1.本发明涉及氢燃料电池发电领域，尤其涉及氢气等温膨胀与氢燃料电池联合运行系统及控制方法。
背景技术：2.氢燃料电池发电过程中，首先需要对高压存储的氢气进行减压，以减小到燃料电池电堆能承受的压力为止，在这个过程中，氢气膨胀对外做功的能量通常被浪费掉，利用高压氢气等温膨胀发电装置，可以充分利用这部分能量，提高氢燃料电池发电的效率；同时，在高压氢气等温膨胀过程中，氢气吸收液体池中液体的热量导致液体温度降低，从而导致氢气温度降低，这会减少氢气膨胀做功量进而减少发电量，而氢燃料电池发电过程中会产生很多热量，热量如果不及时排出，会破坏电堆内部材料，解决办法通常是利用水冷或风冷散热装置排出热量；通过换热器将燃料电池发电过程中产生的热量转移到高压氢气等温膨胀的液体池中，既可以解决燃料电池的散热问题，又可以保证高压氢气等温膨胀过程中液体池内液体温度不变，显著提高氢气膨胀做功的发电量。
3.因此，将高压氢气等温膨胀减压装置与氢燃料电池发电装置联合运行，可显著提高联合系统的综合发电效率。
技术实现要素：4.本发明的目的在于提供氢气等温膨胀与氢燃料电池联合运行系统及控制方法，将高压氢气等温膨胀减压装置与氢燃料电池发电装置联合运行，显著提高联合系统的综合发电效率。
5.为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
6.氢气等温膨胀与氢燃料电池联合运行系统，包括
7.第一压力的氢气罐：用于存储具有第一压力的氢气；以及，
8.第一液体池：用于存储具有第一温度范围的液体；以及，
9.第一压力罐：用于存储具有第一温度范围的液体和第一压力的氢气；以及，
10.第一液压机构，包括第一活塞杆；以及，
11.第二压力的氢气罐：用于存储具有第二压力的氢气；以及，
12.气液分离器、氢燃料电池装置、发电机和换热器；
13.所述第一氢气罐与所述第一压力罐相连，所述第一压力罐与所述第一液压机构相连，所述第一液压机构与所述第一液体池相连，所述第一液压机构中的所述第一活塞杆在所述第一压力罐中的第一压力的氢气膨胀作用下运动，所述第一活塞杆与所述发电机相连，并驱动所述发电机发电；所述第一压力罐与所述气液分离器相连，所述气液分离器与所述第二氢气罐相连，所述第二氢气罐与所述氢燃料电池装置相连，所述氢燃料电池装置与所述换热器相连，所述换热器与所述第一液体池相连，所述换热器利用所述氢燃料电池装置放热补充所述第一液体池中具有所述第一温度范围的液体的热量，并使其保持第一温度
范围。
14.优选的，该系统还包括散热器，所述散热器与所述换热器和所述氢燃料电池装置相连，当所述氢燃料电池装置放热量大于所述第一液体池内的所述具有第一温度范围的液体吸热量时，利用所述散热器对所述氢燃料电池装置散热。
15.优选的，所述第一压力罐上还连有循环泵，所述循环泵设置在将第一压力罐底部和顶部相连的管道上，实现第一温度范围的液体与第一压力的氢气热交换。
16.优选的，所述第一液压机构，还包括液压缸和活塞，所述活塞滑动设置在所述液压缸内，并且将所述液压缸分隔成两个独立腔室，每个所述腔室均包括进液口也出液口，且进液口均与第一压力罐相连，出液口均与第一液体池相连，所述第一活塞杆的一端与所述活塞相连。
17.采用上述氢气等温膨胀与氢燃料电池联合运行系统的控制方法，首先提取第一压力的氢气罐中的部分高压氢气迁移到第一压力罐中，高压氢气在第一压力罐中进行等温膨胀，氢气膨胀做功推动第一液压机构中的第一活塞杆运动，第一活塞杆驱动发电机发电，同时第一压力罐中原有的第一温度范围的液体通过第一液压机构推入到第一液体池中，等温膨胀结束后将第一压力罐中的低压氢气迁移到气液分离器中，同时第一液体池中的第一温度范围的液体通过第一液压机构进入到第一压力罐中，低压氢气在气液分离器中分离后进入到第二压力的氢气罐中，提取第二压力的氢气罐中的氢气迁移到氢燃料电池装置中发电，氢燃料电池装置发电过程中产生的热量通过换热器补充到第一液体池中的液体使其保持第一温度范围。
