CN110867604A - 一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统 - Google Patents

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Abstract

一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统，属于燃料电池发电站技术领域。包括分布式电堆模块、模块化燃料供应系统、模块化氧化剂供应系统、模块化冷却系统、电力输送与逆变系统、电站主控系统；分布式电堆模块为电站核心发电装置，模块化燃料供应系统作为分布式电堆模块的燃料供给系统，模块化氧化剂供应系统作为分布式电堆模块的氧化剂供给系统，模块化冷却系统对分布式电堆模块进行冷却和热交换，电力输送与逆变系统将分布式电堆模块的电力进行转换输送及调配，电站主控系统对各系统和模块进行控制管理。上述一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统，为用户提供电力同时，在用电高峰，无人值守。可以与电网调度系统接驳，平衡电网负荷。

Description

一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统
技术领域
本发明属于燃料电池发电站技术领域，具体为一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池发电是一种新型的清洁能源，转换效率高，基于全球日益能源紧缺的情况下，其产物是水的燃料电池越来越受到国际能源行业的重视，随着科研技术的发展，燃料电池发电站占地小，设置方便灵活，启动快，运行稳定，并且大电流的直流变电站技术成熟。基于此分布式燃料电池发电站工艺系统不仅能解决国际普遍面临电力远距离输送问题而且是非常环保的发电技术。
在电网调峰调频和重要备电应用中质子交换膜燃料电池发电站一般可以在3-5分钟完成电站启动，并达到满负荷电力输出，可以根据用电负荷调整燃料电站输出功率。其启停快速、运行稳定、噪音低、占地面积小、易于实施、电力调节灵活的优点，不仅能为用户和国家节约电力资源的浪费，同时便于管理，节能增效。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于设计提供一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统的技术方案，该发电站工艺系统为用户提供电力同时，在用电高峰，无人值守。可以与电网调度系统接驳，平衡电网负荷。
所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于包括分布式电堆模块、模块化燃料供应系统、模块化氧化剂供应系统、模块化冷却系统、电力输送与逆变系统、电站主控系统；分布式电堆模块为电站核心发电装置，模块化燃料供应系统作为分布式电堆模块的燃料供给系统，模块化氧化剂供应系统作为分布式电堆模块的氧化剂供给系统，模块化冷却系统对分布式电堆模块进行冷却和热交换，电力输送与逆变系统将分布式电堆模块的电力进行转换输送及调配，电站主控系统对各系统和模块进行控制管理。
所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的分布式电堆模块由第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块连接构成，各电堆模块由N个单电堆连接构成；所述的模块化燃料供应系统包括低压燃料缓冲储罐，低压燃料缓冲储罐连接燃料供应母管，燃料供应母管分别通过第一分支燃料供应支管及第一分支燃料排放支管、第二分支燃料供应支管及第二分支燃料排放支管……第N分支燃料供应支管及第N分支燃料排放支管与分布式电堆模块的第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块的主燃料进口、主燃料排口相连。
所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的模块化氧化剂供应系统包括空气缓冲热交换器，空气缓冲热交换器与空压机连接，空气缓冲热交换器的排气口与空气进气母管连接，空气进气母管分别通过第一空气进气支管、第二空气进气支管……第N空气进气支管与分布式电堆模块的第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块的主进气口连接，分布式电堆模块的第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块的主排气口分别通过第一排气支管、第二排气支管……第N排气支管与废气母管连接，废气母管与第三汽水分离器的进气口连接，第三汽水分离器的第一排气口与集水箱连接。
所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的电力输送与逆变系统包括DC/DC转换装置，DC/DC转换装置连接逆变系统，逆变系统连接第一变压器，第一变压器将交流电并入市电主线路；第一变压器与第二变压器配合连接，第二变压器与电站主控系统连接。
所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的单电堆由依次设置的压板、上端板、上绝缘板、上集流板、阳极盲板、N个单电池连接构成的单电池组、阴极盲板、下集流板、下绝缘板、下端板伺服加压密封压装，上集流板上设置上碳纸，下集流板上设置下碳纸，阳极盲板一侧设置阳极流场，阴极盲板一侧设置阴极流场。
