CN117638137A - 集成至燃料电池系统设计的设备数据中心平衡 - Google Patents

Abstract

能源系统可以包括数据中心计算机设备，被配置为同时提供操作所述数据中心设备的电源和冷却所述数据中心设备的电源的数据中心电源系统，配置成向所述数据中心电源系统供电的燃料电池，配置成向所述燃料电池提供备用电源和电源调节的现场电池存储器，向所述燃料电池提供燃料的现场储氢装置，以及过热回收连接件，所述过热回收连接件被配置为从所述数据中心电源系统传送液体以向所述燃料电池提供冷却。

Description

集成至燃料电池系统设计的设备数据中心平衡

相关申请的交叉引用

本申请要求2022年8月26日提交的美国临时专利申请63/401,287的优先权，其公开内容以引用方式并入本文。

背景技术

固定聚合物电解质膜(PEM)燃料电池作为数据中心备用柴油发电机的替代技术正在研究中。然而，当前通过多个供应商可获得的固定PEM燃料电池解决方案与柴油发电机相比是昂贵的，比柴油发电机占用更大的占地面积，并且需要比柴油发电机更大的燃料量。因此，当前可用的PEM燃料电池解决方案不是用于数据中心处的备用柴油发电机的有效即插即用替代。

现今可用于数据中心的备用燃料电池电源解决方案是基于容器的解决方案，其具有集成的机械冷却系统和电气基础设施，例如逆变器，控制装置，变压器和开关装置。今天的标准固定燃料电池解决方案的容量小于1MW。大多数供应商没有在3.0MW到3.5MW范围内的产品，这是数据中心柴油发动机的典型功率范围。供应商提供在MW容量大小范围内的产品通常包括为汽车工业开发的多个燃料电池模块或燃料电池发动机组，它们被拼合在一起以形成一个单元。与柴油发电机相比，这些汽车解决方案对于数据中心静态备用电源应用的容量，能量密度和尺寸不是最佳的，并且可能导致数据中心拥有者增加资本支出和低效率的性能。

发明内容

本公开的一个方面提供了与数据中心的配电和冷却系统电气和机械集成的燃料电池能源系统。所述燃料电池能源系统被配置为同时提供用于数据中心设备的操作的电源，用于冷却所述数据中心设备和用于冷却所述燃料电池的功率。所述燃料电池从现场储氢装置被供给燃料，所述燃料电池的操作与现场电池系统集成，现场电池系统的尺寸和结构适于为所述燃料电池的操作提供备用电源和电源调节。

本公开提出从燃料电池系统中去除冷却设备(空气冷却的冷却器)和电气设备(逆变器，变压器，开关装置等)，并将数据中心冷却和电气传输系统与燃料电池系统集成在一起以减少设备的资本消耗。

数据中心冷却系统集成PEM燃料电池将使用现今市场上可获得的PEM燃料电池固定模块，而不需要它们各自的制造商提供冷却系统。已经通过数据中心的冷却水以较高的温度离开数据中心。较高的温度仍然适于为燃料电池模块提供冷却。离开燃料电池模块的水将处于较高的温度，使得热的质量更适合于与热回收系统的配置。

能源系统可以包括现场或场外可再生能源产生系统，其用于为燃料电池产生氢和/或用于对现场电池存储系统充电和/或用于为数据中心供电。能源系统可以包括控制器，其被配置成增加或节流(throttle)从所述燃料电池和电池到所述数据中心电源系统以及从可再生能源产生系统到产氢系统，电池和数据中心电源系统的能量流。过热回收连接件可以被配置成向碳捕获系统提供热能，所述碳捕获系统可以被配置成从大气中捕获碳。支持燃料电池的现场电池存储器可以与其它数据中心电池集成，所述其它数据中心电池被配置成在断电开始时向所述数据中心计算机设备提供备用电源。

