CN105024446A

CN105024446A - 供电方法

Info

Publication number: CN105024446A
Application number: CN201510382979.8A
Authority: CN
Inventors: 王芊
Original assignee: Beijing Mingde Weina Technology Development Co Ltd
Current assignee: Beijing Mingde Weina Technology Development Co Ltd
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2015-11-04

Abstract

本发明涉及清洁能源技术以及分布式供能领域，提供了一种供电方法，用于对局部用电区域的应急或短时供电，包括以下步骤：S1、实时监测外部电网的供电状态，当外部电网断开或者出现波动时，通过蓄电池供电，同时启动直接碳燃料电池；S2、待直接碳燃料电池启动完成后，使用直接碳燃料电池代替蓄电池对局部用电区域供电；S3、当外部电网恢复，局部用电区域供电交由外部电网提供，同时直接碳燃料电池开始停机程序，所需电能由外部电网提供；S4、使用外部电网对蓄电池进行充电，充电完成后重复步聚S1。本发明使直接碳燃料电池与蓄电池的特征相结合，既能够满足突发用电情况对电源启动性能的要求也能够满足电力用户对长时间大功率稳定供电的需求。

Description

供电方法

技术领域

本发明涉及清洁能源技术以及分布式供能领域，特别提供一种供电方法。

背景技术

随着我国城市化进程的加深，城市环境问题的加重以及城市公共基础设施对于电力设备要求的提高。发展具有中国特色的的清洁高效分布式发电-储能一体化装置成为解决城市能源环境问题的重要途径。

直接碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell,DCFC)可以直接利用固体碳基燃料，而不是使用难于获得和保存的氢。通过空气中的氧与煤粉(或者生物质燃料等其他碳源)之间的电化学反应，可将碳燃料中的化学能清洁高效地直接转化为电能。DCFC燃料电池能够利用煤炭、石油焦、预处理生物质燃料等各类固体碳基燃料。可在兼顾我国“贫油富煤少气”的能源现状的同时，良好地处理经济发展、能源需求与环境保护之间的矛盾，是一种适合我国国情的先进发电设备。固体碳基燃料在制备、存储、运输过程中危险性小于氢气、天然气以及合成气，燃料泄露与损耗可检测可控制，在DCFC燃料电池发电过程中不产生SO_x、NO_x、粉尘等污染物，是理想的城市洁净发电技术。DCFC燃料电池以液态金属作为阳极，具有优异的碳基燃料转化活性，可将燃料中的化学能直接转化为电能或存储于阳极液态金属熔体内部。该型DCFC燃料电池采用管式电池结构，具有装堆便捷、功率可控、调节迅速、操作简便等优势，是理想的变工况应急/短时供电电源。DCFC燃料电池的使用可有力缓解我国油气资源紧张现状，提高能源利用效率，减轻CO₂减排压力，对能源技术进步和我国的国家能源安全具有重要意义。但DCFC燃料电池在使用的过程中需要不断的补给碳燃料和氧气，由于补给的不均匀性，导致其供电出现波动，供电波动又会进一步增大DCFC燃料电池的运行状态波动，这一正反馈效应往往会导致DCFC燃料电池的电力输出质量较差。

锂离子电池是目前较为成熟的动力电源和储能设备，启动快、放电电压稳定、负载响应迅速。目前产品型锂离子电池最高储能密度可达200Wh/kg，并具有1000次以上的循环寿命，能够实现模块化封装和大自由度串并联，是眼下使用较为广泛的储能工具。然而由于自身结构的原因，工业级锂离子电池不能进行大功率的充放电，在长时间高功率放电条件下可能产生起火、爆炸等安全事故，因此独立的锂电池储能单元的最大规模往往不大于100kWh。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是现有技术中无法通过蓄电池进行大规模持续供电，以及通过直接碳燃料电池供电响应慢、电力输出波动大的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供了一种供电方法，用于对局部用电区域应急或短时供电，包括以下步骤：

S1、实时监测外部电网的供电状态，当所述外部电网断开或电压小于200V时，蓄电池立即开始供电，保障局部用电区域供电不中断，同时直接碳燃料电池开始启动，其中，启动所述直接碳燃料电池所需电能由所述蓄电池提供；

