CN111430761A - 一种燃料电池作为电站使用的发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池发电站技术领域，具体为一种燃料电池作为电站使用的发电系统，包括燃料电池栈模组，用于通过氢氧化学反应产生电能；加湿系统，分别与所述燃料电池栈模组的氢气进口端、空气进口端连接，用于调节氢气、空气的湿度；氢气压力调节系统，与所述加湿系统的氢气进口端连接，用于调节氢气的压力；纯化设备，与所述氢气压力调节系统的氢气进口端连接，用于氢气提纯。本申请的发电系统可将企业的副产氢与燃料电池配合使用以产生电能，对副产氢的高效合理使用，不仅降低了制电成本，减轻了企业负担，还减少了污染气体排放，改善了环境；本申请的氢气提纯装置提纯效果好、吸附剂排料进料操作简便。

Description

一种燃料电池作为电站使用的发电系统
技术领域
本发明涉及燃料电池发电站技术领域，具体为一种燃料电池作为电站使用的发电系统。
背景技术
目前燃料电池已广泛应用于各个技术领域及人们的生活之中，而电力在各行各业中是不可缺少的能源，且工业用电较为昂贵。另外，许多企业将副产氢直接排空或是燃烧，造成了大量的资源浪费。因此，如何将燃料电池与副产氢结合作为电站使用是亟需解决的技术难题。
申请号为CN201910276898.8的专利公开了一种基于固体氢技术的发电站系统，以固体氢为原料进行发电，其最终产物为水、热能和电能，具有良好的环境发展可持续性、资源利用率及安全可控性，但是其并没有与副产氢结合作为电站使用，仍然存在资源浪费、成本高的缺陷。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种燃料电池作为电站使用的发电系统，适用于具有副产氢产生的企业。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池作为电站使用的发电系统，包括
燃料电池栈模组，用于通过氢氧化学反应产生电能；
加湿系统，分别与所述燃料电池栈模组的氢气进口端、空气进口端连接，用于调节氢气、空气的湿度；
氢气压力调节系统，与所述加湿系统的氢气进口端连接，用于调节氢气的压力；
纯化设备，与所述氢气压力调节系统的氢气进口端连接，用于氢气提纯；
空气过滤系统，用于过滤空气；
空压机系统，与所述空气过滤系统的空气出口端连接，用于提供充足氧气；
中冷系统，与所述空压机系统的空气出口端连接，用于中冷空气；
流量监控系统，与所述中冷系统的的空气出口端连接，且与所述加湿系统的空气进口端连接，用于监控空气的流量；
总控制台，与所述燃料电池栈模组、加湿系统、氢气压力调节系统、电堆温度检测系统、冷却循环水的温度检测系统、压力检测系统、纯化设备、流量监控系统、中冷系统连接。
作为优选，还包括
氢气循环泵，与所述燃料电池栈模组的氢气出口端连接，且与所述燃料电池栈模组的氢气进口端连接，用于使反应未完全的氢气回流至所述燃料电池栈模组以再次反应。
作为优选，还包括
气水分离系统，与所述燃料电池栈模组的副产品出口端连接，用于将副产品中的水与气体分离；
冷却水池，与所述气水分离系统的水出口端连接，用于存储冷却水；
水泵，与所述冷却水池的水出口端连接，用于给冷却水提供动力，通过不断循环的冷却水将燃料电池发电过程中产生的热量置换出来以使燃料电池的工作温度保持在68～72摄氏度；
去离子装置，与所述水泵的出口端及所述燃料电池栈模组的冷却水进口端之间的冷却水管路并联，用于去除冷却水中的离子；
氢气浓度检测仪，用于检测燃料电池栈模组内部空间的氢气浓度并以60秒的间隔频率将检测信号发送给总控制台；
排气装置，与所述总控制台连接；当所述总控制台接收到的检测信号为氢气浓度大于等于20000ppm，所述总控制台控制所述排气装置启动直至氢气浓度低于10000ppm；
红外线可燃气体燃烧探测仪，与所述总控制台连接，用于检测氢气燃烧情况。
作为优选，还包括DC/AC转换器，与所述燃料电池栈模组的直流电输出端连接，用于将燃料电池栈模组产生的直流电转换成交流电。
作为优选，还包括
废热循环系统，与所述燃料电池栈模组的废热出口端连接，用于循环利用废热。
作为优选，所述纯化设备包括
除氯装置，设有副产氢进口，用于除去副产氢中的氯化物、硫化物；