所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的模块化燃料供应系统还包括氮气储罐、燃料收集储罐，氮气储罐连接氮气供应母管，燃料收集储罐连接燃料收集母管；氮气供应母管、燃料收集母管相连后分别与第一水汽分离器的第二排气口、第二水汽分离器的第二排气口……第N水汽分离器连接；第一水汽分离器的第一排气口与第一燃料循环泵连接，第一燃料循环泵与第一分支燃料供应支管连接，第一水汽分离器的进气口与第一分支燃料排放支管连接；第二水汽分离器的第一排气口与第二燃料循环泵连接，第二燃料循环泵与第二分支燃料供应支管连接，第二水汽分离器的进气口与第二分支燃料排放支管连接；燃料供应母管上配合设置第一压力表、第一截止阀、第一调节阀、第一安全阀；燃料供应母管分别通过第一喷射阀、第二喷射阀……第N喷射阀与第一分支燃料供应支管及第一分支燃料排放支管、第二分支燃料供应支管及第二分支燃料排放支管……第N分支燃料供应支管及第N分支燃料排放支管相连；氮气供应母管上配合设置第二压力表、第二截止阀、第二调节阀；燃料收集母管上配合设置第三压力表、第三截止阀、第三调节阀；第一水汽分离器的第二排气口连接第三电控阀、第四电控阀；第二水汽分离器的第二排气口连接第七电控阀、第八电控阀；第一燃料循环泵与第一分支燃料供应支管上的第四调节阀、第一流量计相连，第四调节阀另一端连接第一喷射阀，第一流量计另一端连接第一电控阀，第一电控阀连接分布式电堆模块的第一电堆模块；第二燃料循环泵与第二分支燃料供应支管上的第五调节阀、第二流量计相连，第五调节阀另一端连接第二喷射阀，第二流量计另一端连接第五电控阀，第五电控阀连接分布式电堆模块的第二电堆模块。
所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的模块化氧化剂供应系统还包括空气增湿器、空气过滤器；空气增湿器一端与空气缓冲热交换器、第三汽水分离器的进气口管路连接，空气增湿器另一端与空气进气母管、废气母管相连；空压机连与空气过滤器管路连接，其连接管路上设置第三流量计、第六调节阀；第一空气进气支管上配合设置第四流量计、第七调节阀，第二空气进气支管上配合设置第五流量计、第八调节阀；第一排气支管上配合设置第九电控阀，第二排气支管上配合设置第十电控阀；第三汽水分离器的第一排气口与集水箱之间的连接管路上设置第十一电控阀，第三汽水分离器的第二排气口连接设置第十二电控阀。
所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的模块化冷却系统包括冷却液水箱及与其配合连接的循环水冷却装置、纯水处理装置， 冷却液水箱的输水母管分别通过第一冷却水进水支管、第二冷却水进水支管……第N冷却水进水支管与分布式电堆模块的第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块的主进水口连接，冷却液水箱的回水母管分别通过第一排水支管、第二排水支管……第N排水支管与分布式电堆模块的第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块的主排水口连接；纯水处理装置通过补水管与模块化氧化剂供应系统的集水箱配合连接。
所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于输水母管上配合设置第十五电控阀、循环水泵、第十二调节阀, 第一冷却水进水支管上配合设置第十调节阀，第二冷却水进水支管上配合设置第十一调节阀；第一排水支管上配合设置第十三电控阀，第二排水支管上配合设置第十四电控阀；冷却液水箱通过热交换器回水管与模块化氧化剂供应系统的空气缓冲热交换器回水口相连，空气缓冲热交换器进水口连接第十三调节阀, 第十三调节阀分别与循环水泵、第十二调节阀管路连接；冷却液水箱与循环水冷却装置的连接管路上设置外循环水泵，冷却液水箱通过第十六电控阀、第十七电控阀与纯水处理装置管路连接，纯水处理装置的补水管上配合设置第十八电控阀、输送泵、截止阀、止回阀。
所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的单电池由双极板及其两侧对称设置的膜电极构成；所述的膜电极包括质子交换膜，质子交换膜两侧对称设置催化剂层，催化剂层两侧对称设置气体扩散层，两侧的气体扩散层分别与两侧的双极板密封组合构成单电池；所述的单电堆上设置电压巡检板、燃料流道进口、冷却液进口、氧化剂流道进口、燃料流道出口、冷却液出口、氧化剂流道出口，电压巡检板与电站主控系统控制连接。
本发明可以根据用电负荷对电站中的一组、或者N组进行电力输出，当某个电堆模块因异常、维护、停机时，通过截断阀关闭电堆管路进出口，并不影响其它电堆正常发电，而且避免电堆发电效率降低情况发生，延长电站运行寿命。
本发明为保证大功率、持续稳定的电流输出，电站系统中分布了N个电堆模块，冷却液确保电堆内部稳定的工作温度，冷却液回水可通过外部冷却循环水进行热交换，外部冷却循环水可用于供暖或者生活用水，或者通过冷却塔、风冷形式进行散热。
本发明燃料电池发电站工艺系统中空气管路通过水汽分离器对电站所产生纯水进行收集存储，便于外循环水的补水，通过后续水处理设备保证冷却液的供应充足，在偏远山区或水资源缺乏区域显得尤为重要，冬季低温地区，可以利用电站本身发电所产生的热能，对燃料或者冷却液进行恒温控制，不仅节约了水资源，而且降低了风机水泵的自身能耗。