能源系统可以包括一个或多个逆变器，变压器或开关装置系统，它们可以与数据中心电源系统和数据中心计算机设备集成。过热回收连接件可以被配置成将热能传递到能源系统外部的场外使用，或者可以被配置现场使用，通过使用诸如镍钛发动机，吸附式冷却器或有机Rankine循环发动机之类的机构将热量转换为电能。数据中心能源系统可以被配置成从燃料电池，电池，热回收系统和电网中的任何一个或全部接收能量。

本公开的另一方面提供了一种冷却数据中心的方法。该方法可以包括提供具有数据中心计算机设备，数据中心电源系统，燃料电池和现场电池存储器的能源系统。数据中心电源系统可以同时提供用于数据中心设备的操作的电源和用于冷却数据中心设备的电源。所述燃料电池可以向数据中心电源系统提供电源，现场储氢系统可以为燃料电池提供燃料，现场电池存储器可以向燃料电池提供备用电源和电源调节，并且过热回收连接件可以将液体从所述数据中心电源系统传送到所述燃料电池以冷却所述燃料电池。

所述能源系统可以包括现场或场外可再生能源产生系统，用于为所述燃料电池产生氢和/或对现场电池存储系统充电和/或直接为所述数据中心供电。方法可以包括向现场储氢系统提供氢的产氢系统。所述能源系统可以具有控制。该方法可以包括控制增加或节流从可再生能源，燃料电池和/或电池到数据中心电源系统或从可再生能源产生系统到产氢系统，电池和/或数据中心电源系统的能量流。该方法可以包括过热回收连接件将热能提供给可以从大气捕获碳的碳捕获系统。现场电池存储器可以与可以向所述数据中心计算机设备提供操作电源的其它数据中心电池集成。

所述能源系统可以具有一个或多个逆变器，变压器或开关装置系统，它们可以与所述数据中心电源系统和所述数据中心计算机设备集成。该方法可包括过热回收连接件将热能传递到所述能源系统外部的场外使用。所述燃料电池可以是固定聚合物电解质膜燃料电池。该方法可以包括在所述能源系统外部的氢源向所述现场储氢装置提供氢。该方法可以包括本地电网同时为所述数据中心设备的操作和所述数据中心设备的冷却提供主要电力。

附图说明

图1示出了说明根据本公开的各方面的能源系统的流程图。

图2示出了说明图1的能源系统的示例性热回收部分的流程图。

图3是示出根据本公开的一个方面的示例方法的流程图。

具体实施方式

本公开的系统涉及用作数据中心的主电源和备用电源的固定燃料电池系统。在这方面，备用数据中心电源系统可以与数据中心中的现有系统集成。例如，数据中心中的以下系统可以集成到单个组合系统中：

1)数据中心冷却系统：数据中心的冷却系统可用于冷却燃料电池系统。从数据中心冷却系统出来的冷却水可以被引导到燃料电池系统，以向燃料电池系统提供冷却。然后，来自能源系统的热水出口可用于场外(off-site)加热目的，因为这是更高温度的热量。

2)液氢冷却系统：现场储存的氢在低温下以液态氢的形式储存以减少储存氢所需的体积。当液态氢被供给到燃料电池时，液态氢通过汽化器单元膨胀成气态氢。液氢的膨胀可以与燃料电池系统的冷却和数据中心冷却系统集成在一起，以降低数据中心的整体冷却负荷。

3)燃料电池的启动和负载调节所需的电池可以与其它数据中心电池集成在一起，从而导致整个数据中心系统的资本支出减少。例如，利用已经在数据中心内的基础设施可以减少集成燃料电池所需的附加部件。

4)电气基础设施：现有的数据中心逆变器、变压器和开关装置(gear)系统可以与燃料电池系统集成，以减少与燃料电池系统相关的总体尺寸占地面积(overall sizefootprint)和资本支出。

5)热回收：能源系统的过量热的场外应用可以是镍钛合金或其它形状记忆合金发动机，吸附/吸收冷却器，有机Rankine循环发动机，直接空气碳捕获，海水淡化，或其它工艺热量的应用。