18.与现有技术相比，本发明的优点是：在本方案中，高压氢气要进行发电之前，需要先降压，利用减压阀直接减压会浪费氢气膨胀做功的能量，将高压氢气迁移至第一压力罐中进行等温膨胀，氢气膨胀推动活塞杆往复运动并驱动发电机发电，氢气吸收第一液体池中液体的热量导致液体温度降低，从而导致氢气温度降低，这会减少氢气膨胀做功量进而减少发电量，而氢燃料电池发电过程中会产生很多热量并且要及时排出，通过换热器将燃料电池发电过程中产生的热量转移到第一液体池中的液体，既可以解决燃料电池的散热问题，又可以保证高压氢气等温膨胀过程中第一液体池内液体温度不变，显著提高氢气膨胀做功的发电量，提高联合系统的综合发电效率。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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，还根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明氢气等温膨胀与氢燃料电池联合运行系统的结构示意图；
21.图2为本发明氢气等温膨胀与氢燃料电池联合运行系统的另一种结构示意图。
具体实施方式
22.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
23.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。
24.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
25.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.如图1所示，氢气等温膨胀与氢燃料电池联合运行系统，该系统包括第一压力的氢气罐1，存储具有第一压力的氢气；第一压力罐2，存储具有第一温度范围的液体和第一压力的氢气；第一液压机构3，存储具有第一温度范围的液体，包括第一活塞杆9；第一液体池4，存储具有第一温度范围的液体；气液分离器5；第二压力的氢气罐6；存储具有第二压力的氢气；氢燃料电池装置7；换热器8；发电机10；循环泵11。
27.所述第一压力的氢气罐1与所述第一压力罐2相连，所述第一压力罐2与所述第一液压机构3相连，所述第一液体池4与所述第一液压机构3相连，所述第一活塞杆9被配置为在所述第一压力的氢气膨胀作用下运动，所述第一活塞杆9与所述发电机10相连并被配置为驱动所述发电机10，所述第一压力罐2与所述气液分离器5相连，所述气液分离器5与所述第二压力的氢气罐6相连，所述第二压力的氢气罐6与所述氢燃料电池装置7相连，所述换热器8与所述氢燃料电池装置7相连，所述第一液体池4与所述换热器8相连，所述换热器8被配置为利用所述氢燃料电池装置7放热补充所述第一液体池4中的所述具有第一温度范围的液体的热量并使其保持第一温度范围。
28.为了更好地实现第一压力的氢气在第一压力罐2中进行等温压缩，第一压力罐2可包括循环泵11，将第一压力罐2的底部与第一压力罐2的顶部相连，将第一压力罐2底部的具有第一温度范围的液体抽送到第一压力罐2的顶部，以更好地实现第一温度范围的液体与第一压力的氢气的热交换。
29.第一温度范围的液体可以是常温无杂质的水，也可以是其他氢气难溶解的比热容较高的液体。
