CN108550879A - 一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统及控制方法，利用可逆高温燃料电池所产生的氢气以注入形式沿天然气管网对外输送，有效降低了储氢成本，也避免了大规模输氢管道的建设，减少了输氢成本与基建成本，促进了电与气两种能流的双向流动，使得电网‑气网深度耦合，提高了能源利用效率；此外，燃料电池作为原动机同时也是储能装置，通过高效率的热电联产和电转氢气，消纳了新能源，实现节能减排；通过可逆高温燃料电池的发电、产氢交替进行，流经气体也交替反向，避免了碳沉积的可能，可以直接采用混合燃料发电，无需另设昂贵的重整装置，通过“氢气注入”，可逆高温燃料电池也直接采用高效的电转氢气而不是低效率的电转天然气。

Description

一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电/气的多能源系统和氢能管理的交叉领域，尤其涉及一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统及控制方法。

背景技术

我国现阶段各种形式的能源是处于相对独立运行并相互割裂的，各种形式能源在生产、传输、消费等各个环节的耦合作用越来越强，涉及到电、热、气等多种能流的多能源系统是未来能源形式的趋势，为此，必须建立源、储、荷为一体的新型能源系统。目前世界上对多能源系统的协调运行研究已经考虑到了天然气管道的约束。然而对于含电转气的多能源系统，其大多数讨论也仅限于“电转天然气”并简单的进行加压传输，或者是以氢能的形式大规模储存，对氢能的传输问题研究甚少。

随着能源日益匮乏，氢气作为长久以来的清洁能源，受到广泛的重视。然而其运输难、储存难的特点仍是需要解决的难题。

目前大规模储氢还是通过储氢罐来实现。氢气是一种极不稳定、易爆炸的物质，储氢罐必须设置在远离市区的地方。氢气以高压缩比的形式存入储氢罐中，这一过程本身就极耗能量，得不偿失。储氢罐的储氢量也相当有限，建造大规模储氢装置成本高，输送不便。

国内外氢源的获取大部分仍停留在运输途径，稳定的氢源难以获取也导致了加氢站数量稀少，未形成规模，进一步限制了氢能汽车的发展。氢气大规模稳定输送要依靠昂贵的输氢管道的建设，然而以如今的气网规模，已经不可能完成像欧洲那样“一夜之间”用天然气代替水煤气的变革。虽然在天然气管道旁边辅建小规模氢气管道也不失为一种方法，然而带来高额的投资成本的同时，其地下扩建空间也极其有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统及控制方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统，包括可逆高温燃料电池以及通过输氢管道与可逆高温燃料电池连接的天然气输送管道，天然气输送管道连接的输氢管道点上游设有减压站，可逆高温燃料电池连接至电网；输氢管道与天然气输送管道通过氢气注入站连接，接入输氢管道的天然气输送管道为重构天然气氢气管道，重构天然气氢气管道接至用户以及可逆高温燃料电池。

进一步的，可逆高温燃料电池通过输氢管道连接至加氢站、氢气加压站或储氢罐。

进一步的，减压站设置在氢气注入站上游并紧邻氢气注入站建设，减压站为天然气输送管道与重构天然气氢气管道的分隔节点，减压站上游连接天然气输送管道。

进一步的，重构天然气氢气管道与下游各用户构成了含氢气注入的天然气配送网。

进一步的，含氢气注入的天然气配送网依托现有的基础设施与管道，重构天然气氢气管道中氢气以小于17％的比例注入混合，并且其中气压小于天然气输送管道中气体压强，对于重构天然气氢气配送管道中任意一处混合气体的具体约束如下：

其中为t时刻重构天然气-氢气管道中氢气含量；为t时刻重构天然气-氢气管道中单位时刻流过天然气含量；分别为重构天然气- 氢气管道和天然气输送管道中气压；k^m为安全裕度。

一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统的控制方法，在负荷高峰期可逆高温燃料电池实行热电联产供电、供暖，多余电能输送至电网；在负荷低谷期利用电网电能对燃料电池施加反向电压，使其转变为电解池，将高温水蒸气转变为氢气使用。

进一步的，可逆高温燃料电池所生产的氢气通过氢气注入站注入到天然气管道中，或通过输氢管道与加氢站直连，补充加氢站气体，或通过小型储氢罐储存，供负荷高峰时使用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统，把可逆高温燃料电池所产生的氢气以注入形式沿天然气管网对外输送，有效降低了储氢成本，也避免了大规模输氢管道的建设，减少了输氢成本与基建成本，促进了电与气两种能流的双向流动，使得电网-气网深度耦合，提高了能源利用效率；此外，燃料电池作为原动机同时也是储能装置，通过高效率的热电联产和电转氢气，消纳了新能源，实现节能减排；通过分时气价政策以及氢能的廉价产出和配送，充分挖掘用户的产氢潜力和积极性，促进了氢能的利用。通过可逆高温燃料电池的发电、产氢交替进行，流经气体也交替反向，避免了碳沉积的可能，可以直接采用混合燃料发电，无需另设昂贵的重整装置，通过“氢气注入”，可逆高温燃料电池也直接采用高效的电转氢气而不是低效率的电转天然气。

一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统的控制方法，通过在负荷高峰时，可逆高温燃料电池用于给当地用户提供电、热负荷，供应不足部分向电网购买补充，富余电能向电网售出，在负荷低谷时，当地电热负荷全部由电网供应，与此同时对可逆高温燃料电池施加反向电压，使其转换为高温电解池，使用购入的电能将高温水蒸气电解产生氢气对外输送，实行分时气电配送，形成氢能传输循环链，有效降低了储氢、输氢成本，通过电与气两种能流的双向流动，使得电网-气网得以深度耦合，促进了氢能利用和节能减排。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统，包括可逆高温燃料电池以及通过输氢管道与可逆高温燃料电池连接的天然气输送管道，天然气输送管道连接的输氢管道点上游设有减压站，可逆高温燃料电池连接至电网；输氢管道与天然气输送管道通过氢气注入站连接；氢气注入站用于将氢气加压注入天然气管道中；

