一种基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站论文和设计

全文摘要

本实用新型提供了一种基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站，涉及发电设备技术领域。电站包括电池堆发电模块、空气供给模块和氢气供给模块。空气供给模块连接于电池堆发电模块，用于将包含氧气的空气输送给电池堆发电模块；氢气供给模块连接于电池堆发电模块，用于将氢气输送给电池堆发电模块。电池堆发电模块包括多个并联的燃料电池发电单元，燃料电池发电单元用于将氢气和氧气进行物理化学反应产生电能。该电站额定输出电能高，可以取代现存的小型燃煤电站。

主设计要求

1.一种基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站，其特征在于，所述电站包括：电池堆发电模块(2)，所述电池堆发电模块(2)包括多个并联的燃料电池发电单元(21)，所述燃料电池发电单元(21)用于将氢气和氧气进行物理化学反应产生电能；空气供给模块(3)，所述空气供给模块(3)连接于所述电池堆发电模块(2)，用于将包含氧气的空气输送给所述电池堆发电模块(2)；氢气供给模块(4)，所述氢气供给模块(4)连接于所述电池堆发电模块(2)，用于将氢气输送给所述电池堆发电模块(2)；氢气尾气处理模块(5)，所述氢气尾气处理模块(5)的一端连接于所述电池堆发电模块(2)，所述氢气尾气处理模块(5)的一端连接于所述氢气供给模块(4)，所述氢气尾气处理模块(5)用于对所述电池堆发电模块(2)排出的尾气中提纯氢气，并输送给所述氢气供给模块(4)。

设计方案

1.一种基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站，其特征在于，所述电站包括：

电池堆发电模块(2)，所述电池堆发电模块(2)包括多个并联的燃料电池发电单元(21)，所述燃料电池发电单元(21)用于将氢气和氧气进行物理化学反应产生电能；

空气供给模块(3)，所述空气供给模块(3)连接于所述电池堆发电模块(2)，用于将包含氧气的空气输送给所述电池堆发电模块(2)；

氢气供给模块(4)，所述氢气供给模块(4)连接于所述电池堆发电模块(2)，用于将氢气输送给所述电池堆发电模块(2)；

氢气尾气处理模块(5)，所述氢气尾气处理模块(5)的一端连接于所述电池堆发电模块(2)，所述氢气尾气处理模块(5)的一端连接于所述氢气供给模块(4)，所述氢气尾气处理模块(5)用于对所述电池堆发电模块(2)排出的尾气中提纯氢气，并输送给所述氢气供给模块(4)。

2.根据权利要求1所述的基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站，其特征在于，所述空气供给模块(3)包括依次连接的空压机(31)和空气加湿装置(32)；所述空压机(31)用于对环境中的空气加压后送入所述空气加湿装置(32)，所述空气加湿装置(32)用于将加压后的空气增加湿度，并输送给所述电池堆发电模块(2)。

3.根据权利要求1所述的基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站，其特征在于，所述氢气供给模块(4)包括氢气加湿装置(41)、氢气水泵(42)和氢气温度控制器(43)，所述氢气加湿装置(41)用于将氢气加湿，并输送给所述电池堆发电模块(2)，所述氢气水泵(42)的一端连接于所述氢气加湿装置(41)，所述氢气水泵(42)的另一端连接于所述氢气温度控制器(43)的一端，所述氢气温度控制器(43)的另一端连接于所述氢气加湿装置(41)。

4.根据权利要求1所述的基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站，其特征在于，所述电站还包括空气尾气处理模块(6)，所述空气尾气处理模块(6)连接于所述电池堆发电模块(2)，所述空气尾气处理模块(6)用于对所述电池堆发电模块(2)排出的尾气中水分进行冷凝。

5.根据权利要求4所述的基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站，其特征在于，所述电站还包括去离子凝结水循环模块(7)，所述去离子凝结水循环模块(7)的一端连接于所述空气尾气处理模块(6)，所述去离子凝结水循环模块(7)的另一端连接于所述空气供给模块(3)和所述氢气供给模块(4)，所述去离子凝结水循环模块(7)用于将冷凝后的水分储存、并输送给所述空气供给模块(3)和所述氢气供给模块(4)。

6.根据权利要求5所述的基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站，其特征在于，所述去离子凝结水循环模块(7)包括去离子水箱(71)和去离子水泵(72)，所述去离子水箱(71)连接于所述空气尾气处理模块(6)，所述去离子水箱(71)用于存储去离子水，所述去离子水泵(72)连接于所述去离子水箱(71)，用于将去离子水输送给所述空气供给模块(3)和所述氢气供给模块(4)。

