CN109707992B - 一种多功能充电加氢站 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能充电加氢站，包括固体氧化物燃料电池电堆模块、尾气燃烧室、燃料罐和空气鼓风机，空气鼓风机和燃料罐分别连接空气预热室与催化重整室，催化重整室连接有蒸汽发生器，尾气燃烧室的入口分别与电堆阴极、阳极的尾气出口连通，尾气燃烧室的出口分别与空气预热室及催化重整室的高温尾气入口连通，催化重整室出口与电堆阳极入口连通，空气预热室出口与电堆阴极入口连通；还包括充电装置、加氢装置及电解储氢装置；本发明电堆模块与有机液体装置之间具有良好的匹配联调性，电堆模块的尾气余热可为有机液体脱氢及加氢装置提供所需热量。
Description
技术领域
本发明属于清洁能源燃料电池与有机液体充电加氢技术领域，更具体地涉及一种基于固体氧化物燃料电池电堆模块与有机液体联用的多功能充电加氢站。
背景技术
固体氧化物燃料电池电堆模块（SOFC）拥有高的发电效率、低成本（不需贵金属）、燃料适应性强、低的温室气体排放量等优点；同时，余热品质高、与燃气轮机或蒸汽机等联供，可实现能量综合利用率达80%，逐渐成为一种适合商业化的高效发电设备。因其主要工作在相对高的温度（500～800oC），SOFC具有灵活的燃料选择性，除了传统的氢气（H2），甲烷（CH4）、天然气、沼气、甲醇、乙醇、石油气、柴油重整气等碳氢气体均可作为SOFC的燃料。
有机液体储氢材料技术主要是以不饱和芳香烃、烯炔烃、新型稠杂环有机分子等作为储氢载体，通过与氢气作为反应物发生可逆化学反应来实现储放氢。其可逆重量储氢密度高，远大于传统的高压气瓶储氢；而且在常温常压下以液态形式存在，闪点高，存储安全，可利用普通管道、罐车等设备快速完成物料补给；脱氢反应响应速度块，可以实现氢气即脱即用，非常适宜与燃料电池匹配使用；并且脱氢反应产生的氢气纯度高，在脱氢过程中也无任何尾气排放，清洁环保。
随着我国对新能源汽车发展的大力扶持，锂离子电动汽车、燃料电池汽车、电动自行车等已成为行业发展的趋势。由于燃料电池汽车往往采用的是质子交换膜燃料电池，只能使用高纯氢气，而现有加氢站，建造十分昂贵，非常稀有；锂离子电动汽车亦需要建造许多充电站，基础建设成本非常大。尤其，当这两种类型汽车行驶在高速、乡间公路时其加氢或充电需求很难得到满足，而对于目前燃油汽车所拥有的大量加油站，加氢站及充电站无法对其进行直接利用，相关改造费用也非常大。
常规解决上述燃料电池汽车加氢需求及锂离子电动汽车充电需求的方式有：（1）直接建造加氢站，但需建设加氢站的范围太广，基础设施成本较大，且需考虑氢气制、储、运等方面的问题；（2）从市电中架设专线，建立充电站，但存在成本高昂、电能传输过程中损失较大的缺点，增加了汽车充电成本；（3）在传统加油站配置燃油发电机，通过燃油燃烧发电，具有发电效率低、环境污染大、充电成本高的缺点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于固体氧化物燃料电池电堆模块与有机液体联用的多功能充电加氢站，从而充分利用现有加油（气）站等基础设施，实现燃料的高效能量利用，满足燃料电池汽车加氢及锂离子电动汽车充电需求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多功能充电加氢站，包括固体氧化物燃料电池电堆模块、尾气燃烧室以及与尾气燃烧室连接的燃料罐和空气鼓风机，所述的空气鼓风机与燃料罐分别连接空气预热室与催化重整室，所述的催化重整室连接有蒸汽发生器，燃料罐提供的碳氢燃料与蒸汽发生器输出的水蒸气进入催化重整室并发生催化重整反应，所述尾气燃烧室的入口分