CN111969626B - 氢电转换能源*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氢电转换能源***。氢电转换能源***包括：储氢***，用于固态储氢；可逆燃料电池***，连接于电网和储氢***之间，可逆燃料电池***包括制氢模块和发电模块，制氢模块用于将电网提供的电能转换为氢能以提供给储氢***，发电模块用于将储氢***提供的氢能转换为电能以提供给电网；以及加氢***，与储氢***连接，加氢***用于利用储氢***提供的氢能为用氢设备加氢。本发明中的氢电转换能源***通过固态储氢，实现了氢能的安全存储；可逆燃料电池***实现了氢电之间的转换，用电网输电代替运氢，解决了氢能产业中的运氢难的问题。同时，可逆燃料电池***还可利用储氢***中的氢发电，向电网供能，实现了对电网侧的储能调峰。

Description

氢电转换能源***
技术领域
本发明涉及氢能源利用领域，特别是涉及氢电转换能源***。
背景技术
氢能是目前已知的能源中最为清洁的能源，可以真正做到零排放，无污染，具有良好的应用前景。氢能产业包括制氢、储运、加氢和用氢等方面，其中，氢能储运技术关系到氢能的存储安全、运输和分配等问题，对氢能的普及起着重要影响。
然而，传统的储氢技术中最为成熟的是高压气态储氢，这种储氢技术具有存储压强大、危险系数高的问题，给氢气运输和加氢站的安全管理带来极大的压力，使得加氢站布点难以落地。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术中储氢运氢难的问题，提供一种氢电转换能源***。
一种氢电转换能源***，所述的***包括：
储氢***，用于固态储氢；
可逆燃料电池***，连接于电网和所述储氢***之间，所述可逆燃料电池***包括制氢模块和发电模块，所述制氢模块用于将所述电网提供的电能转换为氢能以提供给所述储氢***，所述发电模块用于将所述储氢***提供的氢能转换为电能以提供给所述电网；以及
加氢***，与所述储氢***连接，所述加氢***用于利用所述储氢***提供的氢能为用氢设备加氢。
上述氢电转换能源***，储氢***固态储氢可以实现氢能的低压存储，极大地提高储氢的安全性，为加氢***向用氢设备加氢提供了可靠的氢能来源。可逆燃料电池***中的制氢模块将电网提供的电能转换为氢能，即利用电能制氢，实现制氢过程零炭排放；同时，能够发挥输电比输氢更加经济的特点，通过电网输电实现就地电解制氢、就地储氢、就地供氢，解决制约氢能产业发展的运输瓶颈问题；并且，发电模块将储氢***提供的氢能转换为电能，通过氢电的灵活转换，为电网侧储能调峰提供更灵活的解决方案。
在其中一个实施例中，所述加氢***包括静态氢压缩设备和加氢设备，所述静态氢压缩设备包括≥2个依次连接的静态压缩装置，其中一个所述静态压缩装置与所述储氢***连接，所述静态压缩装置依次对所述储氢***提供的氢进行压缩；所述加氢设备包括与所述静态氢压缩设备连接的加氢机，所述加氢机与各所述静态压缩装置连接，所述加氢机用于对所述用氢设备加氢。
在其中一个实施例中，所述加氢设备还包括与所述静态氢压缩设备和所述加氢机连接的氢气缓存罐，所述氢气缓存罐用于缓存压缩后的氢。
在其中一个实施例中，所述氢电转换能源***还包括与所述储氢***和所述电网连接的燃料电池***，所述燃料电池***用于将所述储氢***提供的氢能转换为电能以提供给所述电网。
在其中一个实施例中，所述燃料电池***连接还与所述静态氢压缩设备连接，所述静态氢压缩设备利用所述燃料电池***产生的热能对所述氢进行静态压缩。
在其中一个实施例中，所述燃料电池***包括固体氧化物燃料电池SOFC和/或质子交换膜燃料电池PEMFC。
在其中一个实施例中，所述储氢***在压力5MPa或5MPa以下储存固态氢。
在其中一个实施例中，所述制氢模块包括固体氧化物电解池SOEC或质子交换膜电解池PEMEC，所述发电模块包括固体氧化物燃料电池SOFC或质子交换膜燃料电池PEMFC。
在其中一个实施例中，所述可逆燃料电池***包括制氢及发电一体化装置和独立制氢装置。
