CN113346103A - 一种大功率电站用燃料电池散热系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大功率电站用燃料电池散热系统及控制方法，燃料电池模组和换热器一一对应，第一水泵与第一燃料电池模组、第一换热器串联形成冷却液回路，第二燃料电池模组和第二换热器形成第一支路，与第一燃料电池模组并联，串联至冷却液回路中，第三燃料电池模组和第三换热器形成第二支路，与第二燃料电池模组并联，串联至第一支路中，依次类推，第N燃料电池模组和第N换热器形成第N‑1支路，与第N‑1燃料电池模组并联，串联至第N‑2支路中；第二水泵、散热设备和N个换热器依次通过管道串联。本发明提出的技术方案的有益效果是：各换热器可分别对各燃料电池进行换热，解决大功率燃料电站的燃料电池系统散热问题，使燃料电池系统性能更佳，节约成本。

Description

一种大功率电站用燃料电池散热系统及控制方法
技术领域
本发明涉及发电站技术领域，尤其涉及一种大功率电站用燃料电池散热系统及控制方法。
背景技术
随着我国国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，我们对环境的改善需求也越来越迫切，传统的石油和煤炭对环境造成的危害与日俱增，新能源的替代迫在眉睫。氢能具有热值高、无污染和来源丰富的优点，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。从全球范围来看，世界主要发达国家从资源、环保等角度出发，都高度重视氢能技术和产业的发展氢能是最具发展前景的新能源之一，世界主要国家和能源企业加快氢能产业布局。
燃料电池发电站是燃料电池的一个重要应用方向，燃料电池发电站需要增加容量来满足大功率电力输出，发电站的功率一般都较大，如100MW，但是目前燃料电池系统的额定一般为100kW，使得燃料电池系统存在散热效率较低的问题。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明的实施例提供了一种大功率电站用燃料电池散热系统及控制方法。
本发明的实施例提供一种大功率电站用燃料电池散热系统及控制方法，包括冷却液回路和散热回路；
所述冷却液回路包括第一水泵、N个燃料电池模组和N个换热器，N个燃料电池模组包括第一燃料电池模组...第N燃料电池模组，N个换热器包括第一换热器...第N换热器，N为自然数，且大于1，所述燃料电池模组和所述换热器一一对应，所述第一水泵与第一燃料电池模组、第一换热器串联形成冷却液回路，第二燃料电池模组和第二换热器形成第一支路，与所述第一燃料电池模组并联，串联至所述冷却液回路中，第三燃料电池模组和第三换热器形成第二支路，与所述第二燃料电池模组并联，串联至所述第一支路中，依次类推，第N燃料电池模组和第N换热器形成第N-1支路，与第N-1燃料电池模组并联，串联至所述第N-2支路中；
所述散热回路包括第二水泵和散热设备，所述第二水泵、所述散热设备和N个所述换热器依次通过管道串联。
进一步地，各所述燃料电池模组包括多个并联的燃料电池单元，所述燃料电池单元包括依次通过分管道连接的流量计、比例阀和燃料电池模块，所述流量计位于所述燃料电池模块和所述第一水泵之间。
进一步地，所述分管道上设有第一温度传感器，所述第一温度传感器位于所述比例阀和所述燃料电池模块之间，所述第一温度传感器用于测量冷却液进入所述燃料电池模块之前的温度。
进一步地，所述分管道上设有第二温度传感器，所述燃料电池模块位于所述比例阀和所述第二温度传感器之间，所述第二温度传感器用于测量从所述燃料电池模块流出的冷却液的温度。
进一步地，所述燃料电池模块为单堆或多堆。
进一步地，所述冷却液回路上设有主压力传感器，所述主压力传感器位于所述第一水泵和所述燃料电池模组之间。
进一步地，所述第一支路...第N-1支路上均设有分压力传感器，所述燃料电池模组位于所述分压力传感器和所述换热器之间。
进一步地，散热设备为散热器或冷却塔。
进一步地，所述换热器为板式换热器。
本发明的实施例还提供一种控制方法，利用上述大功率电站用燃料电池散热系统，包括以下步骤：
通过控制散热设备的冷却能力，调节各燃料电池模组中的各燃料电池模块的入口冷却液温度，使各燃料电池模块内的实际冷却液温度与目标入口冷却液温度之间的差值趋于0；
