CN112349937A - 一种甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统，属于甲醇制氢和氢燃料电池应用的技术领域，包括：原料存储子系统，用于对甲醇和甲醇水溶液进行储存；高纯氢气制备子系统，用于产生高纯氢气并向外提供氢气冷却水；燃料电池子系统，分别通过氢气冷却水管路和高纯氢气管路连通至高纯氢气制备子系统；供电控制子系统，通过电连接至燃料电池子系统；可编程控制子系统，所述可编程控制子系统连接有远程控制终端，且可编程控制子系统分别与原料存储子系统、高纯氢气制备子系统、燃料电池子系统和供电控制子系统电连接，以达到实现甲醇的高效利用、高纯氢气的制备以及燃料电池高效稳定供电，实现系统的可靠性、安全性和可操作性。

Description

一种甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统及运行方法
技术领域
本发明属于甲醇制氢和氢燃料电池应用的技术领域，具体而言，涉及一种甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统及运行方法。
背景技术
甲醇催化重整制氢是利用甲醇和水在高温和催化剂条件下裂解为H2和CO2的原理来制备氢气，是一种较为成熟的制氢技术；氢燃料电池在将高纯氢气转化为电能的同时对外界零污染，是一种高效清洁的发电方式，目前，随着氢燃料电池技术的飞速发展，其使用寿命、发电效率均得到较大提高。因此，甲醇催化重整制氢和氢燃料电池耦合组成的分布式能源系统将具有广阔的应用前景；但上述分布式能源系统在设计和使用时还需充分考虑以下几个问题：
(1)甲醇存储和使用的安全问题；
甲醇常压下的闪点很低，是极易挥发的有毒物质，且与空气混合后，在一定范围内可形成爆炸混合物，且爆炸极限下限很低(6.0Vol.％)，遇到热源和明火时极易爆炸；
(2)氢气的使用安全问题
氢气分子很小，极易泄漏，且无色无味，难以被人察觉；易扩散，在空气中爆炸极限很宽(4.1Vol.％～74.1Vol.％)，因此一旦泄漏，极快速度进入爆炸极限；
(3)甲醇催化重整所需能量来源问题
甲醇催化重整需要一定能量，但分布式能源系统与外界相对孤立，从外界引入热源或市电，或者消耗氢燃料电池发出的电能都使得分布式能源系统其存在的意义被减弱；
(4)甲醇催化重整制备的氢气纯度问题；
甲醇催化重整制备的氢气其纯度和杂质含量离氢燃料电池所需的高纯氢气尚有一定的差距；
(5)分布式能源系统安全运行的问题
分布式能源系统的安全涉及诸多方面，比如：静电和防雷接地、消防报警、防水避雨、甲醇和氢气泄漏的应急处理等；
(6)分布式能源系统的余热利用问题
分布式能源系统中的甲醇重整制氢和燃料电池发电均会产生一定热量，从能量利用考虑和设备本身的安全性出发，都需要综合考虑余热利用问题。
现有的甲醇制氢耦合氢燃料电池发电技术在作为分布式能源应用时并没有充分考虑上述问题。
发明内容
鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统及运行方法以达到实现甲醇的高效利用、高纯氢气的制备以及燃料电池高效稳定供电，系统余热利用的同时保证了分布式能源系统的可靠性、安全性和可操作性的目的。
本发明所采用的技术方案为：一种甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统，该分布式能源系统包括：
原料存储子系统，用于对甲醇和甲醇水溶液进行储存；
高纯氢气制备子系统，分别通过甲醇管路和甲醇水溶液管路连通至原料存储子系统，且产生高纯氢气并向外提供氢气冷却水；