别与固体氧化物燃料电池电堆模块阴极、阳极的尾气出口连通，尾气燃烧室的出口分别与空气预热室及催化重整室的高温尾气入口连通，所述催化重整室出口与固体氧化物燃料电池电堆模块阳极入口连通，所述空气预热室出口与固体氧化物燃料电池电堆模块的阴极入口连通，催化重整反应产生的重整气进入固体氧化物燃料电池电堆模块阳极，所述空气预热室出口与固体氧化物燃料电池电堆模块的阴极入口连通，空气进入空气预热室被尾气预热后进入固体氧化物燃料电池电堆模块的阴极，重整气与空气在固体氧化物燃料电池电堆模块内部通过电化学反应方式转化为电能；所述的蒸汽发生器连接有循环水箱，固体氧化物燃料电池电堆模块尾气在经过循环水箱后可直接排入大气，循环水箱上连接有机液体脱氢装置，所述的有机液体脱氢装置上设置有有机液体换热装置；所述的有机液体换热装置和有机液体脱氢装置同时连接尾气处理装置，固体氧化物燃料电池电堆模块尾气在经过循环水箱后可直接进入有机液体换热装置，为有机液体脱氢提供启动热源，实现热能的梯级高效利用；所述的有机液体脱氢装置连接供氢装置，供氢装置用于连接用氢设备，利用固体氧化物燃料电池电堆模块的高品质余热对有机液体脱氢装置进行换热，从而对用氢设备进行加氢；所述的有机液体换热装置、供氢装置与固体氧化物燃料电池电堆模块组成加氢装置，通过与有机液体脱氢装置连接的有机液体控制系统进行控制；所述的固体氧化物燃料电池电堆模块通过直流变换器连接有充电及储能装置，充电及储能装置用于连接用电设备，所述的有机液体脱氢装置、直流变换器和充电及储能装置与固体氧化物燃料电池电堆模块组成充电装置，通过与直流变换器和充电及储能装置连接的充电装置控制系统进行控制，作充电加氢站时，利用固体氧化物燃料电池电堆模块产生的电能经直流变换器变换后对储能及用电设备进行充电；所述的固体氧化物燃料电池电堆模块还通过功率变换器连接风能/太阳能/电网系统，用于电解水以产生H2，固体氧化物燃料电池电堆模块连接蒸汽发生器之后与H2/H2O气液分离器连接，蒸汽发生器上还连接有氧气储存装置；所述的H2/H2O气液分离器连接纯化装置之后与有机液体加氢装置连接，有机液体加氢装置与有机液体控制系统连接，所述的纯化装置连接循环水箱，所述的蒸汽发生器、H2/H2O气液分离器、氧气储存装置、纯化装置、有机液体加氢装置与固体氧化物燃料电池电堆模块组成电解储氢装置，通过有机液体控制系统进行控制；待有机液体加氢装置内储氢量较少时，可通过固体氧化物燃料电池电堆模块利用弃电或市电等进行电解水制氢，产生的余热氢气被储存在有机液体内，进而实现储氢与脱氢的循环利用；所述的固体氧化物燃料电池电堆模块上还连接有控制与管理系统，所述的控制与管理系统连接有机液体控制系统和充电装置控制系统，实现对充电/加氢/电解储氢的功能选择。
所述的一种多功能充电加氢站，其尾气处理装置由尾气气液分离器和尾气捕捉装置组成，所述的尾气气液分离器与有机液体换热装置和有机液体脱氢装置连接，所述的尾气气液分离器还与循环水箱连接，流经有机液体后的尾气成分主要为H2O与CO2，在经过尾气气液分离器后，H2O冷却为液态水进入储水箱，剩下的高浓度CO2则被尾气捕捉装置捕捉，实现近零排放。
所述的一种多功能充电加氢站，其固体氧化物燃料电池电堆模块上还连接有蓄电池，用于对风能/太阳能/电网输入的电进行存储。
所述的一种多功能充电加氢站，其有机液体是一种液态芳香碳氢化合物，能够在常温常压下稳定地存储氢，并且能在较低温度（近常温）下释放出来，配置相应脱氢及加氢装置即可。
所述的一种多功能充电加氢站，其燃料罐内燃料为氢气、碳氢气体、液体醇类或油类燃料等，提供合适的催化剂即可。
所述的一种多功能充电加氢站，其有机液体换热装置和有机液体脱氢装置为一体设计。