通过控制各燃料电池模块对应的比例阀的开度，调节进入各燃料电池模块的冷却液流量，进而调节目标出口冷却液温度，使冷却液从燃料电池模块流出后的温度与目标出口冷却液温度之间的差值趋于0；
通过各流量计的实际反馈流量与目标流量的偏差，进而识别各燃料电池模块运行的健康度。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：每个燃料电池模组分别配有一个独立的换热器，每个换热器可分别对各燃料电池进行换热，提高换热效率，解决了大功率燃料电站的燃料电池系统散热问题，通过控制各比例阀的开度，可以解决所有燃料电池冷却液分配不均匀的问题，可以独立控制不同燃料电池模块的流量，使燃料电池系统性能更佳，且节约成本。
附图说明
图1是本发明提供的大功率电站用燃料电池散热系统及控制方法一实施例的结构示意图。
图中：冷却液回路100、第一水泵A1、主压力传感器P11、分压力传感器P1y、流量计Eiy、比例阀C-iy、燃料电池模块PACKiy、第一温度传感器Tiy、第二温度传感器Tiy0、散热回路200、第二水泵A2、换热器By、散热设备C1。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参见图1，本发明的实施例提供一种大功率电站用燃料电池散热系统，包括冷却液回路100和散热回路200。
所述冷却液回路100包括第一水泵A1、N个燃料电池模组和N个换热器By，N个燃料电池模组包括第一燃料电池模组...第N燃料电池模组，N个换热器By包括第一换热器B1...第N换热器BN，N为自然数，且大于1(N为燃料电池模组的数量)，所述燃料电池模组和所述换热器By一一对应，所述第一水泵A1与第一燃料电池模组、第一换热器B1串联形成冷却液回路100，第二燃料电池模组和第二换热器B2形成第一支路，与所述第一燃料电池模组并联，串联至所述冷却液回路100中，第三燃料电池模组和第三换热器B3形成第二支路，与所述第二燃料电池模组并联，串联至所述第一支路中，依次类推，第N燃料电池模组和第N换热器BN形成第N-1支路，与第N-1燃料电池模组并联，串联至所述第N-2支路中，本实施例中，所述换热器By为板式换热器。
燃料电池模组的数量至少为两个，不限于两个。各所述燃料电池模组包括多个并联的燃料电池单元，所述燃料电池单元包括依次通过分管道连接的流量计Eiy、比例阀C-iy和燃料电池模块PACKiy(i为每个燃料电池模组中燃料电池单元的数量，y为燃料电池模组的数量)，所述流量计Eiy位于所述燃料电池模块PACKiy和所述第一水泵A1之间，所述燃料电池模块PACKiy为单堆或多堆。每个燃料电池模组内的燃料电池模块PACKiy的数量至少为两个，不限于两个。
所述冷却液回路100上设有主压力传感器P11，所述主压力传感器P11位于所述第一水泵A1和所述燃料电池模组之间，所述第一支路...第N-1支路上均设有分压力传感器P1y，所述燃料电池模组位于所述分压力传感器P1y和所述换热器By之间，利用主压力传感器P11和分压力传感器P1y可以得出进入各燃料电池单元的冷却液的压力。
所述分管道上设有第一温度传感器Tiy，所述第一温度传感器Tiy位于所述比例阀C-iy和所述燃料电池模块PACKiy之间，所述第一温度传感器Tiy用于测量冷却液进入所述燃料电池模块PACKiy之前的温度。所述分管道上设有第二温度传感器Tiy0，所述燃料电池模块PACKiy位于所述比例阀C-iy和所述第二温度传感器Tiy0之间，所述第二温度传感器Tiy0用于测量从所述燃料电池模块PACKiy流出的冷却液的温度。
所述散热回路200包括第二水泵A2和散热设备C1，散热设备C1为散热器或冷却塔，所述第二水泵A2、所述散热设备C1和N个所述换热器By依次通过管道串联。
本实施例中，多个燃料电池模组包括第一燃料电池模组...第N燃料电池模组，第一燃料电池模组中包括多个流量计E11、E21、E31...Ei1，多个比例阀C-11、C-21、C-31...C-i1，多个第一温度传感器T11、T21、T31...Ti1，多个燃料电池模块PACK11、PACK21、PACK31...PACKi1，多个第二温度传感器T110、T210、T310...Ti10；依次类推...第N燃料电池模组中包括多个流量计E1N、E2N、E3N...EiN，多个比例阀C-1N、C-2N、C-3N...C-iN，多个第一温度传感器T1N、T2N、T3N...TiN，多个燃料电池模块PACK1N、PACK2N、PACK3N...PACKiN，多个第二温度传感器T1N0、T2N0、T3N0...TiN0(N为自然数，且大于1)。
