[发明专利]一种基于燃料电池的多能互补热电联产系统和工作方法

说明书

技术领域

本发明属于发电技术领域，尤其涉及一种基于燃料电池的多能互补热电联产系统和工作方法。

背景技术

随着国民经济的迅速增长，对能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所产生的环境污染问题日益尖锐。太阳能和风能资源潜力大，可持续利用，在满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、促进经济发展等方面发挥了重要作用，已引起了国际社会的广泛关注。但是太阳能和风能是典型的随机性、间歇性，其并网消纳面临巨大挑战。通过多种类型电源之间互补运行是促进风能太阳能发展消纳的重要途径。

燃料电池发电技术是一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，能够将天然气、H₂等碳氢燃料的化学能通过电化学反应直接转化为电能，因无热力学循环从而超越了热机的卡诺循环效率限制，发电效率可以达到50％～60％，热电转化效率可达85％～90％。而且燃料电池负荷响应快，运行质量高，燃料电池在数秒内就可以从最低功率换到额定功率，能够作为太阳能和风能的重要补充。

目前，国际上正在开发与应用的主流的燃料电池主要有以下三类：质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC)以及固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)。其中PEMFC代表性的生产厂家为加拿大的巴拉德动力系统公司(Ballard Power Systems,Inc.)及丰田汽车公司，MCFC代表性的厂家有美国Fuel Cell Energy公司、德国MTU CFC Solution公司、意大利Ansaldo Fuel Cell公司、日本IHI公司以及韩国POSCO公司，SOFC代表性的厂家有美国Bloom Energy、日本京瓷公司、日本三菱重工。质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池均可构建热电联产系统，并且具有负荷响应快的特点，能够工作在以热定电和以电定热两种工作模式下。

将燃料电池与太阳能和风能进行耦合组成多能互补系统，能够发挥燃料电池负荷响应快、清洁高效的优点，同时能够提高太阳能和风能的利用率，促进清洁能源的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于燃料电池的多能互补热电联产系统和工作方法，以热定电和以电定热两种模式下运行，满足用户对电能和热能的需求。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于燃料电池的多能互补热电联产系统，包括燃料电池热电联产装置1，燃料电池热电联产装置1的入口连通天然气和空气管道，热能出口连接热能输配控制管理系统2，电能出口连接电能输配控制管理系统3；热能输配控制管理系统2的热能入口连接太阳能光热装置4，热能出口连接热能负载，热油储热装置5与热能输配控制管理系统2进行连接，能够进行热能的相互交换；电能输配控制管理系统3的电能入口连接太阳能光伏发电装置6和风力发电装置7，电能出口连接质子交换膜电解水制氢装置9和热能负载，电池储能装置8与电能输配控制管理系统3进行连接，能够进行电能的相互交换；质子交换膜电解水制氢装置9的氢气出口连接储氢罐10入口，储氢罐10的氢气出口连接燃料电池热电联产装置1的氢气入口，燃料电池热电联产装置1利用氢气和空气产生电能和热能。

所述燃料电池热电联产装置1采用质子交换膜燃料电池PEMFC、熔融碳酸盐燃料电池MCFC发电技术或固体氧化物燃料电池MCFC发电技术，由阴极腔室、阴极、阳极腔室、阳极、电解质组成；以天然气或氢气作为燃料，以空气作为氧化剂进行电化学发电，发电效率达50％～60％，热电联产效率达80％～90％，实现输出负荷0～100％调节，能够在以热定电和以电定热两种模式下工作。

所述热能输配控制管理系统2，能够根据太阳能光热装置4的运行特性和热能负载的运行特性，控制燃料电池热电联产装置1、太阳能光热装置4、热油储热装置5以及热能负载的运行特性，以满足热能负载的需求。

所述电能输配控制管理系统3，能够根据太阳能光伏发电装置6、风力发电装置7以及电能负载的运行特性，控制燃料电池热电联产装置1、太阳能光伏发电装置6、风力发电装置7、电池储能装置8、质子交换膜电解水制氢装置9以及储氢罐10，以满足电能负载的需求。

所述太阳能光热装置4采用太阳能集热管或集热器，能够将太阳能转化为热能。