本公开的系统可以实现以下优点：减少燃料电池的资本支出；减小燃料电池系统的总尺寸占地面积；提高燃料电池和数据中心组合系统的总体效率；以及开发以数据中心为中心的固定式燃料电池系统。

参照图1，示例性能源系统10包括数据中心(DaC)电源系统20，其被配置成接收来自燃料电池系统31，现场可再生发电系统50和本地电网12的电源输入。DaC电源系统20是向数据中心设备提供电源的集成系统，数据中心设备例如是数据中心的计算机，网络设备和存储设备。DaC电源系统20还向用于冷却数据中心设备的冷却系统提供电源。

通过使DaC电源系统20为数据中心设备提供电源和为用于冷却数据中心设备的系统提供电源，并且通过将DaC电源系统20的冷却和电气系统与燃料电池30集成，与传统的单独的备用和主电源系统相比，实现能源系统所需的资本支出可以减少。与传统的独立电源系统相比，综合集成的DaC电源系统20和燃料电池30还可以减少能源系统10的运行费用。

燃料电池30是一种清洁技术解决方案，其填充了在传统系统中通常由柴油发电机发挥的作用。然而，柴油发电机不像燃料电池30那样是零排放系统。这样，与常规系统的柴油发电机相比，燃料电池具有减小的碳足迹。燃料电池30由现场储氢器40提供燃料，并且支持燃料电池30的电池可以与数据中心中使用的其它电池集成在一起，为其它数据中心设备供电。

来自燃料电池系统31的一些热能可以作为转换热量33输出，被发送到场外的位置14，例如用于加热靠近能源系统10的家庭或者任何其它可以使用来自能源系统的过量热能的场外系统。尽管图2示出了来自燃料电池系统31的热能被送到场外，但是热能可以保持在现场，例如用于加热房间，电源再生，海水淡化或碳捕获。

燃料电池30可以是固定聚合物电解质膜(PEM)燃料电池。燃料电池30可以包含电极板。当氢通过板供给时，可能发生化学反应产生电流。在其它示例中，燃料电池30可使用其它技术，且可使用其它类型的燃料。可用于本申请的其它类型的燃料电池包括固体氧化物燃料电池。

当燃料电池30开始工作时，可以利用来自现场电池存储器的能量。燃料电池30可以具有逆变器，以将燃料电池产生的DC功率转换为DaC电源系统20所需的AC输出。

燃料电池30可以从离开DaC电源系统20的冷却水接收来自过热接口22(例如，热交换器)的能量输入。进入过剩热接口22的流体可以是离开DaC电源系统20的热液体的形式，其可以为燃料电池30提供冷却，因为热液体比燃料电池更冷。

现场电池存储器可以接收来自现场可再生能源产生系统50、燃料电池系统31和本地电网12的能量输入。现场电池存储系统(BESS)32可以在启动和负载转换期间支持燃料电池系统31。BESS 32可以使用例如锂离子LFP型电池，尽管也可以使用其它类型的电池代替锂离子LFP电池或与锂离子LFP电池组合使用。BESS 32可以支持整个燃料电池系统31的输出。然而，由BESS 32提供的支持的持续时间可能是有限的，并且它可能取决于燃料电池系统3产生其支持DaC电源系统20的全功率输出的升温(ramp-up)时间。

产氢系统51可以包括通过蒸发器膨胀成气体的低温液态氢。氢液体可以经由H2输送16输送到能源系统10，为燃料电池30和现场储氢40提供燃料。如果来自现场产氢系统51的现场产生的氢不足以满足燃料电池30的需要，则现场储氢系统40可以向燃料电池30提供能源输入。

现场可再生能源产生系统50可以产生为DaC供电以及为产氢系统51供电的电源。现场可再生能源产生系统50可以包括太阳能PV，风力或地热发电系统。

燃料电池30可以利用多余的热量用于碳捕获(carbon capture)60。碳捕获60也可以从大气62中捕获碳。在这方面，碳捕获60可以从空气中提取碳，并将其作为液体或气体二氧化碳蒸馏。来自离开DaC电源系统20的过量热接口22的未提供给燃料电池30的剩余热能可以被提供以帮助实现可能是能源密集型的碳捕获60。