脱氧炉，与所述除氯装置的出口连接，用于除去副产氢中的氧；
中压压缩机，与所述脱氧炉的出口端连接，用于将副产氢压缩至1.4～1.5MPa；
氢气提纯装置，与所述中压压缩机的出口端连接，用于对副产氢进行纯化。
作为优选，所述氢气提纯装置包括
转轴；
吸附剂容置腔，与所述转轴套接，包括
顶板,板体设有透气孔；所述顶板围绕所述转轴设有一圈轨道，所述轨道沿所述转轴转动方向排列设有自合式封口件，所述轨道还安装有与所述自合式封口件配合使用的进料管套；
底板，板体设有透气孔；所述底板围绕所述转轴等间隔设有若干出料口；
腔壁，与所述顶板和所述底板装配连接；
筒体，与所述转轴通过轴承连接，包括
顶部支撑板，设有出气口，以及与所述进料管套配合使用的进料对接件；
底部支撑板，设有进气口，以及与所述出料口配合使用的出料对接口；
筒壁，与所述顶部支撑板和所述底部支撑板装配连接。
作为优选，所述进料对接件包括
进料套轨，与所述顶部支撑板的进料口连接；
进料滑套，其外周侧与所述进料套轨的内周侧轴向滑动连接；
封口盖，与所述进料滑套的轴向顶端拆卸式连接；
所述进料套轨轴向底端设有吸附片、内部设有与所述吸附片连接的铁芯和缠绕所述铁芯设置的线圈，所述线圈通过开关与电源连接；
所述进料管套包括套体，设于所述套体轴向底端的扩口部，以及围绕所述套体外周侧设置且与所述吸附片配合使用的磁吸对接体。
作为优选，所述底板位于所述出料口上方设有凹陷部，相邻两所述凹陷部部分重合设置。
作为优选，所述腔壁底端与所述出料口径向对应位置嵌设有铁珠；所述底部支撑板与所述出料对接口径向对应位置设有与所述铁珠配合使用的霍尔传感器。
有益效果
本申请的发电系统可将企业的副产氢与燃料电池配合使用以产生电能，对副产氢的高效合理使用，不仅降低了制电成本，减轻了企业负担，还减少了污染气体排放，改善了环境，另外可有效解决每年用电高峰的缺口，改善国家电能紧缺的现象；本申请的纯化设备能够有效地对副产氢进行提纯操作以满足燃料电池栈模组的制电需求；本申请的氢气提纯装置提纯效果好、吸附剂排料进料操作简便。
附图说明
图1为本申请燃料电池作为电站使用的发电系统的系统框图；
图2为本申请氢气提纯装置的结构示意图；
图3为图2中进料对接件的局部放大图；
图4为图2中顶板的俯视图；
图5为图2中底板的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，一种燃料电池作为电站使用的发电系统，包括燃料电池栈模组，加湿系统，氢气压力调节系统，纯化设备，空气过滤系统，空压机系统，中冷系统，流量监控系统，总控制台，氢气循环泵，气水分离系统，冷却水池，水泵，去离子装置，排气装置，红外线可燃气体燃烧探测仪，DC/AC转换器和废热循环系统。
燃料电池栈模组用于通过氢氧化学反应产生电能。加湿系统分别与所述燃料电池栈模组的氢气进口端、空气进口端连接，用于调节氢气、空气的湿度。氢气压力调节系统与所述加湿系统的氢气进口端连接，用于调节氢气的压力。纯化设备与所述氢气压力调节系统的氢气进口端连接，用于氢气提纯。空气过滤系统用于过滤空气。空压机系统与所述空气过滤系统的空气出口端连接，用于提供充足氧气。中冷系统与所述空压机系统的空气出口端连接，用于中冷空气。流量监控系统与所述中冷系统的的空气出口端连接，且与所述加湿系统的空气进口端连接，用于监控空气的流量。总控制台与所述燃料电池栈模组、加湿系统、氢气压力调节系统、纯化设备、流量监控系统、中冷系统连接。氢气循环泵与所述燃料电池栈模组的氢气出口端连接，且与所述燃料电池栈模组的氢气进口端连接，用于使反应未完全的氢气回流至所述燃料电池栈模组以再次反应。气水分离系统与所述燃料电池栈模组的副产品出口端连接，用于将副产品中的水与气体分离。冷却水池与所述气水分离系统的水出口端连接，用于存储冷却水。水泵与所述冷却水池的水出口端连接，用于给冷却水提供动力，通过不断循环的冷却水将燃料电池发电过程中产生的热量置换出来以使燃料电池的工作温度保持在68～72摄氏度。去离子装置与所述水泵的出口端及所述燃料电池栈模组的冷却水进口端之间的冷却水管路并联，用于去除冷却水中的离子。去离子装置配设有冷却水离子浓度检测仪，当导电率高于5μs/cm，提示更换去离子装置。DC/AC转换器与所述燃料电池栈模组的直流电输出端连接，用于将燃料电池栈模组产生的直流电转换成交流电。