[发明专利]燃料电池和压缩空气储能耦合的发电储能系统及控制方法

说明书

本申请公开了一种燃料电池和压缩空气储能耦合的发电储能系统，利用了压缩空气储能与固体氧化物燃料电池有着功能上的互补性，将压缩空气储能系统中的清洁压缩空气作为固体氧化物燃料电池的阳极气体，从而延长了燃料电池的使用寿命；压缩空气储能系统的级间冷却器收集了压缩热，并在释能环节中通入透平之间的再热器，对压缩空气进行回热，提高了整个系统的循环效率。将燃料电池排出尾气燃烧后通过透平进行二次发电，提高了燃料电池的燃料利用率，并且将燃烧后的气体通入压缩空气储能系统的第二回热器，对释能环节的空气进行预加热，进而提高压缩空气透平的发电效率。此外，由于燃料电池系统无需单独设置压缩机，降低了整个系统的制造成本。

技术领域

本申请涉及分布式能源利用技术领域，尤其涉及燃料电池和压缩空气储能耦合的发电储能系统及控制方法。

背景技术

现代化的储能系统从第一个实用的铅酸电池发展至今已有近170年的历史，从铅酸蓄电池、镍氢电池、超级电容器、飞轮储能、超导储能、液流电池到锂离子电池，还包括抽水蓄能电站、压缩空气储能等，其发展历程主要体现在提高能量密度和功率密度，强化环境友好和资源可循环利用。

压缩空气储能系统（Compressed air energy storage,CAES）是通过局部压缩的空气形式来进行电力存储，它是一种成本较低、容量大的电力储能技术。该技术是少数几种能够适应于长时间（数十小时）和大功率等级电站（几百到数千兆瓦）储能应用的技术同其他储能技术相比，压缩空气储能系统具有容量大、工作时间长、经济性能好、充放电循环寿命长等优点。

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）为高温燃料电池。高温燃料电池不仅能量转换效率高、洁净、噪声低，而且在部分负载、满负载和过载工况下都可以保持高效率，无论装置规模大小都能保持正常运行。因此，燃料电池被国际能源界认为是21世纪最具有吸引力的发电方式。然而，固体氧化物燃料电池（SOFC）作为运行在较高温区的燃料电池，不足以应对快速的温度上上，因而需要较长的启动时间，同时对热循环的过程也比较敏感。因此，这种类型的燃料电池通常只能用于静止式场合。而在大功率燃料电池中，气体分压越高，电化学转换效率也更高。因此，这种压缩模式下燃料电池可以获得更高的功率密度，也有利于燃料电池的水、热管理。固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，SOFC）排出的尾气具有较高的潜热，当它与其他热发电系统（例如微型燃气轮机）组成混合系统发电时，系统的发电效率将比SOFC单独发电时要高，而且系统集成性高，易于布置在用户侧，是一种有很大潜力的分布式发电方案。

综合以上研究背景，本申请公开了一种基于燃料电池和压缩空气储能耦合的发电储能系统及方法，利用了压缩空气储能与固体氧化物燃料电池有着功能上的互补性。

燃料和空气经过固体氧化物燃料电池反应后仍有部分燃料没有反应完全，将排气通入后燃烧器燃烧，产生高温高压气体为压缩空气储能系统的释能部分加温加压，从而提高了燃料利用率，也提高了压缩空气在发电过程中的发电效率。固体氧化物燃料电池的高速排气处于高温高压的状态，而且气体焓值较高，可通入后燃烧透平中进一步被燃烧且膨胀做功，进一步提高燃料的利用率且提高燃料电池的发电效率。传统的燃料电池系统选择压缩机的首要因素是压缩机出口的空气质量。发生在燃料电池内部的电化学反应严禁进入电池的空气中有悬浮油颗粒。而实际上，压缩空气中的残余油滴会覆盖在催化剂表面，大大降低了电池的性能，最终导致电池寿命的降低，而压缩空气储能系统中的空气没有残余油滴，因此可以延长燃料电池的使用寿命。此外，单独的燃料电池中使用的压缩机，旋转压缩机和涡轮压缩机是最为适合的，并且不需要过多的维护，但价格较为高昂，而本申请将燃料电池与压缩空气储能系统联合，可以减少系统成本，并且持续获得纯净、稳定的高压空气，还可以提高燃料电池的启动速度。

发明内容