CN102354764A - 供能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种供能系统及其控制方法。该供能系统包括：燃料电池子系统，包括燃料电池堆；液流电池子系统，包括液流电池堆；以及电源管理单元，与燃料电池堆和液流电池堆分别相连接，用于对燃料电池堆和液流电池堆产生的电能进行管理以控制燃料电池子系统和液流电池子系统混合供电，通过本发明，能够降低供能系统的能耗，提高系统的能量利用率。

Description

供能系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及能源应用领域，具体而言，涉及一种供能系统及其控制方法。

背景技术

全钒氧化还原液流电池是一种环境友好的新型储能系统和高效的能量转化装置，具有规模大、寿命长、成本低、效率高及环境友好的特点。钒电池可以作为发电系统中的大规模电能储存和高效转换设备使用，可以起到电网的削峰填谷和平衡负荷，起到提高电能供给质量及电站运行稳定性的作用。

钒电池分别以钒离子V2+/V3+和V4+/V5+作为电池的正负极氧化还原电对，将正负极电解液分别存储于两个储液罐中，由耐酸液体泵驱动活性电解液至反应场所(电池堆)再回至储液罐中形成循环液流回路，以实现充放电过程。但是钒电池在使用过程中需要实时充电，其供电时间有限，难以满足外接负载长时间的连续供电需求，此外，循环液流回路的电解液在使用过程中产生的大量的热能，现有技术对此热量并未加以利用，系统的能耗处于较高的水平。

燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，在阴极质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制其直接发电效率可高达45％。以电池堆为核心发电装置，燃料电池系统集成了电源管理，热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站，到移动式电源；从电动汽车，到航天飞船；从军用装备，到民用产品有着广泛的应用空间。燃料电池作为供电电源使用时，在一定的功率下工作具有最佳的工作状态。但外界负载具有非连续性和非稳定性，电池系统难以持续在最佳状态下工作，从而降低系统的能量利用率。

针对相关技术中供能系统的能耗高，能量利用率低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种供能系统及其控制方法，以解决供能系统的能耗高，能量利用率低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种供能系统。

根据本发明的供能系统包括：燃料电池子系统，包括燃料电池堆；液流电池子系统，包括液流电池堆；以及电源管理单元，与燃料电池堆和液流电池堆分别相连接，用于对燃料电池堆和液流电池堆产生的电能进行管理以控制燃料电池子系统和液流电池子系统混合供电。

进一步地，根据本发明的供能系统还包括：热管理单元，与燃料电池堆相连接，用于对燃料电池堆产生的热能进行管理以控制燃料电池子系统供热。

进一步地，液流电池子系统还包括：热交换器，与液流电池子系统相连接，用于使液流电池子系统中的电解液与外界的冷却介质进行换热，其中，热管理单元与热交换器相连接，用于对燃料电池堆和电解液产生的热能进行管理以控制燃料电池子系统和液流电池子系统混合供热。

进一步地，根据本发明的供能系统还包括：温度检测单元，用于检测第一温度和第二温度，其中，第一温度为燃料电池子系统的温度，第二温度为液流电池子系统的温度；以及调速单元，用于根据第一温度和/或第二温度调整热交换器内部的冷却介质的流速。

进一步地，根据第一温度和/或第二温度调整热交换器内部的冷却介质的流速包括：判断第一温度是否大于第一预设温度值和/或第二温度是否大于第二预设温度值；当第一温度大于第一预设温度值和/或第二温度大于第二预设温度值时，提高热交换器内部的冷却介质的流速；以及当第一温度小于或等于第一预设温度值和/或第二温度小于或等于第二预设温度值时，降低热交换器内部的冷却介质的流速。

进一步地，燃料电池子系统包括以下任意一种燃料电池系统：质子交换膜燃料电池系统、碱性燃料电池系统、磷酸燃料电池系统、熔融碳酸盐燃料电池系统和固体氧化物燃料电池系统。

进一步地，液流电池子系统包括全钒液流电池系统。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种供能系统的控制方法。

根据本发明的供能系统的控制方法包括：控制供能系统中的燃料电池子系统和液流电池子系统混合供电，其中，供能系统包括燃料电池子系统和液流电池子系统。

根据本发明的供能系统的控制方法还包括：控制供能系统中的燃料电池子系统供热。

根据本发明的供能系统的控制方法还包括：控制供能系统中的燃料电池子系统和液流电池子系统混合供热，其中，供能系统包括热交换器，热交换器与液流电池子系统相连接，用于使液流电池子系统中的电解液与外界的冷却介质进行换热。

