CN106402647B - 一种利用可再生能源的加氢站 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用可再生能源的自支持加氢站，包括可再生能源发电装置、电能接入/整流/配电子系统、可逆燃料电池系统、蓄水罐、储氢系统，以及氢气加注机；其中所述加氢站包括有接入可再生能源的第一运行模式和无可再生能源的第二运行模式。根据本发明的自支持加氢站中氢气的生产制备的和加氢站的运行结合了可再生能源的动态特性，能够维持在无可再生能源接入时的正常运转和氢气加注。

Description

一种利用可再生能源的加氢站

技术领域

本发明涉及一种用于氢能源汽车的加氢站，特别是具有制氢储氢能力的自支持加氢站。

背景技术

现有技术的加氢站及加氢站设计中，氢气的来源主要通过天然气重整等高碳排放化工过程生产制备；氢气的运输主要依靠远程高压氢气运输或液态氢气运输至加氢站，实现对氢能源汽车的服务。氢气生产和运输的成本高且伴随有较高的二氧化碳排放和其他污染物排放。随着氢能燃料电池汽车的普及，加氢站网络需要达到类似加油站分布网络以增加氢能燃料电池汽车的续航和覆盖能力。在偏远站或市电接入困难的站点，需要加氢站同时具有现场制氢储氢的能力及提供自身电力能耗的能力。目前，已经有利用可再生能源提供电力输入的加氢站。

然而，可再生能源的利用需要解决动态功率跟随的技术问题。风能有季节性，日间动态性和瞬时动态性，可在短时间内由全功率输出变为零输出(无风)；光伏输出有明显的日间性和季节性，夜间的输出为零。

加氢站中氢气的生产制备的和加氢站的运行必需结合可再生能源的动态特性，维持在无可再生能源接入时的正常运转和氢气加注。

公告号为CN103062619B的中国发明专利公开了一种机动车加氢站系统，其利用自然能源发电进而电解产生氢气，但该系统仍需要添加水或者燃料液，不能实现自支持。

公开号为CN103958955A的中国发明专利申请公开了一种用于进行氢供给的加氢站，其使用有机氢化物发生脱氢反应而获得氢，该系统的原料安全性较低，还可能对环境产生影响。

由此，需要一种能够克服动态功率跟随问题利用可再生能源且无需外部电力接入、无需外部氢气输入、无需水源接入的完全自支持的加氢站。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种能够克服动态功率跟随问题利用可再生能源且无需外部电力接入、无需外部氢气输入、无需水源接入的完全自支持的加氢站。

本发明的技术方案如下。

一种加氢站，包括可再生能源发电装置、电能接入/整流/配电子系统、可逆燃料电池系统、蓄水罐、储氢系统，以及氢气加注机；其特征在于，所述加氢站具有第一运行模式和第二运行模式；

在所述第一运行模式中，可逆燃料电池系统工作在电解池运行模式，所述可再生能源发电装置所产生的电能接入加氢站的电能接入/整流/配电子系统，通过所述电能接入/整流/配电子系统向加氢站中的用电装置提供直流电及交流电；其中直流电接入可逆燃料电池系统，以在其内部发生电解反应以产生氢气；同时，交流电接入配电总线；所述氢气存储于储氢系统的储氢罐中；所述的蓄水罐向所述可逆燃料电池系统提供水源以进行电解水的电化学反应；

在所述第二运行模式中，可逆燃料电池系统工作在燃料电池运行模式，所述可再生能源发电装置不产生电能接入加氢站，所述可逆燃料电池系统使用所述储氢系统中的氢气发电；所述可逆燃料电池系统产生的电能输出到所述电能/整流/配电子系统，从而向配电总线供电；同时，所述可逆燃料电池系统的阳极产物中的水经冷凝后存储于所述蓄水罐中待用。

优选地，其中的可逆燃料电池系统工作于不同模式时，使用同一单电池的阳极极板、阴极极板及电解质材料极板；通过改变电路中电流的方向和阳极气体、阴极气体的组成及流向，实现电解池运行模式与燃料电池模式之间的切换。