能源系统10可以具有控制器70，其管理从电网12到DaC电源系统20和现场电池存储器，从燃料电池30到DaC电源系统，以及从现场可再生能源产生系统50到DaC电源系统的能量流。对于燃料电池系统31，现场电池存储(例如BESS 32)，现场可再生能量产生50以及用于DaC电源系统20的总顶级控制系统，可以有单独的控制，控制系统可以管理来自这些源中的每一个和来自电网的能量流。

在图2中进一步示出了燃料电池30从过热接口22接收来自离开DaC电源系统20的冷却水的能源输入的一个示例。DaC电源系统20可以在45-55℃的示例性温度下将冷却水发送到过热接口22。离开DaC电源系统20的冷却液可以是油的形式，其可以用于将过热接口22内的水加热到约45℃的示例性温度。加热的水可以被提供到燃料电池30，其将水加热到60-75℃的示例性温度。并且从燃料电池输出的转换热33可以被发送到场外使用14。从场外使用14返回的水可以处于约30℃的示例性温度，并且水可以将过热接口22中的油冷却至约35℃的示例性温度。然后，将冷却的油路由回DaC电源系统20以再次冷却DaC电源系统，重新启动循环。

参考图3，将描述一种冷却数据中心的方法。下面的操作不必以下面描述的精确顺序执行。相反，可以以不同的顺序或同时处理各种操作，并且也可以添加或省略操作。图3示出了示出用于能源系统10的示例性操作方法的流程图100。

在框110中，可以提供能源系统10，该能源系统具有数据中心(DaC)电源系统20，燃料电池30，现场储氢器40，现场可再生能源产生系统50和控制器70。

在框120中，现场可再生能源产生系统50可以提供能量以产生氢以存储在现场储氢器40中，并且还可以提供能源以对现场电池充电。在框130中，现场储氢器40可以向燃料电池30提供能源。在框140中，燃料电池30可以向DaC电源系统提供能源。在框150中，DaC电源系统20可以同时为数据中心设备提供运行的电源以及用于冷却数据中心设备的冷却系统的电源。

在框160中，燃料电池冷却系统可以从DaC电源系统20的过热接口22接收冷却输入。在框170中，来自燃料电池30(或燃料电池系统31的其它组件)的转化热33可以被发送到场外使用14。在框180中，控制器70可以增加和/或调节从电网12到DaC电源系统和现场电池存储器，从燃料电池30到DaC电源系统，以及从可再生能量产生系统到DaC电源系统的能量流。

在一些示例中，该方法可以包括框190，在此期间，本地电网向DaC电源系统和现场电池存储器提供能源。该方法可选地包括框200，在此期间通过输送装置16输送氢以为现场储氢器40提供燃料。该方法可选地包括框210，其中燃料电池30可使用它们多余的部分用于碳捕获60，来自过热接口22的从DaC电源系统产生的冷却流体(未提供给燃料电池30)可帮助实现碳捕获60，并且在此期间碳也可从大气62捕获。

本文公开的能源系统10可以与DaC电源系统以外的各种能源系统结合使用。例如，能源系统10可以同时为其它类型的设备，以及用于冷却其它类型的设备提供电源。

除非另有说明，否则前述替代示例不是相互排斥的，而是可以以各种组合来实现以实现独特的优点。由于在不脱离由权利要求限定的主题的情况下，可以利用以上讨论的特征的这些和其它变化和组合，因此，示例实施方式的上述描述应当通过说明的方式而不是通过对由权利要求限定的主题的限制的方式来实现。此外，提供本文所述的实施例，以及措辞为“诸如”、“包括”等的条款，不应被解释为将权利要求的主题限制为具体实施例；相反，这些示例仅用于说明许多可能的实施方式中的一个。此外，不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。