S2、待所述直接碳燃料电池启动完成后，使用所述直接碳燃料电池代替所述蓄电池对所述局部用电区域供电，为提高所述直接碳燃料电池的供电质量，利用所述蓄电池对所述直接碳燃料电池的电力输出进行稳压，同时，当所述直接碳燃料电池具有剩余功率时，所述直接碳燃料电池对所述蓄电池进行充电；

S3、当系统判断外部电网恢复供电且电压大于210V时，所述局部用电区域供电交由所述外部电网提供，同时所述直接碳燃料电池开始停机程序，其中，所述直接碳燃料电池停机过程所需电能由所述外部电网提供；

S4、使用所述外部电网供电对蓄电池进行充电，待所述蓄电池充电完成后，重复步聚S1。

优选的，在步骤S1中，所述直接碳燃料电池的启动过程为：

S11、将所述直接碳燃料电池的金属阳极加热至800度熔融状态；

S12、为所述直接碳燃料电池的阳极区域内的金属阳极提供碳燃料；

S13、向所述直接碳燃料的阴极区域内通入空气，阴极区域内的空气中的氧气解离生成氧离子，氧离子经阴极导体电解质传导至阳极区域氧化金属阳极并向外电路释放电子，同时阳极区域和阴极区域分别排放出阳极尾气和阴极尾气。

优选的，步骤S11中，通过电磁加热的方式对所述金属阳极进行加热。

优选的，步骤S13中，将所述阳极尾气和阴极尾气通入到所述直接碳燃料电池的金属阳极中参与阳极拌混。

优选的，所述阳极尾气和阴极尾气在通入到所述直接碳燃料的金属阳极之前先经过催化补燃。

优选的，步骤S13中，通过所述阳极尾气和阴极尾气对通入阴极区域前的空气进行预热。

优选的，步骤S13中，通过鼓风机将空气通入到所述直接碳燃料电池的阴极区域内。

优选的，步骤S12中，通过所述阳极尾气和阴极尾气的气力输送对碳燃料进行输送。

优选的，通过多个所述直接碳燃料电池的串联和并联实现对电堆输出电压和输出电流的调控。

优选的，步骤S2中，利用所述蓄电池对所述直接碳燃料电池(1)的输出电压进行稳压。

(三)有益效果

本发明提供的一种应急电源系统，用于对局部用电区域的应急或短时供电，该方法包括以下步骤：S1、实时监测外部电网的供电状态，当外部电网断开或电压小于200V时，蓄电池立即开始供电，保障局部用电区域供电不中断，同时直接碳燃料电池开始启动，所需电能由蓄电池提供；S2、待直接碳燃料电池启动完成后，使用直接碳燃料电池代替蓄电池对局部用电区域供电；S3、当外部电网恢复供电电压大于210V时，局部用电区域供电交由外部电网提供，同时直接碳燃料电池开始停机程序，所需电能由外部电网提供；S4、使用外部电网供电对蓄电池进行充电，充电完成后重复步聚S1。本发明使直接碳燃料电池与蓄电池相结合，既能够满足突发用电情况对电源启动性能的要求也能够满足电力用户对长时间大功率稳定供电的需求。

附图说明

图1是本发明实施例的直接碳燃料电池的示意图；

附图标记：

1、直接碳燃料电池；2、阴极区域；3、阳极区域；4、补燃；5、预热。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“纵向”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的机构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供的一种应急电源系统，用于对局部用电区域进行应急/短时供电，包括以下步骤：

S1、实时监测外部电网的供电状态，当所述外部电网断开或电压小于200V时，蓄电池立即开始供电，保障局部用电区域供电不中断，同时直接碳燃料电池1开始启动，其中，启动所述直接碳燃料电池1所需电能由所述蓄电池提供；

其中，蓄电池可以是锂离子电池，锂离子电池可在室温下正常工作，具有启动快，循环稳定性高等优势，可满足短时间内用户和燃料电池启动的电力需求，在燃料电池部件启动间隙期间满足用户的用能需求，电网供电出现异常时即将用户设备电力供给切换至锂电供给，锂离子电池在此情况下同时向直接碳燃料电池堆供电，开始直接碳燃料电池发电系统启动程序。