优选地，在所述第一运行模式中，所述可逆燃料电池系统能够通过电解水的电化学反应，产生氢气并输出至第一氢气压缩机；通过第一氢气压缩机及其附属的冷却器，高压氢气存储于储氢系统的储氢罐中。

优选地，有加氢需求时，所述储氢系统将氢气输出至第二氢气压缩机；所述储氢罐中的氢气通过所述第二氢气压缩机压缩输出至氢气加注机。

优选地，所述第二氢气压缩机将所述氢气压缩至35兆帕。

优选地，在所述第一运行模式中，所述可逆燃料电池系统处于待机状态。

优选地，在所述第二运行模式中，所述电解池运行模式处于待机状态。

优选地，所述可再生能源发电装置包括风能发电装置和/或光伏发电装置。

优选地，所述电能接入/整流/配电子系统对所述可再生能源发电装置的输入电流进行实时监控，当实时电流输入在所述可逆燃料电池系统的电解池运行模式的最低待机电流阈值以上时，所述加氢站按所述第一运行模式运行；当实时电能输入低于可逆燃料电池系统电解池运行模式的最低待机阈值时，所述加氢站按所述第二运行模式运行。

优选地，所述可逆燃料电池系统的电解池运行模式的最低待机电流为5-10A。

本发明中的加氢站，利用现场的可再生能源为主要能源输入，通过使用电解水实现绿色氢气的制备存储和加注，彻底消除氢气制备环节的二氧化碳排放，并无需市电输入，达到自身用水平衡。

附图说明

图1是本发明的加氢站在有可再生能源接入时的运行模式示意图。

图2是本发明的加氢站在无可再生能源接入时的运行模式示意图。

图中各附图标记的含义如下

1、可再生能源发电装置，2、电能接入/整流/配电子系统，3、可逆燃料电池系统，4、纯水蓄水罐，5、第一氢气压缩机，6、冷却器，7、储氢罐，8、第二氢气压缩机，9、氢气加注机，10、加氢站其它用电负载，11、加氢站配电总线。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的说明。

在此的术语“加氢站”主要指为氢能汽车或氢气内燃机汽车或氢气天然气混合燃料汽车等的储氢瓶充装氢燃料的专门场所。

在此的术语“燃料电池”(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池的阳极和阴极，电流就能够通过电化学反应被生产出来。

本发明的加氢站包括可再生能源发电装置1、电能接入/整流/配电子系统2、可逆燃料电池系统3、纯水蓄水罐4、储氢系统，以及氢气加注机9。

可再生能源发电装置1主要指风力发电装置、光伏发电装置或水力发电装置，还可以包括生物燃料发电装置，以及海水温差、潮汐能、潮流能、海流能、波浪能等发电的装置。

电能接入/整流/配电子系统2可以包括整流装置、逆变装置，以及监测控制装置，其主要功能是将可再生能源提供的交流电进行调压、整流，从而输出符合用电装置需要的交流电和直流电。

可逆燃料电池系统3，或称可再生燃料电池系统，是具有燃料电池模式和电解池运行模式的双效燃料电池系统。可逆燃料电池系统3工作于不同模式时，系统使用同一单电池的阳极极板，阴极极板及电解质材料极板。通过改变电路中电流的方向(输入电能-电解池运行模式，输出电能-燃料电池模式)和阳极气体、阴极气体的组成及流向，实现电解池运行模式与燃料电池模式之间的切换。

可逆燃料电池系统3在以电解池运行模式工作时，能够利用外界直流电源输入的电能将水电解为氢气和氧气，从而能够制取氢气。

可逆燃料电池系统3在以燃料电池模式工作时，氢气和氧气以适当的压力及流速进入电池，在内部发生反应，以对外输出电能。

根据需要，上述的可逆燃料电池系统3可以是单体电池，也可以做成电堆，以提供需要的输出电压。

纯水蓄水罐4用于向质子交换膜电解池提供水源以进行电解水的电化学反应。在一优选的实施方式中，其中的水是由燃料电池的阳极产物中的水经冷凝后存储的。

储氢系统包括第一氢气压缩机5及冷却器6、储氢罐7、第二氢气压缩机8，其能够将可逆燃料电池系统3中收集来的氢气加压、存储及输出，并且可以对氢气的输出压强进行调整，以及对氢气的流量进行监控。

