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CN109411798B - 基于复合气体条件下可逆燃料电池的燃气-电力互联系统 - Google Patents

基于复合气体条件下可逆燃料电池的燃气-电力互联系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于复合气体条件下可逆燃料电池的燃气‑电力互联系统，包括可逆燃料电池以及通过氢气‑甲烷‑一氧化碳输送管道与可逆燃料电池连接的天然气输送管道，通过输氢管道分别连通加氢站和储氢罐。天然气输送管道连接的氢气‑甲烷‑一氧化碳输送管道点上游设有减压站，还包括与可逆燃料电池和天然气输送管道共同连通的电网；重构复合气体管道与下游各用户构成了含氢气、甲烷与一氧化碳注入的天然气配送网。在不改变现有技术条件下，氢气注入比例不超过17％，同时向天然气管网注入由氢气、甲烷和一氧化碳构成的复合气体会得到比注入纯氢更高的注入比例，以提高燃料的整体注入量，从而提升系统整体的电力转气的功率。

Description

基于复合气体条件下可逆燃料电池的燃气-电力互联系统
技术领域
本发明涉及电/气的多能源系统和清洁新能源管理的交叉领域，尤其涉及一种基于复合气体条件下可逆燃料电池的燃气/电力互联系统。
背景技术
针对当今社会出现的化石能源枯竭与环境污染问题，为了实现各种能量的优化控制和高效利用，涉及到电、热、气等多种能流的系统紧密耦合的多能源系统是未来能源形式的趋势，为此，必须建立源、储、荷三位一体的新型能源系统。
随着能源日益匮乏，但氢能源因具有来源丰富、可再生、能量密度高和燃烧清洁等优点，被认为是21世纪最具发展潜力的清洁能源。然而其制取成本高、运输难、储存难的特点仍是目前亟需解决的难题。
氢气是一种极不稳定、易爆炸的物质，氢气通常采用高压或低温液化方式存储，以高压缩比的形式存入储氢罐中，这一过程本身就极耗能量，得不偿失。且因为采用此方法储氢存在安全性差的问题，储氢罐必须设置在远离市区的地方，且储氢量有限，建造大规模储氢装置成本高，输送不便。
氢气大规模稳定输送要依靠昂贵的输氢管道的建设，但是氢气和甲烷在能量密度、热值和渗透率等方面具有显著差异，利用天然气管网传输氢能是较为经济的输送方法，并且，当氢气含量低于17％时不会对现有天然气管线设施带来不利的影响，但是却限制了制氢的功率，以及能源互联时的功效。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于复合气体条件下可逆燃料电池的燃气/电力互联系统，以克服现有技术的不足。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种基于复合气体条件下可逆燃料电池的燃气-电力互联系统，其特征在于，包括：
可逆燃料电池，用于将产生的氢气、甲烷和一氧化碳通过气体注入站注入到天然气管道中，以提高氢气的注入量从而提升利用电力产气的功率；
加氢站，通过输氢管道与可逆燃料电池所生产的氢气直连，补充加氢站气体；
储氢罐，通过小型储氢罐储存，供当地负荷高峰时使用；
天然气配送网，包括通过重构复合气体管道连通气体注入站与用户，构成了含氢气、甲烷与一氧化碳注入的天然气配送网。
进一步，所述重构复合气体管道中氢气以小于17％的比例注入混合，并且其中任意一处气压应小于天然气输送管道中气体压强。
进一步，对于重构复合气体配送管道中任意一处混合气体的具体约束如下：
Figure BDA0001829213170000021
Figure BDA0001829213170000022
其中，
Figure BDA0001829213170000023
为t时刻重构复合气体管道中氢气含量；
