CN106299412B - 一种氢储能系统中的热控制系统及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氢储能系统中的热控制系统及应用，属于能量转化与储能技术领域。本发明热控制系统包括顺次连接的制氢装置、储氢装置和氢发电装置，以及用于提供第一冷介质及回收吸热后的第一冷介质的第一冷介质循环装置，与制氢装置相连接；第二冷介质循环装置，用于提供第二冷介质及回收吸热后的第二冷介质，第二冷介质循环装置与氢发电装置相连接；第三冷介质循环装置，用于提供第三冷介质及回收吸热后的第三冷介质，第三冷介质循环装置与储氢装置相连接；第二冷介质循环装置包括并联设置的第一循环回路和第二循环回路，第一循环回路上设置有热源液体冷却装置；第二循环回路上设置有第二换热器。本发明系统热量利用率高、氢储能系统稳定。
Description
技术领域
本发明属于能量转化与储能技术领域，具体涉及一种热量利用率高、氢储能系统稳定的氢储能系统中的热控制系统。
背景技术
氢能作为一种清洁、高效、可持续能源，受到了广泛关注。其可作为可再生能源消纳的载体，从可再生能源到氢气再通过氢发电子系统发电，即氢储能。该氢储能具有如下诸多优点：1)氢储能系统电解水过程是绿色能源到绿色能源的循环，具有可持续性；2)储能密度高，可达13000Wh/kg以上，约为锂电池的100倍；3)寿命长，适合长时间存储，无自放电。
现有技术中，中国专利文献CN 102534646A公开了风力发电制氢储能供氢和后备发电装置。该技术以风能作为基础能源，利用风力发电机发电，将多余电能通过中高压电解水制氢机生产中高压氢气，再将氢气充入可承受同样压强的储氢罐内，必要时，可将储存罐内的氢气作为反向能源，通过氢发电装置转换为电能。
上述技术的实施，风能实现了从基础发电到制氢的二次利用，并在此基础上兼顾了氢气的反向利用，具有了氢气再次转化电能的可行性，从而一方面在风力发电系统中省去了原本所必须的耗资最多的蓄电池系统，另一方面在实现全天候后备发电的同时，还能额外提供用户急需的燃料氢气。
在上述技术实施时，中高压电解水制氢、储氢罐储氢、氢气发电均会释放热量，而在储氢罐释放氢气时则需要外界供热，但是上述技术并未对释放的热量加以有效利用，更未从氢储能系统角度去综合利用制氢、储氢和氢发电各子系统释放的热量，导致整个氢储能系统热量利用率低，同时上述技术也不能根据燃料电池的出口冷却液的温度分级选择冷却循环回路进行能量回收，能量转化效率还不甚理想。
发明内容
为此，本发明所要解决的是现有技术中并未有从氢储能系统角度去综合利用制氢、储氢和氢发电各子系统释放的热量，导致整个氢储能系统热量利用率低，以及不能根据燃料电池的出口冷却液的温度分级选择冷却循环回路进行能量回收，能量转化效率低的缺陷，进而提供一种热量利用率高、氢储能系统稳定的氢储能系统中的热控制系统及应用。
为此，本发明提供如下技术方案：
一种氢储能系统中的热控制系统，包括顺次连接的制氢装置(1)、储氢装置(2)和氢发电装置(3)，其特征在于，还包括，
第一冷介质循环装置，用于提供第一冷介质及回收吸热后的第一冷介质，所述第一冷介质循环装置与所述制氢装置(1)相连接；
第二冷介质循环装置，用于提供第二冷介质及回收吸热后的第二冷介质，所述第二冷介质循环装置与所述氢发电装置(3)相连接；
第三冷介质循环装置，用于提供第三冷介质及回收吸热后的第三冷介质，所述第三冷介质循环装置与所述储氢装置(2)相连接；
所述第二冷介质循环装置包括并联设置的第一循环回路和第二循环回路，所述第一循环回路上设置有热源液体冷却装置；所述第二循环回路上设置有第二换热器。
所述第二冷介质循环装置为由至少包括顺次连接的第二储液箱(5)、所述氢发电装置(3)、冷却循环回路组成的闭合回路；所述氢发电装置(3)与所述第二储液箱(5)中的第二冷介质发生热交换。