7.根据权利要求1所述的基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站，其特征在于，所述电站还包括氮气吹扫模块(8)，所述氮气吹扫模块(8)连接于所述氢气供给模块(4)，所述氮气吹扫模块(8)用于向管道里吹入氮气以替换氢气。

8.根据权利要求1所述的基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站，其特征在于，所述电站还包括电气控制模块，所述电气控制模块连接于所述电池堆发电模块(2)，所述电气控制模块用于将所述电池堆发电模块(2)产生的电能输送至市电。

9.根据权利要求1所述的基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站，其特征在于，所述燃料电池发电单元(21)的数量为5个，每个所述燃料电池发电单元(21)的发电量为2MW。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及发电设备技术领域，具体而言，涉及一种基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站。

背景技术

燃料电池发电是一种高效、清洁、可靠、稳定的分布式发电技术。目前最先进的百万千瓦级超临界二次再热火力发电(燃煤电站)的发电效率约47.93％，燃料电池发电效率可高达70％以上，远高于现有火力电站发电效率。并且，烟尘、二氧化碳和氮氧化物排放浓度均达到超低排放标准。

燃料电池发电技术具有诸多优点，随着质子交换膜燃料电池(PEMFC)关键技术研发和发展，整体供应链成本的逐渐下降，电池能量密度增加，可以实现由电池堆组成的千瓦级燃料电池发电项目。目前已有的燃料电池发电项目容量多为千瓦级，最高容量接近1MW。

根据相关研究，燃料电池电站的容量越大，其热电联产的效率也越高，相比较于容量较小的燃料电池电站，效率最高可提升至80％左右。另外，从电网调峰、供电强度、大规模储氢等应用方面来说，燃料电池电站容量越大，形成的优势亦越明显。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站，其额定输出电能高，可以取代现存的小型燃煤电站。

本实用新型实施例提供的技术方案：

一种基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站包括：

电池堆发电模块，所述电池堆发电模块包括多个并联的燃料电池发电单元，所述燃料电池发电单元用于将氢气和氧气进行物理化学反应产生电能；

空气供给模块，所述空气供给模块连接于所述电池堆发电模块，用于将包含氧气的空气输送给所述电池堆发电模块；

氢气供给模块，所述氢气供给模块连接于所述电池堆发电模块，用于将氢气输送给所述电池堆发电模块。

进一步地，所述空气供给模块包括依次连接的空压机和空气加湿装置；所述空压机用于对环境中的空气加压后送入所述空气加湿装置，所述空气加湿装置用于将加压后的空气增加湿度，并输送给所述电池堆发电模块。

进一步地，所述氢气供给模块包括氢气加湿装置、氢气水泵和氢气温度控制器，所述氢气加湿装置用于将氢气加湿，并输送给所述电池堆发电模块，所述氢气水泵的一端连接于所述氢气加湿装置，所述氢气水泵的另一端连接于所述氢气温度控制器的一端，所述氢气温度控制器的另一端连接于所述氢气加湿装置。

进一步地，所述电站还包括氢气尾气处理模块，所述氢气尾气处理模块的一端连接于所述电池堆发电模块，所述氢气尾气处理模块的一端连接于所述氢气供给模块，所述氢气尾气处理模块用于对所述电池堆发电模块排出的尾气中提纯氢气，并输送给所述氢气供给模块。

进一步地，所述电站还包括空气尾气处理模块，所述空气尾气处理模块连接于所述电池堆发电模块，所述空气尾气处理模块用于对所述电池堆发电模块排出的尾气中水分进行冷凝。

进一步地，所述电站还包括去离子凝结水循环模块，所述去离子凝结水循环模块的一端连接于所述空气尾气处理模块，所述去离子凝结水循环模块的另一端连接于所述空气供给模块和所述氢气供给模块，所述去离子凝结水循环模块用于将冷凝后的水分储存、并输送给所述空气供给模块和所述氢气供给模块。

进一步地，所述去离子凝结水循环模块包括去离子水箱和去离子水泵，所述去离子水箱连接于所述空气尾气处理模块，所述去离子水箱用于存储去离子水，所述去离子水泵连接于所述去离子水箱，用于将去离子水输送给所述空气供给模块和所述氢气供给模块。

进一步地，所述电站还包括氮气吹扫模块，所述氮气吹扫模块连接于所述氢气供给模块，所述氮气吹扫模块用于向管道里吹入氮气以替换氢气。

进一步地，所述电站还包括电气控制模块，所述电气控制模块连接于所述电池堆发电模块，所述电气控制模块用于将所述电池堆发电模块产生的电能输送至市电。

进一步地，所述燃料电池发电单元的数量为5个，每个所述燃料电池发电单元的发电量为2MW。

本实用新型实施例提供的基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站的有益效果是：

规模突出，该电站的额定输出电能高，能够达到一般的小型火电站规模，可以取代现存的小型燃煤电站，作为分布式发电中的重要一环，能够进行电力供应、调峰、综合能源供给等重要功能。

