一种基于燃料电池系统的农村热电联供系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及能量综合运用技术领域，具体涉及一种基于燃料电池系统的农村热电联供系统及其运行方法。

背景技术

随着全球变暖和空气污染问题日益突出，寻求一种清洁能源已成为世界各国的共识，氢能作为新兴能源热值高，燃烧干净无污染，日益受到重视，并已逐渐将氢能纳入能源范畴。

在农村地广人稀，风能、光能、生物质能资源丰富，但这些各种可再生资源没有得到很好的利用，居民往往通过直接燃烧生物质能取暖，一些农村由于村之间相距较远，发电、输电成本较高且适合分布式能源的应用，风力光伏互补性强，用两种可再生资源互补发电并制氢拥有广阔前景。

火炕作为取暖装置是一种高效方便的储能装置，但现实中常用煤炭和生物质能直接燃烧供能，效率低且污染量大，火炕的蓄热潜力未得到完全发挥。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种基于燃料电池系统的农村热电联供系统及其运行方法，基于氢能利用水平的提升与农村地区特点并结合炕取暖方式，提出了一套基于燃料电池系统的农村热电联供系统，既能实现风能、光能、生物质能的高效利用，又能对燃料电池和生物质能发电的余热综合利用。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种基于燃料电池系统的农村热电联供系统，包括风光互补制氢系统、生物质能综合利用系统、燃料电池系统；燃料电池系统和风光互补制氢系统的电力输出端提供民用电，风光互补制氢系统的氢气输出端接入燃料电池系统；生物质能综合利用系统包括火炕、储水罐、气化炉、发电机以及家庭灶；气化炉向发电机供气，发电机的尾气出口和家庭灶烟气出口连通火炕的烟道；储水罐的出口连通换热器的低温介质入口，换热器的低温介质出口连通火炕的水流管道和家用储水罐；气化炉的烟气出口和家庭灶烟气出口连通换热器的高温介质入口，发电机电能输出端提供民用电。

风光互补制氢系统包括太阳能发电模块、风力发电机组和电解水制氢装置，太阳能发电模块、风力发电机组的电能输出端连接电解水制氢装置的电能输入端，电解水制氢装置的电能输入端还连接发电机的输出端。

发电机的尾气出口还连通气体加热器和气化炉的入口，发电机的电能输出端连接电解水制氢装置的电能输入端。

太阳能发电模块、风力发电机组远离村庄布置，电解水制氢装置和生物质能综合利用系统靠近村庄布置，燃料电池系统布置在村庄中。

电解水制氢装置的出口设置氢气提纯设备和氢气罐，氢气罐的出口通向燃料电池系统。

燃料电池系统包括燃料电池，燃料电池的氢气入口连通风光互补制氢系统的氢气出口，燃料电池的进气口处设置气体加热器，燃料电池阳极气体出口连通所述氢气出口，燃料电池加热，气体加热器的出气口设置温度传感器。

燃料电池的冷却水出入口连通换热器的热介质进出口，燃料电池利用水循环放热，高温水流入换热器与低温水热交换；储水罐的出口至换热器的管路上依次设置水阀和水泵。

燃料电池出水管道、换热器出口上设置温度监测传感器。

本发明所述农村综合供能系统的运行方法，具体如下：

所述生物质能综合利用系统中生物质能有两种利用方式：分别为通入家庭灶中直接燃烧或通入气化炉中气化再通入发电机中发电；

发电机产生的高温尾气通过第一管道回收利用，回收利用热能有三种方式：加热生物质能、加热空气与氢气、回热到换热器中加热冷水，其中优先用所述高温尾气加热生物质能，根据空气与氢气的温度和换热器出口水的温度决定回热的优先级，

家庭灶燃烧后产生的高温烟气加热火炕。

根据燃料电池出水温度决定是否向换热器中输水；

太阳能发电模块与风力发电机组互补发电，先为居民供电，多余电能为蓄电池供电储能或流向电解水制氢装置电解水制取氢气，制出的氢气流向氢气罐储存；

发电机组中发电提供居民用电，多余的电能提供给电解水制氢装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.能量综合利用，用农村富裕的风能、光能代替原有直接燃煤和燃烧生物质能的传统取暖方式，效率高并减少了污染排放；

2.将火炕作为储能模块，将燃料电池的余热回收与火炕相结合，提高燃料电池系统的综合效率；

3.风能、光能优先直接发电，多余部分制氢再利用燃料电池发电，利用分布式能源减少风能和光能的不稳定性造成的电网的波动。

进一步的，质子交换膜燃料电池可实现自冷却、自增湿功能，优化燃料电池结构，减少燃料电池体积，家用燃料电池效率得以提高。

本发明所述系统在运行时能实现热电联供，所述生物质能综合利用系统中生物质能有两种利用方式：分别为通入家庭灶中直接燃烧或通入气化炉中气化再通入发电机中发电；

发电机产生的高温尾气通过第一管道回收利用，加热生物质能、加热空气与氢气、回热到换热器中加热冷水，其中优先用所述高温尾气加热生物质能，根据空气与氢气的温度和换热器出口水的温度决定回热的优先级，家庭灶燃烧后产生的高温烟气加热火炕；能实现灵活使用。