废热循环系统与所述燃料电池栈模组的废热出口端连接，用于循环利用废热。氢气浓度检测仪用于检测燃料电池栈模组内部空间的氢气浓度并以60秒的间隔频率将检测信号发送给总控制台。排气装置与所述总控制台连接，当所述总控制台接收到的检测信号为氢气浓度大于等于20000ppm，所述总控制台控制所述排气装置启动将空间内的混合气体抽离出去直至氢气浓度低于10000ppm后，关闭排气装置。如果60秒内，氢气浓度都不能低于10000ppm，则总控制台下达全系统关闭指令。红外线可燃气体燃烧探测仪与所述总控制台连接，用于检测氢气燃烧情况。氢气浓度爆炸为40000ppm-750000ppm，氢气在光照条件下燃烧，是无色无味的，红外线可燃气体扫描设备可以检测氢气燃烧情况，若发生可燃气体燃烧，则总控制台下达全系统关闭。
具体工作原理，副产氢企业将含有大量氢气的副产气体通过纯化设备提纯至99.99%氢气纯度后，通过管路输送至氢气压力调节系统，确保进入每一个单位的氢气压力、流量都是相同的（压力根据燃料电池栈模组数量设定）。燃料电池电栈模组由单堆为10kw为单位的多个燃料电池通过串并联组合起来。通过空压机系统使过滤后的空气压缩并依次经过中冷、流量监控和加湿系统以给燃料电池栈模组供给空气。未反应的完全的氢气通过氢气循环泵回流入燃料电池栈模组中再次反应。燃料电池栈模组经过水冷散热并通过去离子装置去除冷却循环水中的离子，增加燃料的使用寿命。燃料电池发电过程中的废热可以通过废热循环系统进行供暖等用途。燃料电池电栈模组所产生的副产品--水、水蒸气、未反应的空气通过气水分离系统进行分离，反应产生的水进入冷却水池再次利用，未反应的气体直接排空。总控制台控制整个发电系统的氢气纯度、氢气温度及湿度、氢气的压力、空气的温度及湿度、空气的压力、冷去循环水的温度及压力、冷去循环水的离子浓度、监控燃料电池栈的每个模组的电压电流、每片单电池的电压电流、控制及检测电站的输出功率等等工作情况，以确保燃料电池栈模组处于一个稳定的发电状态，其中，各部件的响应时间均小于1s。
本申请的发电系统可将企业的副产氢与燃料电池配合使用以产生电能，对副产氢的高效合理使用，不仅降低了制电成本，减轻了企业负担，还减少了污染气体排放，改善了环境，另外可有效解决每年用电高峰的缺口，改善国家电能紧缺的现象。
纯化设备包括除氯装置，脱氧炉，中压压缩机和氢气提纯装置。除氯装置设有副产氢进口，用于除去副产氢中的氯、硫。脱氧炉与所述除氯装置的出口连接，用于除去副产氢中的氧。中压压缩机与所述脱氧炉的出口端连接，用于将副产氢压缩至1.4～1.5MPa。氢气提纯装置与所述中压压缩机的出口端连接，用于对副产氢进行纯化。
如图2至图5所示，所述氢气提纯装置包括转轴1，吸附剂容置腔和筒体。转轴1与驱动机构连接。
吸附剂容置腔与所述转轴1套接，随转轴1一起转动，具体包括顶板21，底板22和腔壁23。顶板21的板体设有透气孔，氢气可从板体穿过。所述顶板21围绕所述转轴1设有一圈轨道24，所述轨道24沿所述转轴1转动方向排列设有自合式封口件，所述轨道24还安装有与所述自合式封口件配合使用的进料管套25，进料管套25将自合式封口件撑开，当进料管套25沿轨道24移动时，对应位置的自合式封口件会顺势被进料管套25撑开，进料管套25移走时，自合式封口件会自动闭合。底板22的板体设有透气孔，氢气可从板体穿过。所述底板22围绕所述转轴1等间隔设有若干出料口26，出料口26设有电磁阀门。腔壁23与顶板21 、底板22装配连接。
筒体与所述转轴1通过轴承连接，转轴1转动时，筒体不动，具体包括顶部支撑板31，底部支撑板32和筒壁33。顶部支撑板31设有出气口35，纯化后的氢气由出气口35排出，以及与所述进料管套25配合使用的进料对接件36。底部支撑板32设有进气口34，未纯化的氢气由进气口34进入吸附剂容置腔，以及与所述出料口26配合使用的出料对接口27。筒壁33与所述顶部支撑板31、底部支撑板32装配连接。
其中，进料对接件36包括与所述顶部支撑板31的进料口连接的进料套轨361，外周侧与所述进料套轨361的内周侧轴向滑动连接的进料滑套362，与所述进料滑套362的轴向顶端拆卸式连接的封口盖363。所述进料套轨361轴向底端设有吸附片、内部设有与所述吸附片连接的铁芯和缠绕所述铁芯设置的线圈，所述线圈通过开关与电源364连接。所述进料管套25包括套体251，设于所述套体251轴向底端的扩口部252，以及围绕所述套体251外周侧设置且与所述吸附片配合使用的磁吸对接体253。
