CN105375587A - 一种甲醇燃料电池不间断电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种甲醇燃料电池不间断电源系统，该不间断电源系统主要包括电力UPS和后备电源系统；电力UPS包括整流器(1)、直流母线(5)、逆变器(2)，其中，整流器(1)的交流输入端连接市电，整流器(1)的直流输出端连接直流母线(5)，逆变器(2)的直流输入端连接直流母线(5)，逆变器(2)的交流输出端连接负载；后备电源系统的输出端连接至直流母线(5)。其中，后备电源系统由燃料电池装置、快速储能装置并联组成。本发明具有启动速度快、系统效率高、可靠性高、系统体积小的优点。

Description

一种甲醇燃料电池不间断电源系统
技术领域
本发明属于不间断电源技术领域，尤其涉及一种甲醇燃料电池。
背景技术
在今后一段时间内，随着我国国民经济的高速发展与计算机的普及，用户对电能质量的要求也会越来越高。因此，UPS作为能不间断提供稳压、稳频、高质量、纯净化电能的交流电源发展迅速，在电力、军工、航空、航天和现代化办公等领域已成为必不可少的电源设备。
目前UPS直流后备电源多为铅酸电池，存在污染严重、电池寿命短，日常维护量很大等诸多问题。在发生市电断电时，其可持续供电时间的局限性难以克服，也成为铅酸电池UPS应用的一个瓶颈。在当前对能源清洁性要求越来越高的今天，急需寻找一种高性能电池系统代替UPS中的大量的铅酸电池。
燃料电池是一种将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。目前燃料电池技术已形成多种技术路线。且近期随着高分子科学和材料科学的不断发展，燃料电池的成本在快速下降，性能在逐步提升，燃料电池必将在未来成为一种极为重要的清洁能源技术。
燃料电池具有环保，高效，寿命长，易维护等优点。并且，若以燃料电池作为后备电源，不间断电源系统的备电时长可通过增加燃料储量大幅延长。燃料电池中质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有工作温度低、转换效率高等特点，适合作为不间断电源系统的备用电源。目前，绝大部分燃料电池以氢气为原料。然而由于氢气化学性质活跃，故在氢的安全储存、运输及使用方面带来一些不便，严重限制了氢燃料电池的推广和使用。甲醇重整制氢技术的原理是利用甲醇蒸汽重整和变压吸附提纯制取高纯氢气，是一项可靠的氢源技术。甲醇重整制氢与质子交换膜氢燃料电池相结合，甲醇现场制氢供给燃料电池使用，可弥补普通氢燃料电池的缺陷，极大提高了产品易用性。综上，基于甲醇重整制氢的质子交换膜燃料电池是一种较为理想的UPS绿色后备电源。但是，甲醇重整为强吸热反应，反应温度在170℃到300℃之间，启动过程建立反应环境的时间较长，启动速度慢。此外，大功率燃料电池在轻载运行时，工作效率低，燃料消耗相对较大，也制约着燃料电池在不间断电源系统中的应用。
发明内容
为了解决系统启动速度慢的技术难题，消除系统轻载效率低的缺点，以便将甲醇燃料电池成功运用于不间断电源系统中，本发明提出了甲醇燃料电池不间断电源系统。
本发明具体采用以下技术方案：
一种甲醇燃料电池不间断电源系统，该不间断电源系统主要包括电力UPS和后备电源系统；其特征在于：
所述电力UPS包括整流器1、直流母线5、逆变器2，其中，整流器1的交流输入端连接市电，整流器1的直流输出端连接直流母线5，逆变器2的直流输入端连接直流母线5，逆变器2的交流输出端连接负载，后备电源系统的输出端连接至直流母线5。
本申请还进一步优选包括以下技术方案：
所述后备电源系统由燃料电池装置、快速储能装置并联组成。
所述燃料电池装置包括甲醇制氢装置、氢气增压设备9、缓冲储氢设备10、燃料电池电堆11和DC/DC变流器12；甲醇制氢装置的输气口依次通过氢气增压设备9、缓冲储氢设备10，最后与燃料电池电堆11的气体入口相连，所述燃料电池电堆的电源输出与DC/DC变流器12的输入端相连，所述DC/DC变流器12的输出端连接直流母线5。