附图说明

图1为本实例所提供的一种基于燃料电池系统的北方农村热电联供系统。

图中：1太阳能电池板；2为风力发电机组；3为蓄电池；4为电解水制氢装置；5为空气压缩机；6为氢气罐；7为空气阀；8为氢气阀；9为气体加热器；10为质子交换膜燃料电池；11为第一逆变器；12为第二逆变器；13为换热器；14为火炕；15为泵；16为水阀；17为储水罐；18为气化炉；19为发电机；20为家庭灶;21为第一烟道；22为第二烟道；24为第三烟道；25为第四烟道；26为进水管道；27为出水管道；28为氢气提纯设备；29为生物质能多余电输送；30为家用储水罐。

具体实施方式

下面结合图1对本发明一种基于燃料电池系统的农村热电联供系统作进一步的说明。

参见图1，燃料电池热电联供能量综合利用系统，包括风光互补制氢系统、生物质能综合利用系统、燃料电池系统；燃料电池系统和风光互补制氢系统的电力输出端提供民用电，风光互补制氢系统的氢气输出端接入燃料电池系统；生物质能综合利用系统包括火炕14、储水罐17、气化炉18、发电机19以及家庭灶20；气化炉18向发电机19供气，发电机19的尾气出口和家庭灶20烟气出口连通火炕14的烟道；储水罐17的出口连通换热器的低温介质入口，换热器13的低温介质出口连通火炕14的水流管道和家用储水罐；气化炉18的烟气出口和家庭灶20烟气出口连通换热器的高温介质入口，发电机19电能输出端提供民用电。

风光互补制氢系统包括太阳能发电模块1、风力发电机组2和电解水制氢装置4，太阳能发电模块1、风力发电机组2的电能输出端连接电解水制氢装置4的电能输入端，电解水制氢装置4的电能输入端还连接发电机19的输出端。

气体加热器9采用热交换器，气体在热交换器中通过与高温烟气换热。

为安全和方便利用，太阳能发电模块1、风力发电机组2远离村庄布置，电解水制氢装置4和生物质能综合利用系统靠近村庄布置，燃料电池系统布置在村庄中。

本实例中质子交换膜燃料电池需要的氢气由风光互补发电并电解水制得，太阳能发电模块1与风力发电机组2互补发电，优先通过第一逆变器11为居民供电，多余电能为蓄电池3供电储能或流向电解水制氢装置4电解水制取氢气，制出的氢气流向氢气罐6储存。

优选的，电解水制氢装置4制出的氢气由提纯装置28提纯后装入氢罐6中。

本实例中生物质能综合利用模块包括家庭灶20、气化炉18和发电机19，农村的多余生物质能有两种利用方式，通过家庭灶20燃烧得到热能，多余的热能通过第一烟道21流向火炕14加热火炕储存热能。生物质能也可以直接流向气化炉18，得到各种可燃气体，再通入发电机组19中发电提供居民用电，其中发电过程中得到的高温烟气可通过第二烟道22余热回收利用，第二烟道22的烟气优先流入第三烟道24加热原料以加速气化反应，剩余高温烟气可通过第四烟道25流入气体加热器9与换热器13。

优选的，生物质能发电多余电能用于通入电解水制氢装置4中制氢。

优选的，根据气体加热器9中的气体是否达到入口气体要求和换热器13出口热水是否达到加热火炕工作要求来确定生物质能燃烧产生的高温烟气流入哪个热交换器，气体加热器9中的气体温度如未达到入口气体温度要求，则高温烟气进入气体加热器9中，如换热器13出口热水未达到加热火炕的温度要求，则高温烟气进入换热器13中。

本实例中氢气经氢气阀8，空气通过空气压缩机5和空气阀7流入气体加热器9。

优选的，氢气阀8、空气阀7、空气压缩机5同时开关，根据当前风光互补发电是否能满足居民用电要求来控制阀的开闭进而控制燃料电池的工作，如果当前风光互补发电不能满足居民用电要求，则开启燃料电池，如果当前风光互补发电能满足居民用电要求，则关闭氢气阀8、空气阀7、空气压缩机5和燃料电池。

本实例中空气和氢气进入气体加热器9吸收热量以较高温度流入质子交换膜燃料电池10以提高热效率。

优选的，燃料电池10阳极气体会有未完全反应的氢气，燃料电池10阳极反应后多余气体与氢气罐6提供的氢气混合，以加热新氢气并提高氢气利用率。

优选的，燃料电池阴极出口气体进入气体加热器9和低温氢气、空气换热，以加热低温氢气、空气。

本实例中燃料电池10靠进水管道26提供的冷水冷却，冷水流经燃料电池10升温，高温水通过出水管道27流入换热器13中，降温后再通过进水管道26冷却燃料电池10。

优选的，燃料电池10、进水管道26与出水管道27应保持密闭性，防止污垢进入燃料电池。

本实例中燃料电池发电通过第二逆变器12提供居民用电。

本实例中储水罐17的水流量通过水阀16和泵15控制，储水罐中冷水流入换热器13中通过换热得到加热，再流入火炕14或家用储水罐30中放热，放热后水流入储水罐17实现循环。

优选的，泵15和水阀16同时开关，且根据换热器13的出水管道26中水的温度决定是否开启。

本实例中火炕受到燃料电池余热与多余生物质能加热。

优选的，火炕中有烟气通道和水管通道。

优选的，火炕中铺设有相变储能装置，改善火炕炕面温度的分布均匀性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明权利要求保护的范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明权利要求保护的范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明权利要求保护的范围。