在其中一个实施例中，所述氢电转换能源***还包括可再生能源发电***，所述可再生能源发电***用于发电以向所述可逆燃料电池***或所述电网供电。
上述任一项实施例中的氢电转换能源***中，储氢***固态储氢可以实现氢能的低压存储，极大地提高储氢的安全性，为加氢***向用氢设备加氢提供了可靠的氢能来源。可逆燃料电池***中的制氢模块将电网提供的电能转换为氢能，即利用电能制氢，实现制氢过程零炭排放；同时，能够发挥输电比输氢更加经济的特点，通过电网输电实现就地电解制氢，就地储氢、就地供氢，解决制约氢能产业发展的运输瓶颈问题；并且，发电模块将储氢***提供的氢能转换为电能，通过氢电的灵活转换，为电网侧储能调峰提供更灵活的解决方案；此外，氢电转换能源***还可包括可再生能源***发电***，可再生能源发电***用于发电以向可逆燃料电池***供电，将电能转化为氢能，可以有效解决可再生能源的消纳问题。
附图说明
图1为一实施例中氢电转换能源***的结构示意图。
图2为另一实施例中氢电转换能源***的结构示意图。
附图标注说明：110、可逆燃料电池***；111、制氢模块；112、发电模块；120、储氢***；130、加氢***；131、静态氢压缩设备；131a、一级静态压缩装置；131b、二级静态压缩装置；131c、末级静态压缩装置；132、加氢设备；132a、加氢机；132b、氢气缓存罐；140、用氢设备；150、燃料电池***；151、余热收集***；160、电网；170、可再生能源发电***。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”以及“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申请和简化描述，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申请的限制。此外，需要说明的是，当元件被称为“形成在另一元件上”时，它可以直接连接到另一元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一元件或者同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。
图1为一实施例中的氢电转换能源***的结构示意图。如图1所示，该氢电转换能源***包括可逆燃料电池***110、储氢***120及加氢***130。
储氢***120用于固态储氢。所谓固态储氢，就是利用固体对氢气的物理吸附或化学反应等作用，将氢储存于固体材料中。固态储存可以做到低压、安全、高效、高密度，例如，采用储氢合金作为固体储氢材料以进行固态储氢。储氢合金由两部分组成，一部分为吸氢元素或与氢有很强亲和力的元素，它控制着储氢量的多少，是组成储氢合金的关键元素，另一部分则为吸氢量小或根本不吸氢的元素，它控制着吸/放氢的可逆性，起调节生成热量与分解压力的作用。可选的，储氢***120可以是低压固态储氢***，能够实现5MPa以下的低压固态储氢，储氢能力强、更加安全、能够跨季节存储，并且储氢时间长，存储时长可以超过8年。
可逆燃料电池***110连接于电网160和储氢***120之间。可逆燃料电池***110包括制氢模块111和发电模块112。制氢模块111用于将电网160提供的电能转换为氢能以提供给储氢***120，发电模块112用于将储氢***120提供的氢能转换为电能以提供给电网160。
示例性的，在负荷中心建设分布式站点，各站点设置有氢电转换能源***。利用电网160将电能输出给各站点的氢电转换能源***，可逆燃料电池***110中制氢模块111直接在各站点将电网160所输出的电能转换为氢能以提供给储氢***120进行存储。本实施例中，利用电网160输电实现就地制氢，就地储氢、就地用氢，通过这种方式，避免了对氢进行直接运输，解决了运氢难的问题。并且，相较于运输氢，电网输电的技术更加成熟、安全、可靠，成本更低。不仅如此，当电网160处于用电高峰期，可逆燃料电池***110中发电模块112还可以利用储氢***120中存储的氢进行发电，以向电网160输送电力，使得缓解用电压力，实现电网160削峰填谷，提高电网160调节能力，并且，发电模块112转换得到的电能还可以作为电网160异常时的黑启动电源和应急备用电源，从而更加有利于电网160的稳定运行。所谓黑启动，是指整个***因故障停运后，***全部停电，不依赖别的网络帮助，通过***中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大***恢复范围，最终实现整个***的恢复。