Figure BDA0001829213170000024
为t时刻重构复合气体管道中单位时刻流过天然气含量；
Figure BDA0001829213170000025
为t时刻重构复合气体管道中单位时刻流过甲烷含量；
Figure BDA0001829213170000026
为t时刻重构复合气体管道中单位时刻流过一氧化碳含量；
Figure BDA0001829213170000027
分别为重构复合气体管道和天然气输送管道中气压；km为安全裕度。
进一步，所述天然气输送管道上游设有减压站。
进一步，所述可逆燃料电池通过氢气-甲烷-一氧化碳输送管道连接天然气输送管道，所述氢气-甲烷-一氧化碳输送管道与天然气输送管道通过气体注入站连通。
减压站设置在气体注入站上游并紧邻气体注入站建设，减压站为天然气输送管道与重构复合气体管道的分隔节点，减压站上游连接天然气输送管道。
进一步，所述可逆燃料电池连接至电网。
进一步，可逆燃料电池分别通过输氢管道连接至加氢站和储氢罐。
进一步，在负荷低谷期利用电网电能对燃料电池施加反向电压，使其转变为电解池，即可以利用负荷低谷期的电能使高温水蒸气和二氧化碳生成由氢气、甲烷和一氧化碳构成的复合气体；在负荷高峰期可逆燃料电池可以利用氢气、甲烷和一氧化碳构成的复合气体发电并以热电联产的方式供电、供暖，且将多余电能输送至电网。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
本发明一种基于复合气体条件下可逆燃料电池的燃气-电力互联系统，把由可逆燃料电池电解所产生的氢气、甲烷和一氧化碳的复合气体以注入形式沿天然气管网对外输送，有效降低了储氢成本；在不改变现有技术条件下，氢气注入比例不超过17％，同时向天然气管网注入由氢气、甲烷和一氧化碳构成的复合气体会得到比注入纯氢更高的注入比例，以提高燃料的整体注入量，从而提升系统整体的电力转气的功率。
此外，本发明也避免了大规模输氢管道的建设，减少了输氢成本与基建成本，促进了电与气两种能流的双向流动，加深了电网-气网的耦合程度，既提高了能源利用效率，也提升了能源互联的功效。
再有，可逆燃料电池也可以采用通过电解所得到的复合气体发电，可逆燃料电池作为原动机同时也是储能装置，通过高效率的热电联产和电转气，消纳了新能源和负荷低谷期的电能，实现节能减排。通过分时气价政策以及氢能的廉价产出和配送，充分挖掘用户的产氢潜力和积极性，促进了氢能与甲烷能这种清洁能源的利用。通过可逆燃料电池的发电、电解交替进行，流经气体也交替反向，避免了碳沉积的可能。
本发明系统可逆燃料电池所生产的氢气、甲烷和一氧化碳通过气体注入站注入到天然气管道中可以提高氢气的注入量从而提升利用电力产气的功率，可逆燃料电池所生产的氢气也可通过输氢管道与加氢站直连，补充加氢站气体，或通过小型储氢罐储存，在负荷低谷时，当地电热负荷全部由电网供应，与此同时对可逆燃料电池施加反向电压，使其转换为高温电解池，使用购入的电能将高温水蒸气和二氧化碳电解生成产物为氢气、甲烷和一氧化碳构成的复合气体，三者同时对外输送；在负荷高峰时，可逆燃料电池可利用复合气体发电从而给当地用户提供电、热负荷，供应不足部分向电网购买补充，富余电能向电网售出，实行分时气电配送，形成氢能传输循环链；可逆燃料电池所生产的氢气、甲烷和一氧化碳复合气体或直接用作发电燃料。有效降低了储氢、输氢成本，通过电与气两种能流的双向流动，加深了电网-气网耦合程度，促进了清洁能源的利用和节能减排。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明的基于复合气体条件下可逆燃料电池的燃气-电力互联系统，包括可逆燃料电池以及通过氢气-甲烷-一氧化碳输送管道与可逆燃料电池连接的天然气输送管道，通过输氢管道分别连通加氢站和储氢罐。天然气输送管道连接的氢气-甲烷-一氧化碳输送管道点上游设有减压站，还包括与可逆燃料电池和天然气输送管道共同连通的电网；重构复合气体管道与下游各用户构成了含氢气、甲烷与一氧化碳注入的天然气配送网。通过重构复合气体管道与可逆燃料电池构成回路；氢气-甲烷-一氧化碳输送管道与天然气输送管道通过气体注入站连接。
