CN113921873A - 箱式氢能生态发电站 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种箱式氢能生态发电站，包括箱体，箱体内包括依次连接的DC/DC耦合变流器、PEM电解水制氢机、储氢单元以及PEM燃料电池发电系统；DC/DC耦合变流器通过电力线路与PEM电解水制氢机连接，为PEM电解水制氢机提供电源；PEM电解水制氢机与储氢单元通过管道相连，利用电源电解水制取氢气并将所制取的氢气送入储氢单元；储氢单元还通过管道与PEM燃料电池发电系统相连，实现氢能源的存储；PEM燃料电池发电系统通过电缆与负荷相连，实现氢能转化为电能或热能。本发明具有可预装、灵活分布式布置、占地面积小、离网独立运行特点，可作为偏远地区、孤岛或者工业园区内的自建生态电站或者后备电源。

Description

箱式氢能生态发电站
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种箱式氢能生态发电站。
背景技术
能源利用上以电气化代替碳基能源，从源头和消费端构建一个两端共同发力的系统。显然，这个系统中的源头是发电站。因此，研究实现零碳排无污染的生态电站将是实现双碳目标的关键环节。
随着氢储能的发展，利用可再生能源制氢储氢发电成为了一种新型的发电方式。但是目前制氢储氢发电的一体化系统都是分散设计或者仅仅将制氢与储氢集中并未考虑将储氢与其集中设计。因此，现有的制氢-储氢-发电设备不可预装、需要现场施工、占地面积大、安装施工难度大且常常需要厂房布置。这对于该发电思路的产业化推广产生了很大的阻碍。因此，设计出可预装、灵活分布式布置、占地面积小的集中式制储发箱式生态发电站对于助力碳达峰、碳中和具有重要意义。
在现有的技术方案中，有制氢储氢一体化装置以及制储氢发电系统一体化系统其具体如下：
方案1：采用市电制氢-储氢并发电的后备电源设计，即采用市政用电经过AC-DC后用来电解水制氢然后存储。在停电或紧急情况下使用所储氢通过燃料电池发电。
方案2：在采用可再生能源制储氢发电系统一体化系统中制氢(氢源)、储氢以及燃料电池发电部分为独立设计或者将制氢与储氢集中一体化设计(方案1)，并未同时考虑将三部分同时集中设计于一个集装箱体内部，其占地面积大、安装施工难度大。
上述方案存在以下问题：
1、采用市电制氢-储氢并发电的后备电源设计，其是将市政电能储能在需要的时候再释放利用。然而现在电能的来源大部分为化石燃料产生是不清洁的，此外其需要大电网接入才能进行储氢并不能在没有大电网的特殊环境下应用。
2、目前所有的一体化系统方案并没有将其集中与一个箱体的设计，使其占地面积大、不能预装、施工安装难度大。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种箱式氢能生态发电站，其将制氢-储氢-发电集中设计于一个箱体内部。因此该设备与现有的需要厂房、现场施工安装的制氢-储氢-发电系统相比其可在出厂时提前预装整个系统、占地面积小、可灵活分布式布置，对布置环境要求低，更方便推广。
箱式氢能生态发电站，包括箱体，箱体内包括依次连接的DC/DC耦合变流器、PEM电解水制氢机、储氢单元以及PEM燃料电池发电系统；
DC/DC耦合变流器通过电力线路与PEM电解水制氢机连接，为PEM电解水制氢机提供电源；
PEM电解水制氢机与储氢单元通过管道相连，利用电源电解水制取氢气并将所制取的氢气送入储氢单元；
储氢单元还通过管道与PEM燃料电池发电系统相连，实现氢能源的存储；
PEM燃料电池发电系统通过电缆与负荷相连，实现氢能转化为电能或热能。
箱体内部包括变流区、电解区、储氢区、发电区四个区，DC/DC耦合变流器、PEM电解水制氢机、储氢单元、PEM燃料电池发电系统分别对应的设在各个区内；
各个区设置观察窗，在箱体正面设置门，箱体顶部设计若干通风窗。
本发明提出了一种箱式氢能生态发电站，具有可预装、灵活分布式布置、占地面积小、离网独立运行特点，可作为偏远地区、孤岛或者工业园区内的自建生态电站或者后备电源。该装置将电解水制氢-储氢-发电集成与一个集装箱内部，以外部可再生能源作为能量源在电解水单元将水电解为氢气并送至储氢单元；然后，储氢单元将氢气供于燃料电池发电单元，最终在一个集装箱内实现清洁稳定的电力持续供应。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的箱体正面示意图；
图3为本发明的箱体背面示意图；
图4为本发明的箱体左侧示意图；
图5为本发明的箱体右侧示意图；
图6为本发明的箱体内部功能划分平面图。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
本发明箱式氢能生态发电站的其整体结构如图1所示：