加氢***130与储氢***120连接，加氢***130用于利用储氢***120提供的氢能为用氢设备140加氢。加氢过程中，加氢***130可以先对储氢***120中低压存储的氢进行加压，达到加氢标准后再向用氢设备140加氢。用氢设备140包括氢燃料电池汽车等。
上述氢电转换能源***，储氢***120固态储氢可以实现氢能的低压存储，极大地提高储氢的安全性，以通过加氢***130向用氢设备140加氢。可逆燃料电池***110中的制氢模块111将电网160提供的电能转换为氢能，即利用电能制氢，实现制氢过程零炭排放；同时，能够发挥输电比输氢更加经济的特点，通过电网160输电实现就地电解制氢、就地储氢、就地供氢，解决制约氢能产业发展的运输瓶颈问题；并且，发电模块112将储氢***120提供的氢能转换为电能，通过氢电的灵活转换，为电网160侧储能调峰提供更灵活的解决方案。
在一实施例中，可逆燃料电池***110可以包括可逆固体氧化物电池***(RSOC，Reversible Solid Oxide Cell)。可逆燃料电池***110中的制氢模块111对应于可逆固体氧化物电池***的电解水制氢的ROEC模式，例如，制氢模块111包括固体氧化物电解池(SOEC，Solid Oxide Electrolysis Cell)，利用固体氧化物电解池进行电解水制氢，从而将电转换为氢，固体氧化物电解池的电解效率较现有质子交换膜电解池(PEMEC，ProtonExchange Membrane Electrolysis Cell)高15％以上。发电模块112对应于可逆固体氧化物电池***的电解水制氢的SOFC模式。例如，发电模块112包括固体氧化物燃料电池(SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)，利用固体氧化物燃料电池将氢转换为电，固体氧化物燃料电池的发电效率较目前广泛应用于氢能汽车的质子交换膜燃料电池(PEMFC，Proton ExchangeMembrane Fuel Cell)高10％以上。通过可逆燃料电池***110的SOEC模式和SOFC模式之间的切换实现氢电灵活转换，并且固体氧化物电解池的电转氢和固体氧化物燃料电池的氢转电效率都较高，从而有利于降低设备成本。示例性地，可逆燃料电池***110包括制氢及发电一体化装置和独立制氢装置。制氢及发电一体化装置可以对应实现上述制氢模块111和发电模块112的功能，独立制氢装置可以对应实现制氢模块111的功能。
可逆燃料电池***110还可以为电网160调峰：一方面当用电负荷需求低时(用电谷期)通过电解制氢将电能转化为氢能存储起来；另一方面当用电负荷需求高时(用电峰期)，可以通过燃料电池发电将氢能转化为电能，从而对电网160起到削峰填谷的作用。此外，当电网160出现故障的时候，可逆燃料电池***110还可以作为电网160的应急备用电源或黑启动电源。
在一实施例中，上述氢电转换能源***中的加氢***130包括静态氢压缩设备131和加氢设备132。静态氢压缩设备131包括≥2个依次连接的静态压缩装置，其中一个静态压缩装置与储氢***120连接，静态压缩装置依次对储氢***120提供的氢进行压缩；加氢设备132包括与静态氢压缩设备131连接的加氢机132a，加氢机132a与各静态压缩装置连接，加氢机132a用于对用氢设备140加氢。