所述第一冷介质循环装置为由至少包括顺次连接的第一储液箱(4)、第一换热器(6)、第四循环泵(11)、及第一循环泵(8)组成的闭合回路，所述制氢装置(1)与所述第一换热器(6)连接，以使所述制氢装置(1)中的电解质通过第五循环泵(12)与所述第一储液箱(4)中的第一冷介质在所述第一换热器(6)内发生热交换。
所述第三冷介质循环装置为由至少包括顺次连接的所述第一储液箱(4)、第三储液箱(26)、第三循环泵(10)及第一循环泵(8)组成的闭合回路，在储氢过程中所述储氢装置(2)与所述第三储液箱(26)中的第三冷介质发生热交换，在释氢过程中所述储氢装置(2)与所述第一储液箱(4)中的吸热后的第一冷介质和/或第三冷介质发生热交换。
所述换热装置为第二换热器(7)，所述第一储液箱(4)还与所述第二换热器(7)相连用于接收所述第二换热器(7)导出热量；所述热源液体冷却装置为去离子柱。
所述第二冷介质循环装置还包括与所述第二换热器(7)相连接的散热器(17)。
所述第二冷介质循环装置还包括回路选择装置，用于控制流出所述燃料电池的冷却液进入第一循环回路或第二循环回路，所述回路选择装置为节温器。
还包括：空压机(18)，与所述氢发电装置(3)相连接；过滤器(28)，设置在所述储氢装置(2)与所述氢发电装置(3)之间，以过滤氢气中的杂质。
还包括：若干温度传感器，分别设置于所述第一储液箱(4)内、连接所述第二储液箱(5)和所述氢发电装置(3)之间的换热管道内、连接所述氢发电装置(3)和所述第二换热器(7)之间的换热管道内；
检测装置，与所述温度传感器连接，用于检测所述温度传感器所测量的温度。
还包括：用热装置(20)，连接第一储液箱(4)；用电装置(21)，连接氢发电装置(3)；电导率变送器(25)，设置于第二储液箱(5)内，用以检测第二储液箱(5)中的电导率。
上述的热控制系统的应用。
本发明所述的额定工作温度是指是指制氢装置长时间正常工作时的最佳温度。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提供的热控制系统，通过设置第一冷介质循环装置，用于提供第一冷介质及回收吸热后的第一冷介质，所述第一冷介质循环装置与所述制氢装置相连接；第二冷介质循环装置，用于提供第二冷介质及回收吸热后的第二冷介质，所述第二冷介质循环装置与所述氢发电装置相连接；第三冷介质循环装置，用于提供第三冷介质及回收吸热后的第三冷介质，所述第三冷介质循环装置与所述储氢装置相连接。整个热控制系统通过设置多个循环装置对制氢、储氢和氢发电各子系统的热量供求关系进行调控，提高了氢储能系统的热量利用率，保证了氢储能系统的稳定有序进行；还通过设置冷却循环回路可以根据燃料电池内输出的热源液体的温度选择启动第一循环回路和第二循环回路。
2、本发明提供的热控制系统，第一循环回路设有热源液体净化处理装置可冷却处理燃料电池的热源液体出口温度T1低于M1时的冷却循环液，或是少量的冷却循环液，可实现燃料电池的快速启动。
3、本发明提供的热控制系统中的冷却循环回路中设有热源液体净化处理装置可冷却处理燃料电池的热源液体出口温度T1低于M1时的冷却循环液，或是少量的冷却循环液，可实现燃料电池的快速启动；并且工作中，热源液体循环一段时间后会有杂质，所述热源液体冷却装置可净化杂质并冷却热源液体，当热源液体为水时这个装置即为去离子柱。
4、本发明提供的热控制系统中的冷却循环回路中的第二循环回路还设有用于接收换热装置导出热量的第一储液箱。当M1＜T1≤M2但时，热源液体通过第二循环回路，散热器不启动，只通过换热器进行换热，并根据燃料电池热源液体进口温度T3和换热循环第二冷却箱内的热源液体温度T2对第二循环泵和第一循环泵进行调速，保证温度T3在燃料电池的允许范围内；该冷却循环回路可以将燃料电池内输出的热源中的热转换出去以达到再次利用的目的，能量转化效率高。