30.第一液压机构，还包括液压缸和活塞，所述活塞滑动设置在所述液压缸内，并且将所述液压缸分隔成两个独立腔室，每个所述腔室均包括进液口也出液口，每个进液口和出液口均安装有阀门，且进液口均与第一压力罐相连，出液口均与第一液体池相连，所述第一活塞杆的一端与所述活塞相连。
31.另外在第一压力的氢气罐1和第一压力罐2连接的管道上，第一压力罐2和气液分离器5连接的管道上也均设有阀门。
32.如图2所示，氢气等温膨胀与氢燃料电池联合运行系统，在上述结构的基础上该系
统还包括：散热器12，所述散热器12与所述换热器8和所述氢燃料电池装置7相连，当所述氢燃料电池装置7放热量大于所述第一液体池4内的所述具有第一温度范围的液体吸热量时，利用所述散热器12对所述氢燃料电池装置7额外散热。
33.采用上述氢气等温膨胀与氢燃料电池联合运行系统的控制方法，包括如下步骤：
34.氢气发电过程中，提取第一压力的氢气罐1中的部分氢气迁移到第一压力罐2中，第一压力的氢气罐1与第一压力罐2中间的氢气管道包括迁移泵，用于氢气从第一压力的氢气罐1向第一压力罐2中迁移。初始状态时第一压力罐2中充满了第一温度范围的液体，打开阀门f1、f2、f3、f4、f5，将第一压力的氢气从第一压力的氢气罐1迁移到第一压力罐2中，第一压力罐中的第一温度范围的液体通过阀门f1、f2进入第一液压机构3中，第一液压机构3中的第一温度范围的液体通过阀门f3、f4进入到第一液体池4中，迁移第一压力的氢气达到规定量后，关闭阀门f1、f2、f3、f4、f5。
35.假设此时第一活塞杆9位于第一液压机构3的最左端(其他位置类似)，打开阀门f1、f4，关闭阀门f2、f3，第一压力的氢气在第一压力罐2中等温膨胀，推动第一压力罐2中的第一温度范围的液体通过阀门f1进入第一液压机构3的左端，第一活塞杆9被第一液压机构3的左端的第一温度范围的液体推动向右运行，第一活塞杆9驱动发电机10发电，第一液压机构3中右侧的第一温度范围的液体通过阀门f4进入到第一液体池4中，当第一活塞杆9运动到第一液压机构最右侧时，关闭阀门f1、f4，打开阀门f2、f3，第一压力的氢气在第一压力罐2中等温膨胀，第一压力罐2中的第一温度范围的液体通过阀门f2进入第一液压机构3的右端，第一活塞杆9被第一液压机构3右侧的第一温度范围的液体推动向左运行，第一活塞杆9驱动发电机10发电，第一液压机构3中左侧的第一温度范围的液体通过阀门f3进入到第一液体池4中，当第一活塞杆9运动到第一液压机构最左侧时，打开阀门f1、f4，关闭阀门f2、f3，如此往复，直到第一压力罐2中的氢气得到规定压力后，关闭阀门f1、f2、f3、f4，停止膨胀。
36.打开阀门f1、f2、f3、f4、f6，将第一压力罐2中的等温膨胀后的氢气迁移到气液分离器5中，第一压力罐2与气液分离器5之间的氢气管道包括迁移泵，迁移结束后关闭阀门f1、f2、f3、f4、f6。将经过气液分离器5的氢气迁移至第二压力的氢气罐6中，气液分离器5与第二压力的氢气罐6之间的氢气管道包括迁移泵。提取第二压力的氢气罐6中的第二压力的氢气迁移至氢燃料电池装置7中发电。
37.第一压力罐2中的第一压力的氢气等温膨胀过程中吸收第一温度范围的液体的热量，而氢燃料电池装置7发电过程中会产生热量，通过换热器8将氢燃料电池装置7产生的热量传递给第一液体池4中的第一温度范围的液体，从而提高氢气膨胀发电量。
38.当氢燃料电池装置7放热量大于第一液体池4内的第一温度范围的液体吸热量时，利用散热器12对氢燃料电池装置7额外散热。
39.以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。
