CN115101782B - 一种分布式燃料电池供电机柜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式燃料电池供电机柜，包括集成燃料电池系统的改造机柜及燃料电池与数据中心的耦合热管理系统；所述燃料电池系统集成于机柜内下部，所述机柜内上部集成服务器组及其冷却设备；所述燃料电池系统包含燃料电池电堆、板式换热器及燃料电池控制模块；所述燃料电池控制模块包含氢气模块、空气模块、冷却模块、尾排模块以及电源模块；所述机柜内上部包含标准服务器组、液体‑空气换热器以及风扇矩阵，三者协同工作实现服务器的冷却；所述燃料电池与数据中心的耦合热管理系统包含：服务器热管理，燃料电池热管理及机房热管理的耦合管理。本发明提高了数据中心利用氢燃料电池零碳直流供电及中温余热回收利用的可行性，提高了系统效率。

Description

一种分布式燃料电池供电机柜
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种分布式燃料电池供电机柜及燃料电池与数据中心的耦合热管理架构。
背景技术
相比美国、欧洲等地区，中国将成为世界上数据中心规模体量最大的区域。如此巨大的数据中心规模体量，其耗电量也十分巨大，在2017年已经达到了1250亿千瓦时，超过了三峡大坝与葛洲坝电厂发电量的总和。数据中心耗电量迅速增长，提高其电能利用效率与利用可再生能源供电方面的需求已经初显端倪。
现有专利：一种数据中心供配电和热能利用系统(公开号：CN112134279A)本发明公开了一种数据中心供配电和热能利用系统。该发明利用氢能源转化装置代替传统柴油机为数据中心供电，并将氢能源转化装置产生的废热充分利用，为数据中心制冷。该发明指出了将氢燃料电池作为市电的削峰填谷设备，并将其所产余热用于供氢与吸收式制冷设备的驱动能源。但依旧采用了市电作为夜间的供能来源，市电电力的清洁度难以保障。
针对上述专利所采用的吸收式制冷设备，有专利：燃料电池供电制冷的一体化机柜(专利号：CN 114071963 A)，该发明将吸收式制冷系统直接集成进了机柜内部，利用了燃料电池、吸收式制冷设备，将燃料电池直接与终端用能机柜结合，可以实现单机柜独立的用电以及供冷。但专利(CN 114071963 A)并未详细叙述模块化设备在机柜中的具体物理布置，以及相应模块尺寸，仅通过效率、功率等参数进行系统描述，难以在常规机柜尺寸(标准48U机柜的长宽高一般不超过600mm*1200mm*2200mm)下集成大功率服务器组，大功率燃料电池，以及大功率吸收式制冷模块，实际应用时或需要定制化机柜柜体，不利于推广使用。在热管理方面，该发明将吸收式制冷设备集成入机柜的设计较为激进，此时服务器冷却所需冷量完全依靠燃料电池产热，即发生器所需热源的温度与响应时间完全依靠燃料电池的实时工况调节，难以保证服务器供冷的稳定，若负载出现较大的瞬态波动，燃料电池提供的热源会有一个较长的响应时间，这期间将造成服务器冷量供应短缺，易导致热失衡。
上述专利均未考虑燃料电池在数据中心中如何配置，未细述支持燃料电池电堆工作的必须子系统要如何融入数据中心机柜及数据中心机房以保障燃料电池电堆工作稳定，在热管理方面并未描述所采用冷却设备如何与数据中心机房、服务器以及燃料电池进行物理耦合，工程应用可行性大大降低。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种分布式燃料电池供电机柜，改造并结合了现有数据中心的冷却系统架构以及单机柜的标准尺寸(42U)，基于重要设备的具体尺寸(部分为估计尺寸)及运行参数，对单机柜中应用燃料电池进行供电的方案提出了详细的物理位置设计、电力供应设计以及机柜内热量管理方案设计。目的在于解决数据中心使用氢燃料电池技术进行供电并实现高效耦合热管理的问题，实现数据中心与氢燃料电池的有机耦合运行，为零碳数据中心提供燃料电池技术的应用思路。
为达到实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种分布式燃料电池供电机柜，包括集成燃料电池系统的改造机柜、燃料电池与数据中心的耦合热管理系统、燃料电池控制系统及数据中心机房；