可选的，静态氢压缩设备131包括一级静态压缩装置131a、二级静态压缩装置131b……末级静态压缩装置131c。一级静态压缩装置131a与储氢***120之间通过单向阀连接，一级静态压缩装置131a、二级静态压缩装置131b……末级静态压缩装置131c依次通过单向阀连接。单向阀方向都设置为从内部压强较低的装置指向内部压强较高的装置。一级静态压缩装置131a对来自储氢***120的氢进行一定程度的压缩，二级静态压缩装置131b对来自一级静态压缩装置131a的氢进行压缩……末级静态压缩装置131c对来自前一级的静态压缩装置的氢进行压缩。本实施例中，静态压缩装置的数量可以根据实际需求进行设置。在设置有多个静态压缩装置时，可以通过控制单向阀的开关选择性的打开其中部分的静态压缩装置对氢进行压缩。每个压缩装置对氢的压缩能力可以相同，也可以不同。静态压缩装置相较于目前国内外采用的机械式氢气压缩机，完全使用热驱动方式实现氢气的增压，无运动部件，解决了机械式压缩机由于运动部件所导致的泄露和磨损等问题，可降低设备成本，提高设备使用寿命。
示例性的，加氢机132a分别与各个静态压缩装置通过单向阀连接，根据用氢设备140的需求提供不同压强的加氢服务。比如，当关闭一级静态压缩装置131a至末级静态压缩装置131c之间的单向阀以及二级静态压缩装置131b至末级静态压缩装置131c与加氢机132a之间的单向阀时，加氢机132a与一级静态压缩装置131a连接进行加氢，提供的加氢压强为20MPa；当关闭二级静态压缩装置131b至末级静态压缩装置131c之间的单向阀、一级静态压缩装置131a和三级静态压缩装置至末级静态压缩装置131c与加氢机132a之间的单向阀时，加氢机132a与二级静态压缩装置131b连接进行加氢，提供的加氢压强为35MPa；当关闭三级静态压缩装置至末级静态压缩装置131c之间的单向阀、一级静态压缩装置131a至二级静态压缩装置131b和四级静态压缩装置至末级静态压缩装置131c与加氢机132a之间的单向阀时，加氢机132a与末级静态压缩装置131c连接进行加氢，提供的加氢压强为70MPa。
在一实施例中，上述氢电转换能源***中的加氢设备132还包括与静态氢压缩设备131和加氢机132a连接的氢气缓存罐132b，氢气缓存罐132b用于缓存压缩后的氢，以减缓加氢过程中的氢压波动，实现对用氢设备140快速加氢的目的。例如，氢气缓存罐132b通过加氢机132a对用氢设备140的加氢速度大于或等于1kg/min。
在一实施例中，上述氢电转换能源***还包括与储氢***120和电网160连接的燃料电池***150，燃料电池***150用于将储氢***120提供的氢能转换为电能以提供给电网160。
在一实施例，燃料电池***150可以包括固体氧化物燃料电池(SOFC,Solid OxideFuel Cell)。在其他实施例中，燃料电池***150可以包括质子交换膜燃料电池(PEMFC,Proton Exchange Membrane Fuel Cell)。燃料电池***150的发电效率不低于50％，低噪音、清洁无污染。当然，燃料电池***150也可以同时包括上述两种燃料电池或其他燃料电池。燃料电池***150与储氢***120连接，利用储氢***120中的氢进行发电，向电网160提供电能。燃料电池***150可以为电网160调峰，当用电负荷需求高时(用电峰期)，可以通过燃料电池***150发电将氢能转化为电能；此外，当电网160出现故障的时候，燃料电池***150还可以作为电网160的应急备用电源或黑启动电源。
在一实施例中，静态氢压缩设备131还与燃料电池***150连接，静态氢压缩设备131利用燃料电池***150产生的热能对氢进行静态压缩。静态氢压缩设备131通过余热收集***151与燃料电池***150连接。燃料电池在发电过程中会产生大量热量，将这些热量作为驱动静态氢压缩设备131运行的能量。可选地，余热收集***151可以为热水循环***。使用燃料电池发电产生的热量加热管道中循环流动的水，利用水作为热能的载体，将热能传导给静态氢压缩设备131。静态氢压缩设备131从余热收集***151获取热能，以用于对氢的静态压缩。
