CN220673400U - 与燃料电池-燃气轮机发电机组耦合的压缩空气与电解水协同储能调峰系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种与燃料电池‑燃气轮机发电机组耦合的压缩空气与电解水协同储能调峰系统。该系统主要包括：燃料电池‑燃气轮机发电系统、电解水系统、压缩空气储能系统三个部分。该系统组成燃料电池与燃气轮机耦合结构，并通过绝热的箱体实现燃料电池堆与电解槽的热源共享，利用先进绝热压缩空气储能实现机组调峰，电解水系统用于辅助调峰。基础负荷期，燃料电池出口气体经过补燃后通入燃气轮机做功发电；低负荷期压缩空气储存发电冗余量；用电高峰期压缩空气储能系统进入释能阶段，并将氢气按比例通入燃料电池堆提高发电效率，实现灵活性调峰。通过本实用新型，可提升燃气电站发电效率，并实现机组调峰的灵活性。
Description
技术领域
本实用新型涉及电解水制氢及压缩空气储能技术领域，特别涉及一种与燃料电池-燃气轮机机组耦合的系统，具体涉及一种与燃料电池-燃气轮机发电机组耦合的压缩空气与电解水协同储能调峰系统。
背景技术
化石能源给生态带来的负担日益严重，提升能源的利用效率、降低碳排放是解决能源危机的几个重要途径，燃气电站虽然比煤炭发电更清洁，但仍然会排放大量温室气体，如二氧化碳、甲烷等。寻求如燃料电池等更低碳、清洁、高效的发电设备和设计多系统集成实现能量梯级利用是能量利用效率提升的有效途径。
近年来国内外学术研究及实验表明高温固体氧化物燃料电池燃料不同成分比例尤其是碳、氢比例，对电流密度、反应速率及电极衰减速率等性能都有着很大的影响。碳比例过高会强化反应槽固体碳的沉积，加快对电极的腐蚀；氢气比例过高会抑制燃料重整水煤气变换反应速率，直接影响系统的电能输出和电池运行寿命等。而现存技术多为采用价格昂贵的金属材料作为电极，使成本大大提高。
此外，电网负荷的峰谷差逐渐加大，用户对基本用电电能质量的要求也越来越高，因此必须采取相应的措施，对电网中负荷不匹配进行调整，保证电力系统稳定运行，实现满足用户需求的目的，即需要对电力负荷进行调峰。目前机组调峰仍依靠于火电机组偏离设计工况运行，发电机组的配置通常会预留负荷余量，使得机组能够以非满负荷的低效状态运行，在电力需求高峰期，发电机组的出力会被提高以确保客户能够得到足够的用电量；而在电力需求低谷期，机组的出力会被降低以实现电源侧和负荷侧的平衡。燃气电站的启动和停止速度较快，但与其他调峰设施相比，如水电站、储能设施等，其响应速度可能较慢，调峰灵敏度差。尤其是在电网负荷波动较大的情况下，会影响电网的稳定性，威胁设备运行安全，且使机组检修时间缩短，增加运行成本，极不合理。
而储能电站的单位造价高，输出电力有限，故本实用新型提出压缩空气协同电解水制氢的双储能型式的调峰系统。利用储能技术建设调峰系统能够根据负荷需求的变化合理储存和释放能量，空气压缩机组利用电网负荷低谷期间燃气轮机所生产的过剩电能压缩空气，并通入储气罐储存；在电网负荷高峰期，释放压缩空气通入燃料电池阴极侧，节省燃料电池前压缩机工作耗费的功率，有效降低汽轮机组的电能损失，提高了汽轮机组的调峰能力。利用电解水不仅能够实现燃料电池废热的利用，还能够在进行深度调峰的同时额外产生氢气，通过控制氢气流向的比例，提升燃料电池的发电功率和效率，为电站带来更高的经济性。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对背景技术所提到的燃料电池反应气组分比例对电池运行性能以及电极腐蚀造成的影响和电网调峰压力的问题，旨在研究提升火电机组能源利用效率、降低其碳排放的基础上实现调峰过程不依赖于偏离设计工况且无污染的技术，提出并公开了一种集成燃气燃料电池和压缩空气并协同电解水制氢气的多联产系统。涉及到燃气燃料电池技术、先进绝热压缩空气储能技术、高温固体氧化物电解水制氢技术过程的耦合。系统主要包括：燃料电池-燃气轮机耦合发电系统、固体氧化物电解水系统、压缩空气储能系统三个部分。
