CN216110878U - 一种燃料电池与压缩空气储能相耦合的发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池与压缩空气储能相耦合的发电系统，包含压缩机组、透平膨胀机组、燃料电池发电系统、压缩空气储罐、冷水储罐、热水储罐、电动机、发电机及若干管路；通过对于燃料电池与压缩空气储能的耦合以及相应热交换网络的设计，实现了对于燃料电池及剩余的氢气和空气的热量收集，更大程度利用了系统热量。这部分余热用于加热透平膨胀机前的空气，提高了压缩空气在发电过程中的发电效率；相比起其他的燃料电池与压缩空气储能的耦合系统，本实用新型不涉及燃烧等需要较精确控制的过程，操作简易，并且增大氢气的利用率。

Description

一种燃料电池与压缩空气储能相耦合的发电系统

技术领域

本实用新型涉及分布式能源利用技术领域，主要涉及一种燃料电池与压缩空气储能相耦合的发电系统。

背景技术

近年来，氢能的应用已经从传统的化工原料气和保护气拓展延伸到交通动力、能源电力与电网储能等诸多领域。尤其是综合能源供给方面，利用燃料电池建设分布式能源供给站提供热电气供给，可以大幅改善能源消费与温室气体排放。质子交换膜燃料电池具有高能效、低噪音、高温启动性能好和环境友好等特点，已经成为能源领域研究的热点。质子交换膜燃料电池运行温度在65℃-85℃，运行期间系统可将氢气化学能近似对半转化为电能和热能，其中电能经调压稳定后直接输出直流电。然而目前质子交换膜燃料电池系统设计中存在较多热量废弃，造成燃料电池系统热能回收效率不高。

现代化的储能系统从第一个实用的铅酸电池发展至今已有近170年的历史，从铅酸蓄电池、镍氢电池、超级电容器、飞轮储能、超导储能、液流电池到锂离子电池，还包括抽水蓄能电站、压缩空气储能等。如何将燃料电池和储能系统耦合，以更大程度增加能量利用率，是重要的研究方向。

实用新型内容

本实用新型的目的是利用了压缩空气储能与燃料电池有着功能上的互补性，减少空压机耗功成本及系统成本，并回收燃料电池反应产生的余热，提高压缩空气在发电过程中的发电效率。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种燃料电池与压缩空气储能相耦合的发电系统，包含压缩机组、透平膨胀机组、燃料电池发电系统、压缩空气储罐、冷水储罐、热水储罐、电动机、发电机及若干管路；

压缩机组由所述的电动机驱动；包含多个串联的压缩机，每个压缩机的输出端连接一个热回收器，压缩机组的输入端与大气连通，热回收器与压缩空气储罐的输入端连接；

所述压缩空气储罐设有两个输出端，分别连通所述的燃料电池发电系统和透平膨胀机组；

所述透平膨胀机组用于驱动发电机发电；包含多个串联的透平膨胀机，每个透平膨胀机输入端设置一个加热器；透平膨胀机组的输出端与大气连通；

所述燃料电池发电系统包含燃料电池本体、尾气换热器、储氢设备；燃料电池本体分别从压缩空气储罐和储氢设备输入压缩空气和氢气；反应剩余的氢气和空气进入尾气换热器；

所述的热水储罐的输出端分别连通透平膨胀机组的若干加热器；输入端分别连通压缩机组的若干热回收器和燃料电池本体；

所述的冷水储罐的输出端分别连通压缩机组的若干热回收器和燃料电池发电系统的尾气换热器，对尾气换热器换热后的流股继续用于冷却燃料电池本体；输入端分别连通透平膨胀机组的若干加热器。

较佳地，所述的尾气换热器包含氢气换热器与空气换热器，分别回收反应剩余的氢气和空气的余热。

较佳地，所述的氢气换热器的氢气输出端分为两股，分别连通大气和燃料电池本体。

较佳地，从冷水储罐连通所述的尾气换热器的流股为并联的两股，分别用于冷却所述的氢气换热器与空气换热器后再汇合。

较佳地，所述压缩空气储罐与燃料电池发电系统之间设有一个减压阀。

较佳地，所述热水储罐和冷水储罐中的水为去离子水。

本实用新型的技术效果包含：

(1)通过对于燃料电池与压缩空气储能的耦合以及相应热交换网络的设计，实现了对于燃料电池及剩余的氢气和空气的热量收集，更大程度利用了系统热量。这部分余热用于加热透平膨胀机前的空气，提高了压缩空气在发电过程中的发电效率。