5、本发明提供的热控制系统中的所述第二冷介质循环装置还包括回路选择装置，用于控制流出所述燃料电池的冷却液进入第一循环回路或第二循环回路，所述回路选择装置为节温器，可根据温度自动选择第一循环回路或第二循环回路。
6、本发明提供的热控制系统中的冷却循环回路中的的第二循环回路设有散热器与换热器共同起作用，可冷却处理燃料电池的热源液体出口温度T1高于M2时的冷却循环液，或是二级量的冷却循环液。能够保证燃料电池工作温度下热能的二次利用。
7、本发明提供的热控制系统，通过设置若干温度传感器和检测装置，能实时检测各处换热介质的温度，及时调节温度，回收制氢过程和氢发电过程中的多余热量，或者补充制氢过程和氢发电过程中所需的热量，使氢储能系统稳定地进行。
8、本发明提供的用于燃料电池的冷却循环回路通过设置热源液体冷却装置在不影响温度控制的情况下提高热源液体的纯度，延长燃料电池寿命。
9、本发明提供的冷却循环回路在应用于燃料电池可保证燃料电池的稳定运行基础上，使得燃料电池的寿命从5000h提高到10000h～30000h。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例4中的氢储能系统中的热控制系统。
附图标记：
1-制氢装置；2-储氢装置；3-氢发电装置；4-第一储液箱；5-第二储液箱；6-第一换热器；7-第二换热器；8-第一循环泵；9-第二循环泵；10-第三循环泵；11-第四循环泵；12-第五循环泵；13-第一截止阀；14-第二截止阀；15-第三截止阀；16-电磁阀；17-散热器；18-空压机；19-节温器；20-用热装置；21-用电装置；22-第一温度传感器；23-第二温度传感器；24-第三温度传感器；25-电导率变送器；26-第三储液箱；27-换热介质供应装置；28-过滤器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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“安装”、“相连”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
说明：本发明中第一温度传感器显示的温度为T1，即燃料电池的热源液体出口温度，第二温度传感器显示的温度为T2，第三温度传感器显示的温度为T3。并设有两个温度阈值，分别为M1和M2，M1为燃料电池低温报警温度点；M2为燃料电池高温报警温度点。
本发明提供的用于燃料电池的冷却循环回路在工作时，
当T1＜M1时，第二循环泵启动并以最低速度运行，第一循环泵不启动，循环的热源液体经节温器进入第一循环冷却回路，能够实现电池尽快升温，并且维持热源液体质量；
当M1＜T1≤M2但时，热源液体通过第二循环回路，散热器不启动，只通过换热器进行换热，并根据燃料电池热源液体进口温度T3和换热循环第二储液箱内的热源液体温度T2对第二循环泵和第一循环泵进行调速，保证温度T3在燃料电池的允许范围内；
当T1＞M2时，热源液体通过第二循环回路控制热源液体温度，在通过第二循环回路的换热器后，启动散热器，对循环的热源液体进一步强制散热，并根据燃料电池热源液体进口温度T3和换热循环第二储液箱内的热源液体温度对第二循环泵和第一循环泵进行调速，保证温度T3在燃料电池的允许范围内。
M1与M2的具体数值可以根据实际过程中燃料电池实际情况进行选择。
本发明中的燃料电池包括但不限于质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池或高温固体氧化物燃料电池的一种或多种的组合。
实施例1.