本发明充分考虑了安全隐患，电堆模块保证通风良好，前端供气、供水处理系统布置在一个箱体内，电堆模块集中布置在另一个箱体，逆变系统就近与前两个系统隔离开来，电堆箱体上方设置有燃料检测装置，各箱体具有规范的安全距离、安全接地和防雷措施，箱体内设有温度、湿度、急停、实时检测等装置确保电站稳定运行。
上述一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统，具有丰富的模块化燃料供应、氧化剂供应、供水系统确保了电站电力输出的持续稳定运行，当某个模块电堆因异常需要维护时，并不影响整体的电力输出，维修结束后再投入运行，总电力输出阀值大小可以通过启动停止电堆模组个数或者调整发电效率百分比来总体管控。电站副产水可以补充电站系统的缺水问题，副产的气可以通过热交换器来收集热能用于电站需要恒温的系统。同时可以用于生活用水和冬季取暖，本电站工艺系统因采用集装式布局，占地面积小、易于实施、噪音小，软件系统安全、便于管理，可以无人值守。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2位本发明模块化燃料供应系统的结构示意图；
图3为本发明模块化氧化剂供应系统及模块化冷却系统的结构示意图；
图4为本发明电力输送与逆变系统的结构示意图；
图5为本发明分布式电堆模块中单电堆的分体式结构示意图；
图6为本发明分布式电堆模块中单电堆组合状态示意图；
图7为本发明分布式电堆模块中膜电极的结构示意图；
图8为本发明电站主控系统的结构示意图；
图中：1-分布式电堆模块；7-单电堆、701-压板、702-上端板、703-上绝缘板、704-上集流板、705-上碳纸、706-阳极盲板、707-阳极流场、708-阴极盲板、709-下集流板、710-下集流板、711-下碳纸、712-下绝缘板、713-下端板、714-电压巡检板、715-燃料流道进口、716-冷却液进口、717-氧化剂流道进口、718-燃料流道出口、719-冷却液出口、720-氧化剂流道出口；8-单电池、801-双极板、802-膜电极、802a-质子交换膜、802b-催化剂层、802c-气体扩散层；
2-模块化燃料供应系统；V230-低压燃料缓冲储罐、V231-氮气储罐、V232-燃料收集储罐、V233-第一水汽分离器、V234-第二水汽分离器；PL270-燃料供应母管、PL271-氮气供应母管、PL272-燃料收集母管、PL273-第一分支燃料供应支管、PL274-第一分支燃料排放支管、PL275-第二分支燃料供应支管、PL276-第二分支燃料排放支管；M290-第一燃料循环泵、M291-第二燃料循环泵；P210-第一压力表、P211-第二压力表、P212-第三压力表；T240-第一调节阀、T241-第二调节阀、T242-第三调节阀、T243-第四调节阀、T244-第五调节阀；J201-第一截止阀、J202-第二截止阀、J203-第三截止阀；A260-第一安全阀、S280-第一喷射阀、S281-第二喷射阀；L250-第一流量计、L251-第二流量计；Q220-第一电控阀、Q222-第三电控阀、Q223-第四电控阀、Q224-第五电控阀、Q226-第七电控阀、Q227-第八电控阀；
3-模块化氧化剂供应系统；PL301-第一空气进气支管、PL302-第一排气支管、PL303-第二空气进气支管、PL304-第二排气支管、PL305-空气进气母管、PL306-废气母管；V350-空气过滤器、V351-第三汽水分离器、V352-空气缓冲热交换器、V353-空气增湿器、V354-集水箱；L330-第三流量计、L331-第四流量计、L332-第五流量计；M360-空压机；T340-第六调节阀、T341-第七调节阀、T342-第八调节阀；Q320-第九电控阀、Q321-第十电控阀、Q322-第十一电控阀、Q323-第十二电控阀。
4-模块化冷却系统；V480-循环水冷却装置、V481-冷却液水箱、V482-纯水处理装置；PL401-第一冷却水进水支管、PL402-第一排水支管、PL403-第二冷却水进水支管、PL404-第二排水支管、PL405-回水母管、PL406-热交换器回水管、PL407-补水管；M471-循环水泵、J401-截止阀、Z490-止回阀；Q460-第十三电控阀、Q461-第十四电控阀、Q462-第十五电控阀、Q463-第十六电控阀、Q464-第十七电控阀、Q465-第十八电控阀；T450-第十调节阀、T451-第十一调节阀、T452-第十二调节阀、T453-第十三调节阀；M470-外循环水泵、M471-循环水泵、M472-输送泵；
5-电力输送与逆变系统；5-电力输送与逆变系统5、U510-DC/DC转换装置、T520-逆变系统、T521-第二变压器、T522-第一变压器、U530-备用电源总开关；
6-电站主控系统；601a-通讯监控模块、601b-信号采集模块、601c-过程控制模块、601d-数据存储模块、601f-安全预警模块；602-模块化燃料供应电控系统、603-模块化氧化剂供应电控系统、604-电堆启停及维护系统、605-电力逆变及输送系统、606-电站远程监控及调度系统、607-电站热管理系统、608-模块冷却电控系统、609-模块化电堆模组电控系统。
具体实施方式
以下结合说明书附图及具体实施例对本发明作进一步说明，使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚。