由燃料电池和燃气轮机保证电能的供应，此状态下天然气与空气经过燃料电池反应，抽出部分反应不完全的排气返回燃料电池阳极进口管道。其余排气通入补燃室补燃，生成的高温高压燃气通过燃气轮机做功后依次经过一、二、三号换热器加热系统进口气体。燃料电池-固体氧化物电解槽组成紧凑结构处于绝热的箱体中，燃料电池反应产生的热量分享至固体电解槽，将其提升至工作温度，燃料电池生产的冗余电能供给至电解槽电解水制备氢气。高温固体氧化物电解槽正极产生的氢气进入氢储罐转运，负极生成的高浓度氧气通入补燃室，提升补燃室中的氧气浓度，辅助气体补燃。
电网负荷低谷时段，压缩空气储能系统的空气压缩机组利用燃气轮机过剩发电量将空气压缩，并经过四号换热器组冷却后通入储气罐；固体氧化物电解水系统利用燃料电池堆生产的电能电解水，实现辅助调峰的同时额外产生氢气，并存于氢储罐中。电网负荷高峰期，压缩空气储能系统的储气罐释放高压气体，依次经过五号、一号换热器预热后通入燃料电池堆，作为燃料电池电化学反应空气的完全供应，降低原本空气压缩机的耗电功率；根据调峰需求调节二号阀门开度，控制氢储罐的氢气通入燃料电池的流率，按需提升燃料电池堆发电功率，实现灵活性调峰。
所述的燃料电池-燃气轮机耦合发电系统，其特征在于：燃料电池能直接将燃料的化学能通过电化学反应转化为电能，且对于燃料选择的灵活性高；燃料电池的高品位废热可以使其与燃气轮机组成混合动力系统，从而进一步提高系统的发电效率；燃气轮机排出的的废气能够通过一、二、三号换热器对进口原料预热，实现能量的梯级利用。
所述的固体氧化物电解水系统，其特征在于：令燃料电池堆与固体氧化物电解槽形成紧凑结构，采用通用箱体共用热源，电解槽可以接收源自燃料电池反应后产生的热量，满足自身热量需求的同时避免混合系统的热量浪费；电解槽产生的氢气存入氢储罐，在不同用电负荷时段通过控制二号阀门的启闭及开度大小实现气流流向控制，控制通入燃料电池堆的比例，动态调节燃料电池的氢浓度以平衡碳氢比例提升发电功率和效率，最大程度降低电极腐蚀速率，增长电池运行寿命；将余量氢气作为产品直接售卖，获取经济效益。
所述的压缩空气储能系统，其特征在于：采用概念性压缩空气储能，通过燃料电池堆直接利用高压空气，不设置空气膨胀机组，降低成本的同时达到调峰的目的。
本实用新型的有益效果为：
1)燃料电池-燃气轮机耦合结构提升了原燃气电站的发电效率，并实现了对燃气电站低品位废热的利用，降低了烟气排向大气中的能量损失；
2)利用了高温固体氧化物燃料电池堆的反应热，通用箱体共用热源保证高温固体氧化物电解槽工作温度的稳定；
3)利用高温固体氧化物电解水制备的氢气可调节高温固体氧化物燃料电池反应气体组分比例，动态平衡碳氢元素比例，最大程度降低电极腐蚀速率，提高电流密度，优化电池本体性能；
4)利用电网负荷低谷期时的过剩电能通过空气压缩机组压缩空气，并将压缩空气储存在储气罐，原本在电网负荷低谷期会被浪费的电能被有效储存起来，节约了能量，提高了整个系统的能量利用效率；
5)双储能系统的配置在实现电网灵活性调峰的同时，额外产生的氢气为电站带来更大的经济效益。
附图说明