所述燃料电池系统集成于机柜内下部，所述机柜内上部集成服务器组及其冷却设备；
所述燃料电池系统包含燃料电池电堆、板式换热器及燃料电池控制模块；
所述燃料电池控制模块包含氢气模块、空气模块、冷却模块、尾排模块以及电源模块，所述氢气模块、空气模块、冷却模块、尾排模块以及电源模块之间通过管路或电路与燃料电池电堆完成连接并完整集成于机柜内下部位置；所述氢气模块与机柜外部的氢气供应模块通过管道连接，终端连接燃料电池电堆；所述空气模块与机柜外部的空气供应模块通过管道连接，终端连接燃料电池电堆；所述尾排模块与机柜外部的尾排处理模块通过管道连接，始端连接燃料电池电堆；所述冷却模块与燃料电池电堆通过管道完成闭路连接，所述板式换热器属于冷却模块的一部分，所述板式换热器的冷却液来自于液体-空气换热器的冷却液出口；所述燃料电池控制系统的电源模块用于供电；
所述机柜内上部包含标准服务器组、液体-空气换热器以及风扇矩阵，三者协同工作实现服务器的冷却；
所述燃料电池与数据中心的耦合热管理系统包含：服务器热管理，燃料电池热管理以及机房热管理的耦合管理；所述服务器热管理通过所述液体-空气换热器及风扇矩阵实现，所述燃料电池热管理通过液体-空气换热器排出低温回液的一部分实现，所述机房的热管理通过所述数据中心机房外的冷却设备实现。
本发明进一步的改进在于，所述液体-空气换热器及板式换热器的冷却液均来自机房外部的冷却设备。
本发明进一步的改进在于，所述冷却液为水或氟化液。
本发明进一步的改进在于，所述液体-空气换热器入口的冷却液在出口处被加热成为温度高的低温回液，所述低温回液排出后，通过流量分配阀进行分流，一部分输送至所述板式换热器，另一部分输送至数据中心机房外的冷却设备；输送至板式换热器的低温回液于板式换热器中完成热量交换后成为一股高温回液并经由保温管道输送至机房外。
本发明进一步的改进在于，所述燃料电池控制系统的电源模块视服务器负载电源输入采用不同的配置方案。
本发明进一步的改进在于，所述机柜与数据中心42U标准机柜的几何尺寸一致，机柜前后位置进行开孔以实现燃料电池系统相关氢气、空气以及尾排管路的布置与连接。
本发明进一步的改进在于，氢气供应模块包含氢气气瓶，减压阀以及通入机房内的管路系统；所述空气供应模块包含压气机、控制阀门、过滤器及通入机房内的管路系统；所述尾排处理模块包含氢气浓度监测器及汇总每个机柜尾排并通出机房的管路系统。
本发明进一步的改进在于，当所述服务器组为直流时，此时所述燃料电池控制系统的电源模块设置为：燃料电池电堆与升压DC-DC连接，市电接入与AC-DC转换器连接，燃料电池电堆与升压DC-DC连接以及市电接入与AC-DC转换器连接后并联再与锂电池并联，三路汇总后直接供应服务器负载；
当所述服务器组为交流负载时，此时电源模块的设置为：燃料电池与升压DC-DC连接，而后并联锂电池，燃料电池与升压DC-DC连接并联锂电池后连接至DC-AC转换器得到交流电，再与市电并联之后供电所述服务器负载。
本发明进一步的改进在于，数据中心机房外的冷却设备包含：冷凝器、冷源系统、液体泵、储热罐和余热利用设备；所述冷凝器及冷源系统完成冷冻液的获得与存储，而后液体泵向改造机柜内的液体-空气换热器泵送冷冻液，所述余热利用设备完成余热利用后需要向冷凝器补充冷冻液。
相较于现有技术，本发明具有如下有益的技术效果：
(A)本发明详述了将燃料电池系统、服务器组以及二者的耦合冷却设备完整集成于数据中心常规42U机柜内部的物理架构布置方案，直观可行，实现了燃料电池系统与数据中心机柜内服务器组的有机耦合，有助于促进氢燃料电池应用于数据中心的工程落地；
(B)通过实施例可见，本发明考虑了支持燃料电池电堆工作的子系统在单机柜内的集成空间，提出了燃料电池工作所需要的氢气供应、空气供应以及尾排处理与数据中心机房与机柜相结合的解决方案，实现了燃料电池系统与数据中心的深度耦合，将主要供能主体设置为氢燃料电池，可实现数据中心服务器直接应用分布式氢燃料电池进行绿电供电。且对于部分已建设完成的数据中心，可以在付出较低改造成本的基础上可将已建设运行的数据中心直接改造转换为完全应用绿电的数据中心。
