CN115418656A - 一种撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统及运行方法 - Google Patents

一种撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统及运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统及运行方法，系统包括：撬装外壳、供电单元、制氢单元、固态储氢单元、氢燃料电池单元和中央控制器，供电单元分别与制氢单元、固态储氢单元、氢燃料电池单元和中央控制器电连，中央控制器分别与供电单元、制氢单元、固态储氢单元和氢燃料电池单元通讯连接。本发明能采用交流和直流电源经供电单元变换后进行电解水制氢，利用固态储氢材料储存和运输氢气，并为用户端供氢，装置还配备氢燃料电池单元，能够将储存的氢转变为电力，对外输出直流电和交流电，撬装式集成设备布局紧凑，移动方便，能够将零散的、不稳定的电力进行转化、运输、使用，大大提高了风电、光伏等清洁能源的利用率。

Description

一种撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统及运行 方法
技术领域
本发明涉及制氢储氢及氢燃料电池技术领域，尤其是涉及一种撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统及运行方法。
背景技术
近年我国可再生能源将迎来跨越式发展，基本上完成构建清洁低碳、安全高效的能源体系，在新型能源体系中，风电、光伏将成为发电的主力军，而储能和氢能相关核心技术也将获得突破，清洁能源替代化石能源指日可待。风电和光伏已经逐步建立起在可再生能源的主体地位，未来我国大部分的绿色电力将来自风能和太阳能。为做好风电和光伏电量消纳，我国将在电网改造、储能和氢能上加大技术攻关，实现风电和光伏发出的电得到有效消纳。作为可再生能源大规模发展关键技术之一的储能，有望跟随光伏、风电一起实现快速发展。目前已经成熟的储能技术有抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、电化学储能以及储热和储氢技术，其中氢能被誉为未来的超级能源，制氢需要消耗大量的电能，推动风电和光伏制氢，可以有效地解决电量消纳问题。随着电解水制氢技术的不断发展，风电、光伏制氢将会逐步满足商业化需求，成为我国能源替代的一支生力军，开发出大规模、高安全、低成本的储氢、运氢技术是氢能利用的关键，目前广泛采用的储氢运氢方法的还是气态储氢、运氢，这种方法储量小、耗能大、需要高压容器，存在氢气泄露与容器爆破等不安全因素。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有光伏、风电新能源发电的间歇性、波动性和随机性，上网后对电网的系统电压、频率和稳定性存在不同程度的影响，风电、光伏发电难以上网的问题，提出一种撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，该系统能根据需要随时随地高效、安全、灵活地完成制氢、储氢和发电，促进电力的分布式离网利用，构建风电、光伏储氢的供能体系，可有效解决电力消纳问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，包括撬装外壳、供电单元、制氢单元、固态储氢单元、氢燃料电池单元和中央控制器；所述供电单元、制氢单元、固态储氢单元、氢燃料电池单元和中央控制器设置在撬装外壳内；所述供电单元分别与制氢单元、固态储氢单元、氢燃料电池单元和中央控制器电连；所述中央控制器分别与供电单元、制氢单元、固态储氢单元和氢燃料电池单元通讯连接；所述制氢单元、固态储氢单元和氢燃料电池单元依次通过管路连接；所述氢燃料电池单元与固态储氢单元供电。本发明将供电、制氢、固态储氢和氢燃料电池装置集成在一个撬装的集装箱式外壳内，设备布局紧凑，移动方便，能时间灵活、地点灵活地利用风电、光伏发出的电能电解水制取氢气，并通过固态储氢单元将氢气转化为化学性质稳定、载氢量大的金属氢化物，能安全、高效、大规模的进行运输氢气。本发明还集成了氢燃料电池单元，能将固态储氢储存的氢转化为电能，通过逆变器对外输出交流电，也可以通过第二直流变压器转成所需电压的直流电，经过功率分配器的分配，一部分为固态储氢单元放氢时提供直流电，一部分对外输出直流电。本发明解决了风电、光伏发出的电力消纳的问题，并且能根据需要随时随地完成制氢、储氢和发电，高效、安全、灵活的运氢和输送电力，促进电力的分布式离网利用。
所述固态储氢单元包括保温层壳体、固态储氢材料、加热膜、氢气入口、第一支撑板、第二支撑板、氢气出口和温度传感器；
所述氢气入口和氢气出口沿水平中心线对称设置在壳体的两端；所述第一支撑板和第二支撑板分别设置在壳体内，并距离邻近氢气入口或氢气出口一定距离，即第一支撑板与氢气入口之间存在一定的容纳空间，用于存储氢气，便于氢气的有效分布；所述第二支撑板与氢气出口之间存在一定的容纳空间，固体储氢材料中的氢气自氢气流通通道汇集至该容纳空间，有助于氢气持续的、稳定的输出；所述加热膜为面状，所述加热膜与设置在其两侧的固体储氢材料紧密压接构成储放氢单元，为了实现固体储氢材料的紧密压接，还可以在固体储氢材料中添加少量能起到粘结作用的材料，或在固体储氢材料背离加热膜的一侧包覆透气材料；所述壳体与第一支撑板和第二支撑板形成的腔体中叠设有多个储放氢单元，所述储放氢单元的数量为2-20个，具体数量视设计规模所定；所述保温层包覆在壳体外侧；
