CN109995081A - 一种清洁能源发电制氢、氢储能的热电联供系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开“一种清洁能源发电制氢、氢储能的热电联供系统”。本发明由风电厂、太阳光电厂、水电厂、水煤浆电厂、核发电站的至少任意一种或一种以上的发电站组成，所发电能在供给公用电网用电负荷的同时，利用部分负荷，或峰谷电力向电解水制氢装置供电制氢，所产氧气、氢气各自输往气体储运分配系统，氧气经净化输往储氧罐在供给氧气用户，氢气经净化输往储氧罐中，其部分氢气输往用户端的氢燃料电池装置发电，供给用户端的分布式智能电网，部分氢气输往氢能源动力车加氢站，部分氢气深冷液化注入车载式储氢罐内运输给氢气用户，部分氢气作为燃料直供用户，并向用户供热。本发明环保清洁无碳排放，代表着人类用能文明从碳、碳氢化合物、再到氢（无碳能源）的最终发展方向。
Description
技术领域
本发明涉及清洁能源生产、制氢、氢储能及氢能高效使用技术领域。
背景技术
随着传统化石能源（煤、石油、天然气）储量的日益减少，以及由于使用化石能源带来的环境污染问题，直接威胁着人类的生存和发展，重视和发展可再生、环保能源，减少CO2排放已成为各国政府的共识。
太阳能、风能具有分布广泛,储量无限,收集利用清洁,CO2零排放的优点引起人们广泛关注，长期以来，太阳能发电、风力发电的大规模开发利用因太阳能、风能分散，受天气影响较大，能量汇集不稳定、不连续等，而存在种种问题，在太阳能、风能资源丰富地区已建成电厂，因就地消纳能力低，电力输送成本高，弃风、弃光问题严重。
水力发电受流域地区丰水季节、枯水季节的影响大，核电机组能力巨大，一但启动也存在就地消纳，远距离输送成本高的问题，水电及核电也很难做到用电与供电的平衡，也时刻存在浪费资源的状况。
因此有必要提出一种具有强大存储功能，兼具高效用能的新型热电联供的清洁能源系统。
发明内容
针对上述已公知技术缺陷，本发明提出“一种清洁能源发电制氢、氢储能的热电联供系统”。
为实现上述目的，本发明由清洁能源发电站、电解水制氢装置、气体储运分配系统、氢燃料电池装置、氢热能生产系统组成。
所述清洁能源发电站是由风、太阳光、水力、水煤浆、核发电站的至少任意一种或一种以上的发电站组成，所发电能在供给公用电网用电负荷的同时，部分或全部负荷通过电源转换器向电解水制氢装置供电制氢，所产氧气、氢气各自输往气体储运分配系统，氧气经净化输往氧气低压常压储氧罐中;氢气经净化输往氢气低压常压储氧罐中，罐中的一部分氢气输往用户端的氢燃料电池装置发电，其所发电力输往用户端的分布式智能电网，一部分氢气输往动力用户的加氢站用于给氢能源动力车或其他动力机加注氢，一部分氢气深冷液化注入车载式储氢罐内运输给氢气用户。
上述电解水制氢装置是由质子交换膜电解槽、或固体氧化物电解槽、或碱性电解槽为主导构成的。
所述的气体储运分配系统是由低压氧气压缩机、吸附式氧气净化装置、低压储氧罐构成氧气储运分配系统。低压氢气压缩机、吸附式氢气净化装置PSA、低压储氢罐12a、“车载式液氢运输系统”、“自动氢气加注系统”、低压输氢管构成氢气储运分配系统。其中，来自电解水制氧装置的氧气，在低压压缩机的推送下，经管道进入吸附式氧气净化装置PSA，将氧气脱水脱杂质，送入低压常压储氧罐o12，罐内氧气优选压力为0.1～0.6MPa,来自电解水制氢装置的氢气，在低压压缩机的推送下，经管道进入吸附式氢气净化装置PSA中，将氢气脱水脱杂质，送入低压常压储氢罐，罐内氢气优选压力为0.1～0.6MPa。