(C)本发明采用了传统数据中心冷却液循环对机柜与燃料电池进行冷却，综合考虑了服务器冷却液温度需求与燃料电池电堆冷却液温度需求，提出将冷却液优先冷却服务器而后分出一股冷却液冷却燃料电池的统一冷却方案。在相关换热器参数选型合适的情况下，通过简单的流量调控即可实现燃料电池电堆与服务器的稳定冷却，也能获得较高温度的回液用于余热利用。
(D)本发明所设计机柜应用于实际数据中心时，冷冻液由大型冷凝器供应，此时集中制冷的制冷效率较高，如将利用冷凝器制冷替换为利用自然冷源进行制冷，再考虑高温回液余热回收的效率，整体系统效率将高于燃料电池冷热电联供效率。
(E)本发明针对服直流服务器与交流服务器分别设计了燃料电池、锂电池以及市电相匹配的混合电力供应方案，将燃料电池发电作为服务器用电来源，将市电作为备用电力，配合锂电池，可实现服务器供能稳定以及零碳用能。
(F)本发明方案合理，容易实现，能充分发挥燃料电池零碳(低碳)直流供电、分布式机柜供电的灵活性和氢燃料电池中温余热利用的优势。
附图说明
图1是本发明的单机柜及柜内主要器件示意图。
图2是本发明的制冷系统设计方案示意图。
图3是本发明的直流服务器负载电路设计示意图。
图4是本发明的交流服务器负载电流设计示意图。
附图标记说明：
1-机柜柜体，2-标准服务器组，3-液体-空气换热器，4-风扇矩阵，5-燃料电池电堆，6-板式换热器，7-燃料电池控制模块，8-氢气供应模块，9-空气供应模块，10-尾排处理模块，11-机房空气，12-流量分配阀，13-储热罐，14-冷凝器，15-冷源系统，16-液体泵，17-余热利用设备。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
遵从上述技术方案，如图1至图4所示，本实施例给出一种耦合燃料电池与数据中心的系统架构，包含单机柜内部的物理架构、燃料电池与数据中心的耦合热量管理方案、以及服务器的电力管理方案，提供了一种可实现用能零碳、高效冷却的数据中心建设方案。
本发明提供的一种分布式燃料电池供电机柜，包含以下部分：
机柜柜体改造：机柜柜体1中由上而下依次布置以下主要实体：标准服务器组2、液体-空气换热器3、风扇矩阵4、燃料电池电堆5、燃料电池板式换热器6、燃料电池控制模块7。机柜柜体需要进行一定改造，如图2所示，机柜正面与背面需要进行开孔并设置管道，确保氢气供应模块8、空气供应模块9以及尾排处理模块10可与燃料电池控制模块7实现物理连接。
燃料电池系统于机柜中集成，以本实例为例，要求燃料电池控制模块7的尺寸不超过500mm*900mm*800mm，包含：氢气模块、空气模块、冷却模块、尾排模块以及电源模块。氢气模块集成有减压阀、电磁阀、氢引射器以及必要的管路。氢气模块与机柜外部氢气供应模块8相连，共同完成对燃料电池电堆的氢气供应。空气模块集成有空气过滤器、鼓风机、加湿器以及必要的管路。空气模块与空气供应模块9相连，通过管路将数据中心园区外界的空气供应至燃料电池电堆。尾排模块主要由尾排管道构成，尾排模块与尾排处理模块10相连，将燃料电池电堆排出的混合了部分氢气、空气及水的尾排混合物通过排放至机房外部，通过加气混合的方式可确保尾排中氢气浓度在安全范围内。上述氢气模块、氢气供应模块8、空气模块、空气供应模块9、尾排模块以及尾排处理模块10将视燃料电池电堆5的工作状况协同工作，完成燃料电池电堆5的氢气供应需求、空气供应需求以及尾排需求。电源模块的功能是将燃料电池电堆的低电压大电流转换为数据中心服务器可用的高电压小电流，对于直流服务器负载，如图3所示，首先将燃料电池输出升压，而后并联锂电池，共同为服务器提供稳定直流电力，市电通过一个交流转直流逆变器转换为直流负载所需电压，作为直流母线上的服务器备用电力。对于交流供电的服务器，电路设计如图4所示，将燃料电池升压与锂电池并联后，通过一个DC-AC变换器将直流电转换为交流电，供给服务器，由于末端为交流电，保留市电在交流母线电流中，将市电作为备用电源。