技术特征：1.氢气等温膨胀与氢燃料电池联合运行系统，其特征在于：包括第一氢气罐：用于存储具有第一压力的氢气；以及，第一液体池：用于存储具有第一温度范围的液体；以及，第一压力罐：用于存储具有第一温度范围的液体和第一压力的氢气；以及，第一液压机构，包括第一活塞杆；以及，第二氢气罐：用于存储具有第二压力的氢气；以及，气液分离器、氢燃料电池装置、发电机和换热器；所述第一氢气罐与所述第一压力罐相连，所述第一压力罐与所述第一液压机构相连，所述第一液压机构与所述第一液体池相连，所述第一液压机构中的所述第一活塞杆在所述第一压力罐中的第一压力的氢气膨胀作用下运动，所述第一活塞杆与所述发电机相连，并驱动所述发电机发电，；所述第一压力罐与所述气液分离器相连，所述气液分离器与所述第二氢气罐相连，所述第二氢气罐与所述氢燃料电池装置相连，所述氢燃料电池装置与所述换热器相连，所述换热器与所述第一液体池相连，所述换热器利用所述氢燃料电池装置放热补充所述第一液体池中具有所述第一温度范围的液体的热量，并使其保持第一温度范围。2.如权利要求1所述的氢气等温膨胀与氢燃料电池联合运行系统，其特征在于：该系统还包括散热器，所述散热器与所述换热器和所述氢燃料电池装置相连，当所述氢燃料电池装置放热量大于所述第一液体池内的所述具有第一温度范围的液体吸热量时，利用所述散热器对所述氢燃料电池装置散热。3.如权利要求1所述的氢气等温膨胀与氢燃料电池联合运行系统，其特征在于：所述第一压力罐上还连有循环泵，所述循环泵设置在将第一压力罐底部和顶部相连的管道上，实现第一温度范围的液体与第一压力的氢气热交换。4.如权利要求1所述的氢气等温膨胀与氢燃料电池联合运行系统，其特征在于：所述第一液压机构，还包括液压缸和活塞，所述活塞滑动设置在所述液压缸内，并且将所述液压缸分隔成两个独立腔室，每个所述腔室均包括进液口和出液口，且进液口均与第一压力罐相连，出液口均与第一液体池相连，所述第一活塞杆的一端与所述活塞相连。5.采用权利要求1至4中任一项所述氢气等温膨胀与氢燃料电池联合运行系统的控制方法，其特征在于：首先提取第一氢气罐中的部分高压氢气迁移到第一压力罐中，高压氢气在第一压力罐中进行等温膨胀，氢气膨胀做功推动第一液压机构中的第一活塞杆运动，第一活塞杆驱动发电机发电，同时第一压力罐中原有的第一温度范围的液体通过第一液压机构推入到第一液体池中，等温膨胀结束后将第一压力罐中的低压氢气迁移到气液分离器中，同时第一液体池中的第一温度范围的液体通过第一液压机构进入到第一压力罐中，低压氢气在气液分离器中分离后进入到第二氢气罐中，提取第二氢气罐中的氢气迁移到氢燃料电池装置中发电，氢燃料电池装置发电过程中产生的热量通过换热器补充到第一液体池中的液体使其保持第一温度范围。
技术总结本发明公开了氢气等温膨胀与氢燃料电池联合运行系统，第一压力的氢气罐、第一压力罐、第一液压机构、第一液体池依次相连，第一液压机构的第一活塞杆在第一压力罐中的第一压力的氢气膨胀作用下运动，第一活塞杆与发电机相连，并驱动发电机发电；第一压力罐、气液分离器、第二压力的氢气罐、氢燃料电池装置依次相连，氢燃料电池装置连有换热器，换热器与第一液体池相连。控制方法，第一压力的氢气罐中的部分高压氢气迁移到第一压力罐中，推动第一活塞杆驱动发电机发电，同时等温膨胀结束后将第一压力罐中的低压氢气迁移到第二压力罐中，到氢燃料电池装置中发电。显著提高联合系统的综合发电效率。合发电效率。合发电效率。
技术研发人员：权超 李鹏 郑晓 马丽军 蒋科若 钱凯 潘杰锋 许家玉 秦如意 韩寅峰 冯怿彬 周盛 谢宇哲 叶夏明 杨跃平 俞佳捷 梁流铭 肖立飞 许欣 赵鲁臻 姜炯挺
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司宁波供电公司
技术研发日：2022.06.09
技术公布日：2022/11/1
