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（compressedairenergystorage,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（solidoxidefuelcell,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。
技术实现要素：
申请人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，与两个系统单独设置相比，可以减少系统成本，并且持续获得纯净、稳定的高压空气，并且提高了燃料电池中的燃料利用率，也提高了压缩空气在发电过程中的发电效率。
为解决上述技术问题，本申请采用了如下的技术方案：
燃料电池和压缩空气储能耦合的发电储能系统，包括压缩空气储能系统及燃料电池发电系统，压缩空气储能系统包括加压压缩机组、释能透平组、冷水罐、热水罐、储气装置、第一发电机、电动机、第一回热器及第二回热器，燃料电池发电系统包括启动燃烧器、反应器、燃料电池本体、后燃烧器、后燃烧透平及第二发电机，其中：
电动机的驱动端与加压压缩机组连接，电网为电动机供能时，电动机用于驱动加压压缩机组压缩空气；
加压压缩机组包括多个串联的加压压缩机，相邻两个加压压缩机之间通过加压换热器相连通，加压压缩机组的输入端与大气相连通，加压压缩机组的第一输出端通过加压换热器与储气装置的输入端相连通，加压压缩机组用于将空气加压后送入储气装置；
储气装置包括第一输出端及第二输出端，储气装置的第一输出端通过串联的第一回热器及第二回热器与释能透平组的输入端相连通；
释能透平组包括多个串联的释能透平，相邻两个释能透平之间通过释能换热器相连通，释能透平组的输出端通过释能换热器与大气相连通，释能透平组的驱动端与第一发电机连接，释能透平组用于驱动第一发电机发电，第一发电机与电网相连通；
冷水罐的输出端分别与每个加压换热器的输入端相连通，冷水罐的输入端分别与第一回热器的输出端及每个释能换热器的输出端相连通；
热水罐的输出端分别与第一回热器的输入端及每个释能换热器的输入端相连通，热水罐的输入端分别与每个加压换热器的输出端相连通；
启动燃烧器包括空气输入端、燃料输入端及输出端，启动燃烧器的空气输入端与储气装置的第二输出端相连通，启动燃烧器的燃料输入端用于输入燃料，启动燃烧器的输出端与燃料电池本体的阳极相连通；
反应器包括燃料输入端、蒸汽输入端及输出端，反应器蒸汽输入端用于输入蒸汽，反应器的燃料输入端用于输入燃料，反应器的输出端与燃料电池本体的阴极相连通；
燃料电池本体的阳极通过交流/直流转换器与电网相连通，燃料电池本体的阴极和阳极分别与后燃烧器的输入端相连通；
后燃烧器的输出端与后燃烧透平的输入端相连通，后燃烧透平的输出端与第二回热器相连通，后燃烧透平的驱动端与第二发电机相连通，后燃烧透平用于驱动第二发电机发电，第二发电机与电网相连通。
优选地，储气装置还包括第三输出端，储气装置的第三输出端通过一个安全阀与大气连通。
优选地，加压压缩机组的第二输出端通过一个热交换器与启动燃烧器的空气输入端相连通，该热交换器还与后燃烧透平的输出端相连通，后燃烧透平输出的气体能够加热通过该热交换器的空气。
优选地，加压压缩机组中与大气直接连通的压缩机的输出端作为加压压缩机组的第二输出端。
优选地，储气装置的第一输入端通过一个释压阀与串联的第一回热器及第二回热器相连通。
燃料电池和压缩空气储能耦合的发电储能系统的控制方法，本方法用于控制上述的燃料电池和压缩空气储能耦合的发电储能系统工作，本方法包括：
当电网的负荷低于预设储能负荷时，电网为电动机功能，电动机驱动加压压缩机组压缩空气，压缩后的空气存储到储气装置中，加压压缩机组压缩空气时，冷水罐中的水流入加压换热器对压缩后的空气进行降温后流入热水罐中；