(2)相比起其他的燃料电池与压缩空气储能的耦合系统，本实用新型不涉及燃烧等需要较精确控制的过程，操作简易，并且增大氢气的利用率。

附图说明

图1为本实用新型的一种燃料电池与压缩空气储能相耦合的发电系统示意图；

附图标记：10-热水储罐；11-冷水储罐；12-压缩空气储罐；13-减压阀；101-一级压缩机；102-二级压缩机；103-一级热回收器；104-二级热回收器；105-截止阀；106-电动机；111-一级膨胀机；112-二级膨胀机；113-一级加热器；114-二级加热器；115-发电机；21-空气换热器；22-氢气换热器；23-燃料电池本体；24-交直流转换器。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

压缩空气储能系统(Compressed air energy storage,CAES)是通过局部压缩的空气形式来进行电力存储，它是一种成本较低、容量大的电力储能技术。该技术是少数几种能够适应于长时间(数十小时)和大功率等级电站(几百到数千兆瓦)储能应用的技术同其他储能技术相比，压缩空气储能系统具有容量大、工作时间长、经济性能好、充放电循环寿命长等优点。

本实用新型公开的燃料电池与压缩空气储能相耦合的发电系统包含电动机106、发电机115、压缩机组、透平膨胀机组、燃料电池本体23、压缩空气储罐12、冷水储罐11和热水储罐10以及若干管路。

压缩机组由所述的电动机106驱动；包含至少两级串联的压缩机，每个压缩机的输出端连接一个热回收器，以逐级吸收压缩热；使空气交替通过压缩机和热回收器，压缩机组的输入端与大气连通，热回收器与压缩空气储罐12的输入端连接。

所述压缩空气储罐12设有两个输出端，分别连通所述的燃料电池发电系统和透平膨胀机组，对应两种不同的发电方式；为了保证压缩空气储罐12的安全，还应在压缩空气储罐12上设置安全阀，当压缩空气储罐12内部的压强过大时，部分压缩空气可通过安全阀排出，使压缩空气储罐12的压强恢复正常。

所述透平膨胀机组用于驱动发电机115发电；包含至少两级串联的透平膨胀机，每个透平膨胀机输入端设置一个加热器，使压缩空气储罐12的空气交替经过加热器和透平膨胀机；透平膨胀机组的输出端与大气连通。

所述燃料电池发电系统包含燃料电池本体23、尾气换热器、储氢设备；燃料电池本体23分别从压缩空气储罐12和储氢设备输入压缩空气和氢气；反应剩余的氢气和空气进入尾气换热器，以回收剩余的氢气和空气的热量。燃料电池本体23的阳极需要空气达到一定的温度和压强，因此，使用压缩空气储罐12内的压缩空气代替大气中的空气，可以满足燃料电池对压强的要求，避免了燃料电池系统23单独设置压缩机，降低了制造成本，并且空气在压缩空气储罐12内沉积后，杂质远少于直接压缩后的空气，有利于延长燃料电池的使用寿命。

所述的热水储罐10的输出端分别连通透平膨胀机组的若干加热器；输入端分别连通压缩机组的若干热回收器和燃料电池本体23。

所述的冷水储罐11的输出端分别连通压缩机组的若干热回收器和燃料电池发电系统的尾气换热器，对尾气换热器换热后的流股继续用于冷却燃料电池本体23；输入端分别连通透平膨胀机组的若干加热器。

与所述热水储罐10和冷水储罐11连通的所有管路共同形成了本实用新型的热交换网络，有效利用了系统热量。热水储罐10和冷水储罐11中的水均为超纯的去离子水，用于防止水在流过电堆时造成电堆短路。在所述的管路中，设有若干水泵(图中未示)为水流提供动力，水泵的具体位置可设置在热水储罐10及冷水储罐11的输出端附近。

另外，本发电系统的管路中还设有若干动力阀(图中未示)，用于控制流体介质的流量。

以下结合实施例进行进一步的说明。

实施例

如图1所示，本例中，电网在谷电状态下，空气在电动机106的作用下通过压缩机组，包含串联设置的一级压缩机101、一级热回收器103，二级压缩机102，二级热回收器104，从冷水储罐11流出的冷却水分别经过所述的一级热回收器103和二级热回收器104，用于吸收一级压缩机101和二级压缩机102的对空气的压缩热。空气经过上述两级压缩后进入压缩空气储罐12。所述的冷却水吸收压缩热后流入热水储罐10储存。

