【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于储能，具体涉及一种耦合电解装置和燃料电池的压缩气体储能系统及方法。
技术介绍
1、随着可再生能源的不断发展，其波动性和不稳定性对电网带来的冲击也越来越大。为了解决这个问题，需要将可再生能源与储能技术相结合，以在低负载时储存电力，并在高负载时释放电力。同时随着全球对环境保护的要求越来越高，清洁能源技术的应用需求也越来越迫切。氢氧燃料电池的应用成为了实现清洁能源稳定供应和高效利用的关键。传统的储能技术包括电池储能、超级电容储能等，但它们存在着能量密度不高、成本高、寿命短等问题。压缩气体储能系统作为一种可持续、高效、可控、可靠的储能技术，日益受到重视。压缩气体储能系统被视为未来能源储存最具潜力的技术之一。但同时现有的压缩气体储能技术存在能量利用效率不够高而且现有的压缩气体储能技术相比较化学能储存系统储能密度较低，低品质压缩热利用程度较低，而且传统压缩气体储能膨胀单元中气体膨胀做功效率不高，提高压缩气体储能膨胀单元效率也是储能技术难点之一。
技术实现思路
1、为了解决现有压缩气体储能技术中低品质压缩热利用程度较低、储能系统储能密度较低等问题，本专利技术的目的在于提供一种耦合电解装置和燃料电池的新型压缩气体储能系统及方法，通过将电解池、燃料电池与压缩气体储能技术进行耦合，提高了压缩气体储能系统的储能密度，并且将低品质压缩热进行了有效利用，而且提出了一种可稳定排气的液体活塞近等温膨胀单元大幅提高了气体的做功能力，实现高效、高密度储能的效果，有助于压缩气体储能技术的推广和应用。p>
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种耦合电解装置和燃料电池的压缩气体储能系统，包括水电解装置、换热器、氢气压缩机组、氧气压缩机组、液体活塞近等温膨胀模块、膨胀机、氢氧燃料电池；水电解装置的氢气出口和氧气出口分别连接氢气压缩机组和氧气压缩机组，氢气压缩机组和氧气压缩机组均依次连接液体活塞近等温膨胀模块、膨胀机以及氢氧燃料电池，氢氧燃料电池的出水口连接水电解装置的进水口；氢气压缩机组和氧气压缩机组中均设置换热器和蓄热器，所述换热器的热侧进出口均连接压缩机，换热器的冷侧入口连接冷水源，出口连接液体活塞近等温膨胀模块热水入口；膨胀机出口设置换热器，所述换热器的冷侧连接膨胀机和氢氧燃料电池，热侧连接氢氧燃料电池和水罐。
3、进一步的，氧气压缩机组包括依次连接的第一压缩机、第一换热器、第二压缩机、第一蓄热器、氧气储气罐；第一换热器的热侧连接第一压缩机和第二压缩机，第一换热器的冷侧连接冷水水源和液体活塞近等温膨胀模块；氢气压缩机组包括依次连接的第三压缩机、第二换热器、第四压缩机、第二蓄热器以及氢气储气罐，第二换热器的热侧连接第三压缩机和第四压缩机，第二换热器的冷侧连接冷水水源和液体活塞近等温膨胀模块。
4、进一步的，氧气储气罐的出口经第一蓄热器连接液体活塞近等温膨胀模块和第一膨胀机，氢气储气罐经第二蓄热器连接液体活塞近等温膨胀模块和第二膨胀机。
5、进一步的，液体活塞近等温膨胀模块包括结构和作用相同的第一活塞近等温膨胀模块和第二液体活塞近等温膨胀模块；第一活塞近等温膨胀模块包括第一活塞罐、第二活塞罐、水泵、缓冲室进出水口、缓冲室进出气口以及缓冲室；第一活塞罐、第二活塞罐和缓冲室中设置压力和温度传感器，第一活塞罐和第二活塞罐中分别对应设置第一喷淋器和第二喷淋器，第一喷淋器和第二喷淋器连接水泵的出口，水泵的入口分别连接第一活塞罐和第二活塞罐的出水口，第一活塞罐和第二活塞罐之间设置水轮机(69)；第一活塞罐和第二活塞罐的热水入口，连接压缩机组中换热器的冷侧出口；第一活塞罐和第二活塞罐的气体入口连接压缩机组气体出口，第一活塞罐和第二活塞罐的气体出入口还连接缓冲室进出气口，缓冲室进出水口连接水源，缓冲室排气口连接膨胀机。