如图所示，该大型质子交换膜燃料电池发电站系统,包括分布式电堆模块1、模块化燃料供应系统2、模块化氧化剂供应系统3、模块化冷却系统4、电力输送与逆变系统5、电站主控系统6；分布式电堆模块1为电站核心发电装置，模块化燃料供应系统2作为分布式电堆模块1的燃料供给系统，模块化氧化剂供应系统3作为分布式电堆模块1的氧化剂供给系统，模块化冷却系统4对分布式电堆模块1进行冷却和热交换，电力输送与逆变系统5将分布式电堆模块1的电力进行转换输送及调配，电站主控系统6对各系统和模块进行控制管理。
进一步，所述的分布式电堆模块1由第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块连接构成，各电堆模块由N个单电堆7连接构成；图2中在此只对两个电堆模块做示意说明，如图2上方FC101A、FC102A…FCnA所示意的电堆模块由N个单电堆7组成，如图2下方FC101B、FC102B…FCnB所示意的电堆模块由N个单电堆7组成，所述电堆模块，在电站中通过模块化工艺管道输送燃料不仅可独立运行，也可以任意组合方式运行，电站异常停机或检修也不影响其它模块的正常运行。所述的单电堆7由依次设置的压板701、上端板702、上绝缘板703、上集流板704、阳极盲板706、N个单电池8连接构成的单电池组、阴极盲板708、下集流板709、下绝缘板712、下端板713伺服加压密封压装，上集流板704上设置上碳纸705，下集流板710上设置下碳纸711，阳极盲板706一侧设置阳极流场707，阴极盲板708一侧设置阴极流场709。进一步，所述的单电池8由双极板801及其两侧对称设置的膜电极802构成；所述的膜电极802包括质子交换膜802a，质子交换膜802a两侧对称设置催化剂层802b，催化剂层802b两侧对称设置气体扩散层802c，两侧的气体扩散层802c分别与两侧的双极板801密封组合构成单电池；所述的单电堆7上设置电压巡检板714、燃料流道进口715、冷却液进口716、氧化剂流道进口717、燃料流道出口718、冷却液出口719、氧化剂流道出口720，电压巡检板714与电站主控系统6控制连接。
所述的模块化燃料供应系统2包括低压燃料缓冲储罐V230，低压燃料缓冲储罐V230连接燃料供应母管PL270，燃料供应母管PL270分别通过第一分支燃料供应支管PL273及第一分支燃料排放支管PL274、第二分支燃料供应支管PL275及第二分支燃料排放支管PL276……第N分支燃料供应支管及第N分支燃料排放支管与分布式电堆模块1的第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块的主燃料进口、主燃料排口相连。更进一步，所述的模块化燃料供应系统2还包括氮气储罐V231、燃料收集储罐V232，氮气储罐V231连接氮气供应母管PL271，燃料收集储罐V232连接燃料收集母管PL272；氮气供应母管PL271、燃料收集母管PL272相连后分别与第一水汽分离器V233的第二排气口、第二水汽分离器V234的第二排气口……第N水汽分离器连接；第一水汽分离器V233的第一排气口与第一燃料循环泵M290连接，第一燃料循环泵M290与第一分支燃料供应支管PL273连接，第一水汽分离器V233的进气口与第一分支燃料排放支管PL274连接；第二水汽分离器V234的第一排气口与第二燃料循环泵M291连接，第二燃料循环泵M291与第二分支燃料供应支管PL275连接，第二水汽分离器V234的进气口与第二分支燃料排放支管PL276连接；燃料供应母管PL270上配合设置第一压力表P210、第一截止阀J201、第一调节阀T240、第一安全阀A260；燃料供应母管PL270分别通过第一喷射阀S280、第二喷射阀S281……第N喷射阀与第一分支燃料供应支管PL273及第一分支燃料排放支管PL274、第二分支燃料供应支管PL275及第二分支燃料排放支管PL276……第N分支燃料供应支管及第N分支燃料排放支管相连；氮气供应母管PL271上配合设置第二压力表P211、第二截止阀J202、第二调节阀T241；燃料收集母管PL272上配合设置第三压力表P212、第三截止阀J203、第三调节阀T242；第一水汽分离器V233的第二排气口连接第三电控阀Q222、第四电控阀Q223；第二水汽分离器V234的第二排气口连接第七电控阀Q226、第八电控阀Q227；第一燃料循环泵M290与第一分支燃料供应支管PL273上的第四调节阀T243、第一流量计L250相连，第四调节阀T243另一端连接第一喷射阀S280，第一流量计L250另一端连接第一电控阀Q220，第一电控阀Q220连接分布式电堆模块1的第一电堆模块；第二燃料循环泵M291与第二分支燃料供应支管PL275上的第五调节阀T244、第二流量计L251相连，第五调节阀T244另一端连接第二喷射阀S281，第二流量计L251另一端连接第五电控阀Q224，第五电控阀Q224连接分布式电堆模块1的第二电堆模块。在该系统中，第一压力表P210用于监测燃料管路压力，第一调节阀T240用于调节燃料流量大小，第一安全阀A260用于燃料因异常时的安全泄压，第一喷射阀S280、第二喷射阀S281用于调节分支管路的压力，该机构还具有通断截止功能。第四调节阀T243、第一流量计L250、第五调节阀T244、第二流量计L251，用于实时检测电堆模组燃料流量，并实时反馈给电站主控系统6，第三电控阀Q222、第五电控阀Q224用于电力输出时的异常切断燃料供应。当系统监测到某一个电堆模块燃料排气浓度过高时，将通过PWM脉宽调制对循环燃料泵的进行控制，从而提高燃料的利用率。第一水汽分离器V233、第二水汽分离器V234的第二排气出口分别与第四电控阀Q223、第八电控阀Q227相连，第四电控阀Q223、第八电控阀Q227主要排除浓差较小的燃料。第三压力表P213监控储罐及管道压力，第三截止阀J203用于排气或排污。当电堆系统停止发电或者异常停机，由系统预先设定程序，进行气体回收和吹扫，确保电堆模块处于良好可控的安全环境，便于后期方便维护。第二压力表P211监控氮气压力，第二截止阀J202用于排污或者氮气源补给。当系统停机燃料回收结束，根据电堆内部设定的压力值，此时关闭燃料进气阀，打开氮气第二调节阀T241、第三电控阀Q222或第七电控阀Q226，开启燃料循环泵，使其电堆进气口和出气口管路畅通，当压力到达关闭氮气电控阀T241,电堆模组在气体保护系统实时监测下，确保停机时处于良好的环境中，有助于电站的正常快速启动。