图1一种与燃料电池-燃气轮机发电机组耦合的压缩空气与电解水协同储能调峰系统。
图中：1-一号空气压缩机；2-燃料压缩机；3-水泵；4-一号换热器；5-二号换热器；6-三号换热器；7-高温固体氧化物燃料电池堆；8-补燃室；9-燃气轮机；10-发电机；11-高温固体氧化物电解槽；12-氢储罐；13-一号阀门；14-二号空气压缩机组；15-四号换热器组；16-高压空气储罐；17-五号换热器组；18-储热材料；19-二号阀门；20-三号阀门。
具体实施方式
本实用新型提供了一种与燃料电池-燃气轮机发电机组耦合的压缩空气与电解水协同储能调峰系统，下面结合附图和具体实施方式对本系统工作原理做进一步说明。需要注意的是以下的阐释仅为实例性质，并不限制本实用新型的应用范围。
如图1所示的一种与燃料电池-燃气轮机发电机组耦合的压缩空气与电解水协同储能调峰系统，该系统主要包括燃料电池-燃气轮机耦合发电系统、高温固体氧化物电解水系统、压缩空气储能调峰系统。其特征在于，燃料电池-燃气轮机发电系统中，一号空气压缩机1后设置一号阀门13，一号阀门13与一号换热器4之间设置三通管道，一号换热器4出口与燃料电池堆7入口相连，燃料电池堆7出口与补燃室8相连，补燃室8出口与燃气轮机9入口相连；高温固体氧化物电解水系统中，高温固体氧化物燃料电池7与高温固体氧化物电解槽11形成紧凑结构，采用通用箱体共用热源，固体氧化物电解槽11可以接收源自燃料电池堆7的反应热以满足自身热量需求，系统余热也可以向外传递利用，氢储罐12出口分别连接二号阀门19和输氢管道，二号阀门19出口连接二号换热器5冷端入口；压缩空气储能调峰系统中，二号空气压缩机组14与四号换热器组15相连，四号换热器组15出口与空气储罐16入口相连，空气储罐16出口处设置三号阀门20，三号阀门20出口连接五号换热器组17入口，四号换热器组15和17五号换热器组的冷源和热源均由高性能储热材料18提供，五号换热器组17出口连接至一号阀门13与一号换热器4之间的三通管道。
下面结合实施例对具体控制过程进行举例说明：
电网基础负荷时期，由燃料电池堆7和燃气轮机9保证电能的供应，此状态下空气和燃料分别经过空气压缩机1和燃料压缩机2加压，进入燃料电池堆7反应，抽出部分反应不完全的排气返回燃料电池堆7阳极进口管道。其余排气通入补燃室8补燃生成高温高压燃气后通过燃气轮机9做功带动发电机10发电，高温废气依次经过一号换热器4、二号换热器5、三号换热器6加热系统进口气体；氢储罐12中的氢气可通入燃料电池堆7，调节反应气体组分比例，平衡碳、氢浓度以降低电极腐蚀速率，提升发电效率。
电网负荷低谷时期，压缩空气储能系统中空气压缩机组14利用发电机10产生的过剩电能将空气压缩，并经过四号换热器组15冷却后储存于空气储罐16中；在燃料电池-固体氧化物电解槽紧凑结构所处的共用的绝热的箱体中，燃料电池堆7的反应热分享至固体氧化物电解槽11，将其提升至工作温度，燃料电池堆7生产的过剩电能供给至固体氧化物电解槽11电解水制备氢气并将氢气存于氢储罐12中，负极生成的高浓度氧气通入补燃室8，提升补燃室中的氧气浓度，辅助气体补燃。