所述固态储氢材料中设置有温度传感器的探头；所述中央控制器分别与温度传感器和加热膜通讯连接。
进一步地，所述第一支撑板、储氢材料、第二支撑板中沿水平方向穿设有多条氢气流通通道。即氢气流通通道依次穿过第一支撑板、储氢材料、第二支撑板，进而连通氢气入口和氢气出口。所述氢气流通通道的截面为圆形或正方形。采用这样的氢气流通通道，加大了氢气与固体储氢材料的接触面积，提高了氢气流动速度，降低了氢气进入储氢材料的扩散阻力，加速传质，进一步提高了储氢速率，提高了储氢材料各处温度的均匀性和稳定性，同时能够移出部分反应热。
进一步地，相邻两层储放氢单元之间设置有冷却液通道，冷却液进口和冷却液出口分别设置在壳体未设置氢气入口和氢气出口的端面上。冷却液通道内的冷却液能在储氢时及时移出各处的反应热，避免固态储放氢装置中间部位超温，提高了储氢材料的温度稳定性，进一步提高储氢效率，也解决了固态储放氢装置难以大型化的问题。
进一步地，冷却液通道内均匀设置有互相平行的冷却液导流板，可以避免冷却液在流动过程中产生涡流和返混，进一步提高取热效率。
进一步地，所述冷却液通道两端设置有第三支撑板和第四支撑板，所述第三支撑板和第四支撑板分别与邻近的冷却液进口和冷却液出口相距一定距离，沿水平中心线固定安装于所述壳体的内部腔体，对氢气和冷却液进行隔离，使冷却液均匀分布到个冷却液通道，进一步提高冷却液取热的均匀性。
进一步地，所述冷却液进口处设置有冷却液流量调节阀，所述冷却液流量调节阀与中央控制器通讯连接。所述冷却液流量调节阀可以控制冷却液的流量，调节取热负荷。所述中央控制器能控制冷却液流量调节阀，进而稳定、快速地对取热负荷进行调节，进一步提高温度调节的精准性，降低响应时间。
进一步地，所述壳体上、靠近氢气入口的一侧设置有第一测压口，所述壳体上、靠近氢气出口的一侧设置有第二测压口，所述第一测压口和第二测压口上设置有压力传感器，所述压力传感器与中央控制器通讯连接。所述压力传感器能检测热场均匀的固态储放氢单元的压力，判断储放氢的进度，进一步提高储氢效率和安全性。
进一步地，所述氢气入口设置有氢气入口阀，所述氢气出口设置有氢气出口阀一，所述氢气出口阀一出口分别与氢气出口阀二入口和氢气循环阀一入口相连通；所述氢气循环阀一出口与第一冷却器热媒入口相连通；所述第一冷却器热媒出口与氢气循环压缩机入口相连通；所述氢气循环压缩机出口与第二冷却器热媒入口相连通；所述第二冷却器热媒出口与氢气循环阀二入口相连通；所述氢气循环阀二出口与氢气入口阀相连通；所述氢气入口阀、氢气出口阀一、氢气出口阀二、氢气循环阀一、氢气出口阀二分别与中央控制器通讯连接。
氢气循环可以移出储氢时放出的热量，通过冷却器可以回收热量，减少热量损失，同时降低氢气入口温度，有利于储氢阶段温度的控制。氢气的循环还可以提高氢气在氢气流通通道内的流速，降低扩散阻力，提高储氢速度。
进一步地，所述壳体截面形状包括但不限于圆形、椭圆形、长方形、正方形中的一种形状。若壳体截面形状采用圆形或椭圆形，在同样的操作压力和强度要求下可以节省制造成本。
进一步地，所述固态储氢材料为LiMgNH、MgH2、LaNi5、LaNi4.6Al0.4、 LaNi4.5Al0.5、LaNi4.5Mn0.5、CaNi5、Ti1.2Mn1.8、TiCr1.8、ZrMn2、ZrV、TiFe、Mg2Ni 中的一种或多种。
进一步地，所述固态储氢材料优选LiMgNH和/或MgH2。
进一步地，所述加热膜为碳纳米管加热膜、碳纤维加热膜或石墨烯加热膜。
进一步地，所述加热膜优选为碳纳米管加热膜。
进一步地，所述加热膜厚度为0.05～5mm，优选为0.2-2mm。
进一步地，所述固态储氢材料压制后厚度为0.5～5cm，优选为1-3cm。
进一步地，所述氢气入口设置有氢气入口阀，所述氢气出口设置有氢气出口阀一，所述氢气出口阀一出口分别与氢气出口阀二入口和氢气循环阀一入口相连通；所述氢气循环阀一出口与第一冷却器热媒入口相连通；所述第一冷却器热媒出口与氢气循环压缩机入口相连通；所述氢气循环压缩机出口与第二冷却器热媒入口相连通；所述第二冷却器热媒出口与氢气循环阀二入口相连通；所述氢气循环阀二出口与氢气入口阀相连通；所述氢气入口阀、氢气出口阀一、氢气出口阀二、氢气循环阀一、氢气循环阀二分别与中央控制器通讯连接。
进一步地，所述固态储氢材料上均匀布置多个温度传感器，分别设置在不同储放氢单元的固态储氢材料中，所述温度传感器与中央控制器通讯连接。
进一步地，所述供电单元包括交流电输入接口、直流电输入接口、光伏组件、第一直流变压器、整流器和蓄电池；所述光伏组件与第一直流变压器电连；所述第一直流变压器分别与蓄电池、制氢单元、固态储氢单元、氢燃料电池单元电连；所述整流器分别与蓄电池、制氢单元、固态储氢单元和氢燃料电池单元电连。
进一步地，所述制氢单元为碱水电解装置、质子交换膜纯水电解装置、阴离子交换膜水电解装置和固体氧化物水电解装置中的一种。
进一步地，所述氢燃料电池单元包括逆变器和第二直流变压器。
这样的组合可以灵活匹配工业用电、风电、光伏等多种形式的电源，自带的光伏组件也可以在阳光满足条件下供给部分电力，蓄电池储存的电能可以在没有外界电源的情况下，为固态储氢单元和氢燃料电源的冷启动提供电力。
本发明的另一个目的还公开了一种制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化运行方法，包括以下步骤：