当需要进料时，操作工人按下控制柜上的进料按钮，控制主机给驱动机构发送停止指令以使转轴1停止转动，驱动机构停止后，转轴1会因惯性逐渐缓慢转动，控制主机同时会给开关发送闭合指令，开关闭合后，线圈通电，线圈与铁芯配合会使吸附片产生磁吸力，当进料管套25转动至进料滑套362下方后，吸附片会与磁吸对接体253磁性相吸，由于进料管套25的轴向位置是固定的，进料滑套362会沿进料套轨361下滑至与进料管套25顶端连接，此时，进料管套25相对进料对接件36的位置固定。然后通过控制主机给驱动机构发送缓慢转动的指令，转动速度可根据实际需求设置。最后，将封口盖363打开以往吸附剂容置腔中添加吸附剂。扩口部252上设有接触传感器，当吸附剂添加一定量并与扩口部252接触时，接触传感器会发出提示信号。收到提示信号后，停止吸附剂的添加，同时控制主机给驱动机构发送停止指令以使转轴1停止转动，接着控制主机给开关发送打开指令，开关打开后，线圈失电，吸附片失去磁吸力，将进料滑套362沿进料套轨361上拔至初始位置，进料滑套362与进料管套25分离。
所述底板22位于所述出料口26上方设有凹陷部，相邻两所述凹陷部部分重合设置，有利于吸附剂自动下滑至出料口26。所述腔壁23底端与所述出料口26径向对应位置嵌设有铁珠41，所述底部支撑板32与所述出料对接口27径向对应位置设有与所述铁珠41配合使用的霍尔传感器42。
当需要出料时，操作工人按下控制柜上的出料按钮，控制主机给驱动机构发送缓慢转动的指令，转动速度可根据实际需求设置，同时控制主机发送供电指令以给霍尔传感器42供电。当某一出料口26对应的铁珠转动至霍尔传感器42上方时，霍尔传感器42会检测到相应信号并发送给控制主机，控制主机会控制驱动机构停止转动，此时，出料口26正好位于出料对接口27上方。接着，控制主机给电磁阀门发送信号使其打开数秒，从而完成该出料口26的出料操作。然后，控制主机会控制转轴1继续缓慢转动，以相同的过程完成所有出料口26的出料操作。
副产氢由进气口34进入吸附剂容置腔，再由吸附剂容置腔的出气口35排出，副产氢通过不断转动的吸附剂进行纯化处理，纯化效果好，可达到本申请燃料电池栈模组的使用需求。吸附剂容置中的吸附剂其底部层的吸附效果最先失效，因此，需要及时将底部层的吸附剂排出，并在其顶部层添加新的吸附剂以使本申请的氢气提纯装置一直保持高效、稳定的提纯状态。
上面所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种燃料电池作为电站使用的发电系统，其特征在于：包括
燃料电池栈模组，用于通过氢氧化学反应产生电能；
加湿系统，分别与所述燃料电池栈模组的氢气进口端、空气进口端连接，用于调节氢气、空气的湿度；
氢气压力调节系统，与所述加湿系统的氢气进口端连接，用于调节氢气的压力；
纯化设备，与所述氢气压力调节系统的氢气进口端连接，用于氢气提纯；
空气过滤系统，用于过滤空气；
空压机系统，与所述空气过滤系统的空气出口端连接，用于提供充足氧气；
中冷系统，与所述空压机系统的空气出口端连接，用于中冷空气；
流量监控系统，与所述中冷系统的的空气出口端连接，且与所述加湿系统的空气进口端连接，用于监控空气的流量；
总控制台，与燃料电池栈模组、加湿系统、氢气压力调节系统、电堆温度检测系统、冷却循环水的温度检测系统、压力检测系统、纯化设备、流量监控系统、中冷系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池作为电站使用的发电系统，其特征在于：还包括
氢气循环泵，与所述燃料电池栈模组的氢气出口端连接，且与所述燃料电池栈模组的氢气进口端连接，用于使反应未完全的氢气回流至所述燃料电池栈模组以再次反应。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池作为电站使用的发电系统，其特征在于：还包括
气水分离系统，与所述燃料电池栈模组的副产品出口端连接，用于将副产品中的水与气体分离；
冷却水池，与所述气水分离系统的水出口端连接，用于存储冷却水；
