CN106817067A - 一种基于燃料电池的多能互补热电联产系统和工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于燃料电池的多能互补热电联产系统和工作方法，该系统包括燃料电池热电联产装置，其入口连通天然气和空气，热能出口连接热能输配控制管理系统，电能出口连接电能输配控制管理系统；热能输配控制管理系统热能入口连接太阳能光热装置，热能出口连接热能负载，热油储热装置与热能输配控制管理系统连接；电能输配控制管理系统电能入口连接太阳能光伏发电装置和风力发电装置，电能出口连接质子交换膜电解水制氢装置和热能负载，电池储能装置与电能输配控制管理系统连接；质子交换膜电解水制氢装置氢气出口连接储氢罐入口，储氢罐氢气出口连接燃料电池热电联产装置氢气入口；本发明还公开了该系统的工作方法；以热定电和以电定热两种模式下运行，满足用户对电能和热能的需求。
Description
技术领域
本发明属于发电技术领域，尤其涉及一种基于燃料电池的多能互补热电联产系统和工作方法。
背景技术
随着国民经济的迅速增长，对能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所产生的环境污染问题日益尖锐。太阳能和风能资源潜力大，可持续利用，在满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、促进经济发展等方面发挥了重要作用，已引起了国际社会的广泛关注。但是太阳能和风能是典型的随机性、间歇性，其并网消纳面临巨大挑战。通过多种类型电源之间互补运行是促进风能太阳能发展消纳的重要途径。
燃料电池发电技术是一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，能够将天然气、H2等碳氢燃料的化学能通过电化学反应直接转化为电能，因无热力学循环从而超越了热机的卡诺循环效率限制，发电效率可以达到50％～60％，热电转化效率可达85％～90％。而且燃料电池负荷响应快，运行质量高，燃料电池在数秒内就可以从最低功率换到额定功率，能够作为太阳能和风能的重要补充。
目前，国际上正在开发与应用的主流的燃料电池主要有以下三类：质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MoltenCarbonate Fuel Cell,MCFC)以及固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)。其中PEMFC代表性的生产厂家为加拿大的巴拉德动力系统公司(Ballard Power Systems,Inc.)及丰田汽车公司，MCFC代表性的厂家有美国Fuel Cell Energy公司、德国MTU CFCSolution公司、意大利Ansaldo Fuel Cell公司、日本IHI公司以及韩国POSCO公司，SOFC代表性的厂家有美国Bloom Energy、日本京瓷公司、日本三菱重工。质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池均可构建热电联产系统，并且具有负荷响应快的特点，能够工作在以热定电和以电定热两种工作模式下。
将燃料电池与太阳能和风能进行耦合组成多能互补系统，能够发挥燃料电池负荷响应快、清洁高效的优点，同时能够提高太阳能和风能的利用率，促进清洁能源的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于燃料电池的多能互补热电联产系统和工作方法，以热定电和以电定热两种模式下运行，满足用户对电能和热能的需求。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于燃料电池的多能互补热电联产系统，包括燃料电池热电联产装置1，燃料电池热电联产装置1的入口连通天然气和空气管道，热能出口连接热能输配控制管理系统2，电能出口连接电能输配控制管理系统3；热能输配控制管理系统2的热能入口连接太阳能光热装置4，热能出口连接热能负载，热油储热装置5与热能输配控制管理系统2进行连接，能够进行热能的相互交换；电能输配控制管理系统3的电能入口连接太阳能光伏发电装置6和风力发电装置7，电能出口连接质子交换膜电解水制氢装置9和热能负载，电池储能装置8与电能输配控制管理系统3进行连接，能够进行电能的相互交换；质子交换膜电解水制氢装置9的氢气出口连接储氢罐10入口，储氢罐10的氢气出口连接燃料电池热电联产装置1的氢气入口，燃料电池热电联产装置1利用氢气和空气产生电能和热能。