本实施提供了一种氢储能系统中的热控制系统，如图1所示，包括顺次连接的制氢装置1、储氢装置2和氢发电装置3，制氢装置1、储氢装置2和氢发电装置3均可根据需要选择，在本实施方式中，制氢装置1为碱性电解槽电解水制氢装置，储氢装置2为合金储氢罐，氢发电装置3为水冷质子交换膜燃料电池，在另外的实施方式中，制氢装置1为质子交换膜电解槽电解水制氢装置或固体氧化物电解槽电解水制氢装置，储氢装置2为钢瓶储氢罐或有机物储氢罐，氢发电装置3为直接甲醇燃料电池、磷酸染料电池、熔融碳酸盐燃料电池或高温固体氧化物燃料电池。当然，根据需要，也可将上述各电解水制氢装置联用作为制氢装置1，将上述储氢罐联用作为储氢装置2，将上述各氢发电装置联用作为氢发电装置3；
还包括第一冷介质循环装置，用于提供第一冷介质及回收吸热后的第一冷介质，所述第一冷介质循环装置与所述制氢装置1相连接；
第二冷介质循环装置，用于提供第二冷介质及回收吸热后的第二冷介质，所述第二冷介质循环装置与所述氢发电装置3相连接；
第三冷介质循环装置，用于提供第三冷介质及回收吸热后的第三冷介质，所述第三冷介质循环装置与所述储氢装置2相连接。
所述第二冷介质循环装置包括并联设置的第一循环回路和第二循环回路，所述第一循环回路上设置有热源液体冷却装置；所述第二循环回路上设置有第二换热器7。该方案可选择性的启动第一循环回路或第二循环回路。
所述第一循环回路具有热源液体冷却装置，可冷却处理燃料电池的热源液体出口温度T1低于M1时的冷却循环液，或是少量的冷却循环液，并可净化热源液体，也可实现燃料电池的快速启动。
所述第二冷介质循环装置为由至少包括顺次连接的第二储液箱5、所述氢发电装置3、冷却循环回路组成的闭合回路；所述氢发电装置3与所述第二储液箱5中的第二冷介质发生热交换。
所述第一冷介质循环装置为由至少包括顺次连接的第一储液箱4、第一换热器6、第四循环泵11、及第一循环泵8组成的闭合回路，所述制氢装置1与所述第一换热器6连接，以使所述制氢装置1中的电解质通过第五循环泵12与所述第一储液箱4中的第一冷介质在所述第一换热器6内发生热交换。在本实施方式中，第一换热器6可为板式换热器，在另一实施方式中可为现有技术中的其它类型的换热器，这是本领域技术人员公知的，在此不再赘述。
所述第三冷介质循环装置为由至少包括顺次连接的所述第一储液箱4、第三储液箱26、第三循环泵10及第一循环泵8组成的闭合回路，在储氢过程中所述储氢装置2与所述第三储液箱26中的第三冷介质发生热交换，在释氢过程中所述储氢装置2与所述第一储液箱4中的吸热后的第一冷介质和/或第三冷介质发生热交换。
所述第二循环回路具有换热装置，所述换热装置为第二换热器7，所述第一储液箱4还与所述第二换热器7相连用于接收所述第二换热器7导出热量，当M1＜T1≤M2时，热源液体通过第二循环回路，启动换热器，只通过第二换热器7进行换热，并根据燃料电池热源液体进口温度T3和换热循环第二储液箱5内的热源液体温度T2对第二循环泵9和第一循环泵8进行调速，保证温度T3在燃料电池的允许范围内。
所述热源液体净化处理装置可净化和冷却处理燃料电池的热源液体出口温度T1低于M1时的冷却循环液，或是少量的冷却循环液；并且工作中，热源液体循环一段时间后会有杂质，所述热源液体冷却装置可净化杂质并冷却热源液体，当热源液体为水时这个装置即为去离子柱。
所述第二冷介质循环装置还包括与所述第二换热器7相连接的散热器17。在本实施方式中，第一换热器7可为板式换热器，在另一实施方式中可为现有技术中的其它类型的换热器，这是本领域技术人员公知的，在此不再赘述。
所述第二冷介质循环装置还包括回路选择装置，用于控制流出所述燃料电池的冷却液进入第一循环回路或第二循环回路，所述回路选择装置为节温器9。可以根据燃料电池内输出的热源液体的温度自动选择启动第一循环回路和第二循环回路。
上述热控制系统中，通过设置多个循环装置对制氢、储氢和氢发电各子系统的热量供需关系进行调控，提高了整个系统的热量利用率，保证了氢储能系统的稳定有序进行。
在上述技术方案的基础上，还包括：空压机18，与所述氢发电装置3相连接，用于向氢发电装置3内送入空气。
过滤器28，设置在所述储氢装置2与所述氢发电装置3之间，以过滤氢气中的杂质。