制氢时，在中央控制器上设定供电单元输出电压和制氢单元氢气输出流量，制氢单元通电、开始制氢；
储氢时，打开所述氢气入口，关闭氢气出口，在中央控制器上设定储氢温度T1，氢气从氢气入口进入固态储放氢单元，流经第一支撑板与氢气入口之间的容纳空间，经氢气流通通道均匀分布于固态储氢材料之中，随着温度的上升，氢气与固态储氢材料反应生成金属氢化物，当反应温度达到启动温度T2时，中央控制器停止对加热膜供电，由于储氢反应是放热反应，放出的反应热除维持储氢温度稳定在T1的热量外，还需移出部分反应热，此时中央控制器调节冷却液流量调节阀调整冷却液流量，使温度传感器测定温度稳定在T1，保持固态储放氢单元稳定、均匀储氢，当中央控制器检测压力传感器测定压力开始快速上升时，关闭氢气入口，关闭制氢单元，储氢完毕；
放氢时，关闭氢气入口，打开氢气出口，在中央控制器上设定放氢温度T3，中央控制器对加热膜供电，固态储氢材料温度上升，当温度上升至放氢温度T3 时，固态储氢材料稳定放氢，中央控制器控制加热膜加热功率，使温度传感器的测定温度稳定在T3；在中央控制上设定氢气输出下限流量L1，当测定氢气出口流量降低至氢气输出下限L1时，并且压力传感器测定的压力快速下降时，关闭氢气出口，放氢完毕。
发电时，在中央控制器设定固态储氢单元释放氢气的流量，启动固态储氢单元为氢燃料电池单元供氢，氢燃料电池单元产生电能，电能用途为以下一种多种：经由逆变器转变成交流电对外输出、经第二直流变压器转变成直流电对外输出、在没有外接电源的条件下为固态储氢单元放氢提供电力和为蓄电池蓄电。
进一步地，在储氢初始时，未开氢气出口，当反应温度达到启动温度T2时，关闭氢气出口。
进一步地，储氢时，首先打开氢气入口阀；然后打开氢气出口阀一，关闭氢气出口阀二，打开氢气循环阀一和氢气循环阀二；在中央控制器上设定第一冷却器出口温度T4，中央控制器控制第一冷却器冷媒温度或流量将第一冷却器出口温度稳定在T4；在中央控制器上设定第二冷却器出口温度T5，中央控制器控制第一冷却器冷媒温度或流量将第二冷却器出口温度稳定在T5；储氢完毕后，关闭氢气入口阀、氢气出口阀一、氢气出口阀二、氢气循环阀一和氢气循环阀二。
需要说明的是本发明中T1、T2、T3、T4、T5和L1均由实际操作环境和生产规模等要素所决定。
进一步地，所述固态储氢单元为多个，所述氢燃料电池单元为多个；所述固态储氢单元与氢燃料电池单元电连接和通过供氢管道连接；所述固态储氢单元和氢燃料电池单元分别与中央控制器通讯连接；
所述固态储氢单元与氢燃料电池单元通过供氢管道连接可以采用如下形式：每一所述固态储氢单元和每一氢燃料电池单元供氢管道连接。所述固态储氢单元与氢燃料电池单元通过供氢管道连接也可采用如下：所述固态储氢单元依次通过供氢支管、总管和燃料电池支管与燃料电池单元连接。具体的，多个固态储氢单元分别通过供氢支管与总管连接，所述总管通过燃料电池支管与多个氢燃料电池单元连接。
同理，所述固态储氢单元与氢燃料电池单元电连接可采用每一所述固态储氢单元和每一氢燃料电池单元电连接。所述固态储氢单元与氢燃料电池单元通过供氢管道连接也可采用如下：所述固态储氢单元依次通过供氢支线、总线和燃料电池支线与燃料电池单元电连接。具体的，多个固态储氢单元分别通过供氢支线与总线电连接，所述总线通过燃料电池支线与多个氢燃料电池单元电连接。
进一步地，所述撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统的放氢和/ 或发电运行方法包括：
S1:预设系统输出的电能和/或氢气的输出值；
S2:接收表示启动系统的信号，启动至少一个固态储氢单元，输出启动氢气；信号为固态储氢单元启动信号或燃料电池单元启动信号；
S3:给至少一个氢燃料电池单元输送启动氢气，启动获取启动氢气的氢燃料电池单元，输出电能；
S4:给所述已放氢的固态储氢单元和/或新的固态储氢单元输送所述电能，使获得所述电能的所述已放氢的固态储氢单元维持输出氢气的状态和/或启动获取所述电能的所述新的固态储氢单元，输出氢气；
S5:重复步骤S3和/或S4，向系统外输出电能或者氢气；当向系统外输出电能或者氢气达到输出值时，停止重复步骤S3和/或S4。
其中，在步骤S3中，启动的固态储氢单元的数量不低于S2中启动的固态储氢单元的数量。
进一步地，在S5中，每一次启动的固态储氢单元和/或氢燃料电池单元的数量均大于上一次启动的固态储氢单元和/或氢燃料电池单元的数量。具体地，每一次启动的固态储氢单元数量均大于上一次启动的固态储氢单元的数量。每一次启动的固态储氢单元和氢燃料电池单元的数量均大于上一次启动的固态储氢单元和氢燃料电池单元的数量。每一次启动的氢燃料电池单元的数量均大于上一次启动的氢燃料电池单元的数量。
进一步地，在接收表示启动供氢系统和/或燃料电池系统的信号之前，预设每一次启动的固态储氢单元和/或氢燃料电池单元的数量。
进一步地，当信号为供氢系统启动信号时，S5中：向系统外输出氢气；
当信号为燃料电池系统启动信号时，S5中，向系统外输出电能。
进一步地，供氢系统和/或燃料电池系统还包括若干用于检测固态储氢单元的温度的第一温度检测单元；
每一第一温度检测单元与中央控制器通讯连接；
S4包括：
S41:在执行固态储氢单元启动之前，获取每一固态储氢单元的实时温度，并根据实时温度进行未启动的固态储氢单元的温度排序；
S42:根据未启动的固态储氢单元的温度排序，确定当次待启动的固态储氢单元，给当次待启动的固态储氢单元输送电能；
其中，根据固态储氢单元温度排序，确定当次待启动的固态储氢单元，包括：