可逆燃料电池通过电解高温水蒸气产生氢气，同时，通过电解二氧化碳和高温水蒸气产生甲烷和一氧化碳，产生的由氢气、甲烷和一氧化碳构成的复合气体一起对外输送，可逆燃料电池也可以利用复合气体发电，产生的直流电经DC\AC转换器连接至电网。
接入氢气-甲烷-一氧化碳输送管道的天然气输送管道为重构复合气体管道，重构复合气体管道接至用户，用于运输天然气、氢气的混合气体，将其中混合燃气提供给其他用户负荷，也供给于燃料电池系统本身；重构复合气体管道与下游各用户构成了含氢气、甲烷和一氧化碳注入的天然气配送网。
可逆燃料电池通过输氢管道连接至加氢站和储氢罐，通过氢气-甲烷-一氧化碳输送管道连接至气体注入站。
可逆燃料电池用于热电联产供能和产氢、甲烷和一氧化碳。
减压站设置在气体注入站上游并紧邻气体注入站建设，减压站为天然气输送管道与重构复合气体管道的分隔节点，减压站上游连接天然气输送管道，其作用为减少天然气输送管道中压强，防止复合气体注入后的混合燃气向高压天然气输送管道回流，并提供复合气体注入所必要的中、低压环境。
可逆高温燃料电池采用一套装置实现发电和产气，并可直接使用复合气体发电，在负荷高峰期燃料电池实行热电联产供电、供暖，多余电能输送至电网；在负荷低谷期利用电网电能对燃料电池施加反向电压，使其转变为电解池，将高温水蒸气转变为氢气售出或者储存，并且将二氧化碳和高温水蒸气转变为甲烷和一氧化碳使用；可逆高温燃料电池所生产的大部分氢气与甲烷将通过输氢管道或者输甲烷管道送入气体注入站注入到天然气管道中，其余氢气通过短距离输氢管道与加氢站就近直连，补充加氢站气体，也可通过小型储氢罐储存，供负荷高峰时使用。
含氢气、甲烷和一氧化碳注入的天然气配送网依托现有的基础设施与管道，重构复合气体管道中氢气以小于17％的比例注入混合，并且其中任意一处气压应小于天然气输送管道中气体压强，对于重构复合气体配送管道中任意一处混合气体的具体约束如下：
Figure BDA0001829213170000061
Figure BDA0001829213170000062
其中，
Figure BDA0001829213170000063
为t时刻重构复合气体管道中氢气含量；
Figure BDA0001829213170000064
为t时刻重构复合气体管道中单位时刻流过天然气含量；
Figure BDA0001829213170000065
为t时刻重构复合气体管道中单位时刻流过甲烷含量；
Figure BDA0001829213170000071
为t时刻重构复合气体管道中单位时刻流过一氧化碳含量；
Figure BDA0001829213170000072
分别为重构复合气体管道和天然气输送管道中气压；km为安全裕度。
在负荷低谷时，当地电热负荷全部由电网供应，与此同时对可逆燃料电池施加反向电压，使其转换为高温电解池，使用购入的电能将高温水蒸气和二氧化碳电解生成产物为氢气、甲烷和一氧化碳构成的复合气体，三者同时对外输送；在负荷高峰时，可逆燃料电池可利用负荷低谷期产生的复合气体发电从而给当地用户提供电、热负荷，供应不足部分向电网购买补充，富余电能向电网售出，实行分时气电配送，形成氢能传输循环链，有效降低了储氢、输氢成本，通过电与气两种能流的双向流动，加深了电网-气网耦合程度，促进了清洁能源的利用和节能减排。
可逆燃料电池的输出气体为氢气、甲烷和一氧化碳，输出的氢气可分为三部分进行处理：