通过本发明，采用包括以下部分的供能系统：燃料电池子系统，包括燃料电池堆；液流电池子系统，包括液流电池堆；以及电源管理单元，与燃料电池堆和液流电池堆分别相连接，用于对燃料电池堆和液流电池堆产生的电能进行管理以控制燃料电池子系统和液流电池子系统混合供电，根据用户的用电需求，分别采用燃料电池子系统和液流电池子系统各自供电或同时供电，解决了供能系统的能耗高，能量利用率低的问题，进而降低了供能系统的能耗，提高了能量利用率。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的液流电池系统的示意图；

图2是根据相关技术的燃料电池系统的示意图；

图3本发明第一实施例的供能系统的示意图；

图4本发明实施例的供能系统中燃料电池子系统供热并供电的示意图；

图5本发明第二实施例的供能系统的示意图；

图6本发明实施例的供能系统中液流电池子系统供热并供电的示意图；以及

图7本发明实施例的供能系统中液流电池子系统供热、燃料电池子系统供热并供电的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供的供能系统包括液流电池子系统和燃料电池子系统，为清楚说明本发明实施例，首先介绍现有技术中液流电池系统和燃料电池系统。图1是根据相关技术的液流电池系统的示意图，如图1所示，液流电池系统包括电池堆10′、正极电解液储液罐20′、第一液体泵30′、负极电解液储液罐21′和第二液体泵31′。图2是根据相关技术的燃料电池系统的示意图，如图2所示，燃料电池系统包括燃料电池堆40′、电源管理模块50′、热管理模块60′和燃料重整器70′，燃料经过燃料重整器70′输入到燃料电池堆40′(若输入燃料为氢气，则不需要使用燃料重整器)，在燃料电池堆40′经过反应后，电流经过电源管理模块50′向终端用户输出，热量经过热管理模块60′向终端用户输出。

图3本发明第一实施例的供能系统的示意图，如图3所示，供能系统包括：液流电池子系统，该液流电池子系统包括液流电池堆10、电解液储液罐20和液体泵30，此处的电解液储液罐实际上包括正负极两个储液罐，相应地在正负极回路中设置有两个液体泵；还包括燃料电池子系统，该燃料电池子系统包括燃料电池堆40，当燃料不是氢气时，在燃料进入燃料电池堆40之前先经过燃料重整器；以及供能系统还包括电源管理单元50，与液流电池堆10和燃料电池堆40分别相连接，用于对液流电池堆10和燃料电池堆40产生的电能进行管理以控制燃料电池子系统和液流电池子系统混合供电，向终端用户80供电。

在该实施例中，燃料电池子系统和液流电池子系统能够混合供电，即其中任意一个子系统供电或两个同时供电：1)在液流电池子系统充电时，采用燃料电池子系统供电；2)在燃料电池子系统单独供电无法工作在最佳工作状态时，如果输出功率小于燃料电池子系统最佳工作效率时对应的功率，则采用液流电池子系统单独供电；3)在燃料电池子系统单独供电无法工作在最佳工作状态时，如果输出功率大于燃料电池子系统最佳工作效率时对应的功率，则采用液流电池子系统和燃料电池子系统同时供电。此外，根据用户用电量的大小控制供能系统，当用户用电需求处于峰值时，两种子系统同时输出电源，满足用户的用电需求。

采用该实施例的供能系统，不但能够长时间的连续供电，满足外接负载长时间的连续用电需求，而且根据外界负载的非连续性和非稳定性，选择燃料电池子系统单独供电或两种子系统同时供电，能够使燃料电池子系统的能量利用率处于最优状态，提高了供能系统的系统效率。

优选地，根据本发明的供能系统还包括：热管理单元60，与燃料电池堆40相连接，用于对燃料电池堆40产生的热能进行管理以控制燃料电池子系统向终端用户80供热。

在该实施例中，通过增加热管理单元60，将燃料电池子系统在供电时产生的大量热能加以利用，使得燃料电池子系统和液流电池子系统不但能够混合供电，而且能够供热，可选地，供能系统供电供热时存在以下几种情况：1)在液流电池子系统充电时，为满足用户的用电用热需求，采用燃料电池子系统供电供热，如图4所示；2)在用户用电需求较大时，为满足用户的用电用热需求，采用液流电池子系统供电，燃料电池子系统供电并供热。

