CN112510233A - 一种家庭用氢储能燃料电池发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种家庭用氢储能燃料电池发电系统,包括光伏电池阵列、检测控制单元、电解制氢单元、储氢单元、燃料电池发电单元、电力电子转换单元和安全报警单元,所述光伏电池阵列输出端与检测控制单元连接,所述检测控制单元输出端分别与电解制氢单元、电力电子转换单元和安全报警单元连接,所述电解制氢单元、储氢单元、燃料电池发电单元依次连接,所述燃料电池发电单元输出端与电力电子转换单元连接,所述电力电子转换单元输出端与负载连接。本发明有零污染,可高效利用氯碱厂、钢铁厂生产副产品氢气的二次利用等优点,同时,对于边远山区或孤岛的供电具有良好的应用前景,完全满足随时供电和系统安全的要求。
Description
技术领域
本发明涉及节能环保技术领域,尤其涉及一种家庭用氢储能燃料电池发电系统。
背景技术
21世纪是能源和环保的世纪。随着世纪经济的高速发展,化石能源消耗量逐年增加,而存储量却逐年减少,并且由于化石能源的低效“燃料”,引发可一系列环境污染问题,正严重威胁人类的正常生活。因此,节省能源与开发新能源,提高能源利用率与减少能源使用产生的污染,已成为亟待解决的重要问题。燃料电池就是在这种背景下进入人们视线中的,燃料电池是以氢能这种新型能源为燃料,不经过燃烧过程的低污染、高效的发电装置,被誉为继火力发电、水力发电、原子能发电之后的第四大发电方式。但现有技术的氢储能燃料电池发电系统控制精度差、可靠性差、发电效率低,难以满足日益增长的生产生活需求。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明所要解决的技术问题是提供一种家庭用氢储能燃料电池发电系统,以解决现有技术的不足。
为实现上述目的,本发明提供了一种家庭用氢储能燃料电池发电系统,其特征在于:包括光伏电池阵列、检测控制单元、电解制氢单元、储氢单元、燃料电池发电单元、电力电子转换单元和安全报警单元,所述光伏电池阵列输出端与检测控制单元连接,所述检测控制单元输出端分别与电解制氢单元、电力电子转换单元和安全报警单元连接,所述电解制氢单元、储氢单元、燃料电池发电单元依次连接,所述燃料电池发电单元输出端与电力电子转换单元连接,所述电力电子转换单元输出端与负载连接。
上述的一种家庭用氢储能燃料电池发电系统,其特征在于:所述检测控制单元采用工控机和与工控机依次连接的采集卡、通讯卡。
上述的一种家庭用氢储能燃料电池发电系统,其特征在于:所述燃料电池发电单元为单个质子交换膜燃料电池堆发电模块或者三个质子交换膜燃料电池堆并联发电模块。
上述的一种家庭用氢储能燃料电池发电系统,其特征在于:所述储氢单元采用金属氧化物储氢瓶。
上述的一种家庭用氢储能燃料电池发电系统,其特征在于:所述电力电子转换单元包括依次连接的DC-DC电力电子转换稳压模块、DC-DC电力电子转换升压模块、DC-AC电力电子转换逆变模块。
上述的一种家庭用氢储能燃料电池发电系统,其特征在于:所述燃料电池发电单元还包括西门子S7-1200系列的PLC控制器作为燃料电池堆控制器。
本发明的有益效果是:
本发明白天通过光伏发电系统所发剩余的电给制氢机供电制氢,使用金属储氢罐进行储存;夜晚用所制氢气给燃料电池堆发电系统供氢,为单户家庭供电。相比于传统的供电方式,有零污染,可高效利用氯碱厂、钢铁厂生产副产品氢气的二次利用等优点,同时,对于边远山区或孤岛的供电具有良好的应用前景,完全满足随时供电和系统安全的要求。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明,以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的整体结构框图。
图2是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,一种家庭用氢储能燃料电池发电系统,其特征在于:包括光伏电池阵列1、检测控制单元2、电解制氢单元3、储氢单元4、燃料电池发电单元5、电力电子转换单元6和安全报警单元7,所述光伏电池阵列1输出端与检测控制单元2连接,所述检测控制单元2输出端分别与电解制氢单元3、电力电子转换单元6和安全报警单元7连接,所述电解制氢单元3、储氢单元4、燃料电池发电单元5依次连接,所述燃料电池发电单元5输出端与电力电子转换单元6连接,所述电力电子转换单元6输出端与负载8连接。
