,氢燃料电源作为直流系统整体后备电源,氢燃料应急移动直流电源,直流技改中氢燃料后备电源的可行性和解决方案进行测试研究,提出新型后备电源设计、采取措施以及实施提出一整套系统的解决方案。提交有关氢燃料后备电源系统试点研究报告，并对各类型变电站后备电源提出可以供实际设计使用的比较具体的氢燃料后备电源的主要设计方法和实用化原则。    1氢燃料电源系统结构及原理    氢燃料电池G3000结构见图1，从图1上可以看出，G3000分为6个模块，分别为系统电控单元、直流管理单元、燃料电池模块、蓄电池、室外

6、散热单元、储氢单元。其中燃料电池模块包含燃料电池电堆(简称电堆)及其辅机(即供氢单元、氧化剂供给单元和热交换单元)，系统电控单元控制辅机为电堆提供必要的燃料和氧化剂，并控制室外散热单元将燃料电池产生的余热排出系统，除此之外，系统电控单元还负责遥感、遥测和遥控功能的实现。直流管理模块负责将燃料电池电堆输出的直流电整流为稳定的220 V DC作为备用电源系统的总输出，还负责系统的能量管理。 G3000为了兼顾移动基站备用电源的应用，其直流管理模块采用2级DCDC转换，第1级转换将燃料电池电堆输出的直流电转化为52 V DC，第2级

7、DCDC将第1级输出的52 V DC升压至220 V DC满足电力系统变电站的用电要求；储氢单元由储氢罐、汇流排、控制阀等构成，国内的储氢罐一般使用国标T40钢瓶，并被安放在室外，有利于解决氢气的安全性和更换气瓶的方便性问题。    图2描述了燃料电池系统与负载的电力供应关系，当交流电网供电时，整流模块将220 V AC变为220 V DC为负载供电，当电网断电时，暂时由50 Ah启动用蓄电池提供3 kW电力，同时G3000的系统电控单元自动控制燃料电池模块启动，在很短的时间内逐步替代启动电源。当燃料电池模块启动完毕后，除了提

8、供负载电流外，还提供对50 Ah启动蓄        电池的充电电流。当交流电网重新提供电力时，系统电控单元自动关闭燃料电池的电力输出。        原理上，采用氢燃料电池完全可以取代铅酸蓄电池，安装于变电站，作为停电期间的后备电源，只在氢燃料电池系统的启动单元中使用50