当电网的负荷高于预设释能负荷时，储气装置中的压缩空气经过第一回热器及第二回热器升温后进入释能透平组降压，并带动释能透平转动进而驱动第一发电机工作为电网供电，热水罐中的水流入释能换热器及第一回热器，对压缩空气进行加热后流入冷水罐，后燃烧器燃烧后的废气经过第二回热器对压缩空气进行加热后排入大气；
燃料电池发电系统工作时，燃料及储气装置中的压缩空气进入启动燃烧器，启动燃烧器对压缩空气加热后将压缩空气通向燃料电池本体的阳极，燃料及蒸汽在反应器中反应后通向燃料电池本体的阴极，燃料电池本体发电后通过交流/直流转换器向电网输电，燃料电池本体反应后的气体通向后燃烧器，在后燃烧器中燃烧并膨胀做功，带动后燃烧透平工作从而驱动第二发电机工作为电网供电。
综上所述，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压缩空气作为固体氧化物燃料电池的阳极气体，保证了阳极气体的清洁，延长了燃料电池的使用寿命；在压缩空气储能系统的压缩机之间连接的级间冷却器收集了压缩机的压缩热，储存在热水罐中，并再释能环节中通入透平之间的再热器，对压缩空气进行回热和再热，提高了整个系统的循环效率。将燃料电池初步反应后的剩余气体再次燃烧，后通过后燃烧透平进行二次发电，提高了燃料电池的燃料使用效率，并且将再次燃烧后的气体通入压缩空气储能系统的第二回热器，对压缩空气储能系统的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，提高了整个控制系统的鲁棒性。
附图说明
为了使申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步的详细描述，其中：
图1为本申请公开的一种燃料电池和压缩空气储能耦合的发电储能系统的结构示意图。
具体实施方式
针对现有技术的缺陷，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8燃烧，产生高温高压气体为压缩空气储能系统20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9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的降低，而压缩空气储能系统20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20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。
下面结合附图对本申请作进一步的详细说明。
如图1所示，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，包括压缩空气储能系统20及燃料电池发电系统21，压缩空气储能系统20包括加压压缩机组2、释能透平组18、冷水罐17、热水罐15、储气装置11、第一发电机19、电动机1、第一回热器13及第二回热器14，燃料电池发电系统21包括启动燃烧器5、反应器6、燃料电池本体7、后燃烧器8、后燃烧透平9及第二发电机10，其中：
电动机1的驱动端与加压压缩机组2连接，电网为电动机1供能时，电动机1用于驱动加压压缩机组2压缩空气；
在储能过程中，采用压缩空气储能技术，利用电力系统负荷低谷时的剩余电能，由电动机1带动空气压缩机，由电动机1带动空气压缩机，或者利用风能直接带动压缩机，将常温常压空气压缩成高压空气存放在储气室中。这些高温、高压的空气将不可储存的电网多余的电能和风能转化成可储存的压缩空气的内能，并贮存于贮气室或贮气罐中，即本申请中的储气装置11、
加压压缩机组2包括多个串联的加压压缩机，相邻两个加压压缩机之间通过加压换热器相连通，加压压缩机组2的输入端与大气相连通，加压压缩机组2的第一输出端通过加压换热器与储气装置11的输入端相连通，加压压缩机组2用于将空气加压后送入储气装置11；
在压缩空气的储能过程中，采用多个压缩机串联的方式对空气进行多级加压，在保证空气压强的同时，也降低了对单个压缩机的硬件要求，从而降低了压缩空气储能系统20的制造成本，并且提高了压缩空气过程的安全性。