所述的一种多功能充电加氢站，其蓄电池可为铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢蓄电池、超级电容器及其他可存储和释放电量的装置。
本发明的有益效果是：
利用了固体氧化物燃料电池电堆模块既能发电又能电解水产氢、高品质的尾气余热、有机液体储氢密度大及常温常压加氢等优点，形成固体氧化物燃料电池电堆模块与有机液体联用的充电加氢站，同时具有无污染、成本低、可大规模化、不需接入市电等优点；可直接利用现有的天然气站或工业废氢或燃油站等，燃料取材方便且供应充足；可利用直流变换器及蓄电池实现电动汽车的快速充电，又可实现新能源燃料电池汽车的快速加氢；同时，由于有机液体释放氢气需要额外的热量，利用固体氧化物燃料电池电堆模块的尾气余热，提高了燃料的能量综合利用率；待有机液体内含氢量较少时，可利用固体氧化物燃料电池电堆模块进行电解水制氢，储存在有机液体内，实现充电加氢的循环利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图简单地介绍。
图1是本发明的总体原理框图；
图2是本发明用作充电加氢站时的结构示意图；
图3是本发明用作电解水储氢存氧装置时的结构示意图。
各附图标记为：1—固体氧化物燃料电池电堆模块，2—尾气处理装置，3—用氢设备，4—用电设备，5—蓄电池，6—循环水箱，7—有机液体控制系统，8—充电装置控制系统，9—直流变换器，10—控制与管理系统，11—有机液体脱氢装置，12—供氢装置，13—充电及储能装置，14—有机液体加氢装置，15—氧气储存装置，16—空气预热室，17—有机液体换热装置，18—催化重整室，19—空气鼓风机，20—尾气气液分离器，21—尾气捕捉装置，22—蒸汽发生器，23—尾气燃烧室，24—纯化装置，25—H2/H2O气液分离器，26—燃料罐，27—功率变换器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参考图1、图2所示，本发明提供的一种基于固体氧化物燃料电池电堆模块与有机液体联用的多功能充电加氢站，包括固体氧化物燃料电池电堆模块1、尾气燃烧室23以及与尾气燃烧室23连接的燃料罐26和空气鼓风机19，所述的空气鼓风机19与燃料罐26分别连接空气预热室16与催化重整室18，所述的催化重整室18连接有蒸汽发生器22，燃料罐26提供的碳氢燃料与蒸汽发生器22输出的水蒸气进入催化重整室18并发生催化重整反应，所述尾气燃烧室23的入口分别与固体氧化物燃料电池电堆模块1阴极、阳极的尾气出口连通，尾气燃烧室23的出口分别与空气预热室16及催化重整室18的高温尾气入口连通，所述催化重整室18出口与固体氧化物燃料电池电堆模块1阳极入口连通，催化重整反应产生的重整气进入固体氧化物燃料电池电堆模块1阳极，所述空气预热室16出口与固体氧化物燃料电池电堆模块1的阴极入口连通，空气进入空气预热室16被尾气预热后进入固体氧化物燃料电池电堆模块1的阴极，重整气与空气在固体氧化物燃料电池电堆模块1内部通过电化学反应方式转化为电能。
所述的蒸汽发生器22连接有循环水箱6，循环水箱6上连接有机液体脱氢装置11，蒸汽发生器22与循环水箱6、空气预热室16及催化重整室18的汇合处连通，固体氧化物燃料电池电堆模块1尾气在经过循环水箱6后可直接排入大气，所述的循环水箱6同时连接有机液体换热装置17，固体氧化物燃料电池电堆模块1尾气在经过循环水箱6后可直接进入有机液体换热装置17，为有机液体脱氢提供启动热源，实现热能的梯级高效利用；所述的有机液体脱氢装置11上设置有有机液体换热装置17，所述的有机液体换热装置17和有机液体脱氢装置11同时连接尾气处理装置2，所述的尾气处理装置2由尾