所述“车载式液氢运输系统”由压缩机、深冷机组、冷液泵、液氢罐、减压逃逸罐、液氢输送车组成，其中低压常压储氢罐的出气管通过开关阀通往压缩机，压缩机的出口通往深冷机组的氢气入口，压缩氢气经深冷却成为液体从深冷机的出口经冷液泵输往有隔热絕缘层的液氢储罐，罐上设置有压力逃逸阀，逃逸阀的出口经管道通往氢气逃逸储罐，逃逸储罐上设置有压力减压阀，减压阀的出口通往低压常压储氢罐的氢气出口主管道。
所述“自动氢气加注系统”由高压压缩机及氢的低压储氢罐（额定15MPa）、中压储氢罐（额定35MPa）、高压储氢罐（额定35MPa）、智能计量加氢机（其压力读数P，流量读数L/升）组成、其中储氢罐的氢气出口主管道通过开关阀通往高压压缩机的入口，高压压缩机的出口管分别并连3个压力自动调节阀（低压、中压、高压）的入口、3个压力自动调节阀分别是低压储氢罐、中压储氢罐、高压储氢罐的入口阀，低压储氢罐、中压储氢罐、高压储氢罐的出口阀，也并连为同一出气管道通往智能计量加氢机的入口，构成压力三级自动调节的“自动氢气加注系统”，其低充额定压力为15MPa，中充额定压力为35MPa，高充额定压力为70MPa；智能计量加氢机检测到车载式储氢罐压力到达额定值后，发指令关闭及打开各相关的压力自动调节阀，自动完成向车载式储氢罐的三级压力连续加注氢气作业。
储氢罐的氢气出口主管道还通过开关阀通往常压低压氢气用户。
所述氢燃料电池装置是由碱性燃料电池装置AFC、或质子交换膜燃料电池装置PEMFC、或磷酸型燃料电池装置PAFC、或熔融碳酸盐型燃料电池装置MCFC、或固体氧化物燃料电池装置SOFC构成的。
所述氢燃料电池装置是由氧气源、氢气源、燃料电池堆、燃料电池堆的水冷却系统构成，其中发电所需氧气经开关阀来自于空气净化器，或经开关阀来自于储氧罐，或两者共同供氧气，发电所需氢气经开关阀来自于储氢罐；燃料电池电源的电流经逆变转换器输往用户端的智能分布式电网，燃料电池堆的水冷却系统产生的热水输往氢热能生产系统的热水罐。
所述氢热能生产系统是由天然气管道、氢气管道、燃料混合结、燃烧器、热水器、热水储罐、热水泵、氢气开关阀、天然气开关阀、热水开关阀构成，其中来自储氢罐的氢气经开关阀在燃料混合结中按5%～30％的比例（优选20%）加入混合，输往燃烧器燃烧，使热水器中产出热水，输往热水储罐，罐中热水经开关阀、热水泵输往用户端，或者关闭天然气，单独由氢气燃烧生产热水。
所述清洁能源发电站如果是由风电站、太阳能光伏电站、太阳能光热电站这种不稳定、不连续发电站所组成时，电解水制氢装置的电源端并联有来自于公用电网的回授供电装置，在缺风缺光的气象条件下，由公用电网供电制氢。
这种设计可保证电解水制氢装置的电解槽的不间断连续运行，对电解水制氢装置的安全运行意意重大。
所述“氢气储运分配系统”的氢气还可来自于非电解水制氢装置，而是来自于天然气气化制氢、水煤浆气化制氢、焦炉煤气副产制氢、离子膜法氯碱副产制氢，上述制氢装置的氢气，在低压压缩机12j的推送下，经管道进入吸附式氢气净化装置PSA中，将氢气脱水脱杂质，送入低压常压储氢罐12a，罐内氢气优选压力为0.1～0.6MPa。
这种设计可将本发明中的“氢气储运分配系统”应用于非电解水制氢系统。
附图说明
图1是本发明的系统构成图,图2是本发明的氢气体储运分配系统图,图3是本发明的氧气体储运分配系统图,图4是本发明系统中清洁能源电站仅为风电站、太阳能电站时系统图,图5是本发明的氢热能生产及热水储备系统图.