可逆高温燃料电池产生的直流电经DC\AC转换器连接至电网，可逆高温燃料电池通过电解高温水蒸气在阴极管道产生氢气，对外输送。

接入输氢管道的天然气输送管道为重构天然气氢气管道，重构天然气氢气管道接至用户，用于运输天然气和氢气的混合气体，将其中混合燃气提供给其他用户负荷，也供给于燃料电池系统本身；重构天然气氢气管道与下游各用户构成了含氢气注入的天然气配送网；

可逆高温燃料电池通过输氢管道连接至加氢站、氢气加压站或储氢罐；

可逆高温燃料电池用于热电联产供能和产氢；

减压站设置在氢气注入站上游并紧邻氢气注入站建设，减压站为天然气输送管道与重构天然气氢气管道的分隔节点，减压站上游连接天然气输送管道，其作用为减少天然气输送管道中压强，防止氢气注入后的混合燃气向高压天然气输送管道回流，并提供氢气注入所必要的中、低压环境。

可逆高温燃料电池采用一套装置实现发电、产氢，并直接使用天然气和氢气的混合燃料发电，在负荷高峰期燃料电池实行热电联产供电、供暖，多余电能输送至电网；在负荷低谷期利用电网电能对燃料电池施加反向电压，使其转变为电解池，将高温水蒸气转变为氢气售出或者储存；可逆高温燃料电池所生产的氢气大部分将通过氢气注入站注入到天然气管道中，其余氢气通过短距离输氢管道与加氢站就近直连，补充加氢站气体，也可通过小型储氢罐储存，供负荷高峰时使用。

含氢气注入的天然气配送网依托现有的基础设施与管道，无需另行单独建设，在不改变现有技术的条件下，所述的重构天然气-氢气管道中允许氢气以小于17％的比例注入混合，并且其中气压应小于天然气输送管道中气体压强以严格防止回流，对于重构天然气-氢气配送管道中任意一处混合气体的具体约束如下：

其中为t时刻重构天然气-氢气管道中氢气含量；为t时刻重构天然气-氢气管道中单位时刻流过天然气含量；分别为重构天然气- 氢气管道和天然气输送管道中气压；k^m为安全裕度。

在负荷高峰时，可逆高温燃料电池用于给当地用户提供电、热负荷，供应不足部分向电网购买补充，富余电能向电网售出，在负荷低谷时，当地电热负荷全部由电网供应，与此同时对可逆高温燃料电池施加反向电压，使其转换为高温电解池，使用购入的电能将高温水蒸气电解产生氢气对外输送。

可逆高温燃料电池的输出气体为氢气，可分为三部分进行处理：第一部分，通过输氢管道输送至氢气注入站，由加氢站将氢气注入到天然气管道中；第二部分，通过输氢管道就近输送至加氢站，用于氢能汽车加气；第三部分，通过小型储氢罐储存。

可逆高温燃料电池输入燃气用于供应本地热电负荷，输入燃气分为两部分：第一部分，由储氢罐输入的纯净氢气；第二部分，由重构天然气-氢气管道输入的氢气和天然气混合燃质；

氢气注入站用于将氢气加压后注入到天然气管道中形成重构天然气-氢气管道，用于将混合燃气提供给各个下游用户和燃料电池系统本身，使其在负荷高峰时使用混合气体热电联产供能，由此形成氢能传输循环链。

Claims (7)

1.一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统，其特征在于，包括可逆高温燃料电池以及通过输氢管道与可逆高温燃料电池连接的天然气输送管道，天然气输送管道连接的输氢管道点上游设有减压站，可逆高温燃料电池连接至电网；输氢管道与天然气输送管道通过氢气注入站连接，接入输氢管道的天然气输送管道为重构天然气氢气管道，重构天然气氢气管道接至用户以及可逆高温燃料电池。

2.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统，其特征在于，可逆高温燃料电池通过输氢管道连接至加氢站、氢气加压站或储氢罐。

3.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统，其特征在于，减压站设置在氢气注入站上游并紧邻氢气注入站建设，减压站为天然气输送管道与重构天然气氢气管道的分隔节点，减压站上游连接天然气输送管道。

4.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统，其特征在于，重构天然气氢气管道与下游各用户构成了含氢气注入的天然气配送网。

5.根据权利要求4所述的一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统，其特征在于，含氢气注入的天然气配送网依托现有的基础设施与管道，重构天然气氢气管道中氢气以小于17％的比例注入混合，并且其中气压小于天然气输送管道中气体压强，对于重构天然气氢气配送管道中任意一处混合气体的具体约束如下：

其中为t时刻重构天然气-氢气管道中氢气含量；为t时刻重构天然气-氢气管道中单位时刻流过天然气含量；分别为重构天然气-氢气管道和天然气输送管道中气压；k^m为安全裕度。

6.一种基于权利要求1所述的一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统的控制方法，其特征在于，在负荷高峰期可逆高温燃料电池实行热电联产供电、供暖，多余电能输送至电网；在负荷低谷期利用电网电能对燃料电池施加反向电压，使其转变为电解池，将高温水蒸气转变为氢气使用。

7.根据权利要求6所述的一种基于燃料电池可逆循环的氢/电互联系统的控制方法，其特征在于，可逆高温燃料电池所生产的氢气通过氢气注入站注入到天然气管道中，或通过输氢管道与加氢站直连，补充加氢站气体，或通过小型储氢罐储存，供负荷高峰时使用。