CN114695934A - 利用可再生资源制氢及发电双模系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例提供了一种利用可再生资源制氢及发电双模系统，涉及制氢技术领域。利用可再生资源制氢及发电双模系统包括相互连接的可再生资源制氢装置和燃料电池装置，燃料电池装置用于利用可再生资源制氢装置产生的氢气产生热能和电能、并提供给可再生资源制氢装置，燃料电池装置的剩余电能用于提供给电网；可再生资源制氢装置包括发酵底物预处理装置、接种物预处理装置、暗发酵连续反应器和微生物电解连续反应器，发酵底物预处理装置、接种物预处理装置均与暗发酵连续反应器连接，暗发酵连续反应器与微生物电解连续反应器连接；系统能够对可再生资源充分利用，提高制氢的效率，不需要外界额外提供电能和热能，还能向电网协同转化电能。
Description
技术领域
本发明涉及制氢技术领域，具体而言，涉及一种利用可再生资源制氢及发电双模系统。
背景技术
氢气是一种公认的高能、环保的清洁能源，被誉为“21世纪的终极能源”，国际能源署认为未来的能源中，氢气将和石油一样是能够同时用作热、电和交通工具用燃料的能源。氢气的产业链涉及到化工、交通、钢铁、冶金多个领域；在碳中和不断升温的背景下，氢能逐渐成为高能耗行业节能降碳的重要途径。
目前，国内氢气生产方式仍以化石能源制氢、工业副产提纯制氢为主，可再生资源制氢占比有待不断提升。但现在的可再生资源制氢方法对可再生资源的利用率偏低，需要利用外界电能和热能来为系统运行供给能量，同时尚未实现与电网之间的可再生资源-氢-电协同转化。如何妥善处理可再生资源，实现可再生资源制氢的节能化、高效化、协同化成为了亟待解决的一个问题。
发明内容
本发明的目的包括提供一种利用可再生资源制氢及发电双模系统，其能够对可再生资源充分利用，提高制氢的效率，不需要外界额外提供电能和热能，还能向电网协同转化电能。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种利用可再生资源制氢及发电双模系统，利用可再生资源制氢及发电双模系统包括相互连接的可再生资源制氢装置和燃料电池装置，燃料电池装置用于利用可再生资源制氢装置产生的氢气产生热能和电能、并提供给可再生资源制氢装置，燃料电池装置的剩余电能用于提供给电网；
可再生资源制氢装置包括发酵底物预处理装置、接种物预处理装置、暗发酵连续反应器和微生物电解连续反应器，发酵底物预处理装置、接种物预处理装置均与暗发酵连续反应器连接，暗发酵连续反应器与微生物电解连续反应器连接；
发酵底物预处理装置用于处理可再生资源中的发酵底物，并生成第一预处理产物；
接种物预处理装置用于处理可再生资源中的接种物，并生成第二预处理产物；
暗发酵连续反应器用于处理第一预处理产物和第二预处理产物，并生成氢气和第三预处理产物；
微生物电解连续反应器用于处理第三预处理产物，并生成氢气。
在可选的实施方式中，燃料电池装置为天然气重整型燃料电池装置，燃料电池装置用于利用可再生资源制氢装置产生的氢气产生热能和电能。
在可选的实施方式中，燃料电池装置用于与接种物预处理装置、暗发酵连续反应器和微生物电解连续反应器进行热交换，使接种物预处理装置、暗发酵连续反应器和微生物电解连续反应器处于所需温度范围。
在可选的实施方式中，发酵底物预处理装置用于对发酵底物中的工农业、生活或市政的废弃物进行物理法或化学法处理，以减小废弃物的尺寸。
在可选的实施方式中，发酵底物预处理装置用于对发酵底物中的工农业、生活或市政的废弃物进行粉碎、研磨或者利用酸性溶液或碱性溶液进行溶解，以减小废弃物的尺寸。
在可选的实施方式中，酸性溶液包括4％盐酸或1.5％硫酸，碱性溶液包括4％氢氧化钠溶液。
在可选的实施方式中，接种物预处理装置用于通过化学方法或曝气处理杀灭或抑制耗氢微生物的生物活性、并使产氢微生物具有完全的生物活性。
在可选的实施方式中，接种物预处理装置用于通过1％HCl溶液处理时间30分钟，或者1％NaOH溶液处理时间1小时，或者曝气时间30分钟，以杀灭或抑制耗氢微生物的生物活性、并使产氢微生物具有完全的生物活性。
在可选的实施方式中，暗发酵连续反应器为全混合厌氧反应器，暗发酵连续反应器根据第一预处理产物和第二预处理产物的种类，设置对应的反应条件，以生成氢气和第三预处理产物。
