CN115882585A - 一种基于燃料电池的离网供电系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于燃料电池的离网供电系统及其控制方法。该系统包括控制装置、发电装置、储能装置和直流母线，所述控制装置用于控制发电装置、储能装置工作，所述发电装置包括甲醇水蒸气重整制氢反应器、氢气存储模块、燃料电池、三通控制阀、流量调节阀、第一DC/DC变换器，所述储能装置包括锂电池和第二DC/DC变换器。本发明在保证甲醇水蒸气重整制氢反应器制氢量不变的情况下，通过氢气存储模块存储多余氢气或提供额外氢气，保证燃料电池输出的功率与负载功率一致，减少了氢气浪费，降低了运行成本。
Description
技术领域
本发明涉及离网供电技术领域，尤其涉及一种基于燃料电池的离网供电系统及其控制方法。
背景技术
燃料电池是一种高效的电化学能量转换装置，它直接将燃料的化学能转化为电能，不受卡诺循环限制，具有清洁、无污染、噪声低、能量密度高、启动快、连续供电时间长等优点，且输出为直流，这使得燃料电池非常适用于直流负载设备，常用于偏远地区的离网供电系统。
现有的燃料电池离网供电系统采用甲醇重整制氢，现有的甲醇水蒸气重整制氢反应器工作时输出固定流量的氢气，由于离网供电系统上负载的功率会出现变化，导致氢气消耗量波动，从而造成氢气浪费，增加了运行成本。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种基于燃料电池的离网供电系统及其控制方法，其在保证甲醇水蒸气重整制氢反应器制氢量不变的情况下，通过氢气存储模块存储多余氢气或提供额外氢气，保证燃料电池输出的功率与负载功率一致，减少了氢气浪费，降低了运行成本。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明的一种基于燃料电池的离网供电系统，包括控制装置、发电装置、储能装置和直流母线，所述控制装置用于控制发电装置、储能装置工作，所述发电装置包括甲醇水蒸气重整制氢反应器、氢气存储模块、燃料电池、三通控制阀、流量调节阀、第一DC/DC变换器，所述储能装置包括锂电池和第二DC/DC变换器，所述甲醇水蒸气重整制氢反应器的氢气输出端与三通控制阀的进气口连接，所述三通控制阀的第一出气口与燃料电池的氢气输入端连接，所述三通控制阀的第二出气口与氢气存储模块的进气端连接，所述氢气存储模块的出气端通过流量调节阀与燃料电池的氢气输入端连接，所述燃料电池通过第一DC/DC变换器与直流母线电连接，所述锂电池通过第二DC/DC变换器与直流母线电连接。
在本方案中，甲醇水蒸气重整制氢反应器工作，输出预设流量的氢气到燃料电池，三通控制阀控制第一出气口全开、控制第二出气口关闭，流量调节阀关闭，燃料电池按照预设功率发电给直流母线供电，外部负载从直流母线获取电能；
当外部负载的功率小于预设功率时，三通控制阀控制第一出气口减小输入燃料电池的氢气流量直到燃料电池的输出功率减小到与外部负载的功率一致，甲醇水蒸气重整制氢反应器输出的多余氢气从三通控制阀的第二出气口进入氢气存储装置存储；
当外部负载的功率大于预设功率时，三通控制阀控制第一出气口全开、控制第二出气口关闭，流量调节阀打开，氢气存储装置存储的氢气通过流量调节阀输入到燃料电池，流量调节阀调节输出氢气的流量，直到燃料电池的输出功率增大到与外部负载的功率一致。
本方案在保证甲醇水蒸气重整制氢反应器制氢量不变的情况下，通过氢气存储模块存储多余氢气或提供额外氢气，保证燃料电池输出的功率与负载功率一致，减少了氢气浪费，降低了运行成本。甲醇水蒸气重整制氢反应器无需根据燃料电池的输出功率变化更改氢气产生量，能够保持工作稳定，避免频繁变动，提高稳定性。
作为优选，所述氢气存储模块包括增压泵和高压储氢罐，所述三通控制阀的第二出气口通过增压泵与高压储氢罐的氢气输入端连接，所述高压储氢罐的氢气输出端通过流量调节阀与燃料电池的氢气输入端连接。
作为优选，所述发电装置还包括第一控制开关，所述第一控制开关设置在第一DC/DC变换器与直流母线之间，所述储能装置还包括第二控制开关，所述第二控制开关设置在第二DC/DC变换器与直流母线之间。
作为优选，所述控制装置包括控制器和无线通信模块，所述控制器与无线通信模块电连接。
作为优选，所述控制装置还包括报警器，所述报警器与控制器电连接。
本发明的一种基于燃料电池的离网供电系统的控制方法，用于上述的一种基于燃料电池的离网供电系统，包括以下步骤：