应用场景广泛，分布式发电应用领域，该电站可用于微电网的调峰；在离网型应用领域，该电站可根据用户端需求提供电能和热能；并可以结合新能源和可再生能源，进行海岛、偏远地区供电、大规模氢储能等应用。

低噪音，电站发电主体为燃料电池，无转动机构，噪音大幅度低于一般燃煤电厂。另外，电站为撬装式设计，物料供应系统的泵类设备放置于集装箱内，发出的噪音较低。

模块化设计，该电站的各个重要模块均放置于标准集装箱内，并根据业主需求进行相关模块的增加或减少。如业主想增加电站的容量，则可再增加一个燃料电池发电单元。

撬装式设计，电站可快速部署，不需进行基础负挖等工程，减少电站部署工作量，降低成本。

大幅度消纳清洁能源，该电站的燃料为高纯度氢气。氢气来源可有多重选择，如水解氢，水解氢的来源可以是弃水、弃光、弃风等，还可选择化工厂废氢，进行重整作为电站所需的氢气的来源。

供能多样化，该电站不仅可生产电能供市电，也可利用换热器进行供热，还可以供应高纯度去离子水，是一种优秀的综合能源供应系统。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站的结构示意图。

图标：1-基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站；2-电池堆发电模块；21-燃料电池发电单元；3-空气供给模块；31-空压机；32-空气加湿装置；33-空气水泵；34-空气温度控制器；4-氢气供给模块；41-氢气加湿装置；42-氢气水泵；43-氢气温度控制器；5-氢气尾气处理模块；51-氢气增压装置；6-空气尾气处理模块；61-板式换热器；62-空气水泵；7-去离子凝结水循环模块；71-去离子水箱；72-去离子水泵；8-氮气吹扫模块。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，也可以是电连接；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。

请参阅图1，本实施例提供了一种基于燃料电池的撬装式静默兆瓦级电站1，该电站采用模块化设计和母管制设计，额定输出功率为10MW。

该电站包括电池堆发电模块2、空气供给模块3、氢气供给模块4、氢气尾气处理模块5、空气尾气处理模块6、去离子凝结水循环模块7、氮气吹扫模块8和电气控制模块。

电池堆发电模块2包括多个并联的燃料电池发电单元21，燃料电池发电单元21用于将氢气和氧气进行物理化学反应产生电能。同时生产反应产物，例如阴极尾气和阳极尾气。燃料电池发电单元21为撬装式，业主可根据需求进行相应改装，本实施例中，设计撬装式的燃料电池发电单元21的数量为5个，单个燃料电池发电单元21的发电量为2MW，则电池堆发电模块2的发电量为10MW。

空气供给模块3连接于电池堆发电模块2，用于将包含氧气的空气输送给电池堆发电模块2。空气供给模块3包括依次连接的空压机31和空气加湿装置32。空压机31带有滤网，用于对环境中的空气过滤加压后送入空气加湿装置32，空气加湿装置32用于将加压后的空气增加湿度，达到电池堆发电模块2所需的标准，并输送给电池堆发电模块2。空气供给模块3还包括连接在空气加湿装置32的输出端的空气水泵6233和空气温度控制器34。

空气供给模块3时刻控制进入电池堆发电模块2的空气的质量，保证电池堆发电模块2的反应高效、稳定进行。

氢气供给模块4连接于电池堆发电模块2，用于将高纯度的氢气进行加压和加湿，达到电池堆发电模块2所需的标准，并输送给电池堆发电模块2。氢气供给模块4包括氢气加湿装置41、氢气水泵42和氢气温度控制器43，氢气加湿装置41用于将氢气加湿，并输送给电池堆发电模块2，氢气水泵42的一端连接于氢气加湿装置41，氢气水泵42的另一端连接于氢气温度控制器43的一端，氢气温度控制器43的另一端连接于氢气加湿装置41。

氢气供给模块4时刻控制进入电池堆发电模块2的氢气的质量，保证电池堆发电模块2反应高效、稳定进行。

氢气尾气处理模块5的一端连接于电池堆发电模块2，氢气尾气处理模块5的一端连接于氢气供给模块4，氢气尾气处理模块5用于对电池堆发电模块2排出的尾气中提纯氢气，并输送给氢气供给模块4，以避免氢气浪费。氢气尾气处理模块5包括氢气增压装置51、调节阀、阀门组等。