6、进一步的，水罐的出口连接第五换热器的冷侧，水电解装置的氧气和氢气出口连接第五换热器的热侧。
7、本专利技术还提供所述耦合电解装置和燃料电池的压缩气体储能系统的运行方法，电解产生氧气和氢气，所述氧气和氢气在换热器冷却后进行绝热压缩，绝热压缩后的高压氧气和高压氢气分别进行存储，氧气和氢气绝热压缩过程中通过换热器放热；压缩后的氧气和氢气分别经过近等温膨胀后进入膨胀机做功，做功后的氢气和氧气氧化燃烧生成水存储，对所存储的水进行电解；冷水在通过换热器吸收氧气和氢气绝热压缩过程产生的热量成为热水，所述热水通过液体活塞近等温膨胀模块加热压缩后的氧气和氢气。
8、进一步的，经过压缩的氢气和氧气分别在蓄热器中吸热后进入液体活塞近等温膨胀模块近等温膨胀。
9、进一步的，热水进入液体活塞近等温膨胀模块中，液体活塞近等温膨胀模块运行第一吸气阶段、膨胀阶段、第二吸气阶段和排气阶段，第一吸气阶段时，第一活塞罐内水经水轮机向第二活塞罐流动，第一活塞罐进气阀打开，高压气体进入第一活塞罐，直至第一活塞罐水位下降至设定水位时，第一吸气阶段结束，膨胀阶段开始，膨胀阶段开始时开始喷淋，液体活塞罐内热水为氧气补热，第一活塞罐中的水仍经水轮机向第二活塞罐流动，直至第一活塞罐内气体压力膨胀至排气压力时，膨胀阶段结束，开始第二吸气阶段；第二吸气阶段时，第一活塞罐内水仍经水轮机向第二活塞罐流动，直至第一活塞罐内水位达到最低水位时，第二吸气阶段停止，开始排气阶段，第二吸气阶段的吸气气源为缓冲室；排气阶段时，第二活塞罐中的水经水轮机向第一活塞罐流动，第一活塞罐内水位开始上升，第一活塞罐内的气体排入缓冲室，直至第一活塞罐内水位达到最高时，排气阶段停止，开始下个循环，第二活塞罐以相同的方式运行第一吸气阶段、膨胀阶段、第二吸气阶段以及排气阶段；缓冲室内气体经缓冲室气体进出气口持续排出压力温度稳定的气体。
10、进一步的，电解产生氢气和氧气带来的热量在换热器中加热来自水罐中的水。
11、进一步的，做功后的氢气和氧气在换热器经过热水加热后进行氧化燃烧，放热后的水进入水罐。
12、与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
13、本系统将电解水燃料电池系统与压缩氢气、氧气系统相耦合，充分利用了电解水和燃料电池产物余热，能实现能量的梯级利用，有利于提升系统效率及系统经济性；电解水产生的氧气和氢气先经压缩机压缩储气，提升系统的储能规模；释能时，氢气和氧气进入燃料电池前先经膨胀机释能，有助于提升释能功率；释能后的氧气进入燃料电池，增加燃料电池反应时的浓度，有利于提升燃料电池的效率，进而提升系统的经济性，与此同时可根据燃料电池的需求，适当将氧气与空气混合进入燃料电池，提高电池效率的同时保障安全性，将燃料电池产生的水的热量充分利用后，再进入蓄水罐，能实现水的循环利用，释能时，燃料电池和膨胀机同时为外界供能，提升了储能密度的同时，可以为系统提供无功功率，有助于提升电能的品质。
14、进一步地，提供一种可稳定排气的液体活塞膨胀单元，可大幅提高气体的做功能力，进一步提升了效率。所提液体活塞膨胀单元采用第一吸气阶段-膨胀阶段-第二吸气阶段-排气阶段的循环方式，在本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种耦合电解装置和燃料电池的压缩气体储能系统，其特征在于，包括水电解装置、换热器、氢气压缩机组、氧气压缩机组、液体活塞近等温膨胀模块、膨胀机、氢氧燃料电池；水电解装置的氢气出口和氧气出口分别连接氢气压缩机组和氧气压缩机组，氢气压缩机组和氧气压缩机组均依次连接液体活塞近等温膨胀模块、膨胀机以及氢氧燃料电池，氢氧燃料电池的出水口连接水电解装置的进水口；氢气压缩机组和氧气压缩机组中均设置换热器和蓄热器，所述换热器的热侧进出口均连接压缩机，换热器的冷侧入口连接冷水源，出口连接液体活塞近等温膨胀模块热水入口；膨胀机出口设置换热器，所述换热器的冷侧连接膨胀机和氢氧燃料电池，热侧连接氢氧燃料电池(9)和水罐(11)。
