CN114678572A - 一种分布式制氢储能发电系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明具体为一种分布式制氢储能发电系统及其工作方法，所述系统包括水电解制氢单元、氢气纯化加湿单元、燃料电池发电单元、固态储氢单元，所述水电解制氢单元通过管路与氢气纯化加湿单元连接，所述氢气纯化加湿单元通过管路分别连接燃料电池发电单元和固态储氢单元，所述燃料电池发电单元通过管路连接水电解制氢单元。所述工作方法包括制氢‑储氢模式、干燥塔再生模式、储氢‑发电模式。将氢气纯化加湿单元的干燥塔与燃料电池发电单元进行耦合，实现水分和能量的高效利用，系统安全性高、稳定性强。

Description

一种分布式制氢储能发电系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，具体为一种分布式制氢储能发电系统及其工作方法。
背景技术
作为一种可被储存的二次能源，氢气以及以氢气为燃料的燃料电池正逐渐被广泛应用在分布式储能发电系统中。水电解制氢因其制氢量灵活、设备体积小等优点可作为分布式氢能系统的氢源，特别是当与可再生能源耦合时，整个系统可真正做到低碳甚至零碳。
水电解制备出的氢气经气液分离后，通常需经过纯化干燥系统脱除氢气中的微量氧气和水，然后经氢气存储系统进行储存。氢气干燥方法通常为变温吸附法，较高的再生气压力(通常＞1.5MPa)致使氢气干燥系统具有非常大的工作功耗。
燃料电池在使用过程中需要对水热进行有效管理。为避免质子交换膜干燥导致电解质性能大幅度下降，通常利用外部加湿器对原料气体做增湿处理。目前主要是使用燃料电池自身产生的水对原料空气进行加湿，但这种情况下可能会增湿不充分。而且相关研究结果表明，因产物水主要在阴极生成，燃料电池阴极的水淹区域要大于阳极。因此选择对氢气进行加湿代替空气加湿可以减少燃料电池的水淹概率。同时，燃料电池在低温下启动时，为保证快速启动，通常需要燃料电池外部配备电加热系统对反应气体或冷却液进行加热，但这无疑会导致燃料电池系统的复杂性和辅助功耗的增加。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种分布式制氢储能发电系统及其工作方法。
本发明提供的分布式制氢储能发电系统包括水电解制氢单元、氢气纯化加湿单元、燃料电池发电单元、固态储氢单元，所述水电解制氢单元通过管路与氢气纯化加湿单元连接，所述氢气纯化加湿单元通过管路分别连接燃料电池发电单元和固态储氢单元，所述燃料电池发电单元通过管路连接水电解制氢单元。
优选的，所述水电解制氢单元具有电源系统以及水电解制氢装置。
优选的，所述氢气纯化加湿单元采用两塔干燥装置，所述两塔干燥装置包括脱氧塔、气液冷却分离器、第一干燥塔、第二干燥塔，所述脱氧塔通过管路连接气液冷却分离器，所述气液冷却分离器通过管路分别连接第一干燥塔、第二干燥塔，所述气液冷却分离器通过设有排水阀的管路连接水电解制氢装置。
优选的，所述燃料电池发电单元与第一干燥塔、第二干燥塔连接的管路上设有第一电磁阀，所述固态储氢单元与第一干燥塔、第二干燥塔连接的管路上设有第二电磁阀。
优选的，所述第一电磁阀与燃料电池发电单元之间设有氢气缓冲罐。
优选的，所述燃料电池发电单元包括燃料电池、空气供应子系统、水热管理子系统、电力输出子系统、控制系统，所述燃料电池的氢气进口通过管路与氢气缓冲罐连接。
优选的，所述固态储氢单元包括至少一个储氢装置、连接在储氢装置进气口侧的控制阀门，连接在储氢装置出气口侧的控制阀门。
优选的，所述固态储氢单元的出气口侧通过管路连接至第一干燥塔、第二干燥塔。
优选的，燃料电池发电单元还包括水回收装置，所述水回收装置与水热管理子系统通过管路连接，所述水回收装置还通过管路连接水电解制氢装置。
本发明还提供了一种分布式制氢储能发电系统的工作方法，所述方法包括三种工作模式：
(1)制氢-储氢模式
水电解制氢单元制备出的氢气经氢气纯化加湿单元干燥后，进入到固态储氢单元中储存；
(2)干燥塔再生模式
在制氢-储氢模式时，如果氢气纯化加湿单元在出气口的气体湿度达不到存储要求，暂停固态储氢单元储氢过程，选用水电解制氢单元制备的氢气通过氢气纯化加湿单元进行再生，直到氢气纯化加湿单元出气口的气体湿度达到存储要求；