在可选的实施方式中，暗发酵连续反应器用于将控制pH值的范围为5～7，水力滞留时间为1～3天，添加10-3mol/L的氮磷养料元素，并连续排出氢气和生成第三预处理产物，第三预处理产物包括有机酸。
在可选的实施方式中，微生物电解连续反应器用于通过产电菌生成氢气，产电菌利用有机酸提升利用率。
本发明实施例提供的利用可再生资源制氢及发电双模系统的有益效果包括：
1)在可再生资源制氢装置中设置有发酵底物预处理装置、接种物预处理装置、暗发酵连续反应器和微生物电解连续反应器，能够对可再生资源充分利用，提高制氢的效率；
2)燃料电池装置用于利用可再生资源制氢装置产生的氢气产生电能、并提供给可再生资源制氢装置，使系统不需要电网额外输入电能，实现自供电的功能，燃料电池装置所产的热能在可再生资源制氢装置中得到充分利用，实现自供热的功能；
3)暗发酵连续反应器不受太阳光资源的限制，可24小时连续运行制氢，暗发酵产生的有机酸用于暗发酵连续反应器制氢，通过该耦合制氢的方式可最大限度提高微生物的利用率；
4)系统整体具备节能、高效、智能等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的利用可再生资源制氢及发电双模系统的组成框图。
图标：100-可再生资源制氢及发电双模系统；110-可再生资源制氢装置；111-发酵底物预处理装置；112-接种物预处理装置；113-暗发酵连续反应器；114-微生物电解连续反应器；120-燃料电池装置；130-管道；140-第一阀门；150-第二阀门。
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。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的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，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，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参考图1，本实施例提供了一种利用可再生资源制氢及发电双模系统100(以下简称：“系统”)，系统包括相互连接的可再生资源制氢装置110和燃料电池装置120。
可再生资源制氢装置110对可再生资源处理产生氢气，这里的可再生资源来源广泛，包括工农业、生活或市政的废弃物、畜禽粪污和农作物秸秆等，生产成本低，极大地提高了制氢系统的经济性。
燃料电池装置120用于利用可再生资源制氢装置110产生的氢气产生热能和电能、并提供给可再生资源制氢装置110，使系统不需要电网额外输入电能，燃料电池装置120所产的热能在可再生资源制氢装置110中得到充分利用。
燃料电池装置120的剩余电能用于提供给电网，实现与电网之间的可再生资源-氢-电协同转化。
其中，可再生资源制氢装置110包括发酵底物预处理装置111、接种物预处理装置112、暗发酵连续反应器113和微生物电解连续反应器114，发酵底物预处理装置111、接种物预处理装置112均与暗发酵连续反应器113连接，暗发酵连续反应器113与微生物电解连续反应器114连接。
系统还包括管道130、第一阀门140和第二阀门150，暗发酵连续反应器113和微生物电解连续反应器114产出的氢气汇总到管道130，管道130与第一阀门140和第二阀门150连接，并且第一阀门140和第二阀门150采用并联的形式，具体的，暗发酵连续反应器113和微生物电解连续反应器114产出的氢气通过第一阀门140输送至燃料电池装置120，通过第二阀门150提供给用氢设备。其中，暗发酵连续反应器113和微生物电解连续反应器114产生的氢气含少许甲烷气体，汇总后通入燃料电池装置120，供燃料电池装置120产生电能和热能，产生的电能可供给可再生资源制氢装置110中的用电设备，供燃料电池装置120产生产生的热能可用于与预处理装置和反应器间的热交换以维持特定温度。燃料电池装置120的整体转换效率可高达93％，对外供应热水的温度范围为50～70℃。燃料电池装置120产生的电能用于满足整个系统对电的需求。调节前提为燃料电池装置120所产的电能和热能可满足系统的正常运行，即形成自供电和自供热的系统。系统处于余电上网模式时，多余电能将回收至电网。系统处于氢气供应模式时，氢气经过提纯后应用于下游应用。
