氢燃料电池在电力系统后备电源的应用研究

李国强 蔡永健 吴磊 徐冰 董明月

浙江高成绿能科技有限公司 浙江 湖州 313100

摘要：对于变电站直流系统，作者使用新的氢备用电源，而不是电池作为备用电源产品。目的是利用氢能源作为直流系统的备用能源。紧急移动直流电源。在调整直流技术的框架内，对氢备用电源的可行性和解决办法进行了试点研究，提出了设计新的备用电源的建议，采取了措施，并为该系统提出了一系列解决办法。结果表明，氢燃料电池供电系统取代铅酸电池作为停电时的备用电源，在系统启动时只保留少量铅酸电池作为支撑，停电时自动启动，自动进入备用状态大幅减少铅酸电池的使用可以减少环境污染。如果氢燃料电池供电系统包括直流和逆流设备，可为通信站的交流负载供电，更换汽油和柴油发动机，减少噪音和振动，减少二氧化碳和其他气体的排放。

关键词：氢燃料电池；后备电源；应用分析；直流电源；

前言

在二十一世纪，清洁有效的氢发挥着重要作用，其他能源也可以转化为易于储存的氢。氢燃料电池作为最有希望的新能源之一，具有清洁和高效的优点。氢燃料电池是符合零排放标准的清洁可再生能源，可直接用于生产和生活。氢燃料电池综合备用电源系统技术先进，操作方便，能够实时监测设备参数，满足设备断电后的电力需求。

一、氢燃料电池概述

1.氢燃料电池

氢燃料电池等燃料广泛用于电力、运输(公共汽车、公共汽车、摩托车、自行车)、后勤(叉车、卡车、后勤车辆)、船舶(潜艇)和无人驾驶飞机等许多领域。氢燃料主要含有阳极、阴极和电解质。氢(H2)在阳极发生受控化学反应，分为质子(核氢、氢+)和电子。电子从阳极开始，穿过外部电路，最后到达阳极，在外部电路中产生电流。质子存在于电解质中，从阳极开始，通过质子交换膜到达阳极。氧气(O2)对阴极有化学反应。首先，它通过外部电路到达阴极，与氧分解的电子结合，形成到达阴极并形成水分子(H2O)的质子，因此燃料电池是将化学能量转化为电能的装置。将氢用作发电燃料的最终产品是水，它不会污染环境。氢可以来自多种来源。最常见的方法是溶解水以生产氢，煤以生产氢，以及从工业副产品中生产氢。氢电池呈绿色的主要原因之一是氢的来源。当煤或天然气等化石燃料被用作生产氢的原料时，这一过程本身就会被抛弃。此外，氢的运输、储存和分配需要增加化石能源消耗的能源。氯碱、煤制合成气体、炼油和其他化学工业含有氢副产品。据估计，中国每年生产1 000万吨氢副产品，主要用于天然气、合成氨、甲醇和氯碱等化工行业。

2.氢燃料后备电源

系统示意图如图1所示。氢储存系统用于储存燃料电池所需的氢，燃料电池系统中的氧气产生电力。DC/DC变换器将燃料电池产生的变电压输出稳定在负载所需的电压。监控单元适用于信号采集、DC/DC输出管理、燃料电池控制、电机控制、报警、电池保护、通信接口、自动启动、手动启动、远程启动等监控功能。当备用电源系统检测到总线电压持续低于120伏(可配置)3秒钟时，燃料电池开始供电。域控制器(DC/DC)具有缓慢启动功能(缓慢启动的目标是逐渐释放输出电流)。当负载所需电流大于DC/DC输出电流时，DC/DC电压会自动降低到与ups电池相同的水平，以便ups能够输出部分电流以满足负载需求。当直流输出电流满足负载要求时，直流输出电压恢复到设定值，UPS电池不输出电流。恢复供电后，设备系统会关闭电源并进入待机状态。同时，UPS电池由UPS内部开关电源充电，浮载电压为53V。