(3)储氢-发电模式
固态储氢单元中储存的氢气经氢气纯化加湿单元加湿后，进入到燃料电池发电单元用于发电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
将氢气纯化加湿单元的干燥塔与燃料电池发电单元进行耦合，实现水分和能量的高效利用。一方面，利用干燥塔中的电加热管及存储的水分对氢气进行加热加湿，以及利用比例阀对氢气的压力、流量、湿度进行控制，可以减少原有燃料电池发电装置中氢气压力控制器、加湿器、加热器等辅助设备的使用，提高整个系统的紧凑性、降低生产成本，同时较高的气体温度可缩短燃料电池的启动时间，保证了低温环境下的正常启动；另一方面，燃料电池较低的需氢压力，可降低干燥塔中水分的脱附温度，从而降低水分脱附过程所需能耗，利用制氢过程的水分进行增湿，也可降低干燥塔的再生频率；
选择对氢气进行加湿代替现有燃料电池发电单元常用的空气侧加湿，可降低燃料电池发生水淹的概率；
利用干燥塔中存储的水分对氢气进行加湿，以及将气液冷却分离器、燃料电池发电单元中水回收装置内的水分再循环至水电解制氢单元中的原料水箱，可有效减少整个系统的用水量；
燃料电池入口前增设氢气缓冲罐，可保证入口氢气压力的稳定，同时有利于实现入口氢气温度、湿度的控制；
选用固态储氢装置实现对氢气的静态压缩和储存，提高了系统的安全性。
附图说明
图1为本发明模分布式制氢储能发电系统的结构原理图；
图2为本发明燃料电池发电单元的结构原理图；
图3为实施例一固态储氢单元的结构原理图；
图4为实施例二固态储氢单元的结构原理图。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
实施例一
请参阅图1，本实施例提供的分布式制氢储能发电系统包括水电解制氢单元1、氢气纯化加湿单元2、燃料电池发电单元3、固态储氢单元4，所述水电解制氢单元1通过管路与氢气纯化加湿单元2连接，所述氢气纯化加湿单元2通过管路连接燃料电池发电单元3和固态储氢单元4，所述燃料电池发电单元3通过管路连接水电解制氢单元1。
所述水电解制氢单元1具有电源系统和水电解制氢装置，所述电源系统为可再生能源发电系统或者市电系统中的一种或者两种的组合。所述水电解制氢装置采用现有技术当中的碱性制氢装置或者PEM纯水制氢装置，优选PEM纯水制氢装置。
所述氢气纯化加湿单元采用两塔干燥装置，所述两塔干燥装置包括脱氧塔201、气液冷却分离器202、第一干燥塔203、第二干燥塔204，所述脱氧塔201通过管路连接气液冷却分离器202，所述气液冷却分离器202通过管路分别连接第一干燥塔203、第二干燥塔204，所述气液冷却分离器202内置有冷却水管道(图中未示出)，分离后的水再循环至水电解制氢装置的原料水箱。所述脱氧塔201内填充有脱氧催化剂，通过化学反应将氧还原成水。所述第一干燥塔203、第二干燥塔204内部设有水分吸附剂和电加热管。所述气液冷却分离器202与第一干燥塔203和第二干燥塔204连接的管路上设有三通阀205，用于控制第一干燥塔203和第二干燥塔204的换向，所述三通阀205选择电动或者气动的T型三通阀。所述三通阀205与第一干燥塔203之间连接的管路上设有第一比例阀206，用于控制进入第一干燥塔203的氢气量。所述三通阀205与第二干燥塔204之间连接的管路上设有第二比例阀207，用于控制进入第二干燥塔204的氢气量。所述三通阀205和气液冷却分离器202之间的管路上还设有单向阀208，用于防止氢气的逆流。
所述第一干燥塔203和第二干燥塔204分别通过管路连接燃料电池发电单元3、固态储氢单元4，所述燃料电池发电单元3与第一干燥塔203、第二干燥塔204连接的管路上设有第一电磁阀209，所述固态储氢单元4与第一干燥塔203、第二干燥塔204连接的管路上设有第二电磁阀210。所述第一电磁阀209或者第二电磁阀210与第一干燥塔203之间连接的管路上设有第一单向阀211，所述第一电磁阀209或第二电磁阀210与第二干燥塔204之间连接的管路上设有第二单向阀212。所述第一单向阀211与第一干燥塔203之间连接的管路上设有第一过滤器213，所述第二单向阀212与第二干燥塔204之间连接的管路上设有第二过滤器214。所述第二电磁阀210与固态储氢单元4之间连接的管路上还设有背压阀215。