在上述技术方案的基础上，还包括：若干温度传感器，分别设置于所述第一储液箱4内、连接所述第二储液箱5和所述氢发电装置3之间的换热管道内、连接所述氢发电装置3和所述第二换热器7之间的换热管道内；在本实施方式中，若干温度传感器为第一温度传感器22、第二温度传感器23、第三温度传感器24和第四温度传感器，第二温度传感器23设置于第一储液箱4内、第三温度传感器24设置于第二储液箱5和氢发电装置3之间的换热管道内、第一温度传感器22设置于氢发电装置3和第二换热器7之间的换热管道内、第四温度传感器设置于制氢装置1内；
检测装置，与所述温度传感器连接，用于检测所述温度传感器所测量的温度。
通过上述设置，能实时检测各处换热介质的温度，及时调节温度，回收制氢过程和氢发电过程中的多余热量，或者补充制氢过程和氢发电过程中所需的热量，使氢储能系统稳定地进行。
在上述技术方案的基础上，还包括若干阀门，可根据实际需要进行设置。在本实施方式中，若干阀门可为设置在连接第一换热器6与第一储液箱4的换热管道上的第二截止阀14和第三截止阀15；设置在连接储氢装置2和第一储液箱4的换热管道上的第一截止阀13；设置在第三储液箱26和储氢装置2之间的电磁阀16。
在上述技术方案的基础上，还包括，
用热装置20，连接第一储液箱4；
用电装置21，连接氢发电装置3；
电导率变送器25，设置于第二储液箱5内，用以检测第二储液箱5中的电导率；
换热介质供应装置27，与第一储液箱4连接，用于向第一储液箱4内添加换热介质。
实施例2本发明氢储能系统中的热控制系统使用方法
具体包括如下步骤：
S1、采用两台制氢量为40Nm3/h，质量分数为30％KOH溶液的碱性电解槽组成的制氢装置，启动制氢装置，采集其内电解液的温度和第一储液箱中自来水的温度，当检测的自来水的温度大于电解液的温度时，启动第一水循环泵、第四循环泵和第五循环泵，并打开第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀，使自来水通过板式换热器与制氢装置换热，升温电解液；当电解液的温度大于自来水温度且小于80℃(80℃为电解液正常工作温度，即制氢装置额定工作温度)时，停止第一循环泵、第四循环泵和第五循环泵，使电解液自升温；当电解液的温度大于80℃时，启动第一循环泵、第四循环泵和第五循环泵，并打开第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀，对电解液进行降温，维持电解液处于正常工作温度，电解水制氢。制得的氢气经露点和微量氧检测后，满足要求充入储氢装置；
S2、储氢装置采用18个压力为3MPa，储氢量为40Nm3，材质为TiMn2的合金储氢罐，合金储氢罐配有相关水热管路和阀件，将氢气充入上述储氢装置，充氢过程中，首先启动电磁阀、第三循环泵和第一循环泵，并打开第二截止阀和第三截止阀，利用低温自来水对合金储氢罐进行降温，换热后的自来水进入第一储液箱内，带走充氢过程中的释放的热量，当检测到合金储氢罐储满后，关闭电磁阀和第三循环泵，并关闭制氢装置；当将合金储氢罐内的氢气释放时，开启第一截止阀、第三循环泵、第二截止阀、第三截止阀和第一循环泵，利用第一储液箱中40～60℃的热水对合金储氢罐进行升温，补充热量，维持其稳定地放氢；
S3、氢发电装置是采用两个串联的50kW水冷质子交换膜燃料电池堆及其相关辅助设备，将合金储氢罐释放的氢气经过滤器过滤后进入燃料电池的阳极，而通过空压机(如鼓风机)将空气经过减压和过滤器过滤后进入燃料电池的阴极，启动氢发电装置，同时，启动第二循环泵，并检测出水口温度T1和进水口温度T3，若T1低于50℃时，第二循环泵和节温器(如温控开关)打开，循环水直接进入第二储液箱，实现快速升温且维持水质；若T1不超过65℃但高于50℃时，第二循环泵、温控开关、第三截止阀和第一循环泵打开，鼓风式散热器不启动，循环水通过板式换热器与第一储液箱中的自来水换热，回收氢发电过程中释放的热量，并根据T3和T2对第一循环泵和第二循环泵进行调速，保证T3在燃料电池的允许范围内；若T1高于65℃时，第二循环泵、温控开关、第三截止阀和第一循环泵打开，鼓风式散热器启动，对循环水进行换热和强制散热，并根据T3和T2对第一循环泵和第二循环泵进行调速，保证T3在燃料电池的允许范围内。氢发电装置产生的电力可外用，未完全反应的氢气和空气可回收利用；同时，可以通过设置于第二储液箱内的电导率变送器实时检测第二储液箱内中自来水的电导率，避免高电导率的自来水产生热量，降低系统效率，并可根据液位监测点L的数据判断是否需要向第一储液箱内添加自来水，或者，将第一储液箱内的自来水用于外界供热。