进一步，所述的模块化氧化剂供应系统3包括空气缓冲热交换器V352，空气缓冲热交换器V352与空压机M360连接，空气缓冲热交换器V352的排气口与空气进气母管PL305连接，空气进气母管PL305分别通过第一空气进气支管PL301、第二空气进气支管PL303……第N空气进气支管与分布式电堆模块1的第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块的主进气口连接，分布式电堆模块1的第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块的主排气口分别通过第一排气支管PL302、第二排气支管PL304……第N排气支管与废气母管PL306连接，废气母管PL306与第三汽水分离器V351的进气口连接，第三汽水分离器V351的第一排气口与集水箱V354连接。在该系统中，模块化燃料供应系统2启动运行同时，模块化氧化剂供应系统3中的空压机M360运行，空压机M360进口与第三流量计L330连接，监测进气量，第六调节阀T340与第三流量计L330相连，调节气量大小，空气过滤器V350与第六调节阀T340相连，对粉尘过滤。空气缓冲热交换器V352与空压机M360相连，通过温度、压力信号实时调节空气温度。根据电堆单电池电压、电流、内阻系统实时计算对空气湿度进行调节，空气增湿器V353排气出口与空气进气母管PL305相连，空气进气母管PL305分别与第七调节阀T341、第八调节阀T342相连，紧接着结合第四流量计L331、第五流量计L332调节各电堆模组氧化剂进气量。第十电控阀Q321、第九电控阀Q320控制电堆模块废汽水排放，并通过废气母管PL306进行汇集，进入空气增湿器V353装置入口，空气增湿器V353通过系统调节为燃料加湿，电堆模块所产生的水从旁路流出，由废气管中流出，进入第三汽水分离器V351入口，气和水进行分离，轻的空气由第三汽水分离器顶部排出，并由第十二电控阀Q323进行排放，从而进行热交换，维持电堆模块系统设定温度。第三汽水分离器V351收集的水，集水箱V354设有液位检测，通过第十二电控阀Q323控制是否流入集水箱V354中，以此获取能量，平衡电站其它工艺管线所需热能，节约电站自身能耗。
进一步，所述的电力输送与逆变系统5包括DC/DC转换装置U510，DC/DC转换装置U510连接逆变系统T520，逆变系统T520连接第一变压器T522，第一变压器T522将交流电并入市电主线路；第一变压器T522与第二变压器T521配合连接，第二变压器T521与电站主控系统6连接。电站主控系统6与备用电源总开关U530配合连接，电站系统电容预警底限，备用电源总开关U530自动合闸为电容充电，当系统运行稳定电源总开关U530断开。当电堆工艺模块投入运行时，直流电流出，电流、电压信号反馈给电力逆变输送控制系统，合闸开关闭合，电流进入DC/DC转换装置U510，通过可控开关（MOSFET等）进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容（感）里，当开关断开时，电能再释放能量，然后再经由逆变系统T520控制单元调频，通过逆变桥、控制逻辑和滤波电路将DC直流电逆变成高频高压交流电，然后再经变压器T522升、降电压稳定的并入市电主线路。当电压不稳定时，系统将会发出通告，自动断开。变压器T521用于电站交流用负载的供电，变压器T521与电站主控系统6相连。优先满足电站用电负荷。
进一步，所述的模块化氧化剂供应系统3还包括空气增湿器V353、空气过滤器V350；空气增湿器V353一端与空气缓冲热交换器V352、第三汽水分离器V351的进气口管路连接，空气增湿器V353另一端与空气进气母管PL305、废气母管PL306相连；空压机M360连与空气过滤器V350管路连接，其连接管路上设置第三流量计L330、第六调节阀T340；第一空气进气支管PL301上配合设置第四流量计L331、第七调节阀T341，第二空气进气支管PL303上配合设置第五流量计L332、第八调节阀T342；第一排气支管PL302上配合设置第九电控阀Q320，第二排气支管PL304上配合设置第十电控阀Q321；第三汽水分离器V351的第一排气口与集水箱V354之间的连接管路上设置第十一电控阀Q322，第三汽水分离器V351的第二排气口连接设置第十二电控阀Q323。