燃料电池子系统，分别通过氢气冷却水管路和高纯氢气管路连通至高纯氢气制备子系统；
供电控制子系统，通过发电电路电连接至燃料电池子系统；
可编程控制子系统，所述可编程控制子系统连接有远程控制终端，且可编程控制子系统分别与原料存储子系统、高纯氢气制备子系统、燃料电池子系统和供电控制子系统电连接。
进一步地，所述分布式能源系统还包括：
与可编程控制子系统电连接的余热利用子系统，所述余热利用子系统设有外部冷却水入口管路、空气入口管路、热空气出口管路、热水出口管路和烟气排空管路；
所述余热利用子系统通过氢气冷却水入口管路、热烟气管路和催化燃烧用空气管路连通至高纯氢气制备子系统，通过电堆冷却水管路与燃料电池子系统连通。
进一步地，所述高纯氢气管路包括：
氢气缓冲罐，所述氢气缓冲罐通过氢气缓冲罐入口管路和氢气缓冲罐出口管路分别与高纯氢气制备子系统和燃料电池子系统连通，且氢气缓冲罐还设有缓冲罐放空管路。
进一步地，所述分布式能源系统还包括：
惰性气体瓶组，所述惰性气体瓶组设有多个惰性气体吹扫管路，且各个惰性气体吹扫管路分别连通至原料存储子系统、甲醇管路、甲醇水溶液管路和氢气缓冲罐；以惰性气体作为系统启动前、紧急或正常停运时的吹扫气和保护气；
所述原料存储子系统包括甲醇储罐和甲醇水溶液储罐，所述甲醇储罐和甲醇水溶液储罐的顶部分别连通有所述惰性气体吹扫管路；以惰性气体作为甲醇、甲醇水溶液输送的动力源，在提高储罐内甲醇表面闪点的同时将甲醇与空气隔绝开，有效避免了甲醇挥发与空气形成爆炸混合物。
进一步地，所述分布式能源系统还包括：
与可编程控制子系统通信连接的安全保护子系统，所述安全保护子系统包括甲醇泄漏连锁报警装置、氢气泄漏连锁报警装置、高温火灾连锁报警装置和CO2灭火装置，当甲醇泄漏连锁报警装置、氢气泄漏连锁报警装置和高温火灾连锁报警装置报警时，通过CO2灭火装置喷射CO2；安全保护子系统既能保证分布式能源系统在运输、启动、运行时的安全性，也能保证停运时防雨防水防尘的要求。
在本发明中还提供了一种甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统的运行方法，该运行方法包括：
S1：启动供电控制子系统，通过供电控制子系统可编程控制子系统供电；
S2：可编程控制子系统控制原料存储子系统、高纯氢气制备子系统、燃料电池子系统和余热利用子系统启动；
S3：可编程控制子系统依据外界条件确定余热利用子系统的运行方式；
S4：待余热利用子系统运行正常后，甲醇和甲醇水溶液进入高纯氢气制备子系统中制备高纯氢气；
S5：高纯氢气进入燃料电池子系统，并通过燃料电池子系统产生直流电；
S6：经过供电控制子系统将直流电转变为交流电，交流电为分布式能源系统内部和外部的设备供电。
进一步地，所述步骤S5中，高纯氢气先进入至氢气缓冲罐中，在通过氢气缓冲罐进入至燃料电池子系统中。
进一步地，所述余热利用子系统的运行方式包括：
冷却水内循环，当分布式能源系统外部无带压水源和热水需求时，通过余热利用子系统的储水罐、氢气冷却水入口管路、高纯氢气制备子系统、氢气冷却水出口管路、燃料电池子系统以及电堆冷却水管路构成冷却水内循环的运行方式；
外部冷却水，当分布式能源系统外部有带压水源和热水需求时，其通过外部冷却水入口管路、余热利用子系统的储水罐、氢气冷却水入口管路、高纯氢气制备子系统、氢气冷却水出口管路、燃料电池子系统、电堆冷却水管路和热水出口管路构成外部冷却水的运行方式；
余热利用子系统采用空气预热器给催化燃烧所需的空气进行加热的的方式来降低排放的烟气温度；采用冷却水内循环或外部冷却水的运行方式保护甲醇催化重整制氢模块和燃料电池模块，同时带走多余的热量，并依据外界条件决定是否热电联供；
