CN110311155A - 热电能源联产的纯氢燃料电池与便携供氢罐系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热电能源联产的纯氢燃料电池与便携供氢罐系统，属于氢能源的制备装置的技术领域。本发明的热电能源联产的纯氢燃料电池与便携供氢罐系统包括金属氢化物储氢器和纯氢热电联产装置。本发明的系统，可以替代传统的化石燃料重整产生氢气的方式，使用高纯度的氢气进行热电联产，避免尾气污染。同时设置了便携的氢气罐，抛弃了管道运输的方案，使得应用氢气到氢燃料电池时的安全性与灵活度都大幅增加。
Description
技术领域
本发明属于氢气能源生产装备的技术领域，具体涉及一种新型的向建筑物或汽车燃料电池的热电联产设备供应氢气的系统。
背景技术
目前，氢能源已经在燃料电池(Fuel cell“FC”)领域实现商用，FC技术作为商用产品目前主要应用于电动车辆和住宅、工业场所的微型热电联产(m-CHP)系统中。燃料电池微型热电联产系统(FC-μCHP)是一种本地化的能源。由于它能同时提供电力和热力而降低建筑物的一次能源消耗。在2009年，FC-μCHP系统在日本商业化成为“Enefarm”产品，当时平均价格为350万日圆(相当于3.24万美元。随着系统的设计不断得到改进和提升，“Enefarm”产品的价格在2017年降低为150万日圆(相当于1.39万美元)，而且在日本国内已安装了200000多个单位。此外，FC-μCHP系统也在其他国家建立了市场，包括韩国、美国、英国、德国等。由此可以证明，FC-μCHP系统是一种能提高建筑物的能源利用效率并降低二氧化碳排放的可行措施。FC-μCHP系统存在若干个亟需解决的问题：1、燃料电池堆成本仍较高，使用化石燃料带来空气污染；2、支持CHP能力的系统较复杂。现有的FC-μCHP系统产品一般把天然气作为能源，而该系统涉及蒸汽重整器，以转化天然气为燃料电池所要求的氢气，但是，因为重整器需要在高温下操作(700℃至1100℃)，存在安全性低、启动时间长等问题。此外，重整器产生的氢气纯度不够高且常常含有CO，易毒化质子交换膜燃料电池PEMFC阳极的贵金属催化剂，从而减短燃料电池的寿命，所以，集成重整器的FC-μCHP系统必需耦合氢分离净化器，从而使系统的结构过于复杂。为了降低FC-μCHP系统的复杂性和成本，寻找其他的实施方案是一个很重要的工作。直接外部提供氢气给FC-μCHP系统就是其中一种简易的方案，优点在于直接使用氢气作为CHP系统的能源，避免传统FC-μCHP系统现场安装重整器和氢分离净化器的需要。实现这种方案需要一种可靠和无污染的大量生产运输氢气的设施，以及安全的氢气储存、运输技术。一种实现从加氢站到FC-μCHP系统的方案是采用氢输运管道。该种方案类似于天然气管道，而且各个地方现有的天然气管道可以重叠使用，作为居民用氢的氢输运管道。然而，氢输运管道存在安全性的重大问题。氢气比天然气更易燃，一旦氢管道由于任何原因而出现氢泄漏，由于氢气较轻的质量，极易形成大规模可燃气云，引发剧烈的爆炸事故。此外，在世界上，很多地方并不具备天然气管道，而搭建新天然气管道的费用一般较高。
发明内容
为解决前述背景技术里提及的现有技术的不足，本发明提供了一种热电能源联产的纯氢燃料电池与便携供氢罐系统，该系统的便携能力与灵活度，能够弥补管道运输的安全性不足、高成本问题，同时抛弃了化石燃料直接向燃料电池供氢的方法，避免了尾气污染。
本发明的技术方案如下：
一种热电能源联产的纯氢燃料电池与便携供氢罐系统，包括：便携式固态金属氢化物储氢反应器和纯氢热电联产装置；便携式固态金属氢化物储氢反应器包括储氢罐和储氢罐固定座，储氢罐固定座设置在所述储氢罐的外侧；纯氢热电联产装置为氢燃料电池设备；便携式固态金属氢化物储氢反应器的储氢罐通过与纯氢热电联产装置可拆卸连接来向氢燃料电池输送氢气。
进一步地，氢燃料电池设备为质子交换膜燃料电池。
更进一步地，便携式固态金属氢化物储氢反应器的储氢罐，还通过与外部的加氢站可拆卸连接，从加氢站获取氢气。
更进一步地，储氢罐包括储氢空间、氢气进/出口、安全阀和把手；所述氢气进/出口位于所述储氢空间的外侧，用于储氢空间的氢气输入/输出；安全阀设置于储氢空间的外侧，同时也连通储氢空间内部；把手固定连接在储氢空间的外侧。
优选地，热电能源联产的纯氢燃料电池与便携供氢罐系统，应用在发电与发热时，分为用户端纯氢燃料电池系统、加氢站和便携式氢气罐三部分；所述氢气罐为便携式固态金属氢化物储氢反应器，所述用户端纯氢燃料电池系统为质子交换膜燃料电池；便携式氢气罐先在加氢站加氢气后，再运输便携式氢气罐到用户端对接纯氢燃料电池系统，由质子交换膜燃料电池使用氢气进行发电发热。