Claims (20)

1.一种能源系统，其特征在于，包括：

数据中心计算机设备；

数据中心电源系统，所述数据中心电源系统被配置为同时提供操作所述数据中心设备的电源和冷却所述数据中心设备的电源；

燃料电池，所述燃料电池被配置为向所述数据中心电源系统供电；

向所述燃料电池提供燃料的现场储氢装置；

现场电池存储器，所述现场电池存储器被配置为向所述燃料电池提供备用电源和电源调节；以及

过热回收连接件，所述过热回收连接件被配置为传送来自所述数据中心电源系统的液体以向所述燃料电池提供冷却。

2.根据权利要求1所述的能源系统，其特征在于，还包括可再生能源系统，所述可再生能源系统被配置成产生氢，并向所述现场储氢装置提供氢。

3.根据权利要求2所述的能源系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器被配置成增加或节流从所述燃料电池到所述数据中心电源系统以及从所述可再生能源系统到所述数据中心电源系统的能量流。

4.根据权利要求1所述的能源系统，其特征在于，其中所述过热回收连接件被配置为向碳捕获系统提供能源，所述碳捕获系统被配置为从大气中捕获碳。

5.根据权利要求1所述的能源系统，其特征在于，其中，所述现场电池存储器与其它数据中心电池集成，所述其它数据中心电池被配置为向所述数据中心计算机设备提供备用电源。

6.根据权利要求1所述的能源系统，其特征在于，还包括，与所述数据中心电源系统和所述数据中心计算机设备集成的一个或多个逆变器，变压器或开关装置系统。

7.根据权利要求1所述的能源系统，其特征在于，所述过热回收连接件被配置为将热能传递到所述能源系统外部的场外使用。

8.根据权利要求1所述的能源系统，其特征在于，所述燃料电池是固定聚合物电解质膜燃料电池。

9.根据权利要求1所述的能源系统，其特征在于，所述能源系统被配置成从所述能源系统外部的输送源接收用于所述现场储氢装置的氢。

10.根据权利要求1所述的能源系统，其特征在于，所述能源系统被配置为从本地电网接收用于所述数据中心电源系统的主要电力。

11.一种冷却数据中心的方法，其特征在于，所述方法包括：

提供具有数据中心计算机设备，数据中心电源系统，燃料电池和现场电池存储器的能源系统；

所述数据中心电源系统同时提供操作所述数据中心设备的电源和冷却所述数据中心设备的电源；

所述燃料电池向所述数据中心电源系统供电；

所述现场储氢装置通过液体或气态氢的膨胀为所述燃料电池提供和数据中心冷却提供燃料；

所述现场电池存储器向所述燃料电池提供备用电源和电源调节；以及

过热回收连接件将液体从所述数据中心电源系统传送到所述燃料电池以冷却所述燃料电池。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述能源系统具有可再生能源系统，所述方法进一步包括，所述可再生能源系统产生并向产氢系统提供电源，所述产氢系统向所述现场储氢器提供氢。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述能源系统具有控制器，所述方法进一步包括，所述控制器增加或节流从所述燃料电池到所述数据中心电源系统或从所述可再生能源系统到所述数据中心电源系统的能量流。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括，所述过热回收连接件向从大气中捕获碳的碳捕获系统提供能源。

15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述现场电池存储器与其它数据中心电池集成，所述其它数据中心向所述数据中心计算机设备提供备用电源。

16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述能源系统具有与所述数据中心电源系统和所述数据中心计算机设备集成的一个或多个逆变器，变压器或开关装置系统。

17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括所述过热回收连接件将热能传递到所述能源系统外部的场外使用。

18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述燃料电池是固定聚合物电解质膜燃料电池。

19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括在所述能源系统外部的氢源向所述现场储氢装置提供氢。

20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括本地电网同时为所述数据中心设备的操作和所述数据中心设备的冷却提供主要电力。