在一实施例中，氢电转换能源***还包括可再生能源发电***170。图2为一实施例中的氢电转换能源***的结构示意图。如图2所示，可再生能源发电***170与电网160或可逆燃料电池***110连接，可再生能源发电***170用于发电以向可逆燃料电池***110供电。在其他实施例中，可再生能源发电***170也可以用于发电以向电网160供电。可再生能源发电***170包括但不限于采用太阳能发电、风能发电、水能发电及生物质能发电。
具体的，可再生能源发电***170利用可再生能源发电以通过电网160输出给可逆燃料电池***110或者直接输出给可逆燃料电池***110。可逆燃料电池***110将电转换为氢进行储存并为用氢设备加氢。可再生能源***170也可以直接将电能提供给电网160；或者，可逆燃料电池***110利用储氢***所储存的氢转换为电以输出给电网160，从而缓解电网160的用电压力。
目前，可再生能源发电领域的电力消纳问题十分突出。所谓电力消纳，是指对电力资源消化、吸纳。发电设备产生电能后将将其输出给电网160，由于电能无法方便地储存，如果不能有效利用，就会造成浪费。本实施例通过将可再生能源转化得到的电能以氢能的形式进行储存，并通过氢电转化，有效解决了可再生能源发电领域的电力消纳问题。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种氢电转换能源***，其特征在于，所述的氢电转换能源***包括：
储氢***，用于固态储氢，所述储氢***的储氢压力在5MPa或5MPa以下；
可逆燃料电池***，连接于电网和所述储氢***之间，所述可逆燃料电池***包括可逆固体氧化物电池***，所述可逆固体氧化物电池***为制氢及发电一体化装置，当所述可逆固体氧化物电池工作在SOEC模式下，将所述电网提供的电能转化为氢能；当所述可逆固体氧化物电池工作在SOFC模式下，将所述储氢***提供的氢能转换为电能以提供给所述电网；
加氢***，与所述储氢***连接，所述加氢***用于利用所述储氢***提供的氢能为用氢设备加氢，所述加氢***包括静态氢压缩设备和加氢设备，所述静态氢压缩设备包括≥2个依次连接的静态压缩装置，其中一个所述静态压缩装置与所述储氢***连接，所述静态压缩装置依次对所述储氢***提供的氢进行压缩；所述加氢设备包括与所述静态氢压缩设备连接的加氢机，所述加氢机与各所述静态压缩装置连接，所述加氢机用于对所述用氢设备加氢；以及
燃料电池***，用于将所述储氢***提供的氢能转换为电能以提供给所述电网；
其中，所述静态氢压缩设备通过余热收集***与所述燃料电池***连接，所述静态氢压缩设备利用所述燃料电池***产生的热能对所述氢进行静态压缩。
2.根据权利要求1所述的氢电转换能源***，其特征在于，所述加氢机与各所述静态压缩装置之间通过单向阀连接。
3.根据权利要求2所述的氢电转换能源***，其特征在于，所述加氢设备还包括与所述静态氢压缩设备和所述加氢机连接的氢气缓存罐，所述氢气缓存罐用于缓存压缩后的氢。
4.根据权利要求1所述的氢电转换能源***，其特征在于，当所述电网出现故障时，所述燃料电池***作为所述电网的应急备用电源或黑启动电源。
5.根据权利要求1所述的氢电转换能源***，其特征在于，所述余热收集***包括热水循环***。
6.根据权利要求1所述的氢电转换能源***，其特征在于，所述燃料电池***包括固体氧化物燃料电池SOFC。
7.根据权利要求1所述的氢电转换能源***，其特征在于，所述燃料电池***包括质子交换膜燃料电池PEMFC。
8.根据权利要求1所述的氢电转换能源***，其特征在于，制氢模块包括固体氧化物电解池SOEC或质子交换膜电解池PEMEC，发电模块包括固体氧化物燃料电池SOFC或质子交换膜燃料电池PEMFC。
9.根据权利要求1所述的氢电转换能源***，其特征在于，所述可逆燃料电池***包括制氢及发电一体化装置和独立制氢装置。
10.根据权利要求1-9任一项所述的氢电转换能源***，其特征在于，所述氢电转换能源***还包括可再生能源发电***，所述可再生能源发电***用于发电以向所述可逆燃料电池***或所述电网供电。
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