图1中，1风电站、2太阳光电站、3水电站、4-1公用电网、5风电变送器、6太阳能光电变送器、7水电变送器、8电解电源、9电解电源、10电解电源、11电解水制氢装置、12气体储运分配系统、14氢燃料电池装置、13氢电变送器、4-2分布式智能电网、15氢热能生产及热水储备系统、16氢动力用户的加氢站。
图2中，12j低压氢气压缩机、PSA吸附式氢气净化装置、12a低压储氢罐、12b压缩机、12c深冷机组、12d冷液泵、12e液氢罐、12f减压逃逸罐、12k液氢输送车12a1开关阀、12a1开关阀、12a3开关阀、15c2开关阀、12e1压力逃逸阀、12e2液氢加注阀、12g高压压缩机、12h低压储氢罐、12m中压储氢罐、12n高压储氢罐、16智能计量加氢机、12h1压力自动调节阀、12m1压力自动调节阀、12n1压力自动调节阀、12h2压力自动调节阀、12m2压力自动调节阀、12n2压力自动调节阀。
图3中，o12a低压氧气压缩机、PSA1吸附式氧气净化装置、o12低压常压储氧罐、o14b空气泵、o12g氧气压缩机、14b空气净化器、14a燃料电池堆、12a2开关阀、o12a2开关阀、o14b2开关阀、13氢电变送器、o12b1氧气瓶。
图4中，1风电站、2太阳光电站、4-1公用电网、5风电变送器、6太阳能光电变送器、9电解电源、11电解水制氢装置、17电网回授供电装置。
图5中，15c1开关阀、15c2开关阀、燃料混合结15c3、15c燃烧器、15b热水器、15a热水储罐、15a1开关阀、15a2热水泵。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
实施案例一， 图1中由水电站3与风电站1为原始能源的“清洁能源发电制氢、氢储能的热电联供系统”，水电解槽选用质子交换膜电解槽，氢原料电池装置选用质子交换膜燃料电池装置PEMFC。
其中，风电站1所发风电经风电变送器送5变换输往4-1公用电网，水电站3所水电经水电变送器送7变换输往4-1公用电网，风电变送器送5及水电变送器送7还分别同时输送部分负荷到电解电源8、电解电源9转换为水电解槽所需低压（0.7V）直流电源，给质子交换膜电解槽11的电极供电，纯水在电解槽11的作用下分开释放出氧气及氢气，氧气在低压压缩机o12g的推送下，经管道进入吸附式氧气净化装置PSA1中，将氧气脱水脱杂质，送入低压常压储氧罐o12，罐内氧气优选压力为0.1～0.6MPa。氢气在低压压缩机12j的推送下，经管道进入吸附式氢气净化装置PSA中，将氢气脱水脱杂质，送入低压常压储氢罐12a，罐内氢气优选压力为0.1～0.6MPa；
常压储氢罐12a中储备的氢气，一部分经常压储氢罐12a的出气管通过开关阀12a3通往压缩机12b，压缩机12b的出口通往深冷机组12c的氢气入口，压缩氢气经深冷却成为液体从深冷机的出口经冷液泵12d输往有隔热絕缘层的液氢储罐12e，液氢储罐12e通过开关阀12e2给液氢输送车12k加注液化氢，由液氢输送车12k运往液氢用户。液氢储罐12e上设置有压力逃逸阀12e1，12e1的出口经管道通往氢气逃逸储罐12f，12f上设置有压力减压阀12f1，12f1的出口通往低压常压储氢罐12a的氢气出口主管道，使液氢储罐12e因环境温度影响罐内压力升高而逃逸出的氢气返回常压储氢罐12a的氢气出口主管道。
常压储氢罐12a中的氢气，另一部分经储氢罐12a的氢气出口主管道通过开关阀12a1通往高压压缩机12g的入口，高压压缩机的出口管分别并连压力自动调节阀12h1、12m1、12n1的入口、压力自动调节阀12h1、12m1、12n1分别是低压储氢罐12h、中压储氢罐12m、高压储氢罐12n的入口阀，压力自动调节阀12h2、12m2、12n2分别是低压储氢罐12h、中压储氢罐12m、高压储氢罐12n的出口阀，其出口阀的管道并连为同一出气管道通往智能计量加氢机（16）的入口，构成压力三级自动调节的“自动氢气加注系统”，其低充额定压力为15MPa，中充额定压力为35MPa，高充额定压力为70MPa；智能计量加氢机（16）检测到车载式储氢罐12k压力到达额定值后，发指令关闭及打开各相关的压力自动调节阀，自动完成向车载式储氢罐12k的三级压力连续加注氢气作业；