空气尾气处理模块6连接于电池堆发电模块2，空气尾气处理模块6用于对电池堆发电模块2排出的尾气中水分进行冷凝。空气尾气处理模块6包括板式换热器61和空气水泵6233，板式换热器61连接于电池堆发电模块2，空气水泵6233连接于板式换热器61。外部冷却水接入板式换热器61的进水口，通过板式换热器61对高温高湿的尾气进行降温，尾气中水分冷凝后通过空气水泵6233进入去离子凝结水循环模块7。多余未冷却的尾气通过阀门定时排出。空气尾气处理模块6可以充分利用尾气热量，充分利用余热，提高系统整体热量利用效率。

去离子凝结水循环模块7的一端连接于空气尾气处理模块6，去离子凝结水循环模块7的另一端连接于空气供给模块3和氢气供给模块4，去离子凝结水循环模块7用于将冷凝后的水分储存、并输送给空气供给模块3和氢气供给模块4。

去离子凝结水循环模块7包括去离子水箱71和去离子水泵72，去离子水箱71连接于空气尾气处理模块6，去离子水箱71用于存储去离子水，去离子水泵72连接于去离子水箱71，用于将去离子水输送给空气供给模块3和氢气供给模块4。

水箱内安装有液位传感器，通过液位传感器控制水箱内去离子水的容量。当水位高于水箱的最大容量时，水箱自动排水，正常工况下，去离子水泵72将去离子水输送至空气加湿装置32及氢气加湿装置41。本电站可充分利用电池堆发电模块2产生的去离子水，减少向外界排水。

氮气吹扫模块8连接于氢气供给模块4，氮气吹扫模块8用于向管道里吹入氮气以替换氢气。电站在启动时、停机以及长期停机后开机前进行高压氮气吹扫，对管道里剩余的氢气进行置换，以保证系统运行安全。氮气吹扫模块8包括阀门组及多个高压氮气瓶。

电气控制模块连接于电池堆发电模块2，电气控制模块用于将电池堆发电模块2产生的电能输送至市电。电气控制模块包括DC\/DC变换器、逆变器、变压器、开关柜、配电柜等。电池堆发电模块2发出的电流经过DC\/DC变换器后电压约直流1100V，电流再经过逆变器交流输出通过一台双绕组的变压器升压至10kV，变压器输出回流后接至10kV的开关柜，电站全站通过1路10kV的线路送出。

电站的运行流程：在点火开机前，保证系统所有阀门打开，开启氮气吹扫模块8，对管道及设备空隙内气体进行置换，经过规定操作流程后，气体置换完成，关闭氮气吹扫模块8。接着，空气供给模块3和氢气供给模块4同时开启，向电池堆发电模块2提供反应所需的氢气及空气，电池堆发电模块2开始向外输送电能。在发电达到稳定后，开启氢气尾气处理模块5、空气尾气处理模块6以及去离子凝结水循环模块7。其中，氢气尾气处理模块5将尾气中的氢气净化处理并加压输送至氢气供给模块4，进一步参与电池堆发电模块2中的反应。空气尾气处理模块6将高温、高湿的空气进行换热凝结，加热外部冷却水以达到外部对热水需求，可进一步进行供热或供应工艺用热水。去离子凝结水循环模块7将凝结后的去离子水通过去离子水水泵输送至空气供给模块3和氢气供给模块4，再次参与整个电站循环，提高废水利用率，减少能耗。

本实施例提供的电站的有益效果：

应用场景广泛，分布式发电应用领域，该电站可用于微电网的调峰。在离网型应用领域，该电站可根据用户端需求提供电能和热能。并可以结合新能源和可再生能源，进行海岛、偏远地区供电、大规模氢储能等应用。

零排放，利用氢能进行发电，碳排放为零。排放尾气经处理后可产生纯水，对环境无污染。

模块化设计，该电站的各个重要模块均放置于标准集装箱内，并根据业主需求进行相关模块的增加或减少。如业主想增加电站的容量，则可再增加一个燃料电池发电单元21。

撬装式设计，电站可快速部署，不需进行基础负挖等工程，减少电站部署工作量，降低成本。同时也可做到快速部署、快速安装、高效生产的要求。

供能多样化，该电站不仅可生产电能供市电，也可利用换热器进行供热，还可以供应高纯度去离子水，是一种优秀的综合能源供应系统。

本实施例提供的电站采用的质子交换膜燃料电池、并采用模组化单元设计和子系统高效集成设计，可提供兆瓦级电能及热能，具有低维护成本、长运行寿命、高发电效率、零排放无污染等特点。在分布式发电应用领域，可用于微电网的调峰。在离网型应用领域，可根据用户端需求提供电能和热能。并可以结合新能源和可再生能源，进行海岛、偏远地区供电、大规模氢储能等应用。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

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