依据固态储氢单元的实时温度对系统中未启动的固态储氢单元进行温度依次从高到低或者从低到高进行排序，得到未启动的固态储氢单元的当次启动顺序；
根据当次待启动的固态储氢单元的数量和未启动的固态储氢单元的当次启动顺序依次或者同时启动多个固态储氢单元；
其中，未启动的固态储氢单元的当次启动顺序为温度较高的未启动的固态储氢单元优先启动。
进一步地，供氢系统和/或燃料电池系统还包括若干用于检测氢燃料电池单元温度的第二温度检测单元；
每一第二温度检测单元与中央控制器通讯连接；
在S1还包括：预设氢燃料电池单元的温度阈值；所述温度阈值为氢燃料电池单元安全运行的上限温度；
在S5之后还包括S6，S6包括：
S601:定时获取每一氢燃料电池单元的实时温度，判断处于启动状态的氢燃料电池单元的实时温度的值是否小于温度阈值；
S602:当判断结果为是时，停止氢燃料电池单元的启动状态；当判断结果为否时，维持氢燃料电池单元的启动状态；
S603：当a个处于启动状态的氢燃料电池单元的判断结果为是时，启动系统中a个处于未启动状态的氢燃料电池单元；
其中，a为自然数。
进一步地，S6中，在启动系统中a个处于未启动状态的氢燃料电池单元之前，还包括：
根据每一氢燃料电池单元的实时温度进行处于未启动状态的氢燃料电池单元排序，得到处于未启动状态的氢燃料电池单元的启动优先顺序；
根据处于未启动状态的氢燃料电池单元的启动优先顺序确定待启动的a个处于未启动状态的氢燃料电池单元；
其中，处于未启动状态的氢燃料电池单元的启动优先顺序为温度较低的处于未启动状态的氢燃料电池单元优先启动。
进一步地，供氢系统和/或燃料电池系统还包括若干用于检测固态储氢单元输出氢气的流量的气流量检测单元；
每一气流量检测单元与中央控制器通讯连接；
在S1还包括：预设固态储氢单元输出氢气的最低流量的流量阈值；
在S5之后还包括S6，S6包括：
S611:定时获取每一处于启动状态的固态储氢单元的实时输出氢气的流量，判断处于启动状态的固态储氢单元的实时输出氢气的流量的值是否小于流量阈值；
S612:当判断结果为是时，停止固态储氢单元的启动状态；当判断结果为否时，维持氢燃料电池单元的启动状态。
S613：当b个处于启动状态的固态储氢单元的判断结果为否时，启动系统中b个处于未启动状态的固态储氢单元；其中，b为自然数。
进一步地，S6中，在启动系统中b个处于未启动状态的固态储氢单元之前，还包括：
根据每一固态储氢单元的实时温度进行处于未启动状态的固态储氢单元排序，得到处于未启动状态的固态储氢单元的启动优先顺序；
根据处于未启动状态的固态储氢单元的启动优先顺序确定待启动的b个处于未启动状态的固态储氢单元；
其中，处于未启动状态的固态储氢单元的启动优先顺序为温度较高的处于未启动状态的固态储氢单元优先启动。
进一步地，在S613中，启动系统中b个处于未启动状态的固态储氢单元，包括：
断开判断结果为否时的b个处于启动状态的固态储氢单元与对应的氢燃料电池单元之间的电连接关系；
建立待启动的b个处于未启动状态的固态储氢单元与对应的氢燃料电池单元之间的电连接关系，使氢燃料电池单元给待启动的b个处于未启动状态的固态储氢单元供电。
本发明一种撬装式制氢固态储氢和氢燃料电池一体化系统结构简单、紧凑、可移动，可以消纳风电和光伏等零散的、不稳定的电力，提高清洁能源利用率，与现有技术相比较具有以下优点：
1)本发明的供电单元包括多种电源接口，配有整流和调压装置，可以接受多种电力来源，同时本发明的装置自带光伏面板，可以在光照允许的条件下进行发电，为装置提供部分电力供应。装置集成了固态储氢单元和氢燃料电池单元，可以根据需要选择对外提供氢气或电力，扩展了清洁能源的利用方式，撬装的方式移动灵活，可以迅速为多种条件受限的情况提供氢气和电力。
2)本发明采用面状加热膜为固态储氢材料供热，加热膜电热转换效率高，面状结构加大了传热面积，加热面的温度均匀性好，提供同样热量的条件下，加热面的温度比线状加热方式所需的温度更低，有利于延长设备适用寿命，传热效果更好。
3)本发明液冷的取热方式可以及时取出储氢时的反应热，避免了固态储放氢装置由于散热不良形成温度梯度，进而影响储氢效率和容量的问题，解决了因散热不良的原因造成固态储放氢装置难以大型化的问题。
4)本发明在储氢时采用的氢气循环的方式，可以大幅降低氢气入口温度，并可以回收利用反应热，同时氢气循环加大了氢气在流通通道中的流速，降低了扩散阻力，加大反应速度，缩短储氢时间，提高了储氢效率。
5)本发明自动化的控制系统，可以及时对温度变化进行控制，响应时间短，温度控制平稳，提高控制的精准度和稳定性，保证固态储放氢装置热场保持平稳、均匀，提升储放氢效率，降低能耗。
综上，本发明将供电、制氢、固态储氢和氢燃料电池装置集成在一个撬装的集装箱式外壳内，设备布局紧凑，移动方便，能时间灵活、地点灵活地利用风电、光伏发出的电能电解水制取氢气，并通过固态储氢单元将氢气转化为化学性质稳定、载氢量大的金属氢化物，能安全、高效、大规模的进行运输氢气。本发明还集成了氢燃料电池单元，能将固态储氢储存的氢转化为电能，通过逆变器对外输出交流电，也可以通过第二直流变压器转成所需电压的直流电，经过功率分配器的分配，一部分为固态储氢单元放氢时提供直流电，一部分对外输出直流电。本发明解决了风电、光伏发出的电力消纳的问题，并且能根据需要随时随地完成制氢、储氢和发电，高效、安全、灵活的运氢和输送电力，促进电力的分布式离网利用。
附图说明
图1为实施例1的固态储氢单元正视剖面图。
图2为实施例1的固态储氢单元右视剖面图。