常压储氢罐12a中的氢气，第三部分经储氢罐12a的氢气出口主管道，并通过开关阀12a2通往常压低压氢气用户氢燃料电池装置14, 14是由质子交换膜燃料电池装置PEMFC为主导构成的氢燃料电池发电站、氢燃料电池装置14是由氧气源、氢气源、燃料电池堆14a、燃料电池堆14a的水冷却系统构成，其中发电所需氧气经开关阀o14b2来自于空气净化器14b，或经开关阀o12a2来自于储氧罐o12，或两者共同供氧气；发电所需氢气经开关阀12a2来自于储氢罐12a；电池电源的电流经逆变转换器13输往用户端的智能分布式电网4-2，燃料电池堆14a的水冷却系统产生的热水输往氢热能生产系统（15）的热水罐。
常压储氢罐12a中的氢气，第四部分经开关阀15c2在燃料混合结15c3中按10%～30％的比例加入混合，输往燃烧器15c燃烧，使热水器15b中产出热水，输往热水储罐15a，15a中热水经开关阀15a1、热水泵15a2输往用户端，或者关闭天然气，单独由氢气燃烧生产热水。
深冷机组12c的水冷却系统所产生的热水输往热水储罐15a、燃料电池堆14a水冷却系统所产生的热水输往热水储罐15a、氢气高压压缩机12g水冷却系统所产生的热水输往热水储罐15a，氧气高压压缩机o12g水冷却系统所产生的热水输往热水储罐15a。
本发明利用不稳定的清洁能源，以及水电、核电、水煤浆电站的富余电能、低谷电能电解水制氢，并以氢气作为能源储备物全面进入能源输送渠道，提供动力机及交通动力车作为燃料，并做为燃料供给用户端建筑物群用于供热、供暖、供发电形成分布式局域网电站。本发明环保清洁无碳排放，代表着人类用能文明发展史：碳氢氧化合物（薪材）→煤碳→碳氢化合物→氢（无碳能源）的最终发展方向。
Claims (9)
1.一种清洁能源发电制氢、氢储能的热电联供系统，由清洁能源发电站、电解水制氢装置、气体储运分配系统、氢燃料电池装置、氢热能生产系统组成，其技术特征是：所述清洁能源发电站是由风、太阳光、水力、水煤浆、核发电站的至少任意一种或一种以上的发电站组成，所发电能在供给公用电网用电负荷的同时，部分或全部负荷通过电源转换器向电解水制氢装置供电制氢，所产氧气、氢气各自输往气体储运分配系统，氧气经净化输往氧气低压常压储氧罐中;氢气经净化输往氢气低压常压储氧罐中，罐中的一部分氢气输往用户端的氢燃料电池装置发电，其所发电力输往用户端的分布式智能电网，一部分氢气输往动力用户的加氢站用于给氢能源动力车或其他动力机加注氢，一部分氢气深冷液化注入车载式储氢罐内运输给氢气用户。
2.根据权利要求1所述的“一种清洁能源发电制氢、氢储能的热电联供系统”，其技术特征是：所述电解水制氢装置是由质子交换膜电解槽、或固体氧化物电解槽、或碱性电解槽为主导构成的。
3.根据权利要求1所述“一种清洁能源发电制氢、氢储能的热电联供系统”，其技术特征是：所述气体储运分配系统是由低压氧气压缩机o12、吸附式氧气净化装置PSA1、低压储氧罐构成氧气储运分配系统，低压氢气压缩机12j、吸附式氢气净化装置PSA、低压储氢罐12a、“车载式液氢运输系统”、“自动氢气加注系统”、低压输氢管构成氢气储运分配系统；
其中，来自电解水制氧装置（11）的氧气，在低压压缩机o12g的推送下，经管道进入吸附式氧气净化装置PSA1中，将氧气脱水脱杂质，送入低压常压储氧罐o12，罐内氧气优选压力为0.1～0.6MPa,
来自电解水制氢装置（11）的氢气，在低压压缩机12j的推送下，经管道进入吸附式氢气净化装置PSA中，将氢气脱水脱杂质，送入低压常压储氢罐12a，罐内氢气优选压力为0.1～0.6MPa；
所述“车载式液氢运输系统”由压缩机12b、深冷机组12c、冷液泵12d、液氢罐12e、减压逃逸罐12f、液氢输送车12k组成，其中低压常压储氢罐12a的出气管通过开关阀12a3通往压缩机12b，压缩机12b的出口通往深冷机组12c的氢气入口，压缩氢气经深冷却成为液体从深冷机的出口经冷液泵12d输往有隔热絕缘层的液氢储罐12e，12e上设置有压力逃逸阀12e1，12e1的出口经管道通往氢气逃逸储罐12f，12f上设置有压力减压阀12f1，12f1的出口通往低压常压储氢罐12a的氢气出口主管道；