第一水泵A1通过增压使冷却液流动，第一水泵A1的出口压力可由主压力传感器P11检测得到，冷却液经过主压力传感器P11之后分为两路，一路流向第一燃料电池模组，另一路流向其他燃料电池模组。流入第一燃料电池模组的冷却液，一部分通过流量计E11、比例阀C-11进入燃料电池模块PACK11，利用第一温度传感器T11可检测进入燃料电池模块PACK11之前的冷却液的温度，利用第二温度传感器T110可检测从燃料电池模块PACK11流出的冷却液的温度；一部分通过流量计E21、比例阀C-21进入燃料电池模块PACK21，利用第一温度传感器T21可检测进入燃料电池模块PACK21之前的冷却液的温度，利用第二温度传感器T210可检测从燃料电池模块PACK21流出的冷却液的温度；一部分通过流量计E31、比例阀C-31进入燃料电池模组PACK31，利用第一温度传感器T31可检测进入燃料电池模块PACK31之前的冷却液的温度，利用第二温度传感器T310可检测从燃料电池模块PACK31流出的冷却液的温度；一部分通过流量计Ei1、比例阀C-i1进入燃料电池模块PACKi1，利用第一温度传感器Ti1可检测进入燃料电池模块PACKi1之前的冷却液的温度，利用第二温度传感器Ti10可检测从燃料电池模块PACKi1流出的冷却液的温度(i为第一燃料电池模组中燃料电池单元的数量)，最后汇流，通过第一换热器B1和散热设备C1对第一燃料电池模组的各燃料电池模块PACKiy进行换热，进而使第一燃料电池模组产生的热通过第一换热器B1换到外循环散热回路200中，最后通过散热设备C1将热量散到大气中。
另外一路冷却液分别流向第二燃料电池模组...第N燃料电池模组，冷却方式与第一燃料电池模组的方式相同。同理，冷却液经过主压力传感器P11之后一部分流向第N燃料电池模组，利用第N-1支路上的分压力传感器P1N可检测进入第N-1支路的冷却液压力，流入第N燃料电池模组的冷却液，一部分通过流量计E1N、比例阀C-1N进入燃料电池模块PACK1N，利用第一温度传感器T1N可检测进入燃料电池模块PACK1N之前的冷却液的温度，利用第二温度传感器T1N0可检测从燃料电池模块PACK1N流出的冷却液的温度；一部分通过流量计E2N、比例阀C-2N进入燃料电池模块PACK2N，利用第一温度传感器T2N可检测进入燃料电池模块PACK2N之前的冷却液的温度，利用第二温度传感器T2N0可检测从燃料电池模块PACK2N流出的冷却液的温度；一部分通过流量计E3N、比例阀C-3N进入燃料电池模组PACK3N，利用第一温度传感器T3N可检测进入燃料电池模块PACK3N之前的冷却液的温度，利用第二温度传感器T3N0可检测从燃料电池模块PACK3N流出的冷却液的温度；一部分通过流量计EiN、比例阀C-iN进入燃料电池模块PACKiN，利用第一温度传感器TiN可检测进入燃料电池模块PACKiN之前的冷却液的温度，利用第二温度传感器TiN0可检测从燃料电池模块PACKiN流出的冷却液的温度(i为第N燃料电池模组中燃料电池单元的数量)，最后汇流，通过第N换热器BN和散热设备C1对第N燃料电池模组的各燃料电池模块PACKiN进行换热，进而使第N燃料电池模组产生的热通过第N换热器BN换到外循环散热回路200中，最后通过散热设备C1将热量散到大气中，通过第N换热器BN的冷却液在回流过程中，依次流经第N-1换热器BN-1...第一换热器B1回流至第一水泵A1中。
设定燃料电池模块PACKiy的目标入口冷却液温度(冷却液流入燃料电池模块PACKiy之前的温度)、目标出口冷却液温度(冷却液从燃料电池模块PACKiy流出后的温度)、冷却液目标流量Q11。