所述甲醇制氢装置包括甲醇存储设备6、重整制氢机7、变压吸附提纯设备8，甲醇存储设备6的燃料出口与重整制氢机7的燃料添注口连接,重整制氢机7的重整气出口通过气路连接变压吸附提纯设备8，其中，重整制氢机7包括一个或多个并联连接的制氢机单元。
燃料电池电堆11为1个或多个并联连接电堆单元组成，DC/DC变流器12由1个或多个并联连接的变流器单元组成，其中1个或多个电堆单元的输出端与1个或多个变流器单元的输入端对应连接。
所述快速储能装置包括超级电容13、双向DC/DC变流器14，其中，超级电容13的输出端连接双向DC/DC变流器14的输入端，双向DC/DC变流器14的输出端连接直流母线5。
所述电力UPS还包括自动旁路开关3、手动旁路开关4；自动旁路开关3和手动旁路开关4的输入端共同接入市电，自动旁路开关3的输出端连接逆变器2的交流输出端，手动旁路开关4的输出端直接连接负载。
燃料电池装置关机时，立即关闭燃料电池电堆11，但维持甲醇制氢装置继续运行生产氢气，产出的氢气经氢气增压设备9增压后存入缓冲储氢设备10中，直至缓冲储氢设备10中所存氢气足够下次开机时甲醇制氢装置完全启动之前燃料电池电堆11所用；燃料电池装置启动时，缓冲储氢设备10内所存氢气立即进入燃料电池电堆11产电，直至甲醇制氢装置完全启动。重整制氢机7、燃料电池电堆11和DC/DC变流器12的各单元并联连接，根据输出端负载变化，单独控制各单元启停和运行状态。
所述不间断电源系统定时检测并判定负载量大小，根据负载量大小控制重整制氢机7、燃料电池电堆11和DC/DC变流器12各并联单元启停和运行状态。
快速储能装置负责平抑燃料电池装置的电能输出波动。
尤其当燃料电池电堆11启动初期的数秒内，由快速储能装置向直流母线提供电能；若甲醇燃料电池不间断电源输出端有短期的过载，燃料电池装置和快速储能装置同时供电可使系统在短期内过载输出。
本发明所述的甲醇燃料电池不间断电源系统，采用了甲醇重整制氢技术，质子交换膜氢燃料电池技术，燃料电池协调控制技术，先进UPS接口技术，UPS后备电源能量管理技术，并配备了同时包括甲醇、氢气和超级电容的复合式后备电源系统，解决了系统启动速度慢的技术难题，消除了系统轻载效率低的缺点。使得燃料电池装置成功应用于UPS系统。对比其他以燃料电池做为后备电源的不间断电源系统，本发明所述系统具有以下优点：
1.启动速度快：复合式后备电源系统的配置，燃料电池协调控制技术和后备电源能量管理技术的应用使得后备电源系统启动时间极短，符合电力UPS的技术要求。
2.系统效率高：针对负载情况，通过燃料电池协调控制技术单独控制燃料电池电堆各并联单元和重整制氢机各并联单元独立运行，互不干扰。提高了系统效率，节约燃料。
3.可靠性高：由于电堆单元和制氢机单元并联运行，单个单元异常不影响系统其余部分正常工作。
4.系统体积小：由于本发明引入了氢气增压设备9以及缓冲储氢设备10，大大缩减了快速储能装置中超级电容的配备量，减小了系统体积，便于灵活安装。
附图说明
图1为本发明甲醇燃料电池不间断电源系统的整体结构框图；
图2为燃料电池装置的结构框图；
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细介绍。
参照图1，本发明所提供的甲醇燃料电池不间断电源系统的主要组成部分有电力UPS,后备电源系统。
所述电力UPS包括整流器1、直流母线5、逆变器2、自动旁路开关3、手动旁路开关4。其中：整流器1的交流输入端连接市电，整流器1的直流输出端连接直流母线5。逆变器2的直流输入端连接直流母线5，逆变器2的交流输出端连接负载。自动旁路开关3和手动旁路开关4的输入端共同接入市电。自动旁路开关3的输出端连接逆变器2的交流输出端，手动旁路开关4的输出端直接连接负载。
所述后备电源系统由燃料电池装置、快速储能装置组成。