气气液分离器20和尾气捕捉装置21组成，所述的尾气气液分离器20与有机液体换热装置17和有机液体脱氢装置11连接，尾气气液分离器20还与循环水箱6连接，其中尾气气液分离器20的循环水箱6与连接蒸汽发生器22的循环水箱6为同一个，也可以是通过水管连接的两个不同循环水箱；有机液体换热装置17和有机液体脱氢装置11同时连接尾气气液分离器20，流经有机液体后的尾气成份主要为H2O与CO2，在经过尾气气液分离器20后，H2O冷却为液态水进入循环水箱6，剩下的高浓度CO2则被尾气捕捉装置21捕捉，实现近零排放；所述的有机液体脱氢装置11连接供氢装置12，供氢装置12用于连接用氢设备3，利用固体氧化物燃料电池电堆模块1的高品质余热对有机液体脱氢装置11进行换热，从而对用氢设备3进行加氢；所述的有机液体换热装置17、供氢装置12与固体氧化物燃料电池电堆模块1组成加氢装置，通过与有机液体脱氢装置11连接的有机液体控制系统7进行控制。
所述的固体氧化物燃料电池电堆模块1通过直流变换器9连接有充电及储能装置13，充电及储能装置13用于连接用电设备4，所述的有机液体脱氢装置11、直流变换器9和充电及储能装置13与固体氧化物燃料电池电堆模块1组成充电装置，通过与直流变换器9和充电及储能装置13连接的充电装置控制系统8进行控制；作充电加氢站时，利用固体氧化物燃料电池电堆模块1产生的电能经直流变换器9变换后对储能及用电设备4进行充电。
上述加氢装置和充电装置组成本发明充电加氢站的核心部分。本发明充电加氢站工作时，燃料罐26提供的碳氢燃料和空气鼓风机19输出的空气同时通入尾气燃烧室23进行燃烧，空气进入空气预热室16预热后进入固体氧化物燃料电池电堆模块1的阴极，燃料罐26提供的碳氢燃料与蒸汽发生器22输出的水蒸气进入催化重整室18并发生催化重整反应，产生的重整气进入固体氧化物燃料电池电堆模块1阳极，所述两路气体对电堆模块进行加热使其达到工作温度；空气与重整气在固体氧化物燃料电池电堆模块1内部通过电化学反应方式将碳氢燃料的内能转化为电能；由固体氧化物燃料电池电堆模块1输出的直流电经过直流变换器9达到使用电压。
当无电动汽车等用电设备4时，固体氧化物燃料电池电堆模块1发出的电量充入充电及储能装置13内的储能设备中进行存储。
当给锂离子电动汽车充电时，除固体氧化物燃料电池电堆模块1可直接提供充电电流外，充电及储能装置13也可提供大额充电电流，实现快速充电。
当无用氢设备3时，固体氧化物燃料电池电堆模块1尾气在经过循环水箱6后可直接排入大气。
当有用氢设备3时，固体氧化物燃料电池电堆模块1尾气在经过循环水箱6后直接进入有机液体换热装置17，为有机液体脱氢提供启动热源，实现热能的梯级高效利用；流经有机液体后的尾气成为主要为H2O与CO2，在经过尾气气液分离器20后，H2O冷却为液态水进入循环水箱6，剩下的高浓度CO2则被尾气捕捉装置21捕捉，实现近零排放。
参考图3所示，所述的固体氧化物燃料电池电堆模块1还通过功率变换器27连接风能/太阳能/电网系统，用于电解水以产生H2，固体氧化物燃料电池电堆模块1连接蒸汽发生器22之后与H2/H2O气液分离器25连接，蒸汽发生器22上还连接有氧气储存装置15，所述的H2/H2O气液分离器25连接纯化装置24之后与有机液体加氢装置14连接，有机液体加氢装置14与有机液体控制系统7连接，有机液体加氢装置14用于将裂解得到的氢气加入有机液体中，所述的纯化装置24连接循环水箱6，所述的蒸汽发生器22、H2/H2O气液分离器25、氧气储存装置15、纯化装置24、有机液体加氢装置14与固体氧化物燃料电池电堆模块1组成电解储氢装置，通过有机液体控制系统7进行控制。待有机液体加氢装置14内储氢量较少时，可通过固体氧化物燃料电池电堆模块1利用弃电或市电等进行电解水制氢，产生的余热氢气被储存在有机液体内，进而实现储氢与脱氢的循环利用，由于有机液体脱氢需要热量，固体氧化物燃料电池电堆模块1利用燃料罐26内的碳氢燃料进行发电时，其高品质尾气余热亦可供有机液体吸收，实现有机液体的持续脱氢，提高燃料的综合能量利用率；有机液体在加氢时需要外部提供热量，固体氧化物燃料电池电堆模块1利用可再生能源产生的氢气可通过有机液体加氢装置14将氢气通过化学反应储存在有机液体内。