采用该实施例的供能系统，使得供能系统不但满足外接负载长时间的连续用电需求，而且能够向终端用户输出热量，有效的提高了系统的能量利用率。

图5本发明第二实施例的供能系统的示意图，如图5所示，液流电池子系统还包括：热交换器90，与液流电池子系统相连接，设置于液流电池子系统的液路出口处，用于使液流电池子系统中的电解液与外界的冷却介质进行换热，其中，热管理单元60与热交换器90相连接，用于对燃料电池堆40和电解液产生的热能进行管理以控制燃料电池子系统和液流电池子系统混合供热。

在该实施例中，通过增加热交换器90，将液流电池子系统在充放电过程中产生的热量加以的利用，通过外界冷介质和电解液进行热交换，使得电解液所带热量得到合理利用，其中，与电解液进行热交换的介质可以为任意能够实现高效热量交换的流体，可选地，包括且不限于蒸馏水、自来水、冷冻液、酒精、空气、氢气和液氮等。其中一种最为常见且方便进一步应用的冷却介质为自来水，交换热量后的自来水根据需要可以循环利用，也可以经回收并接入终端用户，其携带的热量可供终端用户日常工作生活所需。增加热交换器90后，热管理单元控制燃料电池子系统和液流电池子系统不但能够混合供电，而且能够混合供热，可选地，供能系统供电供热时存在以下几种情况：1)在用户仅有用热需求时，采用液流电池子系统单独供热，特别是在液流电池子系统充电时，因为液流电池在充电时同样会产生热量，采用液流电池子系统单独供热，将液流电池在充电过程中产生的热量进行回收，防止了能源浪费；2)在用户用热、用电需求都较小时，采用液流电池子系统单独供电，伴随液流电池子系统的放电，将液流电池在放电过程中产生的热量进行回收向终端用户输出热量，在满足用户用电需求的同时满足了用热需求，如图6所示；3)在用户用热、用电需求都较小时，如果液流电池子系统处于充电状态，采用燃料电池子系统供电、液流电池子系统供热；4)在用户用热需求较小、用电需求较大时，采用燃料电池子系统供电、液流电池子系统供电并供热；5)在用户用热需求较大、用电需求较小时或者用热需求较大且液流电池处于充电状态时，采用液流电池子系统供热、燃料电池子系统供电并供热，如图7所示；6)在用户用热、用电需求都较大时，采用液流电池子系统和燃料电池子系统同时分别供电和供热，能够满足用户对电能和热能的较大需求。

采用该实施例的供能系统，提供一种燃料电池和液流电池联合系统，使用同一个热管理单元和电源管理单元，对燃料电池和液流电池的热能和电能进行综合管理和应用，为用户提供优质电能和热能，通过合理高效的管理燃料电池和液流电池产生的电能与热量，最终实现向终端用户热电联供，本发明可以拓宽燃料电池和液流电池的应用范围，极大的满足了用户的热电需求，并且使燃料电池和液流电池工作在最佳状态下，有效提高系统的效率和寿命。

根据本发明的供能系统还包括：温度检测单元，用于检测第一温度和第二温度，其中，第一温度为燃料电池子系统的温度，第二温度为液流电池子系统的温度；以及调速单元，用于根据第一温度和/或第二温度调整热交换器内部的冷却介质的流速。

在进行热能管理之前，通过实现对液流电池子系统和燃料电池子系统内部温度的监测，调整热交换器内部的冷却介质流速等实现反馈控制，其中，监测方法包括且不仅限于对电池组、系统气路或液流温度进行直接测量，反馈控制方式可以是手动实现，也可以是自动完成。

优选地，根据第一温度和/或第二温度调整热交换器内部的冷却介质的流速包括：判断第一温度是否大于第一预设温度值和/或第二温度是否大于第二预设温度值；当第一温度大于第一预设温度值和/或第二温度大于第二预设温度值时，提高热交换器内部的冷却介质的流速；以及当第一温度小于或等于第一预设温度值和/或第二温度小于或等于第二预设温度值时，降低热交换器内部的冷却介质的流速。

在该实施例中，第一预设温度值为燃料电池子系统在最优工作状态的温度，第二预设温度为液流电池子系统在最优工作状态的温度，通过温度检测单元，监测到燃料电池子系统或液流电池子系统的温度偏离各自最优工作状态的温度时，调速单元相应的提高或降低冷却介质的流速，将燃料电池子系统或液流电池子系统的温度调节回各自最优工作状态时的温度，从而使得燃料电池子系统和液流电池子系统工作在最优状态下，提高了系统的工作效率。