本实施例中,所述检测控制单元2采用工控机和与工控机依次连接的采集卡、通讯卡。
本实施例中,所述燃料电池发电单元5为单个质子交换膜燃料电池堆发电模块或者三个质子交换膜燃料电池堆并联发电模块。
本实施例中,所述储氢单元4采用金属氧化物储氢瓶。
本实施例中,所述电力电子转换单元6包括依次连接的DC-DC电力电子转换稳压模块、DC-DC电力电子转换升压模块、DC-AC电力电子转换逆变模块。
本实施例中,所述燃料电池发电单元5还包括西门子S7-1200系列的PLC控制器作为燃料电池堆控制器。编程简单,操作方便,抗干扰能力强,后期调试工作量少。
如图2所示,系统的基本结构为:①将三个燃料电池堆并联集成在一个控制系统中,利用三个储氢装置给三个电堆分别同时供氢,再通过电力电子转换设备,实现小功率燃料电池为大功率负载供电的目标;②整个系统集成为制氢储氢子系统和燃料电池堆逆变子系统两部分;③设计为控制和操作两级,操作采用触摸屏方式显示各类操作模式和用电参数。
本系统结合太阳能光伏发电系统对制氢过程供电,白天通过光伏发电系统所发剩余的电给制氢机供电制氢,使用金属储氢罐进行储存;夜晚用所制氢气给燃料电池堆发电系统供氢,为单户家庭供电。相比于传统的供电方式,有零污染,可高效利用氯碱厂、钢铁厂生产副产品氢气的二次利用等优点,同时,对于边远山区或孤岛的供电具有良好的应用前景。
另外,本发明的制氢储氢系统主要有制氢机出口氢气压力检测、流量检测、电解水泵前/泵后压力检测、补水箱液位检测/控制、储氢罐温度检测/控制、充/释氢压力检测/控制、充/释氢流量检测、冷却水入口/出口温度检测、冷却水流量检测/控制、储氢罐剩余量检测等部分。具体如下:
①制氢机出口氢气压力检测:
考虑到制氢机的输出压力可调,且最大压力可达到2MPa,因此制氢机出口压力的检测选用的仪表的压力范围应满足:0~2MPa,使用温度范围满足制氢机正常工作时的要求:-20~80℃。
②制氢机出口氢气流量检测:
制氢机氢气的出口流量会随着输入功率的不同而变化,当制氢机工作在最大输入功率时,氢输出流量可达1000NL/h,以此为依据,应选用流量传感器量程为:0-1000NL/h。
③制氢电解水泵前/泵后压力检测:
由于预计的水箱尺寸为1*1*1m的水箱,电解水泵前压力很小,经计算泵前水的最大压力为1kPa,按照选用的小型水泵的泵后压力有所提高,按照15倍计算,则泵后的压力最大为15kPa。因此选用的泵前仪表的压力范围:0-1.5kPa,泵后安装的仪表压力范围:0-15kPa。
④补水箱液位检测/控制:
补水箱的尺寸设计为1*1*1m的水箱,可以看出液位的变化在0-1m之间,但是要求其最低的液位检测到0.05m的精度,这样才能实现低水位时准确检测,及时补水,所以选用的液位传感器的范围:0-1m,精度要求达到1%。
⑤储氢罐温度检测:
金属氢化物储氢罐的释氢速度受温度影响,经研究发现,释氢速率最大所对应的储氢罐温度为60℃左右,而对于储氢罐的工作温度而言,范围一般在-20-75℃,所以需选用量程为-20~80℃,精度达到0.5%的传感器。
⑥充氢/释氢压力检测:
储氢罐充氢压力最大可以达到2MPa,故充氢压力侧的压力表量程为0-2MPa,精度要求为5%。释氢压力最大为0.3MPa,并且可以实现调节,选用的压力表的量程为0-0.3MPa,精度要求为3%。
⑦充氢/释氢流量检测:
储氢罐释氢流量设计要求达到30NL/min,选用的流量计的量程为0-50NL/min,精度1%。充氢流量考虑到制氢机的最大制氢流量为1000NL/h,可换算成16.7NL/min,结合考虑选用量程为0-18NL/min。
⑧冷却水入口/出口温度检测:
金属氢化物储氢罐需要实现温度控制,因此需要对冷却水入口处和出口处的温度进行检测,储氢罐工作时温度范围为-20-80℃,则选用的仪表量程为0-80℃,并能实时显示,精度为1%。
⑨冷却水流量检测/控制:
冷却水流量的大小是控制储氢罐温度的关键,结合储氢罐工作是温度的变化范围,冷却水流量变化幅度不易过大,选用量程为0~0.04L/min,精度为2%。
⑩储氢罐剩余量检测:
由于金属氢化物储氢罐存在最小冗余量,故应该对储氢罐中氢气剩余量进行实时检测,检测表的量范围为0~100%,并且适应高压高温的工作环境。