如附图2所示，所述燃料电池装置包括：甲醇存储设备6、重整制氢机7、变压吸附提纯设备8、氢气增压设备9、缓冲储氢设备10、燃料电池电堆11和DC/DC变流器12。其中，甲醇存储设备6、重整制氢机7和变压吸附提纯设备8构成甲醇制氢装置。甲醇存储设备6的燃料出口与重整制氢机7的燃料添注口连接,重整制氢机7由制氢机单元a7.1与制氢机单元b7.2等多个制氢机单元并联组成。重整制氢机7的重整气出口通过气路依次连接变压吸附提纯设备8、氢气增压设备9、缓冲储氢设备10，最后与燃料电池电堆11的气体入口相连。燃料电池电堆11由电堆单元a11.1与电堆单元b11.2等多个电堆单元并联组成，DC/DC变流器12由变流器单元a12.1与变流器单元b12.2等多个变流器单元并联组成。电堆单元a11.1的输出端连接变流器单元a12.1的输入端，电堆单元b11.2的输出端连接变流器单元b12.2的输入端。DC/DC变流器12的输出端连接逆变器2的输入端。
所述快速储能装置包括：超级电容13、双向DC/DC变流器14。其中，超级电容13的输出端连接双向DC/DC变流器14的输入端，双向DC/DC变流器14的输出端连接直流母线5。
所述不间断电源系统工作在以下三种模式：
工作模式1：市电正常，整流器1、逆变器2均正常工作。此时市电经过整流器1、直流母线5以及逆变器2后，给负载提供高质量电能。同时，市电通过双向DC/DC变流器14向超级电容13充电。
工作模式2：市电异常，逆变器2正常工作。此时后备电源系统向直流母线5供电，再经过逆变器2，为负载提供高质量电能。
工作模式3：市电正常，整流器1或逆变器2故障。此时自动旁路开关3将自动闭合，市电通过自动旁路开关3供给负载。维修时，可由人工将手动旁路开关4闭合，市电通过手动旁路开关4供给负载。
其中，所述后备电源系统运行模式：燃料电池装置关机时，立即关闭燃料电池电堆11，但维持甲醇制氢装置继续运行生产氢气。产出的氢气经氢气增压设备9增压后存入缓冲储氢设备10中，直至缓冲储氢设备10中所存氢气足够下次开机时甲醇制氢装置完全启动之前燃料电池电堆11所用。燃料电池装置启动时，缓冲储氢设备10内所存氢气立即进入燃料电池电堆11产电，直至甲醇制氢装置完全启动。如图2所示，重整制氢机7、燃料电池电堆11和DC/DC变流器12的各单元并联连接。燃料电池协调控制技术可视系统输出端负载变化，单独控制各单元启停和运行状态。设定重整制氢机7、燃料电池电堆11和DC/DC变流器12分别由n个制氢机单元、n个电堆单元和n个变流器单元并联组成，其编号依次为1，2……n。由制氢机单元k，电堆单元k和对应变流器单元k以及各单元共用的甲醇储存设备6、变压吸附提纯设备8、氢气增压设备9和缓冲储氢设备10组成的回路记作回路k。单个制氢机单元最大制氢速率为B，单个电堆单元输出功率和单个变流器单元传输功率均为A，此数值也是单个回路输出功率最大值。设定第m个控制周期Tm内，系统输出端负载功率需求为Pm；令km＝INT(Pm/A)，pm＝Pm-kmA；上述参数含义：系统在第m个控制周期内，调节第1至第km回路满负荷运行，调节第km+1回路以pm功率运行。特别的，设定初始值k0＝n-1，p0＝A，系统开机时第一个控制周期T0内开启全部回路并使其满负荷运行。当系统进入第m+1个控制周期Tm+1时，判定km+1与km关系并执行相应子程序：若km+1＝km，执行微调子程序如下：分别调节第km+1+1制氢机单元制氢速率为Bpm+1/A，调节第km+1+1电堆单元输出功率为pm+1，调节第km+1+1变流器单元传输功率为pm+1，其余回路运行状态保持不变；若km+1<km，执行降功率子程序如下：分别关闭编号为km+1+2至km+1的制氢机单元、电堆单元和变流器单元，同时分别调节第km+1+1制氢机单元制氢速率为Bpm+1/A，调节第km+1+1电堆单元输出功率为pm+1，调节第km+1+1变流器单元传输功率为pm+1；若km+1>km，执行升功率子程序如下：分别开启编号为km+2至km+1的制氢机单元、电堆单元和变流器单元，并令其满负荷运行，同时开启并调节第km+1+1制氢机单元制氢速率为Bpm+1/A，开启并调节第km+1+1电堆单元输出功率为pm+1，开启并调节第km+1+1变流器单元传输功率为pm+1。快速储能装置负责平抑燃料电池装置的电能输出波动，尤其当燃料电池电堆11启动初期的数秒内，燃料电池电堆11可提供输出较小，此时主要由快速储能装置向直流母线提供电能。此外，若甲醇燃料电池不间断电源输出端有短期的过载，燃料电池装置和快速储能装置同时供电可使系统在短期内过载输出。