其中，直接碳燃料电池1采用启速度动快，抗热震性能好的管式固体氧化物燃料电池，其阴极区域2由电池管构成，电池管的内部布置有阴极，电池管的外部为阳极区域3，阳极区域3为金属阳极。

所述直接碳燃料电池1的启动过程为：

S11、将所述直接碳燃料电池1的金属阳极加热至800度熔融状态，具体可通过电磁加热的方式对所述金属阳极进行加热，可形成均一温度场融化金属；

S12、为所述直接碳燃料电池1的阳极区域3内的金属阳极提供碳燃料；

S13、通过鼓风机将空气通入到所述直接碳燃料电池1的阴极区域2内，阴极区域2内的空气中的氧气解离生成氧离子，氧离子经阴极导体电解质传导至阳极区域3氧化金属阳极并向外电路释放电子，燃料电池通过金属的电化学氧化开始发电。在此过程中，还会为所述直接碳燃料电池1的阳极区域3内的金属阳极提供碳燃料，金属阳极经电化学氧化生成的金属氧化物可由碳基燃料化学还原，以完成对电池的机械充电，也可在用户用电需求不旺盛或电网电力供应充足时进行电解还原来恢复电池电力储存。电池充电方式的选择和运行时序可由用户根据自身需求进行自主调控和设置，由于液态金属内部质量传递便捷、温度场均一，电化学反应以及化学反应产生的气泡和结晶体可通过浮升力排出，因此在两种充电过程中燃料电池都不表现出记忆效应。就阳极区域3而言，液态金属自身既作为燃料转化的场所对燃料的转化起到催化的作用，又作为电能的存储介质参与电化学反应，使得该型燃料电池由功能单一的发电设备转化为集发电-储能于一身的综合能量管理设备。另外，阳极区域3和阴极区域2经电化学氧化分别排放出阳极尾气和阴极尾气(CO₂、H₂O和CO的混合尾气与阴极残余氧气)。

在步骤S13中，所述阳极尾气和阴极尾气在通入到所述直接碳燃料的金属阳极之前优选先经过催化补燃4，由此将尾气中残余的氧气和CO消耗，同时也进一步使混合尾气的温度提升(约900℃)，由于阴极尾气中的O₂含量与阳极尾气中的CO浓度极低，催化燃烧过程温度较低(不超过1000℃)，因此可规避燃烧过程中NO_x的生成。。

其中，部分阳极尾气和阴极尾气通入到所述直接碳燃料电池1的金属阳极中参与阳极拌混。采用尾气进行阳极搅拌可加速金属阳极内部的物质传递和反应进程，尾气中的高浓度CO₂以及H₂O在液态金属的催化作用下可与固体碳基燃料发生气化反应生成更易电化学转化的气相燃料进一步提升燃料电池性能。

其中，一部分阳极尾气和阴极尾气用于对通入阴极区域2前的空气进行预热5，使空气更接近于直接碳燃料电池1的内部温度，以此减小对电化学反应的影响。还有一部分阳极尾气和阴极尾气用于对碳燃料进行气力输送，由此进一步提高了系统的能效。

S2、待所述直接碳燃料电池1启动完成后，使用所述直接碳燃料电池1代替所述蓄电池对所述局部用电区域供电，为提高所述直接碳燃料电池1的供电质量，利用所述蓄电池对所述直接碳燃料电池1的电力输出进行稳压，同时，当所述直接碳燃料电池1具有剩余功率时，所述直接碳燃料电池1对所述蓄电池进行充电；

燃料电池启动完成后即成为系统主要电力输出，电池输出电能经蓄电池稳压及电子系统逆变升压后即可对外供电，并维持系统其它辅机的正常运行；可通过多个所述直接碳燃料电池1的串联和并联实现对电堆输出电压和输出电流的调控。

S3、当系统判断外部电网恢复供电且电压大于210V时，所述局部用电区域供电交由所述外部电网提供，同时所述直接碳燃料电池(1)开始停机程序，其中，所述直接碳燃料电池(1)停机过程所需电能由所述外部电网提供；

当外部电网供电恢复正常后，可利用外部电网完成直接碳燃料电池金属阳极的电化学还原，并按照合理工艺流程完成系统停机。碳燃料运行过程中产生的灰渣密度小于一般液态金属并浮于液态金属表面，可在定期检修维护中通过放出部分金属完成排渣。其中，电压小于200V即视为电压不稳，电压恢复到210V以上时可认为电压稳定，中间有10V的缓冲区以避免系统频繁切换。