图3为实施例1的固态储氢单元俯视剖面图。
图4为实施例1的固态储氢单元运行流程示意图。
图5为实施例1的撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统结构示意图。
1、冷却液进口；2、第三支撑板；3、保温层；4、壳体；5、固态储氢材料； 6、氢气流通通道；7、加热膜；8、第四支撑板；9、冷却液出口；10、氢气入口；11、第一支撑板；12、第二测压口；13、第二支撑板；14、氢气出口；15、中央控制器；16、温度传感器；17、氢气入口阀；18、冷却液流量调节阀；19、冷却液通道；20、冷却液导流板；21、冷却液通道上壁板；22、冷却液通道下壁板；23、氢气出口阀一；24、氢气出口阀二；25、氢气循环阀一；26、第一冷却器；27、氢气循环压缩机；28、第二冷却器；29、氢气循环阀二；30、撬装外壳；31、供电单元；32、制氢单元；33、固态储氢单元；34、氢燃料电池单元；35、光伏组件；36、第一直流变压器；37、整流器；38、蓄电池；39、逆变器；40、第二直流变压器。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本专利的描述中，当元件被称为“固定于/安装在(或类似用词)”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居间的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居间的元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件时，不存在居间的元件。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“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，仅是为了便于描述本专利和简化描述，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专利的限制下面将在本申请的描述中，需要理解的是，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
下面结合附图对本发明一种撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统的实施方式作详细说明。
实施例1
本实施例公开了一种撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，如图1-5所示，包括撬装外壳30、供电单元31、制氢单元32、固态储氢单元33、氢燃料电池单元34和中央控制器15；所述供电单元31、制氢单元32、固态储氢单元33、氢燃料电池单元34和中央控制器15设置在撬装外壳30内；所述供电单元31分别与制氢单元32、固态储氢单元33、氢燃料电池单元34和中央控制器15电连，所述中央控制器15分别与供电单元31、制氢单元32、固态储氢单元33和氢燃料电池单元34通讯连接，所述中央控制室15与远程控制终端无线通讯连接；所述制氢单元32、固态储氢单元33和氢燃料电池单元34依次通过管路连接；所述氢燃料电池单元34与固态储氢单元33电连；
所述供电单元31包括交流电输入接口、直流电输入接口、光伏组件35、第一直流变压器36、整流器37、蓄电池38；所述光伏组件35与第一直流变压器 36电连；所述第一直流变压器36分别与蓄电池38、制氢单元32、固态储氢单元33、氢燃料电池单元34电连；所述整流器37分别与蓄电池38、制氢单元32、固态储氢单元33、氢燃料电池单元34电连。
所述制氢单元32为质子交换膜纯水电解装置；
所述氢燃料电池单元34包括逆变器39和第二直流变压器40。
所述固态储氢单元33包括保温层3、壳体4、固态储氢材料5、加热膜7、氢气入口10、第一支撑板11、第二支撑板13、氢气出口14和温度传感器16；
本实施例所述壳体为矩形，其截面为正方形，可以理解所述截面形状还可以为圆形、椭圆形、长方形等其他形状。若壳体截面形状采用圆形或椭圆形，在同样的操作压力和强度要求下可以节省制造成本。
所述氢气入口10和氢气出口14沿水平中心线对称设置在壳体4的两端；所述第一支撑板11和第二支撑板13分别设置在壳体4内，并距离邻近氢气入口10或氢气出口14一定距离，即第一支撑板11与氢气入口10之间存在一定的容纳空间，用于存储氢气，便于氢气的有效分布；所述第二支撑板13与氢气出口14之间存在一定的容纳空间，固体储氢材料5中的氢气自氢气流通通道6 汇集至该容纳空间，有助于氢气持续的、稳定的输出；所述第一支撑板11和第二支撑板13的设置方向垂直于氢气入口10与氢气出口14的连线，即垂直于氢气的流动方向。
所述加热膜7为面状，所述加热膜7与设置在其两侧的固体储氢材料5紧密压接构成储放氢单元。本实施例所述固态储氢材料5为LiMgNH。所述加热膜7为碳纳米管加热膜。所述加热膜7厚度为0.05～5mm。所述固态储氢材料5 压制后的厚度为0.5～5cm。为了实现固体储氢材料5的紧密压接，还可以在固体储氢材料5中添加少量能起到粘结作用的材料，或在固体储氢材料5背离加热膜7的一侧包覆透气材料。
所述壳体4与第一支撑板11和第二支撑板13形成的腔体中叠设有三个储放氢单元。所述保温层3包覆在壳体4外侧；