燃料电池工作保障设备：参阅图2所示，为保障燃料电池工作，需要在每个机柜的前后侧合适位置安装供应保障管路，包括氢气供应模块8、空气供应模块9以及尾排处理模块10。其中氢气供应模块8需要与数据中心储氢罐连接，实现供氢压力的稳定，配备氢气泄漏监测传感器，在检测到泄露时中断氢气供应并转换市电接入。空气供应模块9包含必要的管路以及鼓风增压设备，需要实现燃料电池工作所需必要空气气流的稳定供应并与机房内部空气环境实现物理隔绝。尾排处理模块10同样采取铺设管道的方式，通过管道将含有氢气、空气、水蒸气及液态水的混合物排放至机房外。
机房外冷却设备：参阅图2所示，机房外配备有储热罐13，冷凝器14、冷源系统15、液体泵16以及余热利用设备17。冷凝器14的容量选型与数据中心整体冷却液需求相匹配。储热罐将机房高温回液进行存储并输送至余热利用设备17，视不同的余热利用方案，设备17需要向冷凝器14补充供应冷却液，可以是余热利用后的废液也可以是额外补充的冷却液，目的在于保证机房冷却液循环的流量守恒。冷凝器14将机房低温回液与余热利用设备的补充冷却液冷却至机房供冷的需求温度，储存于冷源系统15中，再通过液体泵16送至机房内部液体-空气换热器3，形成了冷却循环。
下文以一设计实例为基础详细说明本发明的工作过程：
以单机柜直流服务器负载为例，假设机柜服务负载为5kW，假设燃料电池电堆通过DC-DC变流器等电力转换设备的总电源转换损耗为10％，燃料电池系统发电输出功率需要达到5.56kW以满足机柜用电需求。
假设服务器电功率最终均转换为热功率，以水为冷却液，则液体-空气换热器3通过冷却液带走的热量为5kW，假设冷却液送液温度为20℃、回液温度为25℃，则单机柜需要的冷却液流量约为0.238kg/s(5kW/5K/4.2kJ·kg-1K-1)。
假设燃料电池系统输出电功率占总发电功率的80％，则对5kW的服务器阵列进行供电时，燃料电池电堆实际发电功率为6.94kW(5kW/0.9/0.8)，假设燃料电池电堆发电效率为50％，相应发热功率也为6.94kW，即低温回液需要从燃料电池系统带走6.94kW的换热量，热量交换过程发生在板式换热器6中。对板式换热器6来说，低温回液入口温度为25℃，设计出口温度为60℃，此时冷却液流量为0.0472kg/s(6.94kW/35K/4.2kJ·kg-1K-1)，约占单机柜冷却液供液流量的20％，可依照图2中所设置的流量分配阀12调节输送至燃料电池板式换热器的液量至上述值。
机柜输送至外界的回液分为两股，一股为25℃的低温回液，另一股为60℃的高温回液。低温回液输送至冷凝器进行制冷并循环泵入机房内，高温回液首先送入储热罐13，而后向余热利用设备17供应，最终余热利用设备17需要向冷凝器14补充循环冷却液。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种分布式燃料电池供电机柜，其特征在于，包括集成燃料电池系统的改造机柜、燃料电池与数据中心的耦合热管理系统、燃料电池控制系统及数据中心机房；
所述燃料电池系统集成于机柜内下部，所述机柜内上部集成服务器组及其冷却设备；
所述燃料电池系统包含燃料电池电堆、板式换热器及燃料电池控制模块；
所述燃料电池控制模块包含氢气模块、空气模块、冷却模块、尾排模块以及电源模块，所述氢气模块、空气模块、冷却模块、尾排模块以及电源模块之间通过管路或电路与燃料电池电堆完成连接并完整集成于机柜内下部位置；所述氢气模块与机柜外部的氢气供应模块通过管道连接，终端连接燃料电池电堆；所述空气模块与机柜外部的空气供应模块通过管道连接，终端连接燃料电池电堆；所述尾排模块与机柜外部的尾排处理模块通过管道连接，始端连接燃料电池电堆；所述冷却模块与燃料电池电堆通过管道完成闭路连接，所述板式换热器属于冷却模块的一部分，所述板式换热器的冷却液来自于液体-空气换热器的冷却液出口；所述燃料电池控制系统的电源模块用于供电；
所述机柜内上部包含标准服务器组、液体-空气换热器以及风扇矩阵，三者协同工作实现服务器的冷却；
所述燃料电池与数据中心的耦合热管理系统包含：服务器热管理，燃料电池热管理以及机房热管理的耦合管理；所述服务器热管理通过所述液体-空气换热器及风扇矩阵实现，所述燃料电池热管理通过液体-空气换热器排出低温回液的一部分实现，所述机房的热管理通过所述数据中心机房外的冷却设备实现；