所述的固体氧化物燃料电池电堆模块1上还连接有控制与管理系统10，所述的控制与管理系统10连接有机液体控制系统7和充电装置控制系统8，实现对充电/加氢/电解储氢的功能选择。
本发明多功能充电加氢站用作电解水储氢装置时：固体氧化物燃料电池电堆模块1电堆利用蓄电池5中来自于风能/太阳能/电网的电经功率变换器27后将水电解为高纯的氢气与氧气，产生的两路高温气体均流经蒸汽发生器22进行换热；氢气侧在经过纯化装置24与H2/H2O气液分离器25后，水蒸气冷却成液态水进入循环水箱6循环利用，氢气则被有机液体加氢装置14储存至有机液体内；氧气侧产生的氧气则进入氧气储存装置15内进行储存。
本发明使用的有机液体是一种液态芳香碳氢化合物，能够在常温常压下稳定地存储氢，并且能在较低温度（近常温）下释放出来，配置相应脱氢及加氢装置即可。而燃料罐25内的燃料为氢气、碳氢气体、液体醇类或油类燃料等，提供合适的催化剂即可。其中有机液体换热装置17和有机液体脱氢装置11为一体设计，而蓄电池5可为铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢蓄电池、超级电容器及其他可存储和释放电量的装置。
本发明利用了固体氧化物燃料电池电堆模块既能发电又能电解水产氢、高品质的尾气余热、有机液体储氢密度大、常温常压储氢与加氢等优点，同时具有污染低、成本低、可大规模化、不需接入市电等优点；可利用现有的气站或工业废氢等，故燃料取材方便且供应充足；可实现电动汽车的快速充电，又可实现新能源燃料电池汽车的快速加氢；同时，由于有机液体储存氢气与释放氢气均需要额外的热量，利用固体氧化物燃料电池电堆模块的尾气余热，可有效提高系统能量综合利用率；有机液体既可储存氢气亦可释放氢气，将固体氧化物燃料电池电堆模块与有机液体联用，即可实现充电亦可实现加氢。
本发明充电加氢站可间隔布局设置于高速公路、乡间公路的两侧；或者城市/码头补给站；或者设置在传统加油（气）站附件或加油（气）站内，直接利用加油（气）站的燃料供应管道。
通过上述技术方案，本发明提供基于固体氧化物燃料电池电堆模块与有机液体联用的多功能充电加氢站，在作充电加氢站时：其通过利用碳氢气体或油类重整后的气体作为燃料，在输出高效、清洁的电能的同时，利用其尾气余热为有机液体释放氢气提供能量，实现燃料热能的梯级利用；在作电解水储氢装置时：其通过利用风电/太阳能/市电等电能将水由固体氧化物燃料电池电堆模块电解成高纯H2与O2，产生的高温氢气在经过气液分离、纯化及加氢装置之后，通过与有机液体发生可逆化学反应，实现大量的氢气存储。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显得易见，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种多功能充电加氢站，其特征在于：包括固体氧化物燃料电池电堆模块（1）、尾气燃烧室（23）以及与尾气燃烧室（23）连接的燃料罐（26）和空气鼓风机（19），所述的空气鼓风机（19）连接空气预热室（16），所述的燃料罐（26）连接催化重整室（18），所述的催化重整室（18）连接有蒸汽发生器（22），尾气分别从空气预热室（16）和催化重整室（18）流出后均进入蒸汽发生器（22），所述尾气燃烧室（23）的入口分别与固体氧化物燃料电池电堆模块（1）阴极、阳极的尾气出口连通，尾气燃烧室（23）的出口分别与空气预热室（16）及催化重整室（18）的高温尾气入口连通，所述催化重整室（18）出口与固体氧化物燃料电池电堆模块（1）阳极入口连通，所述空气预热室（16）出口与固体氧化物燃料电池电堆模块（1）的阴极入口连通；