采用上述灵活多变的余热利用方式，既可对外界提供热风，也可在外界有水源和需要生活热水时，对外界提供生活热水。
进一步地，所述步骤S6中供电控制子系统的供电方式为：
当分布式能源系统所需的功率稍大于燃料电池子系统的发电功率时，则供电控制子系统中的锂电池模块补充所需的电能；
当分布式能源系统所需的功率稍小于燃料电池子系统的发电功率时，则供电控制子系统中的锂电池模块吸纳超出的电能；
当分布式能源系统所需的功率与燃料电池子系统的发电功率相差较大时，则由供电控制子系统中的锂电池模块为分布式能源系统单独供电；
当供电控制子系统中锂电池模块电量不足时，可调节高纯氢气制备子系统的氢气产率，使燃料电池子系统的发电功率大于分布式能源系统所需的功率且向锂电池模块补充电量。
本发明的有益效果为：
1.采用本发明所提供的甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统及运行方法，其通过高纯氢气制备子系统中的氢气提纯模块使得甲醇催化重整制备的粗氢气提纯为高纯氢气(99.97％以上)，保证了燃料电池的发电性能，提高了燃料电池的使用寿命；能够通过调整甲醇、甲醇水溶液的流量和氢气提纯回收率实现高纯氢气制备子系统在50％～110％额定工况的变负荷运行，同时因为锂电池模块作为“削峰填谷”的存在，能够及时响应外界的负荷变化，并保持功率输出的稳定性，同时，整个系统由可编程控制模块按照预设逻辑进行控制，运行人员在终端进行运行监视和必要操作即可，保证了运行人员的安全性。
附图说明
图1是本发明所提供的一种甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统的整体系统结构示意图；
附图中标注如下：
1～惰性气体瓶组，2～原料存储子系统，3～高纯氢气制备子系统，4～氢气缓冲罐，5～燃料电池子系统，6～供电控制子系统，7～可编程控制子系统，8～余热利用子系统，9～安全保护子系统，1-1～甲醇储罐惰性气体进口管路，1-2～甲醇水溶液储罐惰性气体进口管路，1-3～惰性气体吹扫甲醇管路，1-4～惰性气体吹扫甲醇水溶液管路，1-5～惰性气体吹扫氢气缓冲罐管路，2-1～甲醇储罐甲醇进口管路，2-2～甲醇水溶液储罐溶液进口管路，2-3～甲醇储罐甲醇出口管路，2-4～甲醇水溶液储罐溶液出口管路，2-5～紧急储罐进口管路，2-6～氢气缓冲罐入口管路，3-1～氢气缓冲罐入口管路，3-2～热烟气管路，3-3～氢气冷却水出口管路，4-1～氢气缓冲罐出口管路，4-2～缓冲罐放空管路，5-1～发电电路，5-2～电堆冷却水管路，6-1～对内供电电路，6-2～对外供电电路，8-1～外部冷却水入口管路，8-2～氢气冷却水入口管路，8-3～热水出口管路，8-4～空气入口管路，8-5～催化燃烧用空气管路，8-6～热空气出口管路，8-7～烟气排空管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
在本实施例中具体提供了一种甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统，旨在实现甲醇的高效利用、高纯氢气的制备、燃料电池高效稳定供电以及系统余热的利用，如图1所示，该分布式能源系统主要包括：原料存储子系统2、高纯氢气制备子系统3、燃料电池子系统5、供电控制子系统6、可编程控制子系统7、余热利用子系统8以及安全保护子系统9，对各个子系统的具体设计如下：
①原料存储子系统
其主要作用为：用于对甲醇和甲醇水溶液进行储存，原料存储子系统2包括甲醇储罐和甲醇水溶液储罐，甲醇通过甲醇储罐甲醇进口管路2-1进入到甲醇储罐中储存，甲醇水溶液通过甲醇水溶液储罐溶液进口管路2-2进入到甲醇水溶液储罐中储存，且在甲醇储罐甲醇进口管路2-1和甲醇水溶液储罐溶液进口管路2-2上分别设置有控制阀门。
同时，原料存储子系统2通过甲醇储罐甲醇出口管路2-3和甲醇水溶液储罐溶液出口管路2-4连通至高纯氢气制备子系统3。
②高纯氢气制备子系统
甲醇溶液和甲醇水溶液分别通过甲醇储罐甲醇出口管路2-3和甲醇水溶液储罐溶液出口管路2-4进入高纯氢气制备子系统3中，甲醇和甲醇水溶液的流量分别由甲醇储罐甲醇出口管路2-3和甲醇水溶液储罐溶液出口管路2-4上的流量计和控制阀门进行调节；甲醇溶液在高纯氢气制备子系统3中经催化燃烧为氢气制备提供热量，甲醇水溶液催化重整制备的氢气经提纯后进入氢气缓冲罐4中。
高纯氢气制备子系统3通过氢气缓冲罐入口管路2-6与氢气缓冲罐4相连，通过热烟气管路3-2与余热利用子系统8相连，通过氢气冷却水出口管路3-3与燃料电池子系统5相连。
高纯氢气制备子系统3包括甲醇催化重整制氢模块和氢气提纯模块，所述甲醇催化重整制氢模块采用甲醇催化燃烧为甲醇水溶液催化重整供热的方式制备粗氢气，氢气提纯模块采用变压吸附或膜吸附的方式将粗氢气提纯为高纯氢气，且在氢气缓冲罐入口管路2-6、热烟气管路3-2和氢气冷却水出口管路3-3上分别设置有控制阀门。甲醇水溶液催化重整制氢所需热量来自于甲醇和提纯产生的解吸气的催化燃烧(化学反应，不产生明火)，既充分利用了解吸气的热值，减少了甲醇消耗，也避免了外界的电能输入和系统发电损耗，还保证了分布式能源系统的安全。
在运行过程中，甲醇催化重整制氢模块采用甲醇和粗氢气提纯副产的解吸气的催化燃烧为甲醇水溶液催化重整供热的方式制备粗氢气，氢气提纯模块采用变压吸附或膜吸附的方式提纯氢气，高纯氢气制备子系统3可通过调整甲醇、甲醇水溶液的流量和氢气提纯回收率实现高纯氢气制备子系统3在50％～110％额定工况的变负荷运行。
③燃料电池子系统
燃料电池子系统5通过发电电路5-1与供电控制子系统6相连，通过电堆冷却水管路5-2与余热利用子系统8相连。
燃料电池子系统5包括氢气流量计、低温质子交换膜电堆和空气泵，通过氢气进入低温质子交换膜电堆进行发电，其流量由氢气流量计测量，且空气泵给电堆提供足够的空气，且电堆冷却水管路5-2上设置有控制阀门。
在本实施例中，在燃料电池子系统5与高纯氢气制备子系统3之间的氢气传输路径上还设有氢气缓冲罐4，所述氢气缓冲罐4通过氢气缓冲罐入口管路2-6和氢气缓冲罐出口管路4-1分别与高纯氢气制备子系统3和燃料电池子系统5连通，且氢气缓冲罐4还设有缓冲罐放空管路4-2。在氢气缓冲罐出口管路4-1上设置有控制阀门和减压稳压阀，且在缓冲罐放空管路4-2上设置有控制阀门、安全阀和阻火器。
④供电控制子系统
通过发电电路5-1电连接至燃料电池子系统5，供电控制子系统6包括直流变压器、逆变器、锂电池模块和配电柜，通过对内供电电路6-1与可编程控制子系统7相连，通过对外供电电路6-2对分布式系统的外界设备供电，分布式系统内部的耗电设备所需交流电亦由供电控制子系统6提供。
直流变压器放大燃料电池子系统5输出的电压，并通过逆变器转变为需要的交流电，锂电池模块在分布式能源系统启动时作为启动电源，并通过逆变器转变为需要的交流电，同时在分布式能源系统正常运行时保证电能输出的稳定；配电柜将逆变器输出的交流电分流，向分布式能源系统内部和外界的设备供电，同时向可编程控制子系统7供电。
⑤可编程控制子系统
可编程控制子系统7连接有远程控制终端，且可编程控制子系统7分别与原料存储子系统2、高纯氢气制备子系统3、燃料电池子系统5和供电控制子系统6电连接。
可编程控制子系统7包括可编程逻辑控制器、分别与可编程逻辑控制器电连接的通讯模块和直流电源模块，在向分布式能源系统内部提供24V直流电的同时，还通过控制电缆连接着分布式能源系统中的所有控制点、控制反馈、监视数据和设备状态显示，并预装有控制逻辑和连锁保护。
⑥余热利用子系统
余热利用子系统8与可编程控制子系统7电连接，所述余热利用子系统8设有外部冷却水入口管路8-1、空气入口管路8-4、热空气出口管路8-6、热水出口管路8-3和烟气排空管8-7路；所述余热利用子系统8通过氢气冷却水入口管路8-2、热烟气管路3-2和催化燃烧用空气管路8-5连通至高纯氢气制备子系统3，通过电堆冷却水管路5-2与燃料电池子系统5连通。
余热利用子系统8包括布置在其内部的风机、空气预热器、水泵、储水罐和风冷器；外部冷却水通过外部冷却水入口管路8-1、空气通过空气入口管路8-4进入余热利用子系统8内；余热利用子系统8通过氢气冷却水入口管路8-2和催化燃烧用空气管路8-5与高纯氢气制备子系统3相连，分别通过热水出口管路8-3、热空气出口管路8-6向分布式能源系统的外部提供热水和热风，通过烟气排空管8-7向分布式能源系统外部排放烟气，上述外部冷却水入口管路8-1、氢气冷却水入口管路8-2、热水出口管路8-3、空气入口管路8-4、催化燃烧用空气管路8-5、热空气出口管路8-6、烟气排空管8-7分别设置有控制阀门。
余热利用子系统8在工作时，从风机来的空气分成两路：一路进入余热利用子系统8内的空气预热器中与从热烟气管路3-2来的甲醇催化燃烧后的烟气进行换热；另一路连接至风冷器，在分布式能源系统需要的时候对流经风冷器中的热水进行冷却。
⑦惰性气体瓶组
惰性气体瓶组1中的惰性气体指的是在常温条件下不与氢气和甲醇发生化学反应且不形成爆炸性混合物的气体，比如工程上常用的氮气。
惰性气体瓶组1通过甲醇储罐惰性气体进口管路1-1和甲醇水溶液储罐惰性气体进口管路1-2分别与原料存储子系统2中的甲醇储罐和甲醇水储罐相连，通过惰性气体吹扫甲醇管路1-3与甲醇储罐甲醇出口管路2-3相连，通过惰性气体吹扫甲醇水溶液管路1-4与甲醇水溶液储罐溶液出口管路2-4相连，并通过惰性气体吹扫氢气缓冲罐管路1-5与氢气缓冲罐4的底部相连，惰性气体瓶组1的出口设置有减压阀。
在惰性气体瓶组1的出口设置有减压阀；上述甲醇储罐惰性气体进口管路1-1、甲醇水溶液储罐惰性气体进口管路1-2、惰性气体吹扫甲醇管路1-3、惰性气体吹扫甲醇水溶液管路1-4和惰性气体吹扫氢气缓冲罐管路1-5分别设置有控制阀门，甲醇储罐甲醇出口管路2-3在与惰性气体吹扫甲醇管路1-3相连前的管路上设置有流量计和控制阀门；甲醇水溶液储罐溶液出口管路2-4在与惰性气体吹扫甲醇水溶液管路1-4相连前的管路上设置有流量计和控制阀门。
通过甲醇储罐惰性气体进口管路1-1和甲醇水溶液储罐惰性气体进口管路1-2分别进入甲醇储罐和甲醇水溶液储罐顶部，迫使甲醇和甲醇水溶液分别进入高纯氢气制备子系统3，甲醇和甲醇水溶液的流量分别由甲醇储罐甲醇出口管路2-3和甲醇水溶液储罐溶液出口管路2-4上的流量计和控制阀门进行调节。
⑧安全保护子系统
安全保护子系统9包括：带安全保护措施的集装箱式撬装，在集装箱式撬装的内部布置有上述所述的原料存储子系统2、高纯氢气制备子系统3、燃料电池子系统5、供电控制子系统6、可编程控制子系统7、余热利用子系统8和惰性气体瓶组1；其中，缓冲罐放空管路4-2和烟气排空管8-7穿过集装箱式撬装的顶部通入大气，集装箱式撬装内设置有静电接地盒、设备防雷接地装置、甲醇泄漏连锁报警装置、氢气泄漏连锁报警装置和高温火灾连锁报警装置，甲醇泄漏连锁报警装置、氢气泄漏连锁报警装置和高温火灾连锁报警装置分别通信连接至可编程控制子系统7；且集装箱式撬装上设置有电动门，通过电动门实现对集装箱式撬装的开启或关闭。
在集装箱式撬装的内部还布置有：CO2喷射装置，所述CO2喷射装置包括CO2储罐、带控制阀门的管路和CO2喷头组成，当甲醇泄漏连锁报警或氢气泄漏连锁报警或高温火灾连锁报警时，由可编程控制子系统7控制阀门开启，使CO2能从喷头喷出，稀释形成的爆炸性混合物，可配合惰性气体吹扫及时保护整个系统，采用CO2储罐、带控制阀门的管路和CO2喷头，为整个系统提供消防措施。
通过在缓冲罐放空管路4-2上设置电磁阀、安全阀和阻火器，并将整个分布式能源系统集成在集装箱式撬装内，并在撬装上设置静电接地盒、甲醇泄漏连锁报警、氢气泄漏连锁报警和高温火灾连锁报警，保证撬装分布式能源系统在运输、启动、运行时的安全性。
实施例2
在本实施例中还提供了一种甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统的运行方法，该运行方法基于上述实施例1中所提供的分布式能源系统，其包括：
S1：启动供电控制子系统6，通过供电控制子系统6中的锂电池模块对可编程控制子系统7供电以及其他耗电设备供电，通过锂电池模块吸纳超过负荷需求的供电量或者补充供电量少于负荷需求的电量来保证系统供电的稳定性。
S2：可编程控制子系统7按照预装逻辑控制原料存储子系统2、高纯氢气制备子系统3、燃料电池子系统5和余热利用子系统8启动，分布式能源系统的启动、定工况运行、变工况运行、紧急停机、正常停机均由可编程控制子系统7进行自动控制。
S3：可编程控制子系统7依据外界条件确定余热利用子系统8的运行方式，余热利用子系统8的运行方式分为S31和S32两种方式，如下：
S31：冷却水内循环，当分布式能源系统外部无带压水源和热水需求时，通过余热利用子系统8的储水罐、氢气冷却水入口管路8-2、高纯氢气制备子系统3、氢气冷却水出口管路3-3、燃料电池子系统5、电堆冷却水管路5-2以及热空气出口管路8-6构成冷却水内循环的运行方式，具体为：a.内部冷却水经氢气冷却水入口管路8-2进入高纯氢气制备子系统3，经氢气冷却水出口管路3-3进入燃料电池子系统5，在被加热后经电堆冷却水管路5-2回到余热利用子系统8中进行风冷，此时余热利用子系统8向分布式能源系统外界提供热风；b.空气经空气入口管路8-4进入余热利用子系统8，经催化燃烧用空气管路8-5进入高纯氢气制备子系统3，经热烟气管路3-2回到余热利用子系统8，最后通过烟气排空管8-7进入大气中。采用冷却水内循环的甲醇制氢耦合氢燃料电池的撬装分布式能源系统，可在外界无冷却水源的情况下正常运行，并向外界提供热风；
S32：外部冷却水，当分布式能源系统外部有带压水源和热水需求时，其通过外部冷却水入口管路8-1、余热利用子系统8的储水罐、氢气冷却水入口管路8-2、高纯氢气制备子系统3、氢气冷却水出口管路3-3、燃料电池子系统5、电堆冷却水管路5-2和热水出口管路8-3构成外部冷却水的运行方式，具体为：a.外部冷却水经外部冷却水入口管路8-1进入余热利用子系统8，经氢气冷却水入口管路8-2进入高纯氢气制备子系统3，经氢气冷却水出口管路3-3进入燃料电池子系统5，经电堆冷却水管路5-2进入余热利用子系统8，最后从余热利用子系统8流出后经热水出口管路8-3流出分布式能源系统；b.空气经空气入口管路8-4进入余热利用子系统8，经催化燃烧用空气管路8-5进入高纯氢气制备子系统3，经热烟气管路3-2回到余热利用子系统8，最后通过烟气排空管8-7进入大气。采用外部冷却水的甲醇制氢耦合氢燃料电池的撬装分布式能源系统在有带压水源的情况下，可为外界提供一定量50℃左右的生活热水，实现热电联产。
S4：待余热利用子系统8运行正常后，通过惰性气体吹扫原料存储子系统2、高纯氢气制备子系统3、氢气缓冲罐4和燃料电池子系统5，然后，在惰性气体进入至原料存储子系统2后，在惰性气体的压力作用下，通过甲醇和甲醇水溶液进入高纯氢气制备子系统3中制备高纯氢气，具体为：甲醇溶液在高纯氢气制备子系统3中经催化燃烧为氢气制备提供热量，甲醇水溶液催化重整制备的氢气经提纯后产生高纯氢气；其中，甲醇和甲醇水溶液的流量分别由甲醇储罐甲醇出口管路2-3和甲醇水溶液储罐溶液出口管路2-4上的流量计和控制阀门进行调节。
S5：高纯氢气先进入至氢气缓冲罐4中，在通过氢气缓冲罐4进入至燃料电池子系统5中，并通过燃料电池子系统5产生直流电；
S6：经过供电控制子系统6将直流电转变为交流电，交流电为分布式能源系统内部和外部的设备供电，供电控制子系统6的供电方式为：
当分布式能源系统所需的功率稍大于燃料电池子系统5的发电功率时，则供电控制子系统6中的锂电池模块补充所需的电能；
当分布式能源系统所需的功率稍小于燃料电池子系统5的发电功率时，则供电控制子系统6中的锂电池模块吸纳超出的电能；
当分布式能源系统所需的功率与燃料电池子系统5的发电功率相差较大时，则由供电控制子系统6中的锂电池模块为分布式能源系统单独供电，以为高纯氢气制备子系统3的变负荷争取时间；
当供电控制子系统6中锂电池模块电量不足时，可调节高纯氢气制备子系统3的氢气产率，使燃料电池子系统5的发电功率大于分布式能源系统所需的功率且向锂电池模块补充电量。
通过以上，以实现供电控制子系统6的稳定功率输出功能，将燃料电池子系统5发出的直流电作为基本电能输出，而供电控制子系统6中的锂电池模块作为补充输出或输入。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统，其特征在于，该分布式能源系统包括：
原料存储子系统，用于对甲醇和甲醇水溶液进行储存；
高纯氢气制备子系统，分别通过甲醇管路和甲醇水溶液管路连通至原料存储子系统，且产生高纯氢气并向外提供氢气冷却水；
燃料电池子系统，分别通过氢气冷却水管路和高纯氢气管路连通至高纯氢气制备子系统；
供电控制子系统，通过发电电路电连接至燃料电池子系统；
可编程控制子系统，所述可编程控制子系统连接有远程控制终端，且可编程控制子系统分别与原料存储子系统、高纯氢气制备子系统、燃料电池子系统和供电控制子系统电连接。
2.根据权利要求1所述的甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统，其特征在于，所述分布式能源系统还包括：
与可编程控制子系统电连接的余热利用子系统，所述余热利用子系统设有外部冷却水入口管路、空气入口管路、热空气出口管路、热水出口管路和烟气排空管路；
所述余热利用子系统通过氢气冷却水入口管路、热烟气管路和催化燃烧用空气管路连通至高纯氢气制备子系统，通过电堆冷却水管路与燃料电池子系统连通。
3.根据权利要求1所述的甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统，其特征在于，所述高纯氢气管路包括：
氢气缓冲罐，所述氢气缓冲罐通过氢气缓冲罐入口管路和氢气缓冲罐出口管路分别与高纯氢气制备子系统和燃料电池子系统连通，且氢气缓冲罐还设有缓冲罐放空管路。
4.根据权利要求3所述的甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统，其特征在于，所述分布式能源系统还包括：
惰性气体瓶组，所述惰性气体瓶组设有多个惰性气体吹扫管路，且各个惰性气体吹扫管路分别连通至原料存储子系统、甲醇管路、甲醇水溶液管路和氢气缓冲罐；
所述原料存储子系统包括甲醇储罐和甲醇水溶液储罐，所述甲醇储罐和甲醇水溶液储罐的顶部分别连通有所述惰性气体吹扫管路。
5.根据权利要求1所述的甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统，其特征在于，所述分布式能源系统还包括：
与可编程控制子系统通信连接的安全保护子系统，所述安全保护子系统包括甲醇泄漏连锁报警装置、氢气泄漏连锁报警装置、高温火灾连锁报警装置和CO2灭火装置，当甲醇泄漏连锁报警装置、氢气泄漏连锁报警装置和高温火灾连锁报警装置报警时，通过CO2灭火装置喷射CO2。
6.一种甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统的运行方法，其特征在于，该运行方法应用于如权利要求2-5任意一项所述的甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统，该运行方法包括：
S1：启动供电控制子系统，通过供电控制子系统可编程控制子系统供电；
S2：可编程控制子系统控制原料存储子系统、高纯氢气制备子系统、燃料电池子系统和余热利用子系统启动；
S3：可编程控制子系统依据外界条件确定余热利用子系统的运行方式；
S4：待余热利用子系统运行正常后，甲醇和甲醇水溶液进入高纯氢气制备子系统中制备高纯氢气；
S5：高纯氢气进入燃料电池子系统，并通过燃料电池子系统产生直流电；
S6：经过供电控制子系统将直流电转变为交流电，交流电为分布式能源系统内部和外部的设备供电。
7.根据权利要求6所述的甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统的运行方法，其特征在于，所述步骤S5中，高纯氢气先进入至氢气缓冲罐中，在通过氢气缓冲罐进入至燃料电池子系统中。
8.根据权利要求6所述的甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统的运行方法，其特征在于，所述余热利用子系统的运行方式包括：
冷却水内循环，当分布式能源系统外部无带压水源和热水需求时，通过余热利用子系统的储水罐、氢气冷却水入口管路、高纯氢气制备子系统、氢气冷却水出口管路、燃料电池子系统以及电堆冷却水管路构成冷却水内循环的运行方式；
外部冷却水，当分布式能源系统外部有带压水源和热水需求时，其通过外部冷却水入口管路、余热利用子系统的储水罐、氢气冷却水入口管路、高纯氢气制备子系统、氢气冷却水出口管路、燃料电池子系统、电堆冷却水管路和热水出口管路构成外部冷却水的运行方式。
9.根据权利要求6所述的甲醇制氢耦合燃料电池的分布式能源系统的运行方法，其特征在于，所述步骤S6中供电控制子系统的供电方式为：
当分布式能源系统所需的功率稍大于燃料电池子系统的发电功率时，则供电控制子系统中的锂电池模块补充所需的电能；
当分布式能源系统所需的功率稍小于燃料电池子系统的发电功率时，则供电控制子系统中的锂电池模块吸纳超出的电能；
当分布式能源系统所需的功率与燃料电池子系统的发电功率相差较大时，则由供电控制子系统中的锂电池模块为分布式能源系统单独供电；
当供电控制子系统中锂电池模块电量不足时，可调节高纯氢气制备子系统的氢气产率，使燃料电池子系统的发电功率大于分布式能源系统所需的功率且向锂电池模块补充电量。
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