所述固态储氢材料5中设置有温度传感器16的探头；所述中央控制器15 分别与温度传感器16和加热膜7通讯连接。本实施例所述温度传感器16为多个，分别设置在不同储放氢单元的固态储氢材料5中。
本发明固态储放氢单元的固态储放氢方法，包括以下步骤：首先设定固态储氢材料的工作温度，中央控制器根据设置在固态储氢材料中的温度传感器的信号控制加热膜的功率，使加热膜升温，与面状加热膜紧密贴合的固态储氢材料均匀受热并升温，进而实现稳定的储氢和放氢。
所述第一支撑板11、储氢材料5、第二支撑板13中沿水平方向穿设有多条氢气流通通道6。即氢气流通通道6依次穿过第一支撑板11、储氢材料5、第二支撑板13，进而连通氢气入口10和氢气出口14。所述氢气流通通道6的截面为圆形或正方形。采用这样的氢气流通通道，加大了氢气与固体储氢材料的接触面积，提高了氢气流动速度，降低了氢气进入储氢材料的扩散阻力，加速传质，进一步提高了储氢速率，提高了储氢材料各处温度的均匀性和稳定性，同时能够移出部分反应热。
相邻两层储放氢单元之间设置有冷却液通道19，冷却液通道19上下通过冷却液通道上壁板21和冷却液通道下壁板22与固态储氢材料5隔离，冷却液通道19的冷却液进口1和冷却液出口9分别设置在壳体未设置氢气入口10和氢气出口14的端面上。冷却液通道内的冷却液能在储氢时及时移出各处的反应热，避免固态储放氢装置中间部位超温，提高了储氢材料的温度稳定性，进一步提高储氢效率，也解决了固态储放氢装置难以大型化的问题。
冷却液通道内均匀设置有互相平行的冷却液导流板，可以避免冷却液在流动过程中产生涡流和返混，进一步提高取热效率。
所述冷却液通道19两端设置有第三支撑板2和第四支撑板8，所述第三支撑板2和第四支撑板8分别与邻近的冷却液进口1和冷却液出口9相距一定距离，沿水平中心线固定安装于所述壳体的内部腔体，对氢气和冷却液进行隔离，使冷却液均匀分布到个冷却液通道，进一步提高冷却液取热的均匀性。
所述冷却液进口处设置有冷却液流量调节阀，冷却液流量调节阀中央控制器15通讯连接，冷却液流量调节阀可以控制冷却液的流量，调节取热负荷。
所述中央控制器15分别于冷却液流量调节阀18和温度传感器16通讯连接。所述中央控制器15可以稳定、快速地对取热负荷进行自动调节，进一步提高温度调节的精准性，降低响应时间。
所述壳体4上、靠近氢气入口10的一侧设置有第一测压口，所述壳体4上、靠近氢气出口14的一侧设置有第二测压口12，所述第一测压口和第二测压口 12上设置有压力传感器，所述压力传感器与中央控制器15通讯连接。所述压力传感器能检测热场均匀的固态储放氢单元的压力，判断储放氢的进度，进一步提高储氢效率，安全性。
本实施例固态储氢单元33设有氢气循环流程如图4所示，包括氢气出口阀一23、氢气出口阀二24、氢气循环阀一25、第一冷却器26、氢气循环压缩机 27、第二冷却器28、氢气循环阀二29。所述第一冷却器26和第二冷却器28包括但不限于板式换热器或列管管热器。
所述氢气入口10设置有氢气入口阀17，所述氢气出口14设置有氢气出口阀一23，所述氢气出口阀一23出口分别与氢气出口阀二24入口和氢气循环阀一25入口相连通；所述氢气循环阀一25出口与第一冷却器26热媒入口相连通；所述第一冷却器26热媒出口与氢气循环压缩机27入口相连通；所述氢气循环压缩机27出口与第二冷却器28热媒入口相连通；所述第二冷却器28热媒出口与氢气循环阀二29入口相连通；所述氢气循环阀二29出口与氢气入口阀17相连通；所述氢气入口阀17、氢气出口阀一23、氢气出口阀二24、氢气循环阀一25、所述氢气循环阀二29分别与中央控制器15通讯连接。
采用本实施例一种撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统进行制氢、储放氢、对外供电的方法如下：包括以下步骤：
制氢时，在中央控制器15设定供电单元输出电压，制氢单元32通电，设定制氢单元32氢气输出流量，启动制氢单元32开始制氢；
储氢时，打开所述氢气入口10，关闭氢气出口14，在中央控制器15上设定储氢温度T1，氢气从氢气入口10进入固态储放氢单元，流经第一支撑板11 与氢气入口10之间的容纳空间，经氢气流通通道6均匀分布于固态储氢材料5 之中，微开氢气出口14，控制氢气出口14流量，使压力传感器测定压力稳定在 P1，随着温度的上升，氢气与固态储氢材料5反应生成金属氢化物，当反应温度达到启动温度T2时，中央控制器15停止对加热膜7供电，由于储氢反应是放热反应，放出的反应热除维持储氢温度稳定在T1的热量外，还需移出部分反应热，此时中央控制器15调节冷却液流量调节阀18调整冷却液流量，使温度传感器16测定温度稳定在T1，保持固态储放氢单元稳定、均匀储氢，当中央控制器15检测压力传感器测定压力开始快速上升时，关闭氢气入口10，储氢完毕；打开氢气入口阀17；然后打开氢气出口阀一23，关闭氢气出口阀二24，打开氢气循环阀一25和氢气循环阀二29；在中央控制器15上设定第一冷却器26出口温度T4，中央控制器15控制第一冷却器26冷媒温度或流量将第一冷却器26 出口温度稳定在T4；在中央控制器15上设定第二冷却器28出口温度T5，中央控制器15控制第一冷却器26冷媒温度或流量将第二冷却器28出口温度稳定在 T5；储氢完毕后，关闭氢气入口阀17、氢气出口阀一23、氢气出口阀二24、氢气循环阀一25和氢气循环阀二29。