第一部分，通过氢气-甲烷-一氧化碳输送管道输送至气体注入站，由气体注入站将氢气注入到天然气管道中；第二部分，通过输氢管道就近输送至加氢站，用于氢能汽车加气；第三部分，通过小型储氢罐储存；输出的甲烷和一氧化碳则通过氢气-甲烷-一氧化碳输送管道注入到天然气管道中。
可逆燃料电池输入燃气用于供应本地热电负荷，输入燃气分为两部分：
第一部分，由储氢罐输入的纯净氢气；第二部分，由重构复合气体管道输入的复合气体混合燃质。
气体注入站用于将可逆燃料电池电解所产生的氢气、甲烷和一氧化碳加压后注入到天然气管道中形成重构复合气体管道，用于将复合气体燃气提供给各个下游用户和燃料电池系统本身，使其在负荷高峰时使用复合气体热电联产供能，由此形成清洁能源传输循环链。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于复合气体条件下可逆燃料电池的燃气-电力互联系统，其特征在于，包括：
可逆燃料电池，用于将产生的氢气、甲烷和一氧化碳通过气体注入站注入到天然气管道中，以提高氢气的注入量从而提升利用电力产气的功率；
加氢站，通过输氢管道与可逆燃料电池所生产的氢气直连，补充加氢站气体；
储氢罐，通过小型储氢罐储存，供当地负荷高峰时使用；
天然气配送网，包括通过重构复合气体管道连通气体注入站与用户，构成了含氢气、甲烷与一氧化碳注入的天然气配送网；
所述重构复合气体管道中氢气以小于17％的比例注入混合，并且其中任意一处气压应小于天然气输送管道中气体压强；
对于重构复合气体配送管道中任意一处混合气体的具体约束如下：
Figure FDA0002603704300000011
其中，
Figure FDA0002603704300000012
为t时刻重构复合气体管道中氢气含量；
Figure FDA0002603704300000013
为t时刻重构复合气体管道中单位时刻流过天然气含量；
Figure FDA0002603704300000014
为t时刻重构复合气体管道中单位时刻流过甲烷含量；
Figure FDA0002603704300000015
为t时刻重构复合气体管道中单位时刻流过一氧化碳含量；
Figure FDA0002603704300000016
分别为重构复合气体管道和天然气输送管道中气压；km为安全裕度。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合气体条件下可逆燃料电池的燃气-电力互联系统，其特征在于，所述天然气输送管道上游设有减压站。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合气体条件下可逆燃料电池的燃气-电力互联系统，其特征在于，所述可逆燃料电池通过氢气-甲烷-一氧化碳输送管道连接天然气输送管道，所述氢气-甲烷-一氧化碳输送管道与天然气输送管道通过气体注入站连通。
4.根据权利要求1所述的一种基于复合气体条件下可逆燃料电池的燃气-电力互联系统，其特征在于，所述可逆燃料电池连接至电网。
5.根据权利要求1所述的一种基于复合气体条件下可逆燃料电池的燃气-电力互联系统，其特征在于，可逆燃料电池分别通过输氢管道连通加氢站和储氢罐。
6.根据权利要求5所述的一种基于复合气体条件下可逆燃料电池的燃气-电力互联系统，其特征在于，在负荷低谷期利用电网电能对燃料电池施加反向电压，使其转变为电解池，即可以利用负荷低谷期的电能使高温水蒸气和二氧化碳生成由氢气、甲烷和一氧化碳构成的复合气体；在负荷高峰期可逆燃料电池可以利用氢气、甲烷和一氧化碳构成的复合气体发电并以热电联产的方式供电、供暖，且将多余电能输送至电网。
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