在本发明的所有实施例中，燃料电池子系统包括以下任意一种燃料电池系统：质子交换膜燃料电池系统、碱性燃料电池系统、磷酸燃料电池系统、熔融碳酸盐燃料电池系统和固体氧化物燃料电池系统；液流电池子系统包括全钒液流电池系统，优选地，上述燃料电池子系统为质子交换膜燃料电池系统，质子交换膜燃料电池响应速率快，适合应用于频繁启动的场合。另外，质子交换膜燃料电池工作温度低于100℃，其内部热交换系统和钒电池容易实现匹配。

下面介绍控制本发明供能系统的方法，该方法包括：控制供能系统中的燃料电池子系统和液流电池子系统混合供电，其中，供能系统包括燃料电池子系统和液流电池子系统；控制供能系统中的燃料电池子系统供热；控制供能系统中的燃料电池子系统和液流电池子系统混合供热，其中，供能系统包括热交换器，热交换器与液流电池子系统相连接，用于使液流电池子系统中的电解液与外界的冷却介质进行换热。

根据使用条件或用户需求的不同，采用不同的控制方法控制供能系统，使其提供各种热电联供模式，其中，不同供能模式间的切换选择可以是手动实现，也可以是自动完成，以钒电池子系统和燃料电池子系统组成的供能系统为例，该供能系统提供的供能模式包含且不仅限于以下任意一种或几种供能模式：

1)钒电池供电模式

仅使用钒电池作为供电电源时，通过电源管理单元对产生的直流电流进行管理，向终端用户输出交流或直流电。

2)燃料电池供电模式

仅使用燃料电池作为供电电源时，利用电源管理系统对产生的直流电流进行管理，向终端用户输出交流或直流电。

3)钒电池供电——燃料电池供电模式

当用户需求处于峰值时，供能系统中两种子系统同时作为输出电源，通过电源管理单元对两种子系统产生的电能进行管理后对终端用户输出交流或直流电。

4)燃料电池供电、供热模式

燃料电池系统作为供电电源使用的同时，会伴随大量热量的产生。利用热交换技术使燃料电池内部处于优化的工作温度，同时对获得的热量进行管理，并最终向终端用户输出热量。另外，本方案使用电源管理单元对燃料电池系统进行电能管理，整个电池系统对外热电联供，从而有效提高系统的能量利用效率。

5)钒电池供电——燃料电池供电、供热模式

当用户需求处于峰值时，系统中两种子系统同时作为输出电源，通过电源管理单元对两种子系统产生的电能进行管理后向终端用户输出交流或直流电。同时使用热管理单元对燃料电池内部交换获得的热量进行管理，同时最终向终端用户输出热量。

6)钒电池供电，供热模式

钒电池子系统作为供电电源使用的同时，其放电时产生的热量会使得电池堆和电解液的温度升高。使用热管理技术对电解液所携带热量进行回收利用，并接入终端用户，满足终端用户日常生活所需。

7)钒电池供热模式

钒电池在充电时同样会产生热量，可利用热交换器，对电解液带出的热量进行回收，通过热管理单元统一管理后用于终端用户所需。

8)钒电池供电、供热——燃料电池供电模式

当用户需求处于峰值时系统中两种子系统同时输出电源，通过电源管理单元对两种子系统产生的电能进行管理后对终端用户进行输出交流或直流电。同时使用热管理单元对钒电池内部交换获得的热量进行管理，同时最终向终端用户输出热量。

9)钒电池供热——燃料电池供电模式

当用户需求量相对较小且钒电池处于充电状态时，燃料电池作为输出电源。通过电源管理单元对燃料电池产生的电能进行管理后对终端用户进行输出交流或直流电。同时使用热管理单元对钒电池充电时产生的热量进行管理，并最终向终端用户输出。

10)钒电池供热——燃料电池供电、供热模式

当用户需求量相对较小且钒电池处于充电状态时，燃料电池作为输出电源。通过电源管理单元对燃料电池产生的电能进行管理后对终端用户进行输出交流或直流电。同时使用热管理单元对钒电池充电时产生的热量和燃料电池热量进行管理，并最终向终端用户输出。

11)钒电池供电、供热——燃料电池供电、供热模式

当用户需求处于峰值时系统中两种子系统同时输出电源，通过电源管理单元对两种子系统产生的电能进行管理后向终端用户输出交流或直流电。同时使用热管理单元对钒电池和燃料电池内部交换获得的热量进行管理，并最终向终端用户输出热量。