“自动氢气加注系统”由高压压缩机12g及氢的低压储氢罐12h、中压储氢罐12m、高压储氢罐12n、智能计量加氢机（16）组成、其中储氢罐12a的氢气出口主管道通过开关阀12a1通往高压压缩机12g的入口，高压压缩机的出口管分别并连压力自动调节阀12h1、12m1、12n1的入口、压力自动调节阀12h1、12m1、12n1分别是低压储氢罐12h、中压储氢罐12m、高压储氢罐12n的入口阀，压力自动调节阀12h2、12m2、12n2分别是低压储氢罐12h、中压储氢罐12m、高压储氢罐12n的出口阀，其出口阀的管道并连为同一出气管道通往智能计量加氢机（16）的入口，构成压力三级自动调节的“自动氢气加注系统”，其低充额定压力为15MPa，中充额定压力为35MPa，高充额定压力为70MPa；智能计量加氢机（16）检测到车载式储氢罐12k压力到达额定值后，发指令关闭及打开各相关的压力自动调节阀，自动完成向车载式储氢罐12k的三级压力连续加注氢气作业；
储氢罐12a的氢气出口主管道还通过开关阀12a2通往常压低压氢气用户。
4.根据权利要求1所述“一种清洁能源发电制氢、氢储能的热电联供系统”，其技术特征是：所述“氢气储运分配系统”的氢气来自于非电解水制氢装置，而是来自于天然气气化制氢、水煤浆气化制氢、焦炉煤气副产制氢、离子膜法氯碱副产制氢，上述制氢装置的氢气，在低压压缩机12j的推送下，经管道进入吸附式氢气净化装置PSA中，将氢气脱水脱杂质，送入低压常压储氢罐12a，罐内氢气优选压力为0.1～0.6MPa。
5.根据权利要求1所述“一种清洁能源发电制氢、氢储能的热电联供系统”，其技术特征是：氢燃料电池装置是由碱性燃料电池装置AFC、或质子交换膜燃料电池装置PEMFC、或磷酸型燃料电池装置PAFC、或熔融碳酸盐型燃料电池装置MCFC、或固体氧化物燃料电池装置SOFC构成的。
6.根据权利要求1所述“一种清洁能源发电制氢、氢储能的热电联供系统”，其技术特征是：所述氢燃料电池装置（14）是由氧气源、氢气源、燃料电池堆（14a）、燃料电池堆（14a）的水冷却系统构成，其中发电所需氧气经开关阀o14b2来自于空气净化器（14b），或经开关阀o12a2来自于储氧罐o12，或两者共同供氧气，发电所需氢气经开关阀12a2来自于储氢罐12a；电池电源的电流经逆变转换器（13）输往用户端的智能分布式电网（4-2），燃料电池堆（14a）的水冷却系统产生的热水输往氢热能生产系统（15）的热水罐。
7.根据权利要求1所述“一种清洁能源发电制氢、氢储能的热电联供系统”，其技术特征是：所述氢热能生产系统是由天然气管道、氢气管道、燃料混合结15c3、燃烧器15c、热水器15b、热水储罐15a、热水泵15a2、开关阀15c1、15c2、15a1构成，其中来自储氢罐12a的氢气经开关阀15c2在燃料混合结15c3中按10%～30％的比例加入混合，输往燃烧器15c燃烧，使热水器15b中产出热水，输往热水储罐15a，15a中热水经开关阀15a1、热水泵15a2输往用户端，或者关闭天然气，单独由氢气燃烧生产热水。
8.根据权利要求1所述“一种清洁能源发电制氢、氢储能的热电联供系统”，其技术特征是：深冷机组12c的水冷却系统所产生的热水输往热水储罐15a、燃料电池堆14a水冷却系统所产生的热水输往热水储罐15a、氢气高压压缩机12g水冷却系统所产生的热水输往热水储罐15a，氧气高压压缩机o12g水冷却系统所产生的热水输往热水储罐15a。
9.根据权利要求1所述“一种清洁能源发电制氢、氢储能的热电联供系统”，其技术特征是：所述清洁能源发电站是由风电站、太阳能光伏电站、太阳能光热电站这种不稳定、不连续发电站所组成时，电解水制氢装置的电源端并联有来自于公用电网的回授供电装置，在缺风缺光的气象条件下，由公用电网供电制氢。
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