通过本应急电源系统，可满足目前数据中心、通讯基站、急救中心、公共避险中心等现代城市基础服务设施的应急电能需求，避免电网电力中断造成的损失，应对电网浪涌冲击、突发不可抗力事件带来的不可预见电网异常波动。本应急电源系统将锂离子电池与大功率直接碳燃料电池1连接，结合二者各自的供能特点，在电网电力出现异常的突发情况下利用锂离子电池启动快的特点在短时间内保证关键部件的能量供给；再利用燃料电池功率大、调节方便的优势接替锂离子电源成为主要的供电电源。通过工艺的安排和合理的设计，燃料电池-锂离子联合供能系统既能够满足突发用电情况对电源启动性能的要求也能够满足电力用户对长时间大功率供能的需求。在燃料充足或用户电力需求不旺盛的条件下，还可将富余电能储存在锂离子电池以及液态金属阳极内部，以备紧急情况下使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种供电方法，用于对局部用电区域的应急或短时供电，其特征在于，包括以下步骤：

S1、实时监测外部电网的供电状态，当所述外部电网断开或电压小于200V时，通过蓄电池对所述局部用电区域进行供电，同时启动直接碳燃料电池(1)，其中，启动所述直接碳燃料电池(1)所需电能由所述蓄电池提供；

S2、待所述直接碳燃料电池(1)启动完成后，使用所述直接碳燃料电池(1)代替所述蓄电池对所述局部用电区域进行供电，其中，当所述直接碳燃料电池(1)具有剩余功率时，通过所述直接碳燃料电池(1)对所述蓄电池进行充电；

S3、当外部电网恢复供电且电压大于210V时，所述局部用电区域供电交由所述外部电网提供，同时所述直接碳燃料电池(1)开始停机程序，其中，所述直接碳燃料电池(1)停机过程所需电能由所述外部电网提供；

S4、使用所述外部电网供电对所述蓄电池进行充电，待所述蓄电池充电完成后，重复步聚S1。

2.根据权利要求1所述的供电方法，其特征在于，在步骤S1中，所述直接碳燃料电池(1)的启动过程为：

S11、将所述直接碳燃料电池(1)的金属阳极加热至800度熔融状态；

S12、为所述直接碳燃料电池(1)的阳极区域(3)内的金属阳极提供碳基燃料；

S13、向所述直接碳燃料电池(1)的阴极区域(2)内通入空气，阴极区域(2)内的空气中的氧气解离生成氧离子，氧离子经阴极导体电解质传导至阳极区域(3)氧化金属阳极并向外电路释放电子，同时阳极区域(3)和阴极区域(2)分别排放出阳极尾气和阴极尾气。

3.根据权利要求2所述的供电方法，其特征在于，步骤S11中，通过电磁加热的方式对所述金属阳极进行加热。

4.根据权利要求2所述的供电方法，其特征在于，步骤S13中，将所述阳极尾气和阴极尾气通入到所述直接碳燃料电池(1)的金属阳极中参与阳极拌混。

5.根据权利要求4所述的供电方法，其特征在于，所述阳极尾气和阴极尾气在通入到所述直接碳燃料的金属阳极之前先经过催化补燃(4)。

6.根据权利要求2所述的供电方法，其特征在于，步骤S13中，通过所述阳极尾气和阴极尾气对通入阴极区域(2)前的空气进行预热(5)。

7.根据权利要求2所述的供电方法，其特征在于，步骤S13中，通过鼓风机将空气通入到所述直接碳燃料电池(1)的阴极区域(2)内。

8.根据权利要求2所述的供电方法，其特征在于，步骤S12中，通过所述阳极尾气和阴极尾气的气力输送对碳基燃料进行输送。

9.根据权利要求1所述的供电方法，其特征在于，通过多个所述直接碳燃料电池(1)的串联和并联实现对电堆输出电压和输出电流的调控。

10.根据权利要求1所述的供电方法，其特征在于，步骤S2中，利用所述蓄电池对所述直接碳燃料电池(1)的输出电压进行稳压。