所述燃料电池热电联产装置1采用质子交换膜燃料电池PEMFC、熔融碳酸盐燃料电池MCFC发电技术或固体氧化物燃料电池MCFC发电技术，由阴极腔室、阴极、阳极腔室、阳极、电解质组成；以天然气或氢气作为燃料，以空气作为氧化剂进行电化学发电，发电效率达50％～60％，热电联产效率达80％～90％，实现输出负荷0～100％调节，能够在以热定电和以电定热两种模式下工作。
所述热能输配控制管理系统2，能够根据太阳能光热装置4的运行特性和热能负载的运行特性，控制燃料电池热电联产装置1、太阳能光热装置4、热油储热装置5以及热能负载的运行特性，以满足热能负载的需求。
所述电能输配控制管理系统3，能够根据太阳能光伏发电装置6、风力发电装置7以及电能负载的运行特性，控制燃料电池热电联产装置1、太阳能光伏发电装置6、风力发电装置7、电池储能装置8、质子交换膜电解水制氢装置9以及储氢罐10，以满足电能负载的需求。
所述太阳能光热装置4采用太阳能集热管或集热器，能够将太阳能转化为热能。
所述热油储热装置5由储油罐和换热器组成，能够吸收太阳能光热装置4和燃料电池热电联产装置1提供的热能，并向热能负载提供热能。
所述太阳能光伏发电装置6由光伏板和逆变器组成，是能够将太阳能转化为电能的电力设备。
所述电池储能装置8是指将电能储存在电池中，并能向外输出电能的装置，采用的电池为钠硫电池、液流电池以及锂离子电池；燃料电池热电联产装置1、太阳能光伏发电装置6和风力发电装置7所产生的电能能够储存到电池储能装置8中，电池储能装置8能够向电能负载输出电能。
所述质子交换膜电解水制氢装置9采用质子交换膜Proton Exchange Membrane,PEM电解水制氢技术，电解槽包括PEM膜电极和双极板；PEM电解技术能够将反应物氢气和氧气分隔开避免串气，安全性好、产物气体纯度高；系统的负荷能够从0～100％连续调节，能够与太阳能光伏发电和风力发电的波动性相适应；质子交换膜电解水制氢装置9启停速度快，5min内能够产生H2，输出氢气的压力达3MPa。
所述储氢罐10采用高压储氢方式，能够在常温下进行快速的充放气；储氢罐10的压力为3MPa。
所述的基于燃料电池的多能互补热电联产系统的工作方法，当太阳能光热装置4的输出功率大于热能负载的功率时，太阳能光热装置4直接输出热能给热能负载，其余热能输出给热油储热装置5；当太阳能光热装置4的输出功率小于等于热能负载的功率时，太阳能光热装置4直接输出热能给热能负载，同时燃料电池热电联产装置1产生的热量输出给热能负载，此时如果燃料电池热电联产装置1产生的热量仍不能满足热能负载的需求，则热油储热装置5向热能负载提供热能；当太阳能光热装置4、燃料电池热电联产装置1以及热油储热装置5无法满足热能负载的需求时，降低或切断热能负载；
当太阳能光伏发电装置6和风力发电装置7的输出功率之和大于电能负载的功率时，其余电能优先储存到电池储能装置8中，待电池储能装置8满电时，其余电能输送到质子交换膜电解水制氢装置9中，制取氢气并储存于储氢罐10中；当太阳能光伏发电装置6和风力发电装置7的输出功率之和小于等于电能负载的功率时，电池储能装置8输出电能给电能负载，待电池储能装置8的电能用尽时，燃料电池热电联产装置1利用天然气和空气产生电能输送给电能负载；当天然气无法供给时，燃料电池热电联产装置1利用储氢罐10中的H2和空气产生电能输送给电能负载；当太阳能光伏发电装置6、风力发电装置7、燃料电池热电联产装置1以及电池储能装置8无法满足电能负载的需求时，降低或切断电能负载。
本发明所提出的基于燃料电池的多能互补热电联产系统具有以下优点：
(1)可实现智能全自动运行，在以热定电和以电定热两种模式下运行，满足用户对电能和热能的需求；