所述液体-空气换热器及板式换热器的冷却液均来自机房外部的冷却设备；所述液体-空气换热器入口的冷却液在出口处被加热成为温度略高的低温回液，所述低温回液排出后，通过流量分配阀进行分流，一部分输送至所述板式换热器，另一部分输送至数据中心机房外的冷却设备；输送至板式换热器的低温回液于板式换热器中完成热量交换后成为一股高温回液并经由保温管道输送至机房外。
2.根据权利要求1所述的一种分布式燃料电池供电机柜，其特征在于，所述冷却液为水或氟化液。
3.根据权利要求1所述的一种分布式燃料电池供电机柜，其特征在于，所述燃料电池控制系统的电源模块视服务器负载电源输入采用不同的配置方案。
4.根据权利要求1所述的一种分布式燃料电池供电机柜，其特征在于，所述机柜与数据中心42U标准机柜的几何尺寸一致，机柜前后位置进行开孔以实现燃料电池系统相关氢气、空气以及尾排管路的布置与连接。
5.根据权利要求1所述的一种分布式燃料电池供电机柜，其特征在于，氢气供应模块包含氢气气瓶，减压阀以及通入机房内的管路系统；所述空气供应模块包含压气机、控制阀门、过滤器及通入机房内的管路系统；所述尾排处理模块包含氢气浓度监测器及汇总每个机柜尾排并通出机房的管路系统。
6.根据权利要求1所述的一种分布式燃料电池供电机柜，其特征在于，当所述服务器组为直流负载时，此时所述燃料电池控制系统的电源模块设置为：燃料电池电堆与升压DC-DC连接，市电接入与AC-DC转换器连接，燃料电池电堆与升压DC-DC连接以及市电接入与AC-DC转换器连接后并联再与锂电池并联，三路汇总后直接供应服务器负载；
当所述服务器组为交流负载时，此时电源模块的设置为：燃料电池与升压DC-DC连接，而后并联锂电池，燃料电池与升压DC-DC连接并联锂电池后连接至DC-AC转换器得到交流电，再与市电并联之后供电所述服务器负载。
7.根据权利要求1所述的一种分布式燃料电池供电机柜，其特征在于，数据中心机房外的冷却设备包含：冷凝器、冷源系统、液体泵、储热罐和余热利用设备；所述冷凝器及冷源系统完成冷冻液的获得与存储，而后液体泵向改造机柜内的液体-空气换热器泵送冷冻液，所述余热利用设备完成余热利用后需要向冷凝器补充冷冻液。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110649280A (zh) * 2019-09-26 2020-01-03 上海电气集团股份有限公司 燃料电池热电联供系统及装置
CN114071963A (zh) * 2021-11-16 2022-02-18 宝武清洁能源有限公司 燃料电池供电制冷的一体化机柜及数据中心

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8937405B2 (en) * 2009-12-31 2015-01-20 Facebook, Inc. Data center using fuel cells in place of diesel generators for backup power
US9462724B2 (en) * 2011-06-27 2016-10-04 Bloom Energy Corporation Convergent energized IT apparatus for commercial use
WO2021072429A1 (en) * 2019-10-07 2021-04-15 Elektrikgreen, Inc Autonomous power generation system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110649280A (zh) * 2019-09-26 2020-01-03 上海电气集团股份有限公司 燃料电池热电联供系统及装置
CN114071963A (zh) * 2021-11-16 2022-02-18 宝武清洁能源有限公司 燃料电池供电制冷的一体化机柜及数据中心

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