一種甲醇燃料電池不間斷電源系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于不間斷電源技術領域，尤其涉及一種甲醇燃料電池。
【背景技術】
[0002]在今后一段時間內，隨著我國國民經濟的高速發展與計算機的普及，用戶對電能質量的要求也會越來越高。因此，UPS作為能不間斷提供穩壓、穩頻、高質量、純凈化電能的交流電源發展迅速，在電力、軍工、航空、航天和現代化辦公等領域已成為必不可少的電源設備。
[0003]目前UPS直流后備電源多為鉛酸電池，存在污染嚴重、電池壽命短，日常維護量很大等諸多問題。在發生市電斷電時，其可持續供電時間的局限性難以克服，也成為鉛酸電池UPS應用的一個瓶頸。在當前對能源清潔性要求越來越高的今天，急需尋找一種高性能電池系統代替UPS中的大量的鉛酸電池。
[0004]燃料電池是一種將燃料具有的化學能直接變為電能的發電裝置。目前燃料電池技術已形成多種技術路線。且近期隨著高分子科學和材料科學的不斷發展，燃料電池的成本在快速下降，性能在逐步提升，燃料電池必將在未來成為一種極為重要的清潔能源技術。
[0005]燃料電池具有環保，高效，壽命長，易維護等優點。并且，若以燃料電池作為后備電源，不間斷電源系統的備電時長可通過增加燃料儲量大幅延長。燃料電池中質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有工作溫度低、轉換效率高等特點，適合作為不間斷電源系統的備用電源。目前，絕大部分燃料電池以氫氣為原料。然而由于氫氣化學性質活躍，故在氫的安全儲存、運輸及使用方面帶來一些不便，嚴重限制了氫燃料電池的推廣和使用。甲醇重整制氫技術的原理是利用甲醇蒸汽重整和變壓吸附提純制取高純氫氣，是一項可靠的氫源技術。甲醇重整制氫與質子交換膜氫燃料電池相結合，甲醇現場制氫供給燃料電池使用，可彌補普通氫燃料電池的缺陷，極大提高了產品易用性。綜上，基于甲醇重整制氫的質子交換膜燃料電池是一種較為理想的UPS綠色后備電源。但是，甲醇重整為強吸熱反應，反應溫度在170°C到300°C之間，啟動過程建立反應環境的時間較長，啟動速度慢。此外，大功率燃料電池在輕載運行時，工作效率低，燃料消耗相對較大，也制約著燃料電池在不間斷電源系統中的應用。
【發明內容】
[0006]為了解決系統啟動速度慢的技術難題，消除系統輕載效率低的缺點，以便將甲醇燃料電池成功運用于不間斷電源系統中，本發明提出了甲醇燃料電池不間斷電源系統。
[0007]本發明具體采用以下技術方案:
[0008]一種甲醇燃料電池不間斷電源系統，該不間斷電源系統主要包括電力UPS和后備電源系統；其特征在于:
[0009]所述電力UPS包括整流器1、直流母線5、逆變器2，其中，整流器1的交流輸入端連接市電，整流器1的直流輸出端連接直流母線5，逆變器2的直流輸入端連接直流母線5，逆變器2的交流輸出端連接負載，后備電源系統的輸出端連接至直流母線5。
[0010]本申請還進一步優選包括以下技術方案:
[0011 ] 所述后備電源系統由燃料電池裝置、快速儲能裝置并聯組成。
[0012]所述燃料電池裝置包括甲醇制氫裝置、氫氣增壓設備9、緩沖儲氫設備10、燃料電池電堆11和DC/DC變流器12 ;甲醇制氫裝置的輸氣口依次通過氫氣增壓設備9、緩沖儲氫設備10，最后與燃料電池電堆11的氣體入口相連，所述燃料電池電堆的電源輸出與DC/DC變流器12的輸入端相連，所述DC/DC變流器12的輸出端連接直流母線5。
[0013]所述甲醇制氫裝置包括甲醇存儲設備6、重整制氫機7、變壓吸附提純設備8，甲醇存儲設備6的燃料出口與重整制氫機7的燃料添注口連接，重整制氫機7的重整氣出口通過氣路連接變壓吸附提純設備8，其中，重整制氫機7包括一個或多個并聯連接的制氫機單
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[0014]燃料電池電堆11為1個或多個并聯連接電堆單元組成，DC/DC變流器12由1個或多個并聯連接的變流器單元組成，其中1個或多個電堆單元的輸出端與1個或多個變流器單元的輸入端對應連接。
[0015]所述快速儲能裝置包括超級電容13、雙向DC/DC變流器14，其中，超級電容13的輸出端連接雙向DC/DC變流器14的輸入端，雙向DC/DC變流器14的輸出端連接直流母線5。