二、氢燃料电池后备电源工作过程

1.电流响应

第一级DCDC不提供用户所需的60安培(3kW)电流0倍。此时，用户电流主要来自块-50ah 52 VDC电池，该电池还为系统的电子控制单元和图1中的辅助机器供电，以保持所需的电力随着时间的推移，燃料电池系统已置于系统电子控制单元的控制之下。逐步补充燃料和燃料。逐渐更换电池电源。从0 : 00开始，直流输出电流增加到2安/秒，电池电量达到30秒时停止。除了提供所有3kW电源外，燃料电池系统还负责用小电流给电池充电。迄今为止，燃料电池系统已投入使用。它可以稳定地给直流负载供电。DCDC的功率来自电堆栈。系统稳定运行一段时间后，负载突然从1.5 kw增加到2.5kW至90 s，突然变化开始时，52V引导电池可承受1kW的额外电源。这是指负载提供的2.5kW电源。1.5千瓦来自燃料电池模块，1千瓦来自启动电池。从那时起，一级直流输出电流恢复到2A/ s，达到额定输出电流2.5kW，即50A。同样，负荷突然改为150s，变成3kW，最终达到3kW的额定输出电流，即60A。

2.电压响应

DCDC输出电压在启动过程中基本保持不变，因为一旦DC和50Ah电池连接到总线上。与此同时。随着塔的输出电流逐渐增加，塔的输出电压显着下降，从每小时63V的开路电压或每小时约48V下降到每小时30s。当负荷为2.5kW时，电堆载电压下降到44v；当负荷为3kW时，电堆载电压下降到41V左右。请注意，电堆的电压与DC输出电压有很大差异。这是由于调节因素的波动，如供氢、供氧和烟囱温度。可以从上述讨论中考虑。燃料电池系统可满足供电系统变电站的电力需求，实现零等待供电，两组200Ah可用于更换2V103铅电池。

3.电池寿命及稳定性研究

铅酸电池寿命比理论寿命短得多，原因是使用和维护不足。预期寿命为8至10年的大多数电池在3至5年内受损，有些电池的寿命还不到2年。因此，它给变电站的正常运行带来了很大的安全风险，成为变电站整体可靠性的薄弱环节。与此同时，过早更换电池也造成了巨大的经济损失。与铅酸电池相比，燃料电池系统的最大优势在于其使用寿命较长。由于燃料储存在电池槽之外，其保养期可能超过30年。在这一系统中，燃料电池是最具成本效益的组成部分，也是对设备寿命影响最大的组成部分。电池的使用寿命是这方面的一个热点。许多文献描述了电堆中每个元素的寿命对电堆寿命的影响。实际上，由于系统在每次启动后都不是固定的，因此无法准确地说明系统的使用寿命，但由于性能的变化，它可以很好地满足电力系统变电站的运行要求。此外，电力系统使用备用电力系统的次数远远少于其他系统，这使得它们更适合燃料电池系统，并使它们能够最大限度地延长维修时间。

4.应用情况及社会效益

该系统的实施带来了巨大的社会和经济效益:空调方面节省了大量能源。与传统的铅电池相比，新的备用电源能够适应广泛的环境温度，环境温度可设定为32℃或更高，从而节省了空调每年产生的大量电力。确保无线电和电视的安全广播只要氢供应得到保证，就可以在发生重大电力事故时继续提供电力，可以根据规定的电压定期输出电力，并且可以长期维持电力供应，从而确保节省更换铅酸电池的费用。氢燃料电池综合备用电源的使用寿命一般为5000小时以上，储能电池循环600多次，10年后将更换铅酸电池。干净环保。使用氢燃料电池的综合应急系统使用生态氢作为燃料，在反应后只产生清洁的水和热量，不会对环境造成影响。

结束语

综上，随着科学和技术人员继续研究氢燃料电池，氢生产成本越来越低，安全程度也越来越高。储能技术也得到了推广和发展，氢能源无疑将成为一种可再生的清洁能源，对人类社会的发展非常有益。氢燃料电池符合国家政策发展方向，市场能力强，工业增长初期市场前景良好。

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