所述氢气纯化加湿单元2还包括氢气缓冲罐216，所述氢气缓冲罐216设置在第一电磁阀209与燃料电池发电单元3之间。
所述氢气纯化加湿单元2还包括第三电磁阀217，所述第三电磁阀217设置在氢气排出氢气纯化加湿单元2的管路上。
所述氢气纯化加湿单元2还包括排水阀218，所述排水阀218设置在气液冷却分离器202与水电解制氢单元1连接的管路上。
所述氢气纯化加湿单元2具有第一氢气进口A、排水口B、第一氢气出口C、第二氢气进口D、第二氢气出口E。所述第一氢气进口A是用于水电解制氢单元1向氢气纯化加湿单元2输送氢气，所述排水口B是用于气液冷却分离器202向水电解制氢单元1的原料水箱排水。所述第一氢气出口C用于将氢气纯化加湿单元2干燥后的氢气输送至固态储氢单元4。所述第二氢气进口D用于固态储氢单元4向氢气纯化加湿单元2输送氢气。所述第二氢气出口E用于氢气纯化加湿单元2向燃料电池发电单元3输送氢气。所述氢气纯化加湿单元1中的第一氢气出口C处置有湿度传感器，第二氢气出口E处置有压力、温度、湿度传感器。
参照图2，所述燃料电池发电单元3包括燃料电池301、空气供应子系统302、水热管理子系统303、电力输出子系统304、控制系统305，所述氢气纯化加湿单元2以及空气供应子系统302分别向燃料电池301供应氢气和空气，所述燃料电池301发电通过电力输出子系统304输出应用，所述水热管理子系统303用于回收再利用燃料电池301发电产生的废热。所述控制系统305用于燃料电池发电单元3的控制和管理。所述燃料电池发电单元3还设有水回收装置，回收后的水再循环至水电解制氢装置中的原料水箱。
参照图3，所述固态储氢单元4包括依次通过管路连接的第四单向阀401、第四电磁阀402、储氢装置403、第五电磁阀404、第五单向阀405。所述氢气缓冲罐216通过管路连接第四单向阀401。所述第五单向阀405与三通阀205通过管路连接。
所述固态储氢单元4中的固态储氢装置中的储氢材料可以是钛锰系、镧镍系、钛铁系、镁系的一种。
本实施例的分布式制氢储能发电系统有三种工作模式，
(1)制氢-储氢模式
在制氢-储氢模式，水电解制氢单元1制备出的氢气经氢气纯化加湿单元2干燥后，进入到固态储氢单元4中储存。在该过程中，第二电磁阀210、第四电磁阀402开启，第一电磁阀209、第三电磁阀217、第五电磁阀404关闭，第一比例阀206、第二比例阀207常闭或保持100％开度。依据第一氢气出口C的气体湿度改变三通阀205的阀门角度，从而进行干燥塔的切换。
如选用第一干燥塔203对氢气进行干燥，氢气流经的设备顺序为：水电解制氢单元1、氢气纯化加湿单元2第一氢气进口A、脱氧塔201、气液冷却分离器202、单向阀208、三通阀205、第一比例阀206、第一干燥塔203、第一过滤器213、第一单向阀211、第二电磁阀210、背压阀215、第一氢气出口C、固态储氢单元4。
如选用第二干燥塔204对氢气进行干燥，氢气流经的设备顺序为：水电解制氢单元1、氢气纯化加湿单元2第一氢气进口A、脱氧塔201、气液冷却分离器202、单向阀208、三通阀205、第二比例阀207、第二干燥塔204、第二过滤器214、第二单向阀212、第二电磁阀210、背压阀215、第一氢气出口C、固态储氢单元4。
(2)干燥塔再生模式
在制氢-储氢模式时，如果切换干燥塔后第一氢气出口C的气体湿度仍达不到存储要求，暂停固态储氢单元储氢过程，系统切换至干燥塔再生模式对氢气进行加湿处理，直到氢气纯化加湿单元第一氢气出口C的气体湿度达到存储要求。为避免氢气的过多浪费和保证水的高效利用，优先选用水电解制氢单元制备出的原料氢气作为再生气体，且仅对其中一个干燥塔进行再生，即可以选择第一干燥塔203或者第二干燥塔204进行再生，再生过程氢气的流向与干燥过程一样，不再赘述。再生过程分为两阶段：一是加热再生，通过对干燥器中的水分吸附剂进行加热使吸附剂中的水分脱除，脱除后的水分经再生气携带出至干燥塔外；二是强制吹冷，通过再生气吹扫，降低干燥塔的温度。相比于制氢-储氢模式，在干燥塔再生模式下，第一电磁阀210由开启状态转为关闭状态，第三电磁阀217由关闭状态转为开启状态，再生气通过第三电磁阀217所在管路排出氢气纯化加湿单元2外。