(2)燃料电池能够灵活调节电能和热能输出，可以作为太阳能光热、太阳能光伏以及风力发电的补充，提高太阳能和风力的利用率；
(3)可实现电能的短期储存和长期储存，提高太阳能发电和风力发电的利用率。
(4)燃料电池系统不仅能够利用天然气发电制热，还能够利用储氢罐中氢气进行发电制热，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1是本发明一种基于燃料电池的多能互补热电联产系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，天然气和空气通入到燃料电池热电联产装置1中，燃料电池热电联产装置1产出电能和热能。燃料电池热电联产装置1产出的热能输送到热能输配控制管理系统2，燃料电池热电联产装置1产出的电能输送到电能输配控制管理系统3。太阳能光热装置4将产出的热能输送到热能输配控制管理系统2中。热油储热装置5与热能输配控制管理系统2进行连接，能够进行热能的相互交换。热能输配控制管理系统2向热能负载提供热能。太阳能光伏发电装置6输送电能到电能输配控制管理系统3。风力发电装置7输送电能到电能输配控制管理系统3。电池储能装置8与电能输配控制管理系统3进行连接，能够进行电能的相互交换。电能输配控制管理系统3将电能输送给质子交换膜电解水制氢装置9，质子交换膜电解水制氢装置9制取的氢气输送到储氢罐10中储存。储氢罐10输出氢气到燃料电池热电联产装置1中，燃料电池热电联产装置1可利用氢气和空气产生电能和热能。
当太阳能光热装置4的输出功率大于热能负载的功率时，太阳能光热装置4直接输出热能给热能负载，其余热能输出给热油储热装置5。当太阳能光热装置4的输出功率小于等于热能负载的功率时，太阳能光热装置4直接输出热能给热能负载，同时燃料电池热电联产装置1产生的热量输出给热能负载，此时如果燃料电池热电联产装置1产生的热量仍不能满足热能负载的需求，则热油储热装置5向热能负载提供热能；当太阳能光热装置4、燃料电池热电联产装置1以及热油储热装置5无法满足热能负载的需求时，降低或切断热能负载。
当太阳能光伏发电装置6和风力发电装置7的输出功率之和大于电能负载的功率时，其余电能优先储存到电池储能装置8中，待电池储能装置8满电时，其余电能输送到质子交换膜电解水制氢装置9中，制取氢气并储存于储氢罐10中。当太阳能光伏发电装置6和风力发电装置7的输出功率之和小于等于电能负载的功率时，电池储能装置8输出电能给电能负载，待电池储能装置8的电能用尽时，燃料电池热电联产装置1利用天然气和空气产生电能输送给电能负载；当天然气无法供给时，燃料电池热电联产装置1利用储氢罐10中的H2和空气产生电能输送给电能负载；当太阳能光伏发电装置6、风力发电装置7、燃料电池热电联产装置1以及电池储能装置8无法满足电能负载的需求时，降低或切断电能负载。
Claims (10)
1.一种基于燃料电池的多能互补热电联产系统，其特征在于：包括燃料电池热电联产装置(1)，燃料电池热电联产装置(1)的入口连通天然气和空气管道，热能出口连接热能输配控制管理系统(2)，电能出口连接电能输配控制管理系统(3)；热能输配控制管理系统(2)的热能入口连接太阳能光热装置(4)，热能出口连接热能负载，热油储热装置(5)与热能输配控制管理系统(2)进行连接，能够进行热能的相互交换；电能输配控制管理系统(3)的电能入口连接太阳能光伏发电装置(6)和风力发电装置(7)，电能出口连接质子交换膜电解水制氢装置(9)和热能负载，电池储能装置(8)与电能输配控制管理系统(3)进行连接，能够进行电能的相互交换；质子交换膜电解水制氢装置(9)的氢气出口连接储氢罐(10)入口，储氢罐(10)的氢气出口连接燃料电池热电联产装置(1)的氢气入口，燃料电池热电联产装置(1)利用氢气和空气产生电能和热能。
2.根据权利要求1所述的基于燃料电池的多能互补热电联产系统，其特征在于：所述燃料电池热电联产装置(1)采用质子交换膜燃料电池PEMFC、熔融碳酸盐燃料电池MCFC发电技术或固体氧化物燃料电池MCFC发电技术，由阴极腔室、阴极、阳极腔室、阳极、电解质组成；以天然气或氢气作为燃料，以空气作为氧化剂进行电化学发电，发电效率达50％～60％，热电联产效率达80％～90％，实现输出负荷0～100％调节，能够在以热定电和以电定热两种模式下工作。