实施例3本发明氢储能系统中的热控制系统的应用方法
具体包括如下步骤：
S1、采用两台制氢量为40Nm3/h，电解质为Nafion的固体电解质电解槽组成的制氢装置，启动制氢装置，采集其内固体电解质的温度和第一储液箱中自来水的温度，当检测的自来水的温度大于固体电解质的温度时，启动第一水循环泵、第四循环泵和第五循环泵，并打开第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀，使自来水通过板式换热器与制氢装置换热，升温电解槽；当电解槽的温度大于自来水温度且小于70℃(70℃为电解槽正常工作温度，即制氢装置额定工作温度)时，停止第一循环泵、第四循环泵和第五循环泵，使固体电解质自升温；当电解槽的温度大于70℃时，启动第一循环泵、第四循环泵和第五循环泵，并打开第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀，对电解槽进行降温，维持电解槽处于正常工作温度，电解水制氢。制得的氢气经露点和微量氧检测后，满足要求充入储氢装置；
S2、储氢装置采用18个40Nm3的碳纤维复合罐，碳纤维复合罐配有相关水热管路和阀件，将氢气充入上述储氢装置，充氢过程中，首先启动电磁阀、第三循环泵和第一循环泵，并打开第二截止阀和第三截止阀，利用低温自来水对碳纤维复合罐进行降温，换热后的自来水进入第一储液箱内，带走充氢过程中的释放的热量，当检测到碳纤维复合罐储满后，关闭电磁阀和第三循环泵，并关闭制氢装置；当将碳纤维复合罐内的氢气释放时，开启第一截止阀、第三循环泵、第二截止阀、第三截止阀和第一循环泵，利用第一储液箱中40～60℃的热水对碳纤维复合罐进行升温，补充热量，维持其稳定地放氢；
S3、氢发电装置是采用两个串联的50kW水冷碱性燃料电池堆及其相关辅助设备，将碳纤维复合罐释放的氢气经过滤器过滤后进入燃料电池的阳极，而通过空压机(如鼓风机)将空气经过减压和过滤器过滤后进入燃料电池的阴极，启动氢发电装置，同时，启动第二循环泵，并检测出水口温度T1和进水口温度T3，若T1低于70℃时，第二循环泵和节温器(如温控开关)打开，循环水直接进入第二储液箱，实现快速升温且维持水质；若T1不超过90℃但高于70℃时，第二循环泵、温控开关、第三截止阀和第一循环泵打开，鼓风式散热器不启动，循环水通过板式换热器与第一储液箱中的自来水换热，回收氢发电过程中释放的热量，并根据T3和T2对第一循环泵和第二循环泵进行调速，保证T3在燃料电池的允许范围内；若T1高于90℃时，第二循环泵、温控开关、第三截止阀和第一循环泵打开，鼓风式散热器启动，对循环水进行换热和强制散热，并根据T3和T2对第一循环泵和第二循环泵进行调速，保证T3在燃料电池的允许范围内。氢发电装置产生的电力可外用，未完全反应的氢气和空气可回收利用；同时，可以通过设置于第二储液箱内的电导率变送器实时检测第二储液箱内中自来水的电导率，避免高电导率的自来水产生热量，降低系统效率，并可根据液位监测点L的数据判断是否需要向第一储液箱内添加自来水，或者，将第一储液箱内的自来水用于外界供热。
实施例4本发明氢储能系统中的热控制系统应用方法
具体包括如下步骤：
S1、采用两台制氢产量为40Nm3/h，氢气压力为3MPa，质量分数为22.2％NaOH溶液的碱性电解槽组成的制氢装置，启动制氢装置，采集其内电解液的温度和第一储液箱中换热油的温度，当检测换热油的温度大于电解液的温度时，启动第一循环泵、第四循环泵和第五循环泵，并打开第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀，使换热油通过板式换热器与制氢装置换热，升温电解液；当电解液的温度大于换热油温度且小于80℃(80℃为电解液正常工作温度，即制氢装置额定工作温度)时，停止第一循环泵、第四循环泵和第五循环泵，使电解液自升温；当电解液的温度大于80℃时，启动第一循环泵、第四循环泵和第五循环泵，并打开第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀，对电解液进行降温，维持电解液处于正常工作温度，电解水制氢。制得的氢气经露点和微量氧检测后，满足要求充入储氢装置；