2.根据权利要求1所述的耦合电解装置和燃料电池的压缩气体储能系统，其特征在于，氧气压缩机组包括依次连接的第一压缩机(1)、第一换热器(2)、第二压缩机(3)、第一蓄热器(4)、氧气储气罐(5)；第一换热器(2)的热侧连接第一压缩机(1)和第二压缩机(3)，第一换热器(2)的冷侧连接冷水水源和液体活塞近等温膨胀模块；氢气压缩机组包括依次连接的第三压缩机(14)、第二
3.根据权利要求2所述的耦合电解装置和燃料电池的压缩气体储能系统，其特征在于，氧气储气罐(5)的出口经第一蓄热器(4)连接液体活塞近等温膨胀模块和第一膨胀机(8)，氢气储气罐(18)经第二蓄热器(17)连接液体活塞近等温膨胀模块和第二膨胀机(20)。
4.根据权利要求1所述的耦合电解装置和燃料电池的压缩气体储能系统，其特征在于，液体活塞近等温膨胀模块包括结构和作用相同的第一液体活塞近等温膨胀模块(6)和第二液体活塞近等温膨胀模块(19)；第一液体活塞近等温膨胀模块(6)包括第一活塞罐(61)、第二活塞罐(62)、水泵(63)、缓冲室进出水口(66)、缓冲室进出气口(67)以及缓冲室(68)；第一活塞罐(61)、第二活塞罐(62)和缓冲室(68)中设置压力和温度传感器，第一活塞罐(61)和第二活塞罐(62)中分别对应设置第一喷淋器(64)和第二喷淋器(65)，第一喷淋器(64)和第二喷淋器(65)连接水泵(63)的出口，水泵(63)的入口分别连接第一活塞罐(61)和第二活塞罐(62)的出水口，第一活塞罐(61)和第二活塞罐(62)之间设置水轮机(69)；第一活塞罐(61)和第二活塞罐(62)的热水入口，连接压缩机组中换热器的冷侧出口；第一活塞罐(61)和第二活塞罐(62)的气体入口连接压缩机组气体出口，第一活塞罐(61)和第二活塞罐(62)的气体出入口还连接缓冲室进出气口(67)，缓冲室进出水口连接水源，缓冲室排气口连接膨胀机。
5.根据权利要求1所述的耦合电解装置和燃料电池的压缩气体储能系统，其特征在于，水罐(11)的出口连接第五换热器(12)的冷侧，水电解装置的氧气和氢气出口连接第五换热器(12)的热侧。
6.如权利要求1-5任一项所述耦合电解装置和燃料电池的压缩气体储能系统的运行方法，其特征在于，电解产生氧气和氢气，所述氧气和氢气在换热器冷却后进行绝热压缩，绝热压缩后的高压氧气和高压氢气分别进行存储，氧气和氢气绝热压缩过程中通过换热器放热；压缩后的氧气和氢气分别经过近等温膨胀后进入膨胀机做功，做功后的氢气和氧气氧化燃烧生成水存储，对所存储的水进行电解；冷水在通过换热器吸收氧气和氢气绝热压缩过程产生的热量成为热水，所述热水通过液体活塞近等温膨胀模块加热压缩后的氧气和氢气。
7.根据权利要求6所述的运行方法，其特征在于，经过压缩的氢气和氧气分别在蓄热器中吸热后进入液体活塞近等温膨胀模块近等温膨胀。
8.根据权利要求6所述的运行方法，其特征在于，热水进入液体活塞近等温膨胀模块中，液体活塞近等温膨胀模块运行第一吸气阶段、膨胀阶段、第二吸气阶段和排气阶段，第一吸气阶段时，第一活塞罐(61)内水经水轮机(69)向第二活塞罐(62)流动，第一活塞罐(61)进气阀打开，高压气体进入第一活塞罐(61)，直至第一活塞罐(61)水位下降至设定水位时，第一吸气阶段结束，膨胀阶段开始，膨胀阶段开始时开始喷淋，液体活塞罐内热水为氧气补热，第一活塞罐(61)中的水仍经水轮机(69)向第二活塞罐(62)流动，直至第一活塞罐(61)内气体压力膨胀至排气压力时，膨胀阶段结束，开始第二吸气阶段；第二吸气阶段时，第一活塞罐(61)内水仍经水轮机(69)向第二活塞罐(62)流动，直至第一活塞罐(61)内水位...