[0016]所述電力UPS還包括自動旁路開關3、手動旁路開關4 ;自動旁路開關3和手動旁路開關4的輸入端共同接入市電，自動旁路開關3的輸出端連接逆變器2的交流輸出端，手動旁路開關4的輸出端直接連接負載。
[0017]燃料電池裝置關機時，立即關閉燃料電池電堆11，但維持甲醇制氫裝置繼續運行生產氫氣，產出的氫氣經氫氣增壓設備9增壓后存入緩沖儲氫設備10中，直至緩沖儲氫設備10中所存氫氣足夠下次開機時甲醇制氫裝置完全啟動之前燃料電池電堆11所用；燃料電池裝置啟動時，緩沖儲氫設備10內所存氫氣立即進入燃料電池電堆11產電，直至甲醇制氫裝置完全啟動。重整制氫機7、燃料電池電堆11和DC/DC變流器12的各單元并聯連接，根據輸出端負載變化，單獨控制各單元啟停和運行狀態。
[0018]所述不間斷電源系統定時檢測并判定負載量大小，根據負載量大小控制重整制氫機7、燃料電池電堆11和DC/DC變流器12各并聯單元啟停和運行狀態。
[0019]快速儲能裝置負責平抑燃料電池裝置的電能輸出波動。
[0020]尤其當燃料電池電堆11啟動初期的數秒內，由快速儲能裝置向直流母線提供電能；若甲醇燃料電池不間斷電源輸出端有短期的過載，燃料電池裝置和快速儲能裝置同時供電可使系統在短期內過載輸出。
[0021]本發明所述的甲醇燃料電池不間斷電源系統，采用了甲醇重整制氫技術，質子交換膜氫燃料電池技術，燃料電池協調控制技術，先進UPS接口技術，UPS后備電源能量管理技術，并配備了同時包括甲醇、氫氣和超級電容的復合式后備電源系統，解決了系統啟動速度慢的技術難題，消除了系統輕載效率低的缺點。使得燃料電池裝置成功應用于UPS系統。對比其他以燃料電池做為后備電源的不間斷電源系統，本發明所述系統具有以下優點:
[0022]1.啟動速度快:復合式后備電源系統的配置，燃料電池協調控制技術和后備電源能量管理技術的應用使得后備電源系統啟動時間極短，符合電力UPS的技術要求。
[0023]2.系統效率高:針對負載情況，通過燃料電池協調控制技術單獨控制燃料電池電堆各并聯單元和重整制氫機各并聯單元獨立運行，互不干擾。提高了系統效率，節約燃料。
[0024]3.可靠性高:由于電堆單元和制氫機單元并聯運行，單個單元異常不影響系統其余部分正常工作。
[0025]4.系統體積小:由于本發明引入了氫氣增壓設備9以及緩沖儲氫設備10，大大縮減了快速儲能裝置中超級電容的配備量，減小了系統體積，便于靈活安裝。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明甲醇燃料電池不間斷電源系統的整體結構框圖；
[0027]圖2為燃料電池裝置的結構框圖；
【具體實施方式】
[0028]下面結合說明書附圖對本發明的技術方案作進一步詳細介紹。
[0029]參照圖1，本發明所提供的甲醇燃料電池不間斷電源系統的主要組成部分有電力UPS,后備電源系統。
[0030]所述電力UPS包括整流器1、直流母線5、逆變器2、自動旁路開關3、手動旁路開關4。其中:整流器1的交流輸入端連接市電，整流器1的直流輸出端連接直流母線5。逆變器2的直流輸入端連接直流母線5，逆變器2的交流輸出端連接負載。自動旁路開關3和手動旁路開關4的輸入端共同接入市電。自動旁路開關3的輸出端連接逆變器2的交流輸出端，手動旁路開關4的輸出端直接連接負載。
[0031 ] 所述后備電源系統由燃料電池裝置、快速儲能裝置組成。
[0032]如附圖2所示，所述燃料電池裝置包括:甲醇存儲設備6、重整制氫機7、變壓吸附提純設備8、氫氣增壓設備9、緩沖儲氫設備10、燃料電池電堆11和DC/DC變流器12。其中，甲醇存儲設備6、重整制氫機7和變壓吸附提純設備8構成甲醇制氫裝置。甲醇存儲設備6的燃料出口與重整制氫機7的燃料添注口連接，重整制氫機7由制氫機單元a7.1與制氫機單元b7.2等多個制氫機單元并聯組成。重整制氫機7的重整氣出口通過氣路依次連接變壓吸附提純設備8、氫氣增壓設備9、緩沖儲氫設備10，最后與燃料電池電堆11的氣體入口相連。燃料電池電堆11由電堆單元all.1與電堆單元bll.2等多個電堆單元并聯組成，DC/DC變流器12由變流器單元al2.1與變流器單元bl2.2等多個變流器單元并聯組成。電堆單元all.1的輸出端連接變流器單元al2.1的輸入端，電堆單元bll.2的輸出端連接變流器單元bl2.2的輸入端。DC/DC變流器12的輸出端連接逆變器2的輸入端