申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种甲醇燃料电池不间断电源系统，该不间断电源系统主要包括电力UPS和后备电源系统；其特征在于：
所述电力UPS包括整流器(1)、直流母线(5)、逆变器(2)，其中，整流器(1)的交流输入端连接市电，整流器(1)的直流输出端连接直流母线(5)，逆变器(2)的直流输入端连接直流母线(5)，逆变器(2)的交流输出端连接负载；
后备电源系统的输出端连接至直流母线(5)。
2.根据权利要求1所述的甲醇燃料电池不间断电源系统，其特征在于：
所述后备电源系统由燃料电池装置、快速储能装置并联组成。
3.根据权利要求2所述的甲醇燃料电池不间断电源系统，其特征在于：
所述燃料电池装置包括甲醇制氢装置、氢气增压设备(9)、缓冲储氢设备(10)、燃料电池电堆(11)和DC/DC变流器(12)；甲醇制氢装置的输气口依次通过氢气增压设备(9)、缓冲储氢设备(10)，最后与燃料电池电堆(11)的气体入口相连，所述燃料电池电堆的电源输出与DC/DC变流器(12)的输入端相连，所述DC/DC变流器(12)的输出端连接直流母线(5)。
4.根据权利要求3所述的甲醇燃料电池不间断电源系统，其特征在于：
所述甲醇制氢装置包括甲醇存储设备(6)、重整制氢机(7)、变压吸附提纯设备(8)，甲醇存储设备(6)的燃料出口与重整制氢机(7)的燃料添注口连接,重整制氢机(7)的重整气出口通过气路连接变压吸附提纯设备(8)，其中，重整制氢机(7)包括一个或多个并联连接的制氢机单元。
5.根据权利要求4所述的甲醇燃料电池不间断电源系统，其特征在于：
燃料电池电堆(11)为1个或多个并联连接电堆单元组成，DC/DC变流器(12)由1个或多个并联连接的变流器单元组成，其中1个或多个电堆单元的输出端与1个或多个变流器单元的输入端对应连接。
6.根据权利要求5所述的甲醇燃料电池不间断电源系统，其特征在于：
重整制氢机(7)、燃料电池电堆(11)和DC/DC变流器(12)分别包括多个并联连接的制氢机单元、并联连接电堆单元组成和并联连接的变流器单元，所述甲醇燃料电池不间断电源系统根据输出端负载变化，单独控制各单元启停和运行状态。
7.根据权利要求1或5所述的甲醇燃料电池不间断电源系统，其特征在于：
所述快速储能装置包括超级电容(13)、双向DC/DC变流器(14)，其中，超级电容(13)的输出端连接双向DC/DC变流器(14)的输入端，双向DC/DC变流器(14)的输出端连接直流母线(5)。
8.根据权利要求3-5任一项权利要求所述的甲醇燃料电池不间断电源系统，其特征在于：
燃料电池装置关机时，立即关闭燃料电池电堆(11)，但维持甲醇制氢装置继续运行生产氢气，产出的氢气经氢气增压设备(9)增压后存入缓冲储氢设备(10)中，直至缓冲储氢设备(10)中所存氢气足够下次开机时甲醇制氢装置完全启动之前燃料电池电堆(11)所用；燃料电池装置启动时，缓冲储氢设备(10)内所存氢气立即进入燃料电池电堆(11)产电，直至甲醇制氢装置完全启动。
9.根据权利要求2-6任一权利要求所述的甲醇燃料电池不间断电源系统，其特征在于：
快速储能装置负责平抑燃料电池装置的电能输出波动；当燃料电池电堆11启动初期的数秒内，由快速储能装置向直流母线提供电能；若甲醇燃料电池不间断电源输出端有短期的过载，燃料电池装置和快速储能装置同时供电。
10.根据权利要求2-6任一权利要求所述的甲醇燃料电池不间断电源系统，其特征在于：
所述电力UPS还包括自动旁路开关(3)、手动旁路开关(4)；自动旁路开关(3)和手动旁路开关(4)的输入端共同接入市电，自动旁路开关(3)的输出端连接逆变器(2)的交流输出端，手动旁路开关(4)的输出端直接连接负载。
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