具体的，通过第一阀门140和第二阀门150配合调节可控制进入燃料电池装置120中混合气体量的占比，若可再生资源制氢装置110产生的气体全部通入燃料电池装置120，将运行模式一，即扣除可再生资源制氢装置110所需电量后剩余的电能将并入电网；若可再生资源制氢装置110产生的气体仅有部分通入燃料电池装置120以维持可再生资源制氢装置110稳定运行，将运行模式二，其余氢气提纯后可用于下游的储用或用氢设备。
燃料电池装置120为天然气重整型燃料电池装置120。燃料电池可以以氢气和甲烷的混合气作为原料来发电发热。燃料电池装置120用于与接种物预处理装置112、暗发酵连续反应器113和微生物电解连续反应器114进行热交换，使接种物预处理装置112、暗发酵连续反应器113和微生物电解连续反应器114处于所需温度范围。具体的，燃料电池装置120控制暗发酵连续反应器113处于中温(30～40℃)或高温(50～80℃)，控制微生物电解连续反应器114处于中温(30～40℃)，以提高产氢速率。可再生资源中废水和环境的温度常常低于20℃，对暗发酵连续反应器113和微生物电解连续反应器114加热会造成成本的大幅增加，而此部分热量可以通过燃料电池装置120产生的热能来提供，大大提高能量的利用率。
发酵底物预处理装置111用于处理可再生资源中的发酵底物，并生成第一预处理产物。具体的，发酵底物预处理装置111用于对发酵底物中的工农业、生活或市政的废弃物进行物理法或化学法处理，以减小废弃物的尺寸。其中，例如针对农作物秸秆等工农业的固体废弃物，物理法可以是粉碎或研磨，以减小废弃物的尺寸，有利于提升产氢量，然后，再通过化学法对发酵底物进行预处理，化学法可以是利用酸性溶液或碱性溶液进行溶解，优选地，酸性溶液包括4％盐酸或1.5％硫酸，碱性溶液包括4％氢氧化钠溶液。发酵底物的预处理方法宜考虑效率、经济可行性、环境可持续性等因素，选择最适宜的预处理方法。
接种物预处理装置112用于处理可再生资源中的接种物，例如菌种，包括耗氢微生物和产氢微生物。接种物预处理装置112用于通过化学方法或曝气处理杀灭或抑制耗氢微生物的生物活性，并使产氢微生物具有完全的生物活性。具体的，接种物预处理装置112用于通过1％HCl溶液处理时间30分钟，或者1％NaOH溶液处理时间1小时，或者曝气时间30分钟，以杀灭或抑制耗氢微生物的生物活性，并使产氢微生物以孢子形式存活下来、具有完全的生物活性，接种物中的孢子悬浮物在适合的环境下，就可以生长萌发成具有完全生物活性的细胞，恢复其固有的产氢能力。
暗发酵连续反应器113用于暗发酵产氢，反应器类型采用全混合厌氧反应器，总固体浓度小于10％。暗发酵连续反应器113根据第一预处理产物和第二预处理产物的种类，设置对应的反应条件，以生成氢气和第三预处理产物，这里的第一预处理产物为发酵底物预处理装置111处理过的底物，第二预处理产物为接种物预处理装置112处理过的接种物。具体的，根据菌群种类和状态，使暗发酵连续反应器113处于最优于产氢菌生长的状态，其方法包括调节pH值、水力滞留时间、氢气分压、施加氮磷养料元素等。优选地，暗发酵连续反应器113用于将控制pH值的范围为5～7，水力滞留时间为1～3天，添加10-3mol/L的氮磷养料元素，反应器温度控制范围为35～60℃，并连续排出氢气以降低反应器内的氢分压，也生成第三预处理产物，第三预处理产物包括经过暗发酵的微生物和有机酸。
微生物电解连续反应器114连续生成氢气，原料来自暗发酵连续反应器113产出的有机酸，通过施加电压于电解池的阴阳两极产生氢气，阴阳极间施加的电压为0.4V～1V。微生物电解连续反应器114所需的电能由燃料电池装置120提供。具体的，微生物电解连续反应器114用于通过产电菌生成氢气，产电菌利用有机酸提升利用率，也增加了系统的整体产氢量。
本实施例提供的利用可再生资源制氢及发电双模系统100的有益效果包括：
1)在可再生资源制氢装置110中设置有发酵底物预处理装置111、接种物预处理装置112、暗发酵连续反应器113和微生物电解连续反应器114，能够对可再生资源充分利用，提高制氢的效率；