电网负荷高峰时期，空气压缩机1停止工作，一号阀门13关闭，压缩空气系统中三号阀门20开启，释放空气储罐16中的高压空气，经过五号换热器组17加热后，高压空气通入一号换热器4入口满足燃料电池堆7空气需求量；根据调峰需求控制二号阀门19开度，将氢储罐12中的氢气经过二号换热器5加热后通入燃料电池堆7提升反应气的氢浓度，提高发电功率，实现灵活性调峰。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种与燃料电池-燃气轮机发电机组耦合的压缩空气与电解水协同储能调峰系统，该系统主要包括燃料电池-燃气轮机发电系统、高温固体氧化物电解水系统、压缩空气储能系统；其特征在于，所示的燃料电池-燃气轮机耦合发电系统中，燃料电池堆(7)出口与补燃室(8)入口相连，补燃室(8)出口与燃气轮机(9)入口相连，燃气轮机(9)出口乏气管道依次与一号换热器(4)、二号换热器(5)、三号换热器(6)相连；高温固体氧化物电解水系统中，燃料电池堆(7)与固体氧化物电解槽(11)处于一个共用的绝热的箱体中，电解槽(11)正极出口与氢储罐(12)入口相连，氢储罐(12)出口通过二号阀门(19)控制和燃料电池堆(7)阳极进口管道相连，负极出口与补燃室(8)相连；压缩空气储能系统中，一号发电机(10)与空气压缩机组(14)连接，四号换热器组(15)出口与储气罐(16)入口、高性能储热材料(18)连接，储气罐(16)出口、高性能储热材料(18)与五号换热器组(17)入口相连，五号换热器组(17)出口与一号换热器(4)入口前管道相连。
2.根据权利要求1所述的一种与燃料电池-燃气轮机发电机组耦合的压缩空气与电解水协同储能调峰系统，其特征在于，燃料电池堆(7)与固体氧化物电解槽(11)共处于绝热的箱体中，固体氧化物电解槽(11)利用燃料电池堆(7)原本散失的热量达到操作温度，实现能量高效利用，提升能量利用效率。
3.根据权利要求1所述的一种与燃料电池-燃气轮机发电机组耦合的压缩空气与电解水协同储能调峰系统，其特征在于，燃料电池堆(7)出口与补燃室(8)入口相连，补燃室(8)出口与燃气轮机(9)入口相连，燃气轮机(9)出口乏气管道依次与一号换热器(4)、二号换热器(5)、三号换热器(6)相连，实现能量梯级利用。
4.根据权利要求1所述的一种与燃料电池-燃气轮机发电机组耦合的压缩空气与电解水协同储能调峰系统，其特征在于，所述压缩空气储能系统消纳电网负荷低谷期一号发电机(10)生产的过剩电能，空气压缩机组(14)将空气压缩后经过四号换热器组(15)冷却进入储气罐(16)原本在电网负荷低谷期会被浪费的电能被有效储存起来，节约了能量，提高了整个系统的能量利用效率。
5.根据权利要求1所述的一种与燃料电池-燃气轮机发电机组耦合的压缩空气与电解水协同储能调峰系统，其特征在于，根据电网低谷时期调峰需求，通过调节固体氧化物电解槽(11)利用燃料电池堆(7)的功率，完成冗余发电量消纳。
6.根据权利要求1所述的一种与燃料电池-燃气轮机发电机组耦合的压缩空气与电解水协同储能调峰系统，其特征在于，固体氧化物电解槽(11)负极出口氧气通入补燃室(8)提高补燃室中的氧气浓度，固体氧化物电解槽(11)正极出口氢气存于氢储罐(12)。
7.根据权利要求1所述的一种与燃料电池-燃气轮机发电机组耦合的压缩空气与电解水协同储能调峰系统，其特征在于，在电网负荷高峰期时储气罐(16)释放压缩空气，储气罐(16)与五号换热器组(17)共同取代空气压缩机(1)，实现大幅度调峰。
8.根据权利要求1所述的一种与燃料电池-燃气轮机发电机组耦合的压缩空气与电解水协同储能调峰系统，其特征在于，根据用电高峰时期负荷需求量控制二号阀门(19)改变氢气通入燃料电池堆(7)的比例，平衡碳氢比例，提高反应物浓度，优化高温固体氧化物燃料电池本体运行性能，降低成本的同时提高发电功率，弥补了电网负荷需求不足，实现灵活性调峰。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |