氢能型卡诺电池系统及其工作方法

本发明涉及一种氢能型卡诺电池系统及其工作方法。

背景技术：

1、以太阳能、风能以及水力势能为代表的绿色能源具有环保且取之不尽的优势，然而由于绿色能源一般受到天气、季节，阳光等自然条件的影响，难以提供稳定的能源输出，从而很难输出与电网匹配的电力。因此采取一定的储能技术，以空间换取时间是一个较好的解决方案。电解制氢技术或热化学制氢是有效利用过剩电力以及过剩热能的一种先进储能方式。氢能是一种化学能储能方式，相比锂电池，因为氢气燃烧只产生水，属于零碳能源，甲烷属于低碳能源，氢燃料电池具有储能密度高且环境污染小等优点，可以为电网稳定且绿色的电力。

2、本申请人的在先申请专利(热泵式-氢能复合储能发电方法及装置202110804742.x)公开了一种氢能复合能源系统的储能方法及装置，通过互为可逆的布雷顿循环作为储能发电原理，逆布雷顿循环储能，布雷顿循环发电。其中通过储能过程中压缩机出口的过热气体为电解制氢供热，通过高温气体的换热加热熔盐，完成熔盐储能，属于物理储能与发电。上述技术方案的缺点是利用熔盐储能需要规模化才能降低成本，而且熔盐储能需要大型防腐蚀耐高温保温熔盐储罐，不具备可移动性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种氢能型卡诺电池系统及其工作方法，以克服传统燃料电池成本较高且规模较小的缺点，同时解决光伏发电以及风能发电中的弃风以及弃光问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种氢能型卡诺电池系统的工作方法，其特征在于，其包括如下模式：

3、(1)制氢储能模式：剩余能源进入氢能系统水解制氢，将水分解为氢气与氧气；根据氢气得到含氢燃气或者将其直接作为含氢燃气，将含氢燃气与氧气分别加压储存于储能系统中；

4、(2)供电模式：包括布雷顿循环和朗肯循环；

5、在布雷顿循环中，气体工质进入压缩机压缩为高压气体，高压气体、氧气、与含氢燃气在气体混合装置中混合得到混合气体，混合气体在燃烧室燃烧从而等压升温，得到混合工质，混合工质进入透平以对外做功发电，再进入余热锅炉以等压放热，然后混合工质分离得到的气体工质再次进入压缩机，依次循环往复，其中混合工质经气水分离器分离得到的水进入氢能系统；

6、在朗肯循环中，液态的可相变工质进入余热锅炉以吸收热量成为蒸汽形式的可相变工质，蒸汽形式的可相变工质过热之后进入汽轮机中绝热膨胀以对外做功发电，然后进入冷凝器中等压放热，使得蒸汽形式的可相变工质凝结为液态的可相变工质，随后通过工质泵绝热压缩，液态的可相变工质再次进入余热锅炉以重复上述过程。

7、所述含氢燃气为氢气，或者，所述燃气是制氢储能模式下由氢气通过甲烷化反应制备得到的甲烷。

8、所述含氢燃气为氢气，氢气的储存方法包括高压气态储氢、低温/有机液态储氢以及固体材料储氢这些直接储氢法中的一种。

9、所述含氢燃气为甲烷，所述混合工质还分离得到二氧化碳，且分离得到的二氧化碳用于制氢储能模式下的甲烷化反应制备甲烷。

10、所述布雷顿循环的气体工质包括空气、氩气、氮气、氦气、氖气、氪气、氙气、氡气或二氧化碳。

11、所述氢能系统包括水电解制氢系统和热化学水解制氢系统中的一种，其中，热化学水解制氢系统为碱性电解法系统、固体高分子电解质电解、固体氧化物电解池系统中的一种。

12、另一方面，本发明提供一种氢能型卡诺电池系统，包括：

13、制氢储能系统，其包括：氢能系统和与氢能系统相连的储能系统；所述氢能系统设置为水解制氢，所述储能系统设置为根据氢气得到含氢燃气或者将其直接作为含氢燃气，存储含氢燃气与氧气；

14、供电系统，其包括布雷顿循环系统和朗肯循环系统；

15、布雷顿循环系统设置为实现工质的布雷顿循环，包括沿布雷顿循环的工质的走向依次串联并形成回路的压缩机、气体混合装置、燃烧室、透平、余热锅炉和气水分离器，气体混合装置通过其他入口分别与储能系统的氧气和含氢燃气相连，气水分离器通过其入口与余热锅炉相连，通过其气相出口与压缩机相连，且其液相出口与所述氢能系统相连；

16、所述朗肯循环系统设置为实现可相变工质的朗肯循环，包括沿朗肯循环的可相变工质的走向依次串联并形成回路的所述余热锅炉、过热器、汽轮机、冷凝器和工质泵。

17、所述含氢燃气是氢气，所述储能系统的储氢系统直接与所述氢能系统的氢气出口相连。

18、所述含氢燃气是由氢气通过甲烷化反应制备得到的甲烷，所述储能系统的甲烷存储系统通过甲烷化反应器与所述氢能系统的氢气出口相连；且所述压缩机和气水分离器之间设有一个二氧化碳分离器。

19、所述的氢能型卡诺电池系统还包括一个换热器，该换热器的管侧连接于所述工质泵和所述余热锅炉之间，换热器的壳侧连接于所述汽轮机和所述冷凝器之间。

20、本发明的氢能型卡诺电池系统直接利用电解制氢储能，其将电能转化为氢气的化学能再利用燃气轮机的原理进行发电，是化学储能结合物理发电的技术。

21、相比于现有的利用熔盐储能的物理储能与发电技术，本发明通过将多余的电能用于电解制氢，由于氢能作为一种可存储的中间媒介，制氢储能的规模上易于小型化，氢气储罐或甲烷储罐也易于小型化，具备移动性，也可以通过输气管道将多个储能中心连接在一起用于发电，这种储能方式同时具备效率较高且储能密度高的优点，利于建设大规模储能装置，电解制氢可以在一定的温度下实现接近100％电能-化学能的转化效率，氢气加压液化以后可以实现较高的储能密度；并且讨论了利用氢气直接储能，并作为含氢燃气发电的过程，也考虑了氢气制备天然气(甲烷)后储能，并将甲烷作为含氢燃气发电的过程，发电时将氢气或甲烷作为一种燃气，利用燃气轮机的原理进行发电，通过热力学循环实现化学能向机械能(电能)的转换，可通过布雷顿朗肯循环实现大规模且高效的电能-化学能-电能转换，解决了燃料电池功率较小以及成本较高的问题。

22、另外，本发明的方法在化学能-电能的转换过程中，利用布雷顿循环将氢气的燃烧热转化为机械功并发电，实现高效的热功转换，再利用余热锅炉将涡轮出口的余热通过朗肯循环再次转化为机械功并发电，可以有效回收利用低温热能并发电，进一步提高了发电效率。

23、另外，本发明的选择单原子分子的稀有气体，例如氩气、氦气、氖气、氪气、氙气以及氡气等作为工质，并在原有的燃气轮机开式循环改造为闭式循环，原有的燃气轮机的工质为空气，透平出口尾气可以直接排放到环境中，专利中采用稀有气体(例如氩气)作为工质，成本较高，因此需要回收利用，采用的这些稀有气体的气体分子的自由度较低，因此同等温度下分子平均能量较小，具有较高的绝热指数，利于我们获得较高的热功转换效率。

技术特征：

1.一种氢能型卡诺电池系统的工作方法，其特征在于，其包括如下模式：

2.根据权利要求1所述的氢能型卡诺电池系统的工作方法，其特征在于，所述含氢燃气为氢气，或者，所述含氢燃气是制氢储能模式下由氢气通过甲烷化反应制备得到的甲烷。

3.根据权利要求2所述的氢能型卡诺电池系统的工作方法，其特征在于，所述含氢燃气为氢气，氢气的储存方法包括高压气态储氢、低温/有机液态储氢以及固体材料储氢这些直接储氢法中的一种。

4.根据权利要求2所述的氢能型卡诺电池系统的工作方法，其特征在于，所述含氢燃气为甲烷，所述混合工质还分离得到二氧化碳，且分离得到的二氧化碳用于制氢储能模式下的甲烷化反应制备甲烷。

5.根据权利要求1所述的氢能型卡诺电池系统的工作方法，其特征在于，所述布雷顿循环的稀有气体工质包括氩气、氦气、氖气、氪气、氙气、氡气。

6.根据权利要求1所述的氢能型卡诺电池系统的工作方法，其特征在于，所述氢能系统包括水电解制氢系统和热化学水解制氢系统中的一种，其中，热化学水解制氢系统为碱性电解法系统、固体高分子电解质电解、固体氧化物电解池系统中的一种。

7.一种氢能型卡诺电池系统，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的氢能型卡诺电池系统，其特征在于，所述含氢燃气是氢气，所述储能系统的储氢系统直接与所述氢能系统的氢气出口相连。

9.根据权利要求7所述的氢能型卡诺电池系统，其特征在于，所述含氢燃气是由氢气通过甲烷化反应制备得到的甲烷，所述储能系统的甲烷存储系统通过甲烷化反应器与所述氢能系统的氢气出口相连；

10.根据权利要求7所述的氢能型卡诺电池系统，其特征在于，还包括一个换热器，该换热器的管侧连接于所述工质泵和所述余热锅炉之间，换热器的壳侧连接于所述汽轮机和所述冷凝器之间。

技术总结
本发明提供一种氢能型卡诺电池系统的工作方法，在储电模式时，剩余能源进入氢能系统水解制氢；储存含氢燃气与氧气；在供电模式时，在布雷顿循环中，稀有气体工质进入压缩机压缩为高压气体，高压气体、氧气与燃气混合得到混合气体并在燃烧室燃烧，混合工质进入透平以对外做功发电，进入余热锅炉以等压放热，分离的稀有气体工质再次进入压缩机；在朗肯循环中，液态工质进入余热锅炉成为蒸汽，蒸汽过热后进入汽轮机中绝热膨胀以对外做功发电，进入冷凝器凝结为液态，通过工质泵绝热压缩，进入余热锅炉以重复上述过程。本发明还提供电池系统。本发明的方法通过电解水制氢实现过剩电力的氢储能，并利用布雷顿朗肯循环将氢能转化为电能。

技术研发人员：王建强,沈佳杰
受保护的技术使用者：中国科学院上海应用物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14