(3)储氢-发电模式
在储氢-发电模式中，固态储氢单元4中储存的氢气经氢气纯化加湿单元2加湿后，进入到燃料电池发电单元3。在该过程中，第一电磁阀209、第五电磁阀404开启，第二电磁阀210、第三电磁阀217、第四电磁阀402关闭，三通阀205调节方向，使第一比例阀206和第二比例阀207所在管路联通，优先对上一次制氢-储氢工作模式下工作时间长的干燥塔进行加热，第一比例阀206、第二比例阀207依据氢气纯化加湿单元2中的第二氢气出口E处的压力、温度、湿度进行开度的调节，保证燃料电池发电单元3燃料电池氢气进口处的压力、温度、湿度在设定范围内。该工作模式下，可对燃料电池的进口氢气做增温、增湿处理。
实施例二
参照图4，本实施例提供的分布式制氢储能发电系统与实施例一的区别仅在于固态储氢单元4结构的改变，本实施例固态储氢单元4增加了一个储氢装置403和一个三通阀门406，而第四电磁阀402也增加了一个，去掉了第五电磁阀404。增加储氢装置403可以提高氢气储量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种分布式制氢储能发电系统，其特征在于：包括水电解制氢单元、氢气纯化加湿单元、燃料电池发电单元、固态储氢单元，所述水电解制氢单元通过管路与氢气纯化加湿单元连接，所述氢气纯化加湿单元通过管路分别连接燃料电池发电单元和固态储氢单元，所述燃料电池发电单元通过管路连接水电解制氢单元。
2.根据权利要求1所述的分布式制氢储能发电系统，其特征在于：所述水电解制氢单元具有电源系统以及水电解制氢装置。
3.根据权利要求2所述的分布式制氢储能发电系统，其特征在于：所述氢气纯化加湿单元采用两塔干燥装置，所述两塔干燥装置包括脱氧塔、气液冷却分离器、第一干燥塔、第二干燥塔，所述脱氧塔通过管路连接气液冷却分离器，所述气液冷却分离器通过管路分别连接第一干燥塔、第二干燥塔，所述气液冷却分离器通过设有排水阀的管路连接水电解制氢装置。
4.根据权利要求3所述的分布式制氢储能发电系统，其特征在于：所述燃料电池发电单元与第一干燥塔、第二干燥塔连接的管路上设有第一电磁阀，所述固态储氢单元与第一干燥塔、第二干燥塔连接的管路上设有第二电磁阀。
5.根据权利要求4所述的分布式制氢储能发电系统，其特征在于：所述第一电磁阀与燃料电池发电单元之间设有氢气缓冲罐。
6.根据权利要求5所述的分布式制氢储能发电系统，其特征在于：所述燃料电池发电单元包括燃料电池、空气供应子系统、水热管理子系统、电力输出子系统、控制系统，所述燃料电池的氢气进口通过管路与氢气缓冲罐连接。
7.根据权利要求3所述的分布式制氢储能发电系统，其特征在于：所述固态储氢单元包括至少一个储氢装置、连接在储氢装置进气口侧的控制阀门，连接在储氢装置出气口侧的控制阀门。
8.根据权利要求7所述的分布式制氢储能发电系统，其特征在于：所述固态储氢单元的出气口侧通过管路连接至第一干燥塔、第二干燥塔。
9.根据权利要求6所述的分布式制氢储能发电系统，其特征在于：燃料电池发电单元还包括水回收装置，所述水回收装置与水热管理子系统通过管路连接，所述水回收装置还通过管路连接水电解制氢装置。
10.一种分布式制氢储能发电系统的工作方法，其特征在于：所述方法包括三种工作模式：
(1)制氢-储氢模式
水电解制氢单元制备出的氢气经氢气纯化加湿单元干燥后，进入到固态储氢单元中储存；
(2)干燥塔再生模式
在制氢-储氢模式时，如果氢气纯化加湿单元在出气口的气体湿度达不到存储要求，暂停固态储氢单元储氢过程，选用水电解制氢单元制备的氢气通过氢气纯化加湿单元进行再生，直到氢气纯化加湿单元出气口的气体湿度达到存储要求；
(3)储氢-发电模式
固态储氢单元中储存的氢气经氢气纯化加湿单元加湿后，进入到燃料电池发电单元用于发电。
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