S2、储氢装置采用18个40Nm3的不锈钢储氢罐，不锈钢储氢罐配有相关管路和阀件，将氢气充入上述储氢装置，充氢过程中，首先启动电磁阀、第三循环泵和第一循环泵，并打开第二截止阀和第三截止阀，利用低温换热油对不锈钢储氢罐进行降温，换热后的换热油进入第一储液箱内，带走充氢过程中的释放的热量，当检测到不锈钢储氢罐储满后，关闭电磁阀和第三循环泵，并关闭制氢装置；当将不锈钢储氢罐内的氢气释放时，开启第一截止阀、第三循环泵、第二截止阀、第三截止阀和第一循环泵，利用第一储液箱中40～60℃的换热油对不锈钢储氢罐进行升温，补充热量，维持其稳定地放氢；
S3、氢发电装置是采用两个串联的50kW油冷(油为合成烃混合物)高温质子交换膜燃料电池堆及其相关辅助设备，将不锈钢储氢罐释放的氢气经过滤器过滤后进入氢发电装置中燃料电池的阳极，而通过空压机(如鼓风机)将空气经过减压和过滤器过滤后进入燃料电池的阴极，启动氢发电装置，同时，启动第二循环泵，并检测出油口温度T1和进油口温度T3，若T1低于150℃时，第二循环泵和节温器(如温控开关)打开，循环换热油直接进入第二储液箱，实现快速升温；若T1不超过185℃但高于150℃时，第二循环泵、温控开关、第三截止阀和第一循环泵打开，鼓风式散热器不启动，循环换热油通过板式换热器与第一换热介质中的换热油换热，回收氢发电过程中释放的热量，并根据T3和T2对第一循环泵和第二循环泵进行调速，保证T3在燃料电池的允许范围内；若T1高于185℃时，第二循环泵、温控开关、第三截止阀和第一循环泵打开，鼓风式散热器启动，对循环换热油进行换热和强制散热，并根据T3和T2对第一循环泵和第二循环泵进行调速，保证T3在燃料电池的允许范围内。氢发电装置产生的电力可外用，未完全反应的氢气和空气可回收利用；同时，可以通过设置于第二储液箱内的电导率变送器实时检测第二储液箱内换热介质的电导率，避免电导率高的换热介质产生热量降低系统效率，并可根据液位监测点L的数据选择何时向第一储液箱内添加换热油，或者，将第一储液箱内的温度高的换热油用于外界供热。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (11)
1.一种氢储能系统中的热控制系统，包括顺次连接的制氢装置(1)、储氢装置(2)和氢发电装置(3)，其特征在于，还包括，
第一冷介质循环装置，用于提供第一冷介质及回收吸热后的第一冷介质，所述第一冷介质循环装置与所述制氢装置(1)相连接；
第二冷介质循环装置，用于提供第二冷介质及回收吸热后的第二冷介质，所述第二冷介质循环装置与所述氢发电装置(3)相连接；
第三冷介质循环装置，用于提供第三冷介质及回收吸热后的第三冷介质，所述第三冷介质循环装置与所述储氢装置(2)相连接；
所述第二冷介质循环装置包括并联设置的第一循环回路和第二循环回路，所述第一循环回路上设置有热源液体冷却装置；所述第二循环回路上设置有第二换热器；所述第二冷介质循环装置还包括回路选择装置，当T1＜M1时，所述回路选择装置控制流出氢发电装置(3)的冷却液进入第一循环回路，当M1≤T1≤M2时，所述回路选择装置控制流出氢发电装置(3)的冷却液进入第二循环回路，当M2≤T1时，所述回路选择装置控制流出氢发电装置(3)的冷却液进入第二循环回路，其中，M1为氢发电装置(3)低温报警温度点，M2为氢发电装置(3)高温报警温度点，T1为流出氢发电装置(3)的冷却液的温度。
2.根据权利要求1所述的热控制系统，其特征在于：所述第二冷介质循环装置为由至少包括顺次连接的第二储液箱(5)、所述氢发电装置(3)、冷却循环回路组成的闭合回路；所述氢发电装置(3)与所述第二储液箱(5)中的第二冷介质发生热交换。
3.根据权利要求2所述的热控制系统，其特征在于：所述第一冷介质循环装置为由至少包括顺次连接的第一储液箱(4)、第一换热器(6)、第四循环泵(11)、及第一循环泵(8)组成的闭合回路，所述制氢装置(1)与所述第一换热器(6)连接，以使所述制氢装置(1)中的电解质通过第五循环泵(12)与所述第一储液箱(4)中的第一冷介质在所述第一换热器(6)内发生热交换。