与现有技术相比，本发明的热电能源联产的纯氢燃料电池与便携供氢罐系统，其有益效果在于：通过使用这种储氢罐与纯氢热电联产系统集成的高效供氢方式，传统的质子交换膜燃料电池PEMFC中可以完全移除蒸汽重整器以及相关装置，如水煤气变换器等，而这些装置通常用于当今大多数FC-μCHP平台，以将碳氢燃料转化为氢气。由此一来，燃料电池微型热电联产FC-μCHP系统的成本和维护成本可以大幅降低，从而使FC-μCHP系统更具市场竞争力。此外，由于本发明的系统用金属氢化物固态储氢罐取代了蒸汽重整来制备氢气，不涉及天然气化石燃料等碳氢燃料，FC-μCHP系统不再排放有害气体的同时也大幅提高了氢气的纯度，对环境相当友好。另一方面，储氢罐与热电联产装置采用可分离式的“即插即用”方案，还可以进一步使用加氢站来将氢源供应到储氢罐中，加氢站的市场潜力进一步得到提升，而且由于不涉及大型地下气管网，实际上比氢输运管道运输到热电联产装置的方案更安全、更灵活和更便捷，适用于建筑物和氢能源汽车的电能以及热能供给。
附图说明
图1为本发明其中一种实施方式的原理示意图；
图2为图1中实施方式的储氢罐结构示意图；
图3为图1中实施方式的一种可应用场景示意图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的原理与系统结构以及工作过程，现结合说明书附图的内容对其中的一种实施方式进行具体说明。
一种热电能源联产的纯氢燃料电池与便携供氢罐系统的其中一种实施方式如图1所示。该实施方式包括纯氢燃料电池系统(优选为质子交换膜燃料电池)和便携储氢罐MHR，便携储氢罐MHR通过储氢罐固定座安装在纯氢燃料电池系统的外部。氢燃料电池系统从便携储氢罐MHR获得氢气输入，从外部获得氧气输入和水，向外部输出电力，产生热能加热输入的水，变成热水再向外界输出。
如图2所示的便携储氢罐MHR的结构示意。便携储氢罐MHR包括金属氢化物MHR储氢空间，储氢空间的左侧是氢气入口，右侧是氢气出口，上方连通着安全阀，外部固定连接着把手。
如图3所示的应用场景，本实施方式在使用时，加氢站从氢气生产设备获得氢气，便携储氢罐MHR再连接到加氢站从氢气入口获得氢气，接着用户携带便携储氢罐MHR到用户终端建筑物内的纯氢燃料电池系统，从氢气出口向燃料电池供气，进行电力和热能生产。珍格格氢气的输入输出过程均有便携储氢罐MHR的安全阀来控制。
本实施方式的优势在于，储氢罐与纯氢燃料电池系统集成的高效供氢方式，传统的质子交换膜燃料电池PEMFC中可以完全移除蒸汽重整器以及相关装置，如水煤气变换器等，而这些装置通常用于当今大多数燃料电池微热电联产FC-μCHP平台，以将碳氢燃料转化为氢气。由此一来，燃料电池微型热电联产FC-μCHP系统的成本和维护成本可以大幅降低，从而使该系统更具市场竞争力。此外，由于本实施方式的系统用金属氢化物固态储氢罐取代了蒸汽重整来制备氢气，不涉及天然气化石燃料等碳氢燃料，FC-μCHP系统不再排放有害气体的同时也大幅提高了氢气的纯度，提高了能量转化效率，对环境相当友好。另一方面，储氢罐与热电联产装置通过储氢罐固定座，采用可分离式的“即插即用”方案，还可以进一步使用加氢站来将氢源供应到储氢罐中，加氢站的市场潜力进一步得到提升，而且由于不涉及大型地下气管网，实际上比氢输运管道运输到热电联产装置的方案更安全、更灵活和更便捷，适用于建筑物和氢能源汽车的电能以及热能供给。
以上实施方式只是本发明的其中一种方案，用以解释本发明的技术原理，并非本发明的全部实施例。本领域技术人员应当清楚，在上述实施方式的基础上，任何没有做出突出实质性特定和显著进步的等同替换方案，均落入本发明的范围。本发明技术方案的保护范围由权利要求书界定。
Claims (5)
1.一种热电能源联产的纯氢燃料电池与便携供氢罐系统，包括便携式固态金属氢化物储氢反应器和纯氢热电联产装置；其特征在于：所述便携式固态金属氢化物储氢反应器包括储氢罐和储氢罐固定座，所述储氢罐固定座设置在所述储氢罐的外侧；所述纯氢热电联产装置为氢燃料电池设备；便携式固态金属氢化物储氢反应器的储氢罐与纯氢热电联产装置可拆卸连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述氢燃料电池设备为质子交换膜燃料电池。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述便携式固态金属氢化物储氢反应器的储氢罐，还通过与外部的加氢站可拆卸连接，从加氢站获取氢气。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述储氢罐包括储氢空间、氢气进/出口、安全阀和把手；所述氢气进/出口位于所述储氢空间的外侧，用于储氢空间的氢气输入/输出；安全阀设置于储氢空间的外侧，同时也连通储氢空间内部；把手固定连接在储氢空间的外侧。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，所述热电能源联产的纯氢燃料电池与便携供氢罐系统，应用在发电与发热时，分为用户端纯氢燃料电池系统、加氢站和便携式氢气罐三部分；所述氢气罐为便携式固态金属氢化物储氢反应器，所述用户端纯氢燃料电池系统为质子交换膜燃料电池；便携式氢气罐先在加氢站加氢气后，再运输便携式氢气罐到用户端对接纯氢燃料电池系统，由质子交换膜燃料电池使用氢气进行发电发热。
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