箱式氢能生态发电站可进行预装，由一个集装箱体即可完成所有设备的安装，其中具体包括箱体5(可通风)、DC/DC耦合变流器1、PEM电解水制氢机2、储氢单元3以及PEM燃料电池发电系统4。该发明可利用再生能源(风电、光伏)产生的电力通过DC/DC耦合变流器1变流后接入PEM电解水制氢机2中电解水制取氢气，然后将氢气存储在储氢单元3；储氢单元3与PEM燃料电池发电系统4相连，PEM燃料电池发电系统4利用存储的氢气持续稳定供电。
箱式氢能生态发电站的箱体5为整个系统提供了安装与运行的空间，其不仅能够大大的减少了占地面积、延长了设备使用寿命，而且能够为设备遮风挡雨以及便于实现内部环境控制对不同场景均可实现灵活安装适应性强，并且其可预装。因此，整个箱体5的设计直接关系到了氢能发电站的使用寿命与投资收益。这样，箱式氢能生态发电站的箱体5设计如下。
箱式氢能生态发电站的箱体5作为设备长期运行的场所需要箱体5具有不生锈、防腐蚀、耐化学性且隔热防爆性能好的条件。因此，选择玻璃钢作为箱体5主体材料。
如图2所示，为方便箱式电站维护人员日常巡检，在箱式电站各个功能区设置观察窗53，该观察窗53可以方便巡检人员在外面观察箱式电站内部设备及环境情况。此外，在箱体5正面设置可移动式推拉或外开门51，方便巡检人员进入箱体5内部。另外考虑氢气安全性问题，良好的通风条件是保证箱式电站安全运行的基本条件，同时考虑氢气由于分子质量小，氢气容易集聚在空间高位引发安全事故，因此在箱体5正面顶部设计若干通风窗52，方便箱内若有氢气泄露可以快速流通，保证箱式电站及人员安全。
如图3所示，同样考虑考虑氢气安全性问题，在箱体5背面顶部设计若干通风窗52，方便箱内若有氢气泄露可以快速流通，保证箱式电站及人员安全。此外，为方便正面门锁打不开等突发事件发生时，应急使用确保人员及设备安全运行，设置一个门锁在内在外均可打开应急外开门54。
在箱体5侧面首先为同样保证箱式电站及人员运行安全，在顶部设计通风窗52。然后，同样为方便运检人员巡视箱体5内设备及环境设置观察窗53。
此外，考虑燃料电池发电站能量来源为水和可再生能源的电能，如图4所示，在箱体5左侧(靠近变流器的一侧)设计有电缆入口55及进水口56，方便物料(电能、和水传输)；如图5所示，在箱体5右侧(燃料电池发电侧)设计有电缆出口58及出水口59，方便生成水的流出以及为负荷供能。最后，考虑该箱式电站设计为预装式电站，在箱体5底部设计有可拆卸的万向轮57，该万向轮57可在运输时配置，在安装完成后拆卸以此方式使得箱式电站的运输与安装更为便捷。
如图6所示，箱体5内部功能区被划分为变流区10、电解区20、储氢区30、发电区40四部分；此外，预留水路通道及人员行走通道。各部分内功能及设备布置如下：
为利用波动的可再生能源作为能量来源，设置变流区10。在变流区10内放置着DC/DC耦合变流器1，DC/DC耦合变流器将风电、光伏等可再生能源输出的波动性电源转化为符合驱动后续PEM电解机工作的电源，其功能是为电解机提供质量良好的电源。
电解区20内放置PEM电解水制氢机2且前其通过电力线路与变流区10相连获取电源后与储氢区30通过管道相连向其供给氢气，其功能是利用变流区10出口接入的电源电解水制取氢气并将所制取的氢气送入储氢区30。
储氢区30内可放置储氢单元3，储氢单元3为各种储氢设备及辅助储氢设备，且其通过管道与前电解区20和后发电区40相连，其功能是实现氢能源的存储为后续发电系统提供氢源。储氢单元3，采取氢气压缩设备与储氢气瓶的组合，即氢气压缩机、储氢瓶；或者采取使用固态储氢方式，采用储氢合金；上述两种方式可单独或者同时配备。
发电区40内放置PEM燃料电池发电系统4且其通过管道与前储氢区30相连通过电缆(热力管道)与负荷相连，其功能是将实现氢能转化为电能(热能)。
本发明中光伏发电可以用其它某种可再生能源发电形式替代，也可以是几种可再生能源发电的组合形式。此外，本箱式氢能生态发电站的内各功能区内的具体设备型号或者类型并不固定，只需要具有相同功能即可替换本发明所列设备/系统。

Claims (3)

1.箱式氢能生态发电站，其特征在于，包括箱体，箱体内包括依次连接的DC/DC变流器、PEM电解水制氢机、储氢单元以及PEM燃料电池发电系统；
DC/DC耦合变流器通过电力线路与PEM电解水制氢机连接，为PEM电解水制氢机提供电源；
PEM电解水制氢机与储氢单元通过管道相连，利用电源电解水制取氢气并将所制取的氢气送入储氢单元；
储氢单元还通过管道与PEM燃料电池发电系统相连，实现氢能源的存储；
PEM燃料电池发电系统通过电缆与负荷相连，实现氢能转化为电能或热能。
2.根据权利要求1所述的箱式氢能生态发电站，其特征在于，所述的箱体内部包括变流区、电解区、储氢区、发电区四个区，DC/DC耦合变流器、PEM电解水制氢机、储氢单元、PEM燃料电池发电系统分别对应的设在各个区内。
3.根据权利要求2所述的箱式氢能生态发电站，其特征在于，所述的各个区设置观察窗，在箱体正面设置门，箱体顶部设计若干通风窗。
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