4.根据权利要求3所述的热控制系统，其特征在于：所述第三冷介质循环装置为由至少包括顺次连接的所述第一储液箱(4)、第三储液箱(26)、第三循环泵(10)及第一循环泵(8)组成的闭合回路，在储氢过程中所述储氢装置(2)与所述第三储液箱(26)中的第三冷介质发生热交换，在释氢过程中所述储氢装置(2)与所述第一储液箱(4)中的吸热后的第一冷介质和/或第三冷介质发生热交换。
5.根据权利要求4所述的热控制系统，其特征在于：换热装置为第二换热器(7)，所述第一储液箱(4)还与所述第二换热器(7)相连用于接收所述第二换热器(7)导出热量；
所述热源液体冷却装置为去离子柱。
6.根据权利要求5所述的热控制系统，其特征在于：所述第二冷介质循环装置还包括与所述第二换热器(7)相连接的散热器(17)。
7.根据权利要求6所述的热控制系统，其特征在于：所述回路选择装置为节温器。
8.根据权利要求7所述的热控制系统，其特征在于，还包括：空压机(18)，与所述氢发电装置(3)相连接；
过滤器(28)，设置在所述储氢装置(2)与所述氢发电装置(3)之间，以过滤氢气中的杂质。
9.根据权利要求3或4所述的热控制系统，其特征在于，还包括：若干温度传感器，分别设置于所述第一储液箱(4)内、连接所述第二储液箱(5)和所述氢发电装置(3)之间的换热管道内、连接所述氢发电装置(3)和所述第二换热器(7)之间的换热管道内；
检测装置，与所述温度传感器连接，用于检测所述温度传感器所测量的温度。
10.根据权利要求9所述的热控制系统，其特征在于，还包括：用热装置(20)，连接第一储液箱(4)；
用电装置(21)，连接氢发电装置(3)；
电导率变送器(25)，设置于第二储液箱(5)内，用以检测第二储液箱(5)中的电导率。
11.权利要求1-10任一所述的热控制系统在氢储能系统中的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 102209 Beijing City, the future of science and Technology City Binhe Road, No. 18, No. Applicant after: Global energy Internet Institute, Inc. Applicant after: State Grid Corporation of China Address before: 102211 Beijing city Changping District Xiaotangshan town big East Village Road No. 270 Applicant before: GLOBAL ENERGY INTERCONNECTION RESEARCH INSTITUTE Applicant before: State Grid Corporation of China |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 102209 18 Riverside Avenue, Changping District science and Technology City, Beijing Applicant after: Global energy Internet Institute, Inc. Applicant after: State Grid Corporation of China Address before: 102209 18 Riverside Avenue, Changping District science and Technology City, Beijing Applicant before: Global energy Internet Institute, Inc. Applicant before: State Grid Corporation of China |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |