基于燃料电池的储能电池系统的热能管理研究进展

Advances in Energy and Power Engineering 电力与能源进展, 2016, 4(6), 195-204 Published Online December 2016 in Hans. /journal/aepe /10.12677/aepe.2016.46025

文章引用: 甘丽珍, 刘明周. 基于燃料电池的储能电池系统的热能管理研究进展[J]. 电力与能源进展, 2016, 4(6):

Research Progress of Heat Management of Fuel Cell for Energy Storage

Lizhen Gan *, Mingzhou Liu

Department of Industrial Engineering, School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui

Received: Oct. 20th , 2016; accepted: Nov. 7th , 2016; published: Nov. 11th , 2016 Copyright © 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

/licenses/by/4.0/

Abstract

Energy storage system is effective for current clean and renewable electricity utilization/storage. Reversible fuel cell system, as an efficient future energy conversion system, has been attracting a lot of attentions in the world. However, the reversible storage of clean electric energy based on fuel cell system also needs to meet the commercial requirements of 80% of the energy efficiency. This paper reviews the latest research progress in energy management of the fuel cell system, and the research direction of the energy management of high temperature fuel cell system is pre-sented. Keywords

Clean Energy, Fuel Cells, Energy Management

基于燃料电池的储能电池系统的

热能管理研究进展

甘丽珍*，刘明周

合肥工业大学机械工程学院工业工程系，安徽 合肥

收稿日期：2016年10月20日；录用日期：2016年11月7日；发布日期：2016年11月11日

*通讯作者。

甘丽珍，刘明周

摘要

能源存储系统是有效利用当前清洁能源/电能的主要途径之一。可逆燃料电池系统，作为高效的能量转换系统，已经在国际上引起广泛关注。然而，基于燃料电池系统进行清洁电能可逆存储，还需要满足商业化要求的80%的能量循环效率。本论文综述了当前燃料电池系统能量管理的最新研究进展，并对高温燃料电池系统的能量管理提出了研究方向。

关键词

清洁能源，燃料电池，能量管理

1. 引言

近几十年来，电能存储技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、电讯等部门的重视。电能的存储是伴随着电力工业发展一直存在的问题，其实到现在为止也没有一种非常完美的电能储能技术，但经过几代科学家的努力，一些比较成熟的储能技术在各行各业发挥着重要的作用。储能的优点有很多，节能、环保、经济。比如火电厂要求以额定负荷运行，以维持较高的能源转换效率和品质，但用电量却随时间随机变化，如果有大容量、高效率的电能存储技术对电力系统进行调峰，对电厂的稳定运行和节能至关重要。另外，由于分布式发电在电网中所占的比例越来越高，基于系统稳定性和经济性的考虑，分布式发电系统要存储一定数量的电能，用以应付用电高峰和突发事件。随着电力电子学、材料学等学科的发展，现代储能技术已经得到了一定程度的发展，在分布式发电中已经起到了重要作用。

在新能源技术快速发展的大背景下，如果能在风力发电、太阳能光伏发电等新能源发电设备中都配备有储能装置，将会更有效的利用电能。首先，通过储能元件对机组的出力曲线进行调整，可以解决新能源发电自身出力随机性、不可控的问题，减小新能源出力变化对电网的冲击；其次，可以在电力充沛时储存电能，在负荷高峰时释放电能，达到削峰填谷、减少系统备用需求的作用。储能与大容量风力发电系统的结合是可再生能源的重要组成部分。风力发电系统储能装置的作用是在风力强时，通过风力发电机组向负荷供电，还可将多余的风能转换为其他形式的能量在储能装置中储存起来，在风力弱或无风时，再将储能装置中储存的能量释放出来并转换为电能，向负荷供电。通过对来自可再生能源的电能的储存与释放，将会使廉价的不稳定的能源变成稳定的具有较高价值的产品。此外，电网负荷有高峰和低谷特性，电力系统的负荷有峰有谷，用电能储存系统调节电力负荷很有必要。尤其在风力发电厂，由于风有时候起，有时候停，所以高效、安全、可行性高的储能方法和装置对于风力发电场显得尤为重要。

此外，电池储能技术为解决电力供应链的燃料、发电、输电、配电和用电等问题、实现电网可持续发展提供了全新的途径。近年来随着国家节能减排政策的实施，储能已经逐渐成为电力生产的第六环节。

电力系统引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段[1] [2]。

燃料电池(Fuel Cell，简称FC)是一种直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置。

燃料电池的发电原理与其他化学能源一样，即电极提供电子转移的场所，阳极发生燃料(如氢气、甲醇和天然气等)的催化氧化反应，阴极发生氧化剂(氧气或空气)的催化还原反应，电解质将燃料电池阴极和阳极分隔开并为质子提供迁移的通道，电子通过外电路做功并构成电的回路。但燃料电池的工作方式与常