3.根据权利要求1所述的基于燃料电池的多能互补热电联产系统，其特征在于：所述热能输配控制管理系统(2)，能够根据太阳能光热装置(4)的运行特性和热能负载的运行特性，控制燃料电池热电联产装置(1)、太阳能光热装置(4)、热油储热装置(5)以及热能负载的运行特性，以满足热能负载的需求；所述电能输配控制管理系统(3)，能够根据太阳能光伏发电装置(6)、风力发电装置(7)以及电能负载的运行特性，控制燃料电池热电联产装置(1)、太阳能光伏发电装置(6)、风力发电装置(7)、电池储能装置(8)、质子交换膜电解水制氢装置(9)以及储氢罐(10)，以满足电能负载的需求。
4.根据权利要求1所述的基于燃料电池的多能互补热电联产系统，其特征在于：所述太阳能光热装置(4)采用太阳能集热管或集热器，能够将太阳能转化为热能。
5.根据权利要求1所述的基于燃料电池的多能互补热电联产系统，其特征在于：所述热油储热装置(5)由储油罐和换热器组成，能够吸收太阳能光热装置(4)和燃料电池热电联产装置(1)提供的热能，并向热能负载提供热能。
6.根据权利要求1所述的基于燃料电池的多能互补热电联产系统，其特征在于：所述太阳能光伏发电装置(6)由光伏板和逆变器组成，是能够将太阳能转化为电能的电力设备。
7.根据权利要求1所述的基于燃料电池的多能互补热电联产系统，其特征在于：所述电池储能装置(8)是指将电能储存在电池中，并能向外输出电能的装置，采用的电池为钠硫电池、液流电池以及锂离子电池；燃料电池热电联产装置(1)、太阳能光伏发电装置(6)和风力发电装置(7)所产生的电能能够储存到电池储能装置(8)中，电池储能装置(8)能够向电能负载输出电能。
8.根据权利要求1所述的基于燃料电池的多能互补热电联产系统，其特征在于：所述质子交换膜电解水制氢装置(9)采用质子交换膜Proton Exchange Membrane,PEM电解水制氢技术，电解槽包括PEM膜电极和双极板；PEM电解技术能够将反应物氢气和氧气分隔开避免串气，安全性好、产物气体纯度高；系统的负荷能够从0～100％连续调节，能够与太阳能光伏发电和风力发电的波动性相适应；质子交换膜电解水制氢装置(9)启停速度快，5min内能够产生H2，输出氢气的压力达3MPa。
9.根据权利要求1所述的基于燃料电池的多能互补热电联产系统，其特征在于：所述储氢罐(10)采用高压储氢方式，能够在常温下进行快速的充放气；储氢罐(10)的压力为3MPa。
10.权利要求1至9任一项所述的基于燃料电池的多能互补热电联产系统的工作方法，其特征在于：当太阳能光热装置(4)的输出功率大于热能负载的功率时，太阳能光热装置(4)直接输出热能给热能负载，其余热能输出给热油储热装置(5)；当太阳能光热装置(4)的输出功率小于等于热能负载的功率时，太阳能光热装置(4)直接输出热能给热能负载，同时燃料电池热电联产装置(1)产生的热量输出给热能负载，此时如果燃料电池热电联产装置(1)产生的热量仍不能满足热能负载的需求，则热油储热装置(5)向热能负载提供热能；当太阳能光热装置(4)、燃料电池热电联产装置(1)以及热油储热装置(5)无法满足热能负载的需求时，降低或切断热能负载；
当太阳能光伏发电装置(6)和风力发电装置(7)的输出功率之和大于电能负载的功率时，其余电能优先储存到电池储能装置(8)中，待电池储能装置8满电时，其余电能输送到质子交换膜电解水制氢装置(9)中，制取氢气并储存于储氢罐(10)中；当太阳能光伏发电装置(6)和风力发电装置(7)的输出功率之和小于等于电能负载的功率时，电池储能装置(8输出电能给电能负载，待电池储能装置(8)的电能用尽时，燃料电池热电联产装置(1)利用天然气和空气产生电能输送给电能负载；当天然气无法供给时，燃料电池热电联产装置(1)利用储氢罐(10)中的H2和空气产生电能输送给电能负载；当太阳能光伏发电装置(6)、风力发电装置(7)、燃料电池热电联产装置(1)以及电池储能装置(8)无法满足电能负载的需求时，降低或切断电能负载。
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