第一燃料电池模组和第一换热器B1连接在冷却液回路100中，第N燃料电池模组和第N换热器BN连接在第N-1支路中，使得每个燃料电池模组PACKiN分别配有一个独立的换热器By，每个换热器By可分别对各燃料电池进行换热，提高换热效率。冷却液在流经多个换热器By之后汇集，可保证进入冷却液回路100和各支路的冷却液温度保持一致，通过控制散热设备C1的冷却能力即可调节各燃料电池模组中的各燃料电池模块PACKiy的入口冷却液温度，使各燃料电池模块PACKiy内的实际冷却液温度与目标入口冷却液温度之间的差值趋于0。通过控制各燃料电池模块PACKiy对应的比例阀C-iy的开度，调节进入各燃料电池模块PACKiy的冷却液流量，进而调节目标出口冷却液温度，使冷却液从燃料电池模块PACKiy流出后的温度与目标出口冷却液温度之间的差值趋于0。通过各流量计Eiy的实际反馈流量Qact-11与目标流量Q11的偏差，进而识别各燃料电池模块PACKiy运行的健康度。
每个燃料电池模组PACKiN分别配有一个独立的换热器By，每个换热器By可分别对各燃料电池进行换热，提高换热效率，解决了大功率燃料电站的燃料电池系统散热问题，通过控制各比例阀C-iy的开度，可以解决所有燃料电池冷却液分配不均匀的问题，可以独立控制不同燃料电池模块PACKiy的流量，使燃料电池系统性能更佳，且节约成本。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大功率电站用燃料电池散热系统，其特征在于，包括冷却液回路和散热回路；
所述冷却液回路包括第一水泵、N个燃料电池模组和N个换热器，N个燃料电池模组包括第一燃料电池模组...第N燃料电池模组，N个换热器包括第一换热器...第N换热器，N为自然数，且大于1，所述燃料电池模组和所述换热器一一对应，所述第一水泵与第一燃料电池模组、第一换热器串联形成冷却液回路，第二燃料电池模组和第二换热器形成第一支路，与所述第一燃料电池模组并联，串联至所述冷却液回路中，第三燃料电池模组和第三换热器形成第二支路，与所述第二燃料电池模组并联，串联至所述第一支路中，依次类推，第N燃料电池模组和第N换热器形成第N-1支路，与第N-1燃料电池模组并联，串联至所述第N-2支路中；
所述散热回路包括第二水泵和散热设备，所述第二水泵、所述散热设备和N个所述换热器依次通过管道串联。
2.如权利要求1所述的大功率电站用燃料电池散热系统，其特征在于，各所述燃料电池模组包括多个并联的燃料电池单元，所述燃料电池单元包括依次通过分管道连接的流量计、比例阀和燃料电池模块，所述流量计位于所述燃料电池模块和所述第一水泵之间。
3.如权利要求2所述的大功率电站用燃料电池散热系统，其特征在于，所述分管道上设有第一温度传感器，所述第一温度传感器位于所述比例阀和所述燃料电池模块之间，所述第一温度传感器用于测量冷却液进入所述燃料电池模块之前的温度。
4.如权利要求3所述的大功率电站用燃料电池散热系统，其特征在于，所述分管道上设有第二温度传感器，所述燃料电池模块位于所述比例阀和所述第二温度传感器之间，所述第二温度传感器用于测量从所述燃料电池模块流出的冷却液的温度。
5.如权利要求2所述的大功率电站用燃料电池散热系统，其特征在于，所述燃料电池模块为单堆或多堆。
6.如权利要求1所述的大功率电站用燃料电池散热系统，其特征在于，所述冷却液回路上设有主压力传感器，所述主压力传感器位于所述第一水泵和所述燃料电池模组之间。
7.如权利要求1所述的大功率电站用燃料电池散热系统，其特征在于，所述第一支路...第N-1支路上均设有分压力传感器，所述燃料电池模组位于所述分压力传感器和所述换热器之间。
8.如权利要求1所述的大功率电站用燃料电池散热系统，其特征在于，散热设备为散热器或冷却塔。
9.如权利要求1所述的大功率电站用燃料电池散热系统，其特征在于，所述换热器为板式换热器。
10.一种控制方法，其特征在于，利用如权利要求4所述的大功率电站用燃料电池散热系统，包括以下步骤：
通过控制散热设备的冷却能力，调节各燃料电池模组中的各燃料电池模块的入口冷却液温度，使各燃料电池模块内的实际冷却液温度与目标入口冷却液温度之间的差值趋于0；
通过控制各燃料电池模块对应的比例阀的开度，调节进入各燃料电池模块的冷却液流量，进而调节目标出口冷却液温度，使冷却液从燃料电池模块流出后的温度与目标出口冷却液温度之间的差值趋于0；
通过各流量计的实际反馈流量与目标流量的偏差，进而识别各燃料电池模块运行的健康度。
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