储气装置11包括第一输出端及第二输出端，储气装置11的第一输出端通过串联的第一回热器13及第二回热器14与释能透平组18的输入端相连通；
释能透平组18包括多个串联的释能透平，相邻两个释能透平之间通过释能换热器相连通，释能透平组18的输出端通过释能换热器与大气相连通，释能透平组18的驱动端与第一发电机19连接，释能透平组18用于驱动第一发电机19发电，第一发电机19与电网相连通；
冷水罐17的输出端分别与每个加压换热器的输入端相连通，冷水罐17的输入端分别与第一回热器13的输出端及每个释能换热器的输出端相连通；
热水罐15的输出端分别与第一回热器13的输入端及每个释能换热器的输入端相连通，热水罐15的输入端分别与每个加压换热器的输出端相连通；
由于在压缩机对空气的压缩过程中会使空气升温，因此相邻的压缩机之间及压缩机与储气装置11之间设置了换热器，冷水罐17中的水进入换热器，吸收压缩后的空气的热量后进入热水罐15，带走了加压的空气中的热量，而在压缩空气储能系统20的释能过程中，对空气的温度有一定要求，因此，热水罐15中的热水又会流入释能换热器中，对待释能的空气进行加热，热水将热量传递给待释能的空气后，又流回冷水罐17中。本申请中，将压缩空气过程中产生的热量通过热水罐15存储起来以后，用于压缩空气在释能过程中的预加热，提高了能量的利用率。应当知晓的是，在水的循环管路中，应当设置水泵16为水流提供动力，水泵16的具体位置可设置在热水罐15及冷水罐17的输出端附近。
启动燃烧器5包括空气输入端、燃料输入端及输出端，启动燃烧器5的空气输入端与储气装置11的第二输出端相连通，启动燃烧器5的燃料输入端用于输入燃料，启动燃烧器5的输出端与燃料电池本体7的阳极相连通；
燃料电池的阳极需要空气达到一定的温度和压强，因此，使用储气装置11内的压缩空气代替大气中的空气，可以满足燃料电池对压强的要求，避免了燃料电池系统单独设置压缩机，降低了制造成本，并且储气装置11中的空气的杂质远少于直接压缩后的空气，有利于延长燃料电池的使用寿命。
反应器6包括燃料输入端、蒸汽输入端及输出端，反应器6蒸汽输入端用于输入蒸汽，反应器6的燃料输入端用于输入燃料，反应器6的输出端与燃料电池本体7的阴极相连通；
应当知晓的是，本申请中的燃料可来源于各种燃料输送装置，如燃料管道等，还应知晓的是，可以在管道上设置动力阀来控制燃料的流量。
燃料电池本体7的阳极通过交流/直流转换器与电网相连通，燃料电池本体7的阴极和阳极分别与后燃烧器8的输入端相连通；
后燃烧器8的输出端与后燃烧透平9的输入端相连通，后燃烧透平9的输出端与第二回热器14相连通，后燃烧透平9的驱动端与第二发电机10相连通，后燃烧透平9用于驱动第二发电机10发电，第二发电机10与电网相连通；
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，因此，将这部分燃料通入后燃烧器8中再次燃烧，燃料再次燃烧后能够产生高温高压的废气，这些废气经过后燃烧透平9，带动后燃烧透平9转动，从而驱动第二发电机10为电网供电，提高了燃料电池的燃料利用率，废气通过后燃烧透平9后再通过第二回热器14对释能过程中的压缩空气进行预加热，减少了释能过程中对压缩空气进行加热的能耗，使能源的利用更加充分。
综上所述，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20中的压缩空气作为固体氧化物燃料电池的阳极气体，保证了阳极气体的清洁，延长了燃料电池的使用寿命；将燃料电池初步反应后的剩余气体再次燃烧，后通过后燃烧透平9进行二次发电，提高了燃料电池的燃料使用效率，并且将再次燃烧后的气体通入压缩空气储能系统20的第二回热器14，对压缩空气储能系统20的释能环节的空气进行预加热加压，进而提高压缩空气的发电效率。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。
具体实施时，储气装置11还包括第三输出端，储气装置11的第三输出端通过一个安全阀3与大气连通。
为了保证储气装置11的安全，在储气装置11上还设置有连接了安全阀3的第三输出端，当储气装置11内部的压强过大时，储气装置11内的部分压缩空气可通过安全阀3排出，使储气装置11内的压强恢复正常。
具体实施时，加压压缩机组2的第二输出端通过一个热交换器4与启动燃烧器5的空气输入端相连通，该热交换器4还与后燃烧透平9的输出端相连通，后燃烧透平9输出的气体能够加热通过该热交换器4的空气。
除了使用储气装置11中的压缩空气作为燃料电池阳极的空气外，还可以直接使用加压压缩机组2压缩后的空气作为燃料电池阳极的空气，应当知晓的是，为了控制进入燃料电池阳极的空气，因此，可以在加压压缩机组2的第二输出端与启动燃烧器5之间安装一个动力阀来控制空气的流量，并且，为了使空气的温度符合标准，可以先采用后燃烧器8燃烧之后的高温废气对加压压缩机组2输出的空气进行预加热，从而达到节约燃料的目的。
具体实施时，加压压缩机组2中与大气直接连通的压缩机的输出端作为加压压缩机组2的第二输出端。
燃料电池需要的空气的压强一般小于压缩空气储能系统20中储气装置11内的空气压强，因此，空气经过一个压缩机压缩后即可通向燃料电池的阳极，并且，空气由于经第一个压缩机压缩后，温度会升高，且并未经过加压换热器降温，因此将第一个压缩机压缩后的空气通向燃料电池，还可进一步降低启动燃烧器5的燃料消耗。
具体实施时，储气装置11的第一输入端通过一个释压阀12与串联的第一回热器13及第二回热器14相连通。
为了提高压缩空气储能系统20释能过程的安全性，可以设置一个释压阀12在回热器与储气装置11之间，避免因管道内压强过大而出现事故。
本申请还公开了燃料电池和压缩空气储能耦合的发电储能系统的控制方法，本方法用于控制上述的燃料电池和压缩空气储能耦合的发电储能系统工作，本方法包括：
当电网的负荷低于预设储能负荷时，即当电网端其他分布式发电装置的发电量高于电网用户负荷时，电网为电动机1功能，电动机1驱动加压压缩机组2压缩空气，压缩后的空气存储到储气装置11中，加压压缩机组2压缩空气时，冷水罐17中的水流入加压换热器对压缩后的空气进行降温后流入热水罐15中；
当电网的负荷高于预设释能负荷时，即当电网处于用电高峰且其他分布式发电装置的负荷不足以满足电网用户负荷时，储气装置11中的压缩空气经过第一回热器13及第二回热器14升温后进入释能透平组18降压，并带动释能透平转动进而驱动第一发电机19工作为电网供电，热水罐15中的水流入释能换热器及第一回热器13，对压缩空气进行加热后流入冷水罐17，后燃烧器8燃烧后的废气经过第二回热器14对压缩空气进行加热后排入大气；
燃料电池发电系统21工作时，燃料及储气装置11中的压缩空气进入启动燃烧器5，启动燃烧器5对压缩空气加热后将压缩空气通向燃料电池本体7的阳极，燃料及蒸汽在反应器6中反应后通向燃料电池本体7的阴极，燃料电池本体7发电后通过交流/直流转换器向电网输电，燃料电池本体7反应后的气体通向后燃烧器8，在后燃烧器8中燃烧并膨胀做功，带动后燃烧透平9工作从而驱动第二发电机10工作为电网供电。
本申请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20中的压缩空气作为固体氧化物燃料电池的阳极气体，保证了阳极气体的清洁，延长了燃料电池的使用寿命；将燃料电池初步反应后的剩余气体再次燃烧，后通过后燃烧透平9进行二次发电，提高了燃料电池的燃料使用效率，并且将再次燃烧后的气体通入压缩空气储能系统20的第二回热器14，对压缩空气储能系统20的释能环节的空气进行预加热加压，进而提高压缩空气的发电效率。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。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管通过参照本申请的优选实施例已经对本申请进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本申请的精神和范围。