系统通过上述各类控制参数的检测,为系统控制提供参考,对水电解制氢机、金属氧化物储气瓶进行合理控制,水电解制氢机可根据输入功率变化,自动调整氢气输出流量,金属氧化物储气瓶根据负载的变化自动调整供氢流量。控制精度高、可靠性好、制氢储氢效果好。
燃料电池发电实验系统包括氢气压力检测/控制、氢气流量检测、电堆操作温度检测/控制、环境温度检测、空气供气风扇电压检测/控制、燃料电池堆输出电压/电流/功率检测、DC-DC模块输出直流母校电压/电流/功率检测、逆变器输出电压/电流/功率检测。具体如下:
①氢气压力检测/控制:
选用的3.5Kw的燃料电池堆的氢气进气压力范围要求为0.16-0.56Bar,选用的仪表的量程:0-0.8Bar,精度要求能达到2.5%。
②氢气流量检测:
3.5kw的风冷型燃料电池正常工作时,额定功率输出下的氢气进气流量为45slm,故选用的流量计应满足:0-70slpm,精度2%。
③电堆操作温度检测:
风冷型燃料电池电堆正常工作的温度范围25-55℃,考虑到电堆出现的一些极端情况,应选用的温度传感器范围应为0-75℃,由于温度传感器需要测量电堆内部温度,需要一定的防水抗压抗干扰的特性。
④环境温度检测:
环境温度检测即检测燃料电池工作的环境温度,也是设备安装调试维护的环境要求。经过查询,燃料电池的工作环境温度满足:-40-80℃,精度要求0.5℃。
⑤空气供气风扇电压检测:
通过对风扇电压的控制,达到对电堆内温度的调节,另外风扇电压还影响空气的进气流量;而风冷型燃料电池风扇电压相对不高,选用量程为0~20V的电压传感器即可。
⑥燃料电池堆DC-DC稳压模块输出电压/电流/功率检测:
3.5kw风冷型燃料电池的额定电压为48VDC,额定电流65A,则选用带显示功能的电压传感器和电流传感器,电压传感器的量程为0-60V,精度为0.1%,电流传感器的量程为0-80A,精度要求0.1%。功率检测选用直流功率传感器,对于3.5kw的额定功率应可以实时检测,其量程为0-4Kw,精度0.02%。
⑦DC-DC升压模块输出直流母校电压/电流/功率检测:
直流升压部分要求输入端的电流满足最大为195A,额定电压为48VDC,选用电流传感器的量程为0-230A,其输入端的功率为10kw,选用直流功率表量程为0-12Kw,精度为0.02%。
整个系统的执行机构主要是相关阀门和继电器开关,阀门包括减压阀、电磁阀、手动阀,继电器开关分为常开型、常闭型、转换型。通过以上众多检测控制结构,使得系统控制精度高、可靠性好。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种家庭用氢储能燃料电池发电系统,其特征在于:包括光伏电池阵列(1)、检测控制单元(2)、电解制氢单元(3)、储氢单元(4)、燃料电池发电单元(5)、电力电子转换单元(6)和安全报警单元(7),所述光伏电池阵列(1)输出端与检测控制单元(2)连接,所述检测控制单元(2)输出端分别与电解制氢单元(3)、电力电子转换单元(6)和安全报警单元(7)连接,所述电解制氢单元(3)、储氢单元(4)、燃料电池发电单元(5)依次连接,所述燃料电池发电单元(5)输出端与电力电子转换单元(6)连接,所述电力电子转换单元(6)输出端与负载(8)连接。
2.如权利要求1所述的一种家庭用氢储能燃料电池发电系统,其特征在于:所述检测控制单元(2)采用工控机和与工控机依次连接的采集卡、通讯卡。
3.如权利要求1所述的一种家庭用氢储能燃料电池发电系统,其特征在于:所述燃料电池发电单元(5)为单个质子交换膜燃料电池堆发电模块或者三个质子交换膜燃料电池堆并联发电模块。
4.如权利要求1所述的一种家庭用氢储能燃料电池发电系统,其特征在于:所述储氢单元(4)采用金属氧化物储氢瓶。
5.如权利要求1所述的一种家庭用氢储能燃料电池发电系统,其特征在于:所述电力电子转换单元(6)包括依次连接的DC-DC电力电子转换稳压模块、DC-DC电力电子转换升压模块、DC-AC电力电子转换逆变模块。
6.如权利要求1所述的一种家庭用氢储能燃料电池发电系统,其特征在于:所述燃料电池发电单元(5)还包括西门子S7-1200系列的PLC控制器作为燃料电池堆控制器。
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