放氢时，关闭氢气入口10，打开氢气出口14，在中央控制器15上设定放氢温度T3，中央控制器15对加热膜7供电，固态储氢材料5温度上升，当温度上升至T3时，固态储氢材料5稳定放氢，中央控制器15自动控制温度传感器 16的测定温度稳定在T3，，在中央控制上设定氢气流量L1，测定氢气出口14 流量，当氢气出口流量降低至L1时，并且压力传感器测定的压力快速下降时，关闭氢气出口14，放氢完毕。
发电时，在中央控制器15设定固态储氢单元33释放氢气的流量，启动固态储氢单元33为氢燃料电池单元34供氢，氢燃料电池产生的电可以经由逆变器39转变成所需电压的交流电对外输出，也可以经第二直流变压器40转变成所需电压的直流电对外输出，同时为在没有外接电源的条件下，为固态储氢单元放氢提供电力。
采用实施例的一种撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，将供电、制氢、固态储氢和氢燃料电池单元集成在一个撬装的集装箱式外壳内，设备布局紧凑，移动方便，可以时间灵活、地点灵活地利用风电、光伏发出的电能电解水制取氢气、并通过固态储氢单元将氢气转化为化学性质稳定、载氢量大的金属氢化物，可以安全、高效、大规模的进行运输氢气，并且装置中集成了氢燃料电池单元，可以将固态储氢储存的氢转化为电能，通过逆变器对外输出交流电，也可以通过第二直流变压器转成所需电压的直流电，经过功率分配器的分配，一部分为固态储氢单元放氢时提供直流电，一部分对外输出直流电。解决了风电、光伏发出的电力消纳的问题，并且可以根据需要需要在有任何电源的地点随时随地完成制氢、储氢，高效、安全、灵活的运氢和输送电力，促进电力的分布式离网利用。、
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (14)

1.一种撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，其特征在于：包括撬装外壳(30)、供电单元(31)、制氢单元(32)、固态储氢单元(33)、氢燃料电池单元(34)和中央控制器(15)；所述供电单元(31)、制氢单元(32)、固态储氢单元(33)、氢燃料电池单元(34)和中央控制器(15)设置在撬装外壳(30)内；所述供电单元(31)分别与制氢单元(32)、固态储氢单元(33)、氢燃料电池单元(34)和中央控制器(15)电连；所述中央控制器(15)分别与供电单元(31)、制氢单元(32)、固态储氢单元(33)和氢燃料电池单元(34)通讯连接；所述制氢单元(32)、固态储氢单元(33)和氢燃料电池单元(34)依次通过管路连接；所述氢燃料电池单元(34)与固态储氢单元(33)电连；
所述固态储氢单元(33)包括保温层(3)、壳体(4)、固态储氢材料(5)、加热膜(7)、氢气入口(10)、第一支撑板(11)、第二支撑板(13)、氢气出口(14)和温度传感器(16)；
所述氢气入口(10)和氢气出口(14)沿水平中心线对称设置在壳体(4)的两端；所述第一支撑板(11)和第二支撑板(13)分别设置在壳体(4)内，并距离邻近氢气入口(10)或氢气出口(14)一定距离；所述加热膜(7)与设置在其两侧的固态储氢材料(5)紧密压接构成储放氢单元；所述壳体(4)与第一支撑板(11)和第二支撑板(13)形成的腔体中叠设有多个储放氢单元；所述保温层(3)包覆在壳体(4)外侧；
所述固态储氢材料(5)中设置有温度传感器(16)；所述中央控制器(15)分别与温度传感器(16)和加热膜(7)通讯连接。
2.根据权利要求1所述撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，其特征在于：所述第一支撑板(11)、储氢材料(5)、第二支撑板(13)中沿水平方向穿设有多条氢气流通通道(6)。
3.根据权利要求1或2所述撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，其特征在于：相邻两层储放氢单元之间设置有冷却液通道(19)，冷却液进口(1)和冷却液出口(9)分别设置在壳体未设置氢气入口(10)和氢气出口(14)的端面上。
4.根据权利要求3所述撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，其特征在于：所述冷却液通道(19)两端设置有第三支撑板(2)和第四支撑板(8)，所述第三支撑板(2)和第四支撑板(8)分别与邻近的冷却液进口(1)和冷却液出口(9)相距一定距离，沿水平中心线固定安装于所述壳体的内部腔体。
5.根据权利要求4所述撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，其特征在于：所述冷却液进口(1)设置有冷却液流量调节阀(18)，所述冷却液流量调节阀(18)与中央控制器(15)通讯连接。
6.根据权利要求1所述撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，其特征在于：所述壳体(4)上、靠近氢气入口(10)的一侧设置有第一测压口，所述壳体(4)上、靠近氢气出口(14)的一侧设置有第二测压口(12)，所述第一测压口和第二测压口(12)上设置有压力传感器，所述压力传感器与中央控制器(15)通讯连接。
7.根据权利要求1所述撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，其特征在于：所述固态储氢材料(5)为LiMgNH、MgH2、LaNi5、LaNi4.6Al0.4、LaNi4.5Al0.5、LaNi4.5Mn0.5、CaNi5、Ti1.2Mn1.8、TiCr1.8、ZrMn2、ZrV、TiFe、Mg2Ni中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，其特征在于：所述加热膜(7)为碳纳米管加热膜、碳纤维加热膜或石墨烯加热膜。