甲醇水蒸气重整制氢反应器工作，输出预设流量的氢气到燃料电池，三通控制阀控制第一出气口全开、控制第二出气口关闭，流量调节阀关闭，燃料电池按照预设功率发电给直流母线供电，外部负载从直流母线获取电能；
当外部负载的功率小于预设功率时，三通控制阀控制第一出气口减小输入燃料电池的氢气流量直到燃料电池的输出功率减小到与外部负载的功率一致，甲醇水蒸气重整制氢反应器输出的多余氢气从三通控制阀的第二出气口进入氢气存储装置存储；
当外部负载的功率大于预设功率时，三通控制阀控制第一出气口全开、控制第二出气口关闭，流量调节阀打开，氢气存储装置存储的氢气通过流量调节阀输入到燃料电池，流量调节阀调节输出氢气的流量，直到燃料电池的输出功率增大到与外部负载的功率一致。
作为优选，当发电装置出现故障时，第二控制开关闭合，锂电池给直流电网供电。
作为优选，当锂电池电量小于设定值时，第二控制开关闭合，锂电池从直流电网获取电能充电。
本发明的有益效果是：在保证甲醇水蒸气重整制氢反应器制氢量不变的情况下，通过氢气存储模块存储多余氢气或提供额外氢气，保证燃料电池输出的功率与负载功率一致，减少了氢气浪费，降低了运行成本。
附图说明
图1是实施例的结构示意图。
图中：1、控制装置，2、发电装置，3、储能装置，4、直流母线，5、甲醇水蒸气重整制氢反应器，6、燃料电池，7、三通控制阀，8、流量调节阀，9、第一DC/DC变换器，10、锂电池，11、第二DC/DC变换器，12、增压泵，13、高压储氢罐，14、第一控制开关，15、第二控制开关。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种基于燃料电池的离网供电系统，如图1所示，包括控制装置1、发电装置2、储能装置3和直流母线4，控制装置1用于控制发电装置2、储能装置3工作，发电装置2包括甲醇水蒸气重整制氢反应器5、氢气存储模块、燃料电池6、三通控制阀7、流量调节阀8、第一DC/DC变换器9、第一控制开关14，氢气存储模块包括增压泵12和高压储氢罐13，储能装置3包括锂电池10、第二DC/DC变换器11、第二控制开关15，甲醇水蒸气重整制氢反应器5的氢气输出端与三通控制阀7的进气口连接，三通控制阀7的第一出气口与燃料电池6的氢气输入端连接，三通控制阀7的第二出气口通过增压泵12与高压储氢罐13的氢气输入端连接，高压储氢罐13的氢气输出端通过流量调节阀8与燃料电池6的氢气输入端连接，燃料电池6依次通过第一DC/DC变换器9、第一控制开关14与直流母线4电连接，锂电池10依次通过第二DC/DC变换器11、第二DC/DC变换器11与直流母线4电连接。
在本方案中，甲醇水蒸气重整制氢反应器工作，输出预设流量的氢气到燃料电池，三通控制阀控制第一出气口全开、控制第二出气口关闭，流量调节阀关闭，燃料电池按照预设功率发电给直流母线供电，外部负载从直流母线获取电能；
当外部负载的功率小于预设功率时，三通控制阀控制第一出气口减小输入燃料电池的氢气流量直到燃料电池的输出功率减小到与外部负载的功率一致，甲醇水蒸气重整制氢反应器输出的多余氢气从三通控制阀的第二出气口进入氢气存储装置存储；
当外部负载的功率大于预设功率时，三通控制阀控制第一出气口全开、控制第二出气口关闭，流量调节阀打开，氢气存储装置存储的氢气通过流量调节阀输入到燃料电池，流量调节阀调节输出氢气的流量，直到燃料电池的输出功率增大到与外部负载的功率一致。
本方案在保证甲醇水蒸气重整制氢反应器制氢量不变的情况下，通过氢气存储模块存储多余氢气或提供额外氢气，保证燃料电池输出的功率与负载功率一致，减少了氢气浪费，降低了运行成本。甲醇水蒸气重整制氢反应器无需根据燃料电池的输出功率变化更改氢气产生量，能够保持工作稳定，避免频繁变动，提高稳定性。
控制装置1包括控制器、无线通信模块和报警器，控制器分别与无线通信模块、报警器电连接。控制装置将离网供电系统的运行状态通过无线通信模块发送到云端，便于用户查看，当离网供电系统出现故障时，报警器发出报警，第二控制开关闭合，锂电池给直流电网供电。
本实施例的一种基于燃料电池的离网供电系统的控制方法，用于上述的一种基于燃料电池的离网供电系统，包括以下步骤：
甲醇水蒸气重整制氢反应器工作，输出预设流量的氢气到燃料电池，三通控制阀控制第一出气口全开、控制第二出气口关闭，流量调节阀关闭，燃料电池按照预设功率发电给直流母线供电，外部负载从直流母线获取电能；
当外部负载的功率小于预设功率时，三通控制阀控制第一出气口减小输入燃料电池的氢气流量直到燃料电池的输出功率减小到与外部负载的功率一致，甲醇水蒸气重整制氢反应器输出的多余氢气从三通控制阀的第二出气口进入氢气存储装置存储；