2)燃料电池装置120用于利用可再生资源制氢装置110产生的氢气产生电能、并提供给可再生资源制氢装置110，使系统不需要电网额外输入电能，燃料电池装置120所产的热能在可再生资源制氢装置110中得到充分利用；
3)暗发酵连续反应器113不受太阳光资源的限制，可24小时连续运行制氢；
4)根据下游氢气的需求情况以及电网的负荷情况，通过阀门控制可随时切换制氢和发电两种模式，提高了系统整体的经济性和智能化程度。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种利用可再生资源制氢及发电双模系统，其特征在于，所述利用可再生资源制氢及发电双模系统包括相互连接的可再生资源制氢装置(110)和燃料电池装置(120)，所述燃料电池装置(120)用于利用所述可再生资源制氢装置(110)产生的氢气产生热能和电能、并提供给所述可再生资源制氢装置(110)，所述燃料电池装置(120)的剩余电能用于提供给电网；
可再生资源制氢装置(110)包括发酵底物预处理装置(111)、接种物预处理装置(112)、暗发酵连续反应器(113)和微生物电解连续反应器(114)，所述发酵底物预处理装置(111)、所述接种物预处理装置(112)均与所述暗发酵连续反应器(113)连接，所述暗发酵连续反应器(113)与所述微生物电解连续反应器(114)连接；
所述发酵底物预处理装置(111)用于处理所述可再生资源中的发酵底物，并生成第一预处理产物；
所述接种物预处理装置(112)用于处理所述可再生资源中的接种物，并生成第二预处理产物；
所述暗发酵连续反应器(113)用于处理所述第一预处理产物和所述第二预处理产物，并生成氢气和第三预处理产物；
所述微生物电解连续反应器(114)用于处理所述第三预处理产物，并生成氢气。
2.根据权利要求1所述的利用可再生资源制氢及发电双模系统，其特征在于，所述燃料电池装置(120)用于与所述接种物预处理装置(112)、所述暗发酵连续反应器(113)和所述微生物电解连续反应器(114)进行热交换，使所述接种物预处理装置(112)、所述暗发酵连续反应器(113)和所述微生物电解连续反应器(114)处于所需温度范围。
3.根据权利要求1所述的利用可再生资源制氢及发电双模系统，其特征在于，所述发酵底物预处理装置(111)用于对发酵底物中的工农业、生活或市政的废弃物进行物理法或化学法处理，以减小废弃物的尺寸。
4.根据权利要求3所述的利用可再生资源制氢及发电双模系统，其特征在于，所述发酵底物预处理装置(111)用于对发酵底物中的工农业、生活或市政的废弃物进行粉碎、研磨或者利用酸性溶液或碱性溶液进行溶解，以减小废弃物的尺寸。
5.根据权利要求4所述的利用可再生资源制氢及发电双模系统，其特征在于，所述酸性溶液包括4％盐酸或1.5％硫酸，所述碱性溶液包括4％氢氧化钠溶液。
6.根据权利要求1所述的利用可再生资源制氢及发电双模系统，其特征在于，所述接种物预处理装置(112)用于通过化学方法或曝气处理杀灭或抑制耗氢微生物的生物活性、并使产氢微生物具有完全的生物活性。
7.根据权利要求6所述的利用可再生资源制氢及发电双模系统，其特征在于，所述接种物预处理装置(112)用于通过1％HCl溶液处理时间30分钟，或者1％NaOH溶液处理时间1小时，或者曝气时间30分钟，以杀灭或抑制耗氢微生物的生物活性、并使产氢微生物具有完全的生物活性。
8.根据权利要求1所述的利用可再生资源制氢及发电双模系统，其特征在于，所述暗发酵连续反应器(113)为全混合厌氧反应器，所述暗发酵连续反应器(113)根据所述第一预处理产物和所述第二预处理产物的种类，设置对应的反应条件，以生成氢气和所述第三预处理产物。
9.根据权利要求8所述的利用可再生资源制氢及发电双模系统，其特征在于，所述暗发酵连续反应器(113)用于将控制pH值的范围为5～7，水力滞留时间为1～3天，添加10-3mol/L的氮磷养料元素，并连续排出氢气和生成所述第三预处理产物，所述第三预处理产物包括有机酸。
10.根据权利要求9所述的利用可再生资源制氢及发电双模系统，其特征在于，所述微生物电解连续反应器(114)用于通过产电菌生成氢气，所述产电菌利用所述有机酸提升利用率。
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