9.根据权利要求1或8所述撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，其特征在于：所述加热膜(7)厚度为0.05～5mm。
10.根据权利要求1-9任意一项所述撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，其特征在于：所述氢气入口(10)设置有氢气入口阀(17)，所述氢气出口(14)设置有氢气出口阀一(23)，所述氢气出口阀一(23)出口分别与氢气出口阀二(24)入口和氢气循环阀一(25)入口相连通；所述氢气循环阀一(25)出口与第一冷却器(26)热媒入口相连通；所述第一冷却器(26)热媒出口与氢气循环压缩机(27)入口相连通；所述氢气循环压缩机(27)出口与第二冷却器(28)热媒入口相连通；所述第二冷却器(28)热媒出口与氢气循环阀二(29)入口相连通；所述氢气循环阀二(29)出口与氢气入口阀(17)相连通；所述氢气入口阀(17)、氢气出口阀一(23)、氢气出口阀二(24)、氢气循环阀一(25)、所述氢气循环阀二(29)分别与中央控制器(15)通讯连接。
11.根据权利要求1所述撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，其特征在于：所述供电单元(31)包括交流电输入接口、直流电输入接口、光伏组件(35)、第一直流变压器(36)、整流器(37)和蓄电池(38)；所述光伏组件(35)与第一直流变压器(36)电连；所述第一直流变压器(36)分别与蓄电池(38)、制氢单元(32)、固态储氢单元(33)和氢燃料电池单元(34)电连；所述整流器(37)分别与蓄电池(38)、制氢单元(32)、固态储氢单元(33)和氢燃料电池单元(34)电连。
12.根据权利要求1所述撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统，其特征在于：所述制氢单元(32)为碱水电解装置、质子交换膜纯水电解装置、阴离子交换膜水电解装置和固体氧化物水电解装置中的一种。
13.一种制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
制氢时，在中央控制器(15)上设定供电单元(31)输出电压和制氢单元(32)氢气输出流量，制氢单元(32)通电、开始制氢；
储氢时，打开固态储放氢单元的氢气入口(10)，关闭氢气出口(14)，在中央控制器(15)上设定储氢温度T1，来自制氢单元(32)的氢气从氢气入口(10)进入固态储放氢单元，流经第一支撑板(11)与氢气入口(10)之间的容纳空间，经氢气流通通道(6)均匀分布于固态储氢材料(5)之中，随着温度的上升，氢气与固态储氢材料(5)反应生成金属氢化物，当反应温度达到启动温度T2时，中央控制器(15)停止对加热膜(7)供电，由于储氢反应是放热反应，放出的反应热除维持储氢温度稳定在T1的热量外，还需移出部分反应热，此时中央控制器(15)调节冷却液流量调节阀(18)调整冷却液流量，使温度传感器(16)测定温度稳定在T1，保持固态储放氢单元稳定、均匀储氢，当中央控制器(15)检测压力传感器测定压力开始快速上升时，关闭氢气入口(10)，关闭制氢单元(32)，储氢完毕；
放氢时，关闭氢气入口(10)，打开氢气出口(14)，在中央控制器(15)上设定放氢温度T3，中央控制器(15)对加热膜(7)供电，固态储氢材料(5)温度上升，当温度上升至T3时，固态储氢材料(5)稳定放氢，中央控制器(15)控制加热膜加热功率，使温度传感器(16)的测定温度稳定在T3，在中央控制器(15)上设定释放氢气输出下限流量L1，当测定氢气出口(14)流量降低至L1时，并且压力传感器测定的压力快速下降时，关闭氢气出口(14)，放氢完毕；
发电时，在中央控制器(15)上设定固态储氢单元(33)释放氢气的流量，启动固态储氢单元(33)为氢燃料电池单元(34)供氢，氢燃料电池单元(34)产生电能，电能用途为以下一种或多种：经由逆变器(39)转变成交流电对外输出、经第二直流变压器(40)转变成直流电对外输出、在没有外接电源的条件下为固态储氢单元(33)放氢提供电力和为蓄电池(38)蓄电中。
14.根据权利要求13制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
储氢时，首先打开氢气入口阀(17)；然后打开氢气出口阀一(23)，关闭氢气出口阀二(24)，打开氢气循环阀一(25)和氢气循环阀二(29)；在中央控制器(15)上设定第一冷却器(26)出口温度T4，中央控制器(15)控制第一冷却器(26)冷媒温度或流量将第一冷却器(26)出口温度稳定在T4；在中央控制器(15)上设定第二冷却器(28)出口温度T5，中央控制器(15)控制第一冷却器(26)冷媒温度或流量将第二冷却器(28)出口温度稳定在T5；储氢完毕后，关闭氢气入口阀(17)、氢气出口阀一(23)、氢气出口阀二(24)、氢气循环阀一(25)和氢气循环阀二(29)。
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