【技术特征摘要】
1.一种耦合电解装置和燃料电池的压缩气体储能系统，其特征在于，包括水电解装置、换热器、氢气压缩机组、氧气压缩机组、液体活塞近等温膨胀模块、膨胀机、氢氧燃料电池；水电解装置的氢气出口和氧气出口分别连接氢气压缩机组和氧气压缩机组，氢气压缩机组和氧气压缩机组均依次连接液体活塞近等温膨胀模块、膨胀机以及氢氧燃料电池，氢氧燃料电池的出水口连接水电解装置的进水口；氢气压缩机组和氧气压缩机组中均设置换热器和蓄热器，所述换热器的热侧进出口均连接压缩机，换热器的冷侧入口连接冷水源，出口连接液体活塞近等温膨胀模块热水入口；膨胀机出口设置换热器，所述换热器的冷侧连接膨胀机和氢氧燃料电池，热侧连接氢氧燃料电池(9)和水罐(11)。
2.根据权利要求1所述的耦合电解装置和燃料电池的压缩气体储能系统，其特征在于，氧气压缩机组包括依次连接的第一压缩机(1)、第一换热器(2)、第二压缩机(3)、第一蓄热器(4)、氧气储气罐(5)；第一换热器(2)的热侧连接第一压缩机(1)和第二压缩机(3)，第一换热器(2)的冷侧连接冷水水源和液体活塞近等温膨胀模块；氢气压缩机组包括依次连接的第三压缩机(14)、第二换热器(15)、第四压缩机(16)、第二蓄热器(17)以及氢气储气罐(18)，第二换热器(15)的热侧连接第三压缩机(14)和第四压缩机(16)，第二换热器(15)的冷侧连接冷水水源和液体活塞近等温膨胀模块。
3.根据权利要求2所述的耦合电解装置和燃料电池的压缩气体储能系统，其特征在于，氧气储气罐(5)的出口经第一蓄热器(4)连接液体活塞近等温膨胀模块和第一膨胀机(8)，氢气储气罐(18)经第二蓄热器(17)连接液体活塞近等温膨胀模块和第二膨胀机(20)。
4.根据权利要求1所述的耦合电解装置和燃料电池的压缩气体储能系统，其特征在于，液体活塞近等温膨胀模块包括结构和作用相同的第一液体活塞近等温膨胀模块(6)和第二液体活塞近等温膨胀模块(19)；第一液体活塞近等温膨胀模块(6)包括第一活塞罐(61)、第二活塞罐(62)、水泵(63)、缓冲室进出水口(66)、缓冲室进出气口(67)以及缓冲室(68)；第一活塞罐(61)、第二活塞罐(62)和缓冲室(68)中设置压力和温度传感器，第一活塞罐(61)和第二活塞罐(62)中分别对应设置第一喷淋器(64)和第二喷淋器(65)，第一喷淋器(64)和第二喷淋器(65)连接水泵(63)的出口，水泵(63)的入口分别连接第一活塞罐(61)和第二活塞罐(62)的出水口，第一活塞罐(61)和第二活塞罐(62)之间设置水轮机(69)；第一活塞罐(61)和第二活塞罐(62)的热水入口，连接压缩机组中换热器的冷侧出口；第一活塞罐(61)和第二活塞罐(62)的气体入口连接压缩机组气体出口，第一活塞...
【专利技术属性】
技术研发人员：王焕然，张宇飞，蔡旭超，李瑞雄，李向东，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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