当外部负载的功率大于预设功率时，三通控制阀控制第一出气口全开、控制第二出气口关闭，流量调节阀打开，氢气存储装置存储的氢气通过流量调节阀输入到燃料电池，流量调节阀调节输出氢气的流量，直到燃料电池的输出功率增大到与外部负载的功率一致；
当发电装置出现故障时，第二控制开关闭合，锂电池给直流电网供电；
当锂电池电量小于设定值时，第二控制开关闭合，锂电池从直流电网获取电能充电。
Claims (8)
1.一种基于燃料电池的离网供电系统，其特征在于，包括控制装置(1)、发电装置(2)、储能装置(3)和直流母线(4)，所述控制装置(1)用于控制发电装置(2)、储能装置(3)工作，所述发电装置(2)包括甲醇水蒸气重整制氢反应器(5)、氢气存储模块、燃料电池(6)、三通控制阀(7)、流量调节阀(8)、第一DC/DC变换器(9)，所述储能装置(3)包括锂电池(10)和第DC/DC变换器(11)，所述甲醇水蒸气重整制氢反应器(5)的氢气输出端与三通控制阀(7)的进气口连接，所述三通控制阀(7)的第一出气口与燃料电池(6)的氢气输入端连接，所述三通控制阀(7)的第二出气口与氢气存储模块的进气端连接，所述氢气存储模块的出气端通过流量调节阀(8)与燃料电池(6)的氢气输入端连接，所述燃料电池(6)通过第一DC/DC变换器(9)与直流母线(4)电连接，所述锂电池(10)通过第DC/DC变换器(11)与直流母线(4)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池的离网供电系统，其特征在于，所述氢气存储模块包括增压泵(12)和高压储氢罐(13)，所述三通控制阀(7)的第二出气口通过增压泵(12)与高压储氢罐(13)的氢气输入端连接，所述高压储氢罐(13)的氢气输出端通过流量调节阀(8)与燃料电池(6)的氢气输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池的离网供电系统，其特征在于，所述发电装置(2)还包括第一控制开关(14)，所述第一控制开关(14)设置在第一DC/DC变换器(9)与直流母线(4)之间，所述储能装置(3)还包括第二控制开关(15)，所述第二控制开关(15)设置在第二DC/DC变换器(11)与直流母线(4)之间。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于燃料电池的离网供电系统，其特征在于，所述控制装置(1)包括控制器和无线通信模块，所述控制器与无线通信模块电连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于燃料电池的离网供电系统，其特征在于，所述控制装置(1)还包括报警器，所述报警器与控制器电连接。
6.一种基于燃料电池的离网供电系统的控制方法，用于权利要求3所述的一种基于燃料电池的离网供电系统，其特征在于，包括以下步骤：
甲醇水蒸气重整制氢反应器工作，输出预设流量的氢气到燃料电池，三通控制阀控制第一出气口全开、控制第二出气口关闭，流量调节阀关闭，燃料电池按照预设功率发电给直流母线供电，外部负载从直流母线获取电能；
当外部负载的功率小于预设功率时，三通控制阀控制第一出气口减小输入燃料电池的氢气流量直到燃料电池的输出功率减小到与外部负载的功率一致，甲醇水蒸气重整制氢反应器输出的多余氢气从三通控制阀的第二出气口进入氢气存储装置存储；
当外部负载的功率大于预设功率时，三通控制阀控制第一出气口全开、控制第二出气口关闭，流量调节阀打开，氢气存储装置存储的氢气通过流量调节阀输入到燃料电池，流量调节阀调节输出氢气的流量，直到燃料电池的输出功率增大到与外部负载的功率一致。
7.根据权利要求6所述的一种基于燃料电池的离网供电系统的控制方法，其特征在于，当发电装置出现故障时，第二控制开关闭合，锂电池给直流电网供电。
8.根据权利要求6所述的一种基于燃料电池的离网供电系统的控制方法，其特征在于，当锂电池电量小于设定值时，第二控制开关闭合，锂电池从直流电网获取电能充电。
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| CN202211561124.8A CN115882585A (zh) | 2022-12-15 | 2022-12-15 | 一种基于燃料电池的离网供电系统及其控制方法 |
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