进一步，所述的模块化冷却系统4包括冷却液水箱V481及与其配合连接的循环水冷却装置V480、纯水处理装置V482， 冷却液水箱V481的输水母管PL406分别通过第一冷却水进水支管PL401、第二冷却水进水支管PL403……第N冷却水进水支管与分布式电堆模块1的第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块的主进水口连接，冷却液水箱V481的回水母管PL405分别通过第一排水支管PL402、第二排水支管PL404……第N排水支管与分布式电堆模块1的第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块的主排水口连接；纯水处理装置V482通过补水管PL407与模块化氧化剂供应系统3的集水箱V354配合连接。更进一步，输水母管PL406上配合设置第十五电控阀Q462、循环水泵M471、第十二调节阀T452, 第一冷却水进水支管PL401上配合设置第十调节阀T450，第二冷却水进水支管PL403上配合设置第十一调节阀T451；第一排水支管PL402上配合设置第十三电控阀Q460，第二排水支管PL404上配合设置第十四电控阀Q461；冷却液水箱V481通过热交换器回水管PL406与模块化氧化剂供应系统3的空气缓冲热交换器V352回水口相连，空气缓冲热交换器V352进水口连接第十三调节阀T453, 第十三调节阀T453分别与循环水泵M471、第十二调节阀T452管路连接；冷却液水箱V481与循环水冷却装置V480的连接管路上设置外循环水泵M470，冷却液水箱V481通过第十六电控阀Q463、第十七电控阀Q464与纯水处理装置V482管路连接，纯水处理装置V482的补水管PL407上配合设置第十八电控阀Q465、输送泵M472、截止阀J401、止回阀Z490。模块化冷却系统4在整个电站中起着关键作用，稳定电堆内部工作时的热平衡，首先冷却液水箱V481中的水，随着电堆运行，第十五电控阀Q462开启，循环水泵M471通过电堆进出口温度、压力反馈，实时调节水压，第十五电控阀T452控制电堆冷却液母管PL425水的通断，由第十调节阀T450、第十一调节阀T451分别控制各电堆模块冷却液进口水流量大小及通断。进一步，通过第十三电控阀Q460、第十四电控阀Q461控制电堆出水的通断，回水母管PL405导流到冷却液水箱V481中，循环水泵M471出口通过循环水泵T453，把水送至空气缓冲热交换器V352，然后再通过热交换器回水管PL406导流到冷却液水箱V481。进一步，冷却液水箱V481设有热交换功能，电堆内部回水温度一般要稳定在60-80°，可以使电堆处于一种最佳运转环境，因此冷却液水箱V481中的水温，须有外部循环水冷却装置V480通过外循环水泵M470使外循环水流动，冷却液热量带走。冷却液和外循环水，需要集水箱V354进行补给，补水管PL407经由第十八电控阀Q465把水引流到输送泵M472入口，截止阀J401处于常开状态，当系统检测到需要补水，开启第十七电控阀Q464，开启输送泵M472，在外循环水运行时，水位到达，系统自动停止。当需补充冷却液时，系统开启纯水处理装置V482，确保水质达到要求时，开启第十六电控阀Q463，水位到达，停止供水，纯水处理设备也将处于待机状态，止回阀Z490保护管路系统。
本发明的电站主控系统6包括主控系统601和子系统，主控系统601属于电站运行核心控制系统，包括通讯监控模块601a、信号采集模块601b、过程控制模块601c、数据存储模块601d、安全预警模块601f。所述的子系统包括：模块化燃料供应电控系统602、模块化氧化剂供应电控系统603、电堆启停及维护系统604、电力逆变及输送系统605、电站远程监控及调度系统606、电站热管理系统607、模块冷却电控系统608、模块化电堆模组电控系统609。模块化电堆模组电控系统609，主要负责监控和收集电堆电压值，通过系统软件计算实际分电流、总电流、内阻等实时信息。模块化燃料供应电控系统602主要负责各模块燃料回路传感器和执行机构的动作。电堆启停及维护系统604主要为电堆的正常停机、异常停机等软件后台自动运行的一套子控系统。模块化氧化剂供应电控系统603负责各电堆模组氧化剂供应压力、流量和执行器件的控制，并与模块化燃料供应电控系统连锁控制。模块冷却电控系统608负责整个电站各电堆模块的内部温度，实时保证电堆处于80°以下的工作环境温度。电站热管理系统607主要对电站系统副产的水和气进行收集利用。电力逆变及输送系统605在电站运行中，确保电力输出的安、全高效，特别是在雨雪等特殊气候下的稳定运行。电站远程监控及调度系统606，主要负责在峰谷电时，系统智能配合国家电网进行电力传输的一种软件系统，通过远程监控可以实时了解电站发电及异常情况，便于整个电网电力资源的调配。主控系统601，具有操机实时监控各异常情况，实时存储数据，对各子系统的控制后台软件具有优先控制权，一旦出现异常情况，系统会发出不同等级警告，具有GPS定位、远程故障诊断和权限管理及接口。实现在线监控各电堆模组实时发电系统运营状态。
本发明所述的质子交换膜燃料电池发电站工艺系统，充分考虑了安全隐患，电堆模组保证通风良好，前端供气、供水处理系统布置在一个箱体内，电堆模组布置集中布局在另一个箱体，逆变系统就近与前两个系统隔离开来，电堆箱体上方设置有燃料检测装置，各箱体具有规范的安全距离、安全接地和防雷措施，箱体内设有温度、湿度、急停、实时检测等装置确保电站稳定运行。