水泵，与所述冷却水池的水出口端连接，用于给冷却水提供动力，通过不断循环的冷却水将燃料电池发电过程中产生的热量置换出来以使燃料电池的工作温度保持在68～72摄氏度；
去离子装置，与所述水泵的出口端及所述燃料电池栈模组的冷却水进口端之间的冷却水管路并联，用于去除冷却水中的离子；
氢气浓度检测仪，用于检测燃料电池栈模组内部空间的氢气浓度并以60秒的间隔频率将检测信号发送给总控制台；
排气装置，与所述总控制台连接；当所述总控制台接收到的检测信号为氢气浓度大于等于20000ppm，所述总控制台控制所述排气装置启动直至氢气浓度低于10000ppm；
红外线可燃气体燃烧探测仪，与所述总控制台连接，用于检测氢气燃烧情况。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池作为电站使用的发电系统，其特征在于：还包括DC/AC转换器，与所述燃料电池栈模组的直流电输出端连接，用于将燃料电池栈模组产生的直流电转换成交流电。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池作为电站使用的发电系统，其特征在于：还包括
废热循环系统，与所述燃料电池栈模组的废热出口端连接，用于循环利用废热。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池作为电站使用的发电系统，其特征在于：所述纯化设备包括
除氯与脱硫装置，设有副产氢进口，用于除去副产氢中的氯化物、硫化物；
脱氧炉，与所述除氯装置的出口连接，用于除去副产氢中的氧；
中压压缩机，与所述脱氧炉的出口端连接，用于将副产氢压缩至1.4～1.5MPa；
氢气提纯装置，与所述中压压缩机的出口端连接，用于对副产氢进行纯化。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池作为电站使用的发电系统，其特征在于：所述氢气提纯装置包括
转轴（1）；
吸附剂容置腔，与所述转轴（1）套接，包括
顶板(21),板体设有透气孔；所述顶板(21)围绕所述转轴（1）设有一圈轨道（24），所述轨道（24）沿所述转轴（1）转动方向排列设有自合式封口件，所述轨道（24）还安装有与所述自合式封口件配合使用的进料管套（25）；
底板（22），板体设有透气孔；所述底板（22）围绕所述转轴（1）等间隔设有若干出料口（26）；
腔壁（23），与所述顶板(21) 和所述底板（22）装配连接；
筒体，与所述转轴（1）通过轴承连接，包括
顶部支撑板（31），设有出气口（35），以及与所述进料管套（25）配合使用的进料对接件（36）；
底部支撑板（32），设有进气口（34），以及与所述出料口（26）配合使用的出料对接口（27）；
筒壁（33），与所述顶部支撑板（31）和所述底部支撑板（32）装配连接。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池作为电站使用的发电系统，其特征在于：所述进料对接件（36）包括
进料套轨（361），与所述顶部支撑板（31）的进料口连接；
进料滑套（362），其外周侧与所述进料套轨（361）的内周侧轴向滑动连接；
封口盖（363），与所述进料滑套（362）的轴向顶端拆卸式连接；
所述进料套轨（361）轴向底端设有吸附片、内部设有与所述吸附片连接的铁芯和缠绕所述铁芯设置的线圈，所述线圈通过开关与电源（364）连接；
所述进料管套（25）包括套体（251），设于所述套体（251）轴向底端的扩口部（252），以及围绕所述套体（251）外周侧设置且与所述吸附片配合使用的磁吸对接体（253）。
9.根据权利要求7所述的一种燃料电池作为电站使用的发电系统，其特征在于：所述底板（22）位于所述出料口（26）上方设有凹陷部，相邻两所述凹陷部部分重合设置。
10.根据权利要求7所述的一种燃料电池作为电站使用的发电系统，其特征在于：所述腔壁（23）底端与所述出料口（26）径向对应位置嵌设有铁珠（41）；所述底部支撑板（32）与所述出料对接口（27）径向对应位置设有与所述铁珠（41）配合使用的霍尔传感器（42）。
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