所述的蒸汽发生器（22）连接有循环水箱（6），循环水箱（6）上连接有机液体脱氢装置（11），所述的有机液体脱氢装置（11）上设置有有机液体换热装置（17），有机液体换热装置（17）和有机液体脱氢装置（11）为一体设计；所述的有机液体换热装置（17）和有机液体脱氢装置（11）同时连接尾气处理装置（2）；所述的有机液体脱氢装置（11）连接供氢装置（12），供氢装置（12）用于连接用氢设备（3）；所述的有机液体换热装置（17）、供氢装置（12）与固体氧化物燃料电池电堆模块（1）组成加氢装置，通过与有机液体脱氢装置（11）连接的有机液体控制系统（7）进行控制；
所述的固体氧化物燃料电池电堆模块（1）通过直流变换器（9）连接有充电及储能装置（13），充电及储能装置（13）用于连接用电设备（4），所述的有机液体脱氢装置（11）、直流变换器（9）和充电及储能装置（13）与固体氧化物燃料电池电堆模块（1）组成充电装置，通过与直流变换器（9）和充电及储能装置（13）连接的充电装置控制系统（8）进行控制；
所述的固体氧化物燃料电池电堆模块（1）还通过功率变换器（27）连接风能/太阳能/电网系统，固体氧化物燃料电池电堆模块（1）连接蒸汽发生器（22）之后与H2/H2O气液分离器（25）连接，蒸汽发生器（22）上还连接有氧气储存装置（15）；所述的H2/H2O气液分离器（25）连接纯化装置（24）之后与有机液体加氢装置（14）连接，有机液体加氢装置（14）与有机液体控制系统（7）连接，所述的纯化装置（24）连接循环水箱（6），所述的蒸汽发生器（22）、H2/H2O气液分离器（25）、氧气储存装置（15）、纯化装置（24）、有机液体加氢装置（14）与固体氧化物燃料电池电堆模块（1）组成电解储氢装置，通过有机液体控制系统（7）进行控制；
所述的固体氧化物燃料电池电堆模块（1）上还连接有控制与管理系统，所述的控制与管理系统连接有机液体控制系统（7）和充电装置控制系统（8），实现对充电/加氢/电解储氢的功能选择。
2.根据权利要求1所述的一种多功能充电加氢站，其特征在于，所述的尾气处理装置（2）由尾气气液分离器（20）和尾气捕捉装置（21）组成，所述的尾气气液分离器（20）与有机液体换热装置（17）和有机液体脱氢装置（11）连接，所述的尾气气液分离器（20）还与循环水箱（6）连接。
3.根据权利要求1所述的一种多功能充电加氢站，其特征在于，所述的固体氧化物燃料电池电堆模块（1）上还连接有蓄电池（5），用于对风能/太阳能/电网输入的电进行存储。
4.根据权利要求1所述的一种多功能充电加氢站，其特征在于，所述的有机液体是常温常压下能稳定地存储氢，近常温下释放出氢的液态芳香碳氢化合物。
5.根据权利要求1所述的一种多功能充电加氢站，其特征在于，所述的燃料罐（26）内燃料为氢气、碳氢气体、液体醇类或油类燃料。
6.根据权利要求3所述的一种多功能充电加氢站，其特征在于，所述的蓄电池（5）为铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢蓄电池或超级电容器。
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