采用本发明的质子交换膜燃料电池发电站工艺系统，具有丰富的模块化燃料供应、氧化剂供应、供水系统确保了电站电力输出的持续稳定运行，当某个模块电堆因异常需要维护时，并不影响整体的电力输出，维修结束后再投入运行，总电力输出阀值大小可以通过启动停止电堆模组个数或者调整发电效率百分比来总体管控。电站副产水可以补充电站系统的缺水问题，副产的气可以通过热交换器来收集热能用于电站需要恒温的系统。同时可以用于生活用水和冬季取暖，本电站工艺系统因采用集装式布局，占地面积小、易于实施、噪音小，软件系统安全、便于管理，可以无人值守。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于包括分布式电堆模块（1）、模块化燃料供应系统（2）、模块化氧化剂供应系统（3）、模块化冷却系统（4）、电力输送与逆变系统（5）、电站主控系统（6）；分布式电堆模块（1）为电站核心发电装置，模块化燃料供应系统（2）作为分布式电堆模块（1）的燃料供给系统，模块化氧化剂供应系统（3）作为分布式电堆模块（1）的氧化剂供给系统，模块化冷却系统（4）对分布式电堆模块（1）进行冷却和热交换，电力输送与逆变系统（5）将分布式电堆模块（1）的电力进行转换输送及调配，电站主控系统（6）对各系统和模块进行控制管理。
2.如权利要求1所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的分布式电堆模块（1）由第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块连接构成，各电堆模块由N个单电堆（7）连接构成；所述的模块化燃料供应系统（2）包括低压燃料缓冲储罐（V230），低压燃料缓冲储罐（V230）连接燃料供应母管（PL270），燃料供应母管（PL270）分别通过第一分支燃料供应支管（PL273）及第一分支燃料排放支管（PL274）、第二分支燃料供应支管（PL275）及第二分支燃料排放支管（PL276）……第N分支燃料供应支管及第N分支燃料排放支管与分布式电堆模块（1）的第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块的主燃料进口、主燃料排口相连。
3.如权利要求1所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的模块化氧化剂供应系统（3）包括空气缓冲热交换器（V352），空气缓冲热交换器（V352）与空压机（M360）连接，空气缓冲热交换器（V352）的排气口与空气进气母管（PL305）连接，空气进气母管（PL305）分别通过第一空气进气支管（PL301）、第二空气进气支管（PL303）……第N空气进气支管与分布式电堆模块（1）的第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块的主进气口连接，分布式电堆模块（1）的第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块的主排气口分别通过第一排气支管（PL302）、第二排气支管（PL304）……第N排气支管与废气母管（PL306）连接，废气母管（PL306）与第三汽水分离器（V351）的进气口连接，第三汽水分离器（V351）的第一排气口与集水箱（V354）连接。
4.如权利要求1所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的电力输送与逆变系统（5）包括DC/DC转换装置（U510），DC/DC转换装置（U510）连接逆变系统（T520），逆变系统（T520）连接第一变压器（T522），第一变压器（T522）将交流电并入市电主线路；第一变压器（T522）与第二变压器（T521）配合连接，第二变压器（T521）与电站主控系统（6）连接。
5.如权利要求1所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的单电堆（7）由依次设置的压板（701）、上端板（702）、上绝缘板（703）、上集流板（704）、阳极盲板（706）、N个单电池（8）连接构成的单电池组、阴极盲板（708）、下集流板（709）、下绝缘板（712）、下端板（713）伺服加压密封压装，上集流板（704）上设置上碳纸（705），下集流板（710）上设置下碳纸（711），阳极盲板（706）一侧设置阳极流场（707），阴极盲板（708）一侧设置阴极流场（709）。
6.如权利要求2所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的模块化燃料供应系统（2）还包括氮气储罐（V231）、燃料收集储罐（V232），氮气储罐（V231）连接氮气供应母管（PL271），燃料收集储罐（V232）连接燃料收集母管（PL272）；氮气供应母管（PL271）、燃料收集母管（PL272）相连后分别与第一水汽分离器（V233）的第二排气口、第二水汽分离器（V234）的第二排气口……第N水汽分离器连接；第一水汽分离器（V233）的第一排气口与第一燃料循环泵（M290）连接，第一燃料循环泵（M290）与第一分支燃料供应支管（PL273）连接，第一水汽分离器（V233）的进气口与第一分支燃料排放支管（PL274）连接；第二水汽分离器（V234）的第一排气口与第二燃料循环泵（M291）连接，第二燃料循环泵（M291）与第二分支燃料供应支管（PL275）连接，第二水汽分离器（V234）的进气口与第二分支燃料排放支管（PL276）连接；燃料供应母管（PL270）上配合设置第一压力表（P210）、第一截止阀（J201）、第一调节阀（T240）、第一安全阀（A260）；燃料供应母管（PL270）分别通过第一喷射阀（S280）、第二喷射阀（S281）……第N喷射阀与第一分支燃料供应支管（PL273）及第一分支燃料排放支管（PL274）、第二分支燃料供应支管（PL275）及第二分支燃料排放支管（PL276）……第N分支燃料供应支管及第N分