氢气加注机9是向需要加氢的车辆提供氢气的装置，其通常具有能够与车辆连接的标准的接口，从而向车辆加注氢气。

根据本发明的加氢站的能够支持两种运行模式：有可再生能源接入时的第一运行模式，以及无可再生能源接入时的第二运行模式。

图1所示的是加氢站在有可再生能源接入时的运行模式示意图。

如图1所示，风能或光伏作为可再生能源发电装置1所产生的电能接入加氢站的电能接入/整流/配电子系统2。所述电能接入/整流/配电子系统2包括整流装置、逆变装置及监测装置。整流装置对风能或光伏所产生的电能进行整流，向加氢站中的用电装置提供直流电及交流电。整流后直流电接入可逆燃料电池系统3，以在其内部发生电解反应以产生氢气。其中可逆燃料电池系统3工作在电解池运行模式。同时，整流装置输出的交流电接入加氢站配电总线11。纯水蓄水罐4向可逆燃料电池系统3提供水源以进行电解水的电化学反应。通过电解水的电化学反应，可逆燃料电池系统3能够产生压力高于常压的氢气并输出至第一氢气压缩机5。通过第一氢气压缩机5及其附属的冷却器6，高压氢气存储于储氢系统的储氢罐7中。

需要对外加氢时，储氢罐中的氢气通过第二氢气压缩机8压缩至35兆帕国际标准加注压力，输出至氢气加注机9。第一氢气压缩机5、第二氢气压缩机8、氢气加注机9及加氢站其他用电负载10(如照明等)通过加氢站配电总线11供电。

图2所示的是根据本发明的加氢站在无可再生能源(风能或光伏)接入时的运行模式示意图。

如图2所示，在这一运行模式中，无风能或光伏(夜晚)接入加氢站，加氢站中的可逆燃料电池系统3工作在燃料电池运行模式，使用储氢系统中的氢气发电。可逆燃料电池系统3产生的电能输出到电能接入/整流/配电子系统2，从而实现向加氢站配电总线11供电。同时，燃料电池的阳极产物中的水经冷凝后存储于纯水蓄水罐4中待用。

有加氢需求时，储氢系统将氢气输出至第二氢气压缩机8。储氢罐7中的氢气通过第二氢气压缩机8压缩至35兆帕国际标准加注压力，输出至氢气加注机9。

第一氢气压缩机5、第二氢气压缩机8、氢气加注机9及加氢站其他用电负载10(如照明等)通过加氢站配电总线11供电。

根据本发明的一种实施方式，加氢站能够对状态参数进行检测，从而实现在可再生能源接入模式和无可再生能源接入模式间自动切换。

图1电能接入整流/整流/配电子系统2对可再生能源发电装置1的输入电流进行实时监控，当实时电流输入在可逆燃料电池系统3电解池运行模式的最低待机电流阈值(100kW系统最低待机电流为5-10A)以上时，加氢站按有可再生能源接入的第一运行模式运行。当实时电能输入电流低于可逆燃料电池系统3电解池运行模式的最低待机阈值时，加氢站按无可再生能源接入的第二运行模式运行。电能接入/整流/配电子系统2对可逆燃料电池系统3发出模式转换信号，可逆燃料电池系统3的阴极和阳极气体进气系统进行切换，可逆燃料电池系统3以燃料电池模式启动至满功率，向连接可逆燃料电池系统3的第一氢气压缩机5发出关闭信号。当电能接入/整流/配电子系统2监测到可再生能源发电装置1输入电流高于可逆燃料电池系统3电解池运行模式的最低待机电流阈值，电能接入/整流/配电子系统2对可逆燃料电池系统3发出模式转换信号，可逆燃料电池系统3的阴极和阳极气体进气系统进行切换，可逆燃料电池系统3以电解池运行模式启动至满功率，同时向连接可逆燃料电池系统3的第一氢气压缩机5发出运行信号。