采用本发明技术方案设计供能系统，举例如下：

例一：燃料电池和钒电池联合供能系统，其中燃料电池功率为5KW，钒电池功率为3.5kW。当供能模式为仅钒电池供电时，系统效率为70.7％。当供能模式为钒电池供电供热时，对钒电池供电时产生的热量进行管理和利用，系统总效率可达80.9％。

例二：燃料电池和钒电池联合供能系统，其中燃料电池功率为5KW，钒电池功率为3.5kW。当供能模式为仅燃料电池供电时，系统效率为43.1％。当供能模式为燃料电池供电供热时，供电同时对燃料电池堆产生的热量进行收集管理。系统总效率可达88.4％。

例三：燃料电池和钒电池联合供能系统，其中燃料电池功率为5KW，钒电池功率为3.5kW。当供能模式为燃料电池和钒电池共同供电时，系统输出最大功率可达8.5kW，效率为53.6％。若供能模式为燃料电池和钒电池同时供电供热时，供电同时对燃料电池和钒电池产生的热量进行收集管理。系统总效率可达87.3％。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：采用由液流电池子系统和燃料电池子系统组成的供能系统，当液流电池充电时，采用燃料电池供电，当燃料电池的输出功率与其最佳工作功率不相符时，采用液流电池单独供电或两种电池联合供电的方式，使燃料电池持续工作在最佳工作状态下，使得供能系统的效率得到提高。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种供能系统，其特征在于包括：

燃料电池子系统，包括燃料电池堆；

液流电池子系统，包括液流电池堆；以及

电源管理单元，与所述燃料电池堆和所述液流电池堆分别相连接，用于对所述燃料电池堆和所述液流电池堆产生的电能进行管理以控制所述燃料电池子系统和所述液流电池子系统混合供电。

2.根据权利要求1所述的供能系统，其特征在于，还包括：

热管理单元，与所述燃料电池堆相连接，用于对所述燃料电池堆产生的热能进行管理以控制所述燃料电池子系统供热。

3.根据权利要求2所述的供能系统，其特征在于，所述液流电池子系统还包括：

热交换器，与所述液流电池子系统相连接，用于使所述液流电池子系统中的电解液与外界的冷却介质进行换热，

其中，所述热管理单元与所述热交换器相连接，用于对所述燃料电池堆和所述电解液产生的热能进行管理以控制所述燃料电池子系统和所述液流电池子系统混合供热。

4.根据权利要求3所述的供能系统，其特征在于，还包括：

温度检测单元，用于检测第一温度和第二温度，其中，所述第一温度为所述燃料电池子系统的温度，所述第二温度为所述液流电池子系统的温度；以及

调速单元，用于根据所述第一温度和/或所述第二温度调整所述热交换器内部的冷却介质的流速。

5.根据权利要求4所述的供能系统，其特征在于，根据所述第一温度和/或所述第二温度调整所述热交换器内部的冷却介质的流速包括：

判断所述第一温度是否大于第一预设温度值和/或所述第二温度是否大于第二预设温度值；

当所述第一温度大于所述第一预设温度值和/或所述第二温度大于所述第二预设温度值时，提高所述热交换器内部的冷却介质的流速；以及

当所述第一温度小于或等于所述第一预设温度值和/或所述第二温度小于或等于所述第二预设温度值时，降低所述热交换器内部的冷却介质的流速。

6.根据权利要求1所述的供能系统，其特征在于，所述燃料电池子系统包括以下任意一种燃料电池系统：

质子交换膜燃料电池系统、碱性燃料电池系统、磷酸燃料电池系统、熔融碳酸盐燃料电池系统和固体氧化物燃料电池系统。

7.根据权利要求1所述的供能系统，其特征在于，所述液流电池子系统包括全钒液流电池系统。

8.一种供能系统的控制方法，其特征在于，控制所述供能系统中的燃料电池子系统和液流电池子系统混合供电，其中，所述供能系统包括所述燃料电池子系统和所述液流电池子系统。

9.根据权利要求8所述的供能系统的控制方法，其特征在于，控制所述供能系统中的燃料电池子系统供热。

10.根据权利要求9所述的供能系统的控制方法，其特征在于，控制所述供能系统中的所述燃料电池子系统和所述液流电池子系统混合供热，其中，所述供能系统包括热交换器，所述热交换器与所述液流电池子系统相连接，用于使所述液流电池子系统中的电解液与外界的冷却介质进行换热。

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