当电网负荷高于预设负荷时，压缩空气储罐12中的高压空气通过截止阀105流向透平膨胀机组，包含串联设置的一级加热器113、一级膨胀机111、二级加热器114、二级膨胀机112。从热水储罐10流出的热水分别经过所述的一级加热器113和二级加热器114，用于在空气进入一级膨胀机111、二级膨胀机112释能前对于空气进行预加热，提高能量利用率。所述的热水对空气加热后流入冷水储罐11储存。所述的一级膨胀机111、二级膨胀机112均与发电机115相连，驱动发电机115发电。

燃料电池发电系统工作时，压缩空气储罐12中的高压空气经过减压阀13减压后通向燃料电池本体23的阴极，氢燃料通向燃料电池本体23的阳极，燃料电池本体23发电后可通过交直流转换器24向电网输电。从冷水储罐11流出的冷却水流经空气换热器21和氢气换热器22，再冷却燃料电池本体23；所述的冷却水吸收燃料电池本体23的热量后，流入热水储罐10储存。一些实施例中，从冷水储罐11流出的冷却水可以以任意顺序先后流经空气换热器21和氢气换热器22，也可以分成两个流股分别流向空气换热器21和氢气换热器22，在通过空气换热器21和氢气换热器22后，所述的冷却水用于吸收燃料电池本体23的反应热，然后流入热水储罐10储存。氢气换热器22中排出的气体部分通过阀门(图中未示)排入大气，用于除掉携带的水蒸气和氮气，剩余的氢气被冷却后流回燃料电池本体23继续参加反应。

综上所述，本实用新型提供的一种燃料电池与压缩空气储能相耦合的发电系统通过对于燃料电池与压缩空气储能的耦合以及相应热交换网络的设计，实现了对于燃料电池及剩余的氢气和空气的热量收集，更大程度利用了系统热量。这部分余热用于加热膨胀机前的空气，提高了压缩空气在发电过程中的发电效率。相比起其他的燃料电池与压缩空气储能的耦合系统，本实用新型不涉及燃烧等需要较精确控制的过程，操作简易。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种燃料电池与压缩空气储能相耦合的发电系统，其特征在于，包含压缩机组、透平膨胀机组、燃料电池发电系统、压缩空气储罐、冷水储罐、热水储罐、电动机、发电机及若干管路；

压缩机组由所述的电动机驱动；包含多个串联的压缩机，每个压缩机的输出端连接一个热回收器，压缩机组的输入端与大气连通，热回收器与压缩空气储罐的输入端连接；

所述压缩空气储罐设有两个输出端，分别连通所述的燃料电池发电系统和透平膨胀机组；

所述透平膨胀机组用于驱动发电机发电；包含多个串联的透平膨胀机，每个透平膨胀机输入端设置一个加热器；透平膨胀机组的输出端与大气连通；

所述燃料电池发电系统包含燃料电池本体、尾气换热器、储氢设备；燃料电池本体分别从压缩空气储罐和储氢设备输入压缩空气和氢气；反应剩余的氢气和空气进入尾气换热器；

所述的热水储罐的输出端分别连通透平膨胀机组的若干加热器；输入端分别连通压缩机组的若干热回收器和燃料电池本体；

所述的冷水储罐的输出端分别连通压缩机组的若干热回收器和燃料电池发电系统的尾气换热器，对尾气换热器换热后的流股继续用于冷却燃料电池本体；输入端分别连通透平膨胀机组的若干加热器。

2.如权利要求1所述的燃料电池与压缩空气储能相耦合的发电系统，其特征在于，所述的尾气换热器包含氢气换热器与空气换热器，分别回收反应剩余的氢气和空气的余热。

3.如权利要求2所述的燃料电池与压缩空气储能相耦合的发电系统，其特征在于，所述的氢气换热器的氢气输出端分为两股，分别连通大气和燃料电池本体。

4.如权利要求2所述的燃料电池与压缩空气储能相耦合的发电系统，其特征在于，从冷水储罐连通所述的尾气换热器的流股为并联的两股，分别用于冷却所述的氢气换热器与空气换热器后再汇合。

5.如权利要求1所述的燃料电池与压缩空气储能相耦合的发电系统，其特征在于，所述压缩空气储罐与燃料电池发电系统之间设有一个减压阀。

6.如权利要求1所述的燃料电池与压缩空气储能相耦合的发电系统，其特征在于，所述热水储罐和冷水储罐中的水为去离子水。

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