Claims (8)

1.一种加氢站，包括可再生能源发电装置、电能接入/整流/配电子系统、可逆燃料电池系统、蓄水罐、储氢系统，以及氢气加注机；其特征在于，所述加氢站具有第一运行模式和第二运行模式；电能接入/整流/配电子系统包括整流装置、逆变装置，以及监测控制装置，可将可再生能源提供的交流电进行调压、整流，从而输出符合用电装置需要的交流电和直流电；

在所述第一运行模式中，可逆燃料电池系统工作在电解池运行模式，所述可再生能源发电装置所产生的电能接入加氢站的电能接入/整流/配电子系统，通过所述电能接入/整流/配电子系统向加氢站中的用电装置提供直流电及交流电；其中直流电接入可逆燃料电池系统，以在其内部发生电解反应以产生氢气；同时，交流电接入配电总线；所述氢气存储于储氢系统的储氢罐中；所述的蓄水罐向所述可逆燃料电池系统提供水源以进行电解水的电化学反应；

在所述第二运行模式中，可逆燃料电池系统工作在燃料电池运行模式，所述可再生能源发电装置不产生电能接入加氢站，所述可逆燃料电池系统使用所述储氢系统中的氢气发电；所述可逆燃料电池系统产生的电能输出到所述电能接入/整流/配电子系统，从而向配电总线供电；同时，所述可逆燃料电池系统的阳极产物中的水经冷凝后存储于所述蓄水罐中待用；

所述电能接入/整流/配电子系统对所述可再生能源发电装置的输入电流进行实时监控，当实时电流输入在所述可逆燃料电池系统的电解池运行模式的最低待机电流阈值以上时，所述加氢站按所述第一运行模式运行；当实时电流输入低于可逆燃料电池系统的电解池运行模式的最低待机电流阈值时，所述加氢站按所述第二运行模式运行；当电能接入/整流/配电子系统监测到可再生能源发电装置输入电流高于可逆燃料电池系统电解池运行模式的最低待机电流阈值，电能接入/整流/配电子系统对可逆燃料电池系统发出模式转换信号，可逆燃料电池系统的阴极和阳极气体进气系统进行切换，可逆燃料电池系统以电解池运行模式启动至满功率，同时向连接可逆燃料电池系统的第一氢气压缩机发出运行信号；

其中的可逆燃料电池系统工作于不同模式时，使用同一单电池的阳极极板、阴极极板及电解质材料极板；通过改变电路中电流的方向和阳极气体、阴极气体的组成及流向，实现电解池运行模式与燃料电池运行模式之间的切换。

2.根据权利要求1所述的加氢站，其特征在于，在所述第一运行模式中，所述可逆燃料电池系统能够通过电解水的电化学反应，产生氢气并输出至第一氢气压缩机；通过第一氢气压缩机及其附属的冷却器，高压氢气存储于储氢系统的储氢罐中。

3.根据权利要求1所述的加氢站，其特征在于，有加氢需求时，所述储氢系统将氢气输出至第二氢气压缩机；所述储氢罐中的氢气通过所述第二氢气压缩机压缩输出至氢气加注机。

4.根据权利要求3所述的加氢站，其特征在于，所述第二氢气压缩机将所述氢气压缩至35兆帕。

5.根据权利要求1所述的加氢站，其特征在于，在所述第一运行模式中，所述燃料电池运行模式处于待机状态。

6.根据权利要求1所述的加氢站，其特征在于，在所述第二运行模式中，所述电解池运行模式处于待机状态。

7.根据权利要求1所述的加氢站，其特征在于，所述可再生能源发电装置包括风能发电装置和/或光伏发电装置。

8.根据权利要求1所述的加氢站，其特征在于，所述可逆燃料电池系统的电解池运行模式的最低待机电流为5-10A。

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