支燃料排放支管相连；氮气供应母管（PL271）上配合设置第二压力表（P211）、第二截止阀（J202）、第二调节阀（T241）；燃料收集母管（PL272）上配合设置第三压力表（P212）、第三截止阀（J203）、第三调节阀（T242）；第一水汽分离器（V233）的第二排气口连接第三电控阀（Q222）、第四电控阀（Q223）；第二水汽分离器（V234）的第二排气口连接第七电控阀（Q226）、第八电控阀（Q227）；第一燃料循环泵（M290）与第一分支燃料供应支管（PL273）上的第四调节阀（T243）、第一流量计（L250）相连，第四调节阀（T243）另一端连接第一喷射阀（S280），第一流量计（L250）另一端连接第一电控阀（Q220），第一电控阀（Q220）连接分布式电堆模块（1）的第一电堆模块；第二燃料循环泵（M291）与第二分支燃料供应支管（PL275）上的第五调节阀（T244）、第二流量计（L251）相连，第五调节阀（T244）另一端连接第二喷射阀（S281），第二流量计（L251）另一端连接第五电控阀（Q224），第五电控阀（Q224）连接分布式电堆模块（1）的第二电堆模块。
7.如权利要求3所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的模块化氧化剂供应系统（3）还包括空气增湿器（V353）、空气过滤器（V350）；空气增湿器（V353）一端与空气缓冲热交换器（V352）、第三汽水分离器（V351）的进气口管路连接，空气增湿器（V353）另一端与空气进气母管（PL305）、废气母管（PL306）相连；空压机（M360）连与空气过滤器（V350）管路连接，其连接管路上设置第三流量计（L330）、第六调节阀（T340）；第一空气进气支管（PL301）上配合设置第四流量计（L331）、第七调节阀（T341），第二空气进气支管（PL303）上配合设置第五流量计（L332）、第八调节阀（T342）；第一排气支管（PL302）上配合设置第九电控阀（Q320），第二排气支管（PL304）上配合设置第十电控阀（Q321）；第三汽水分离器（V351）的第一排气口与集水箱（V354）之间的连接管路上设置第十一电控阀（Q322），第三汽水分离器（V351）的第二排气口连接设置第十二电控阀（Q323）。
8.如权利要求5所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的单电池（8）由双极板（801）及其两侧对称设置的膜电极（802）构成；所述的膜电极（802）包括质子交换膜（802a），质子交换膜（802a）两侧对称设置催化剂层（802b），催化剂层（802b）两侧对称设置气体扩散层（802c），两侧的气体扩散层（802c）分别与两侧的双极板（801）密封组合构成单电池；所述的单电堆（7）上设置电压巡检板（714）、燃料流道进口（715）、冷却液进口（716）、氧化剂流道进口（717）、燃料流道出口（718）、冷却液出口（719）、氧化剂流道出口（720），电压巡检板（714）与电站主控系统（6）控制连接。
9.如权利要求7所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于所述的模块化冷却系统（4）包括冷却液水箱（V481）及与其配合连接的循环水冷却装置（V480）、纯水处理装置（V482）， 冷却液水箱（V481）的输水母管（PL406）分别通过第一冷却水进水支管（PL401）、第二冷却水进水支管（PL403）……第N冷却水进水支管与分布式电堆模块（1）的第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块的主进水口连接，冷却液水箱（V481）的回水母管（PL405）分别通过第一排水支管（PL402）、第二排水支管（PL404）……第N排水支管与分布式电堆模块（1）的第一电堆模块、第二电堆模块……第N电堆模块的主排水口连接；纯水处理装置（V482）通过补水管（PL407）与模块化氧化剂供应系统（3）的集水箱（V354）配合连接。
10.如权利要求8所述的一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统,其特征在于输水母管（PL406）上配合设置第十五电控阀（Q462）、循环水泵（M471）、第十二调节阀（T452）,第一冷却水进水支管（PL401）上配合设置第十调节阀（T450），第二冷却水进水支管（PL403）上配合设置第十一调节阀（T451）；第一排水支管（PL402）上配合设置第十三电控阀（Q460），第二排水支管（PL404）上配合设置第十四电控阀（Q461）；冷却液水箱（V481）通过热交换器回水管（PL406）与模块化氧化剂供应系统（3）的空气缓冲热交换器（V352）回水口相连，空气缓冲热交换器（V352）进水口连接第十三调节阀（T453）, 第十三调节阀（T453）分别与循环水泵（M471）、第十二调节阀（T452）管路连接；冷却液水箱（V481）与循环水冷却装置（V480）的连接管路上设置外循环水泵（M470），冷却液水箱（V481）通过第十六电控阀（Q463）、第十七电控阀（Q464）与纯水处理装置（V482）进口管路连接，纯水处理装置（V482）的补水管（PL407）上配合设置第十八电控阀（Q465）、输送泵（M472）、截止阀（J401）、止回阀（Z490）。
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