CN212011144U - 电制氢-储氢耦合氢燃料电池的冷热电联供*** - Google Patents
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Abstract
一种电制氢‑储氢耦合氢燃料电池的冷热电联供***，包括电解槽制氢模块、压缩机模块、热驱动储氢单元、热驱动升压模块、电解槽升温模块、氢燃料电池、余热回收单元、换热单元和制冷单元。电解槽制氢模块的氢气输出接口与氢燃料电池氢气输入接口及压缩机模块氢气输入接口连接。氢燃料电池烟气输出接口连接余热回收单元烟气输入口，余热回收单元蒸汽输出口与热驱动升压模块、换热单元的热输入接口连接，升压模块的热输出接口连接电解槽升温模块热输入接口，电解槽升温模块热输出接口连接电解槽电解水输入接口；压缩机模块氢气输出接口连接热驱动储氢模块氢气输入接口。通过电解水制氢、储氢与氢燃料电池配合余热回收单元等设备用氢实现冷热电联供。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电制氢-储氢耦合氢燃料电池的冷热电联供***。
背景技术
随着全球变暖及能源短缺问题的日益严重，社会各界环境保护意识有了很大的提升，太阳能、风能等清洁新能源开发技术飞速发展，风光发电设备投资建设成本降低，为其广泛应用推广奠定基础。然而，新能源间歇波动特性，使新能源利用率受限，储能装置可有效化解这一矛盾。氢气本质清洁、存储密封性好、转化灵活，被认为是最具潜力的储能形式之一。氢燃料电池作为最常用的氢气发电利用装置，能量转化效率备受关注。但目前电能制氢、储氢、用氢环节常解耦运行，且无匹配的余热回收利用***，导致氢气的能量转化利用形式单一，效率低。
实用新型内容
本实用新型针对新能源电制氢、储氢与用氢环节能量转化效率低等问题，提出电制氢-储氢耦合氢燃料电池的冷热电联供***。
所述的电制氢-储氢耦合氢燃料电池的冷热电联供***包含电解槽制氢模块S1、压缩机模块S2、热驱动储氢单元S3、氢燃料电池S4、余热回收单元S5、热驱动升压模块S6、电解槽升温模块S7、换热单元S8与制冷单元S9。所述的电解槽制氢模块S1的氢气输出接口O12与氢燃料电池S4的氢气输入接口I4通过管道L1连接；电解槽制氢模块S1的氢气输出接口O11与压缩机模块S2的氢气输入接口I2通过管道L2连接；氢燃料电池S4的高温烟气输出接口O41通过耐高温管道L4与余热回收单元S5的高温烟气输入接口I5连接；余热回收单元S5的蒸汽输出接口O51通过耐高温管道L5与热驱动升压模块S6的热输入接口I6连接；余热回收单元S5的蒸汽输出接口O52通过耐高温管道L7与换热单元S8的热输入接口I8连接；热驱动升压模块S6的热输出接口O61通过热水管道L6与电解槽升温模块S7的热输入接口I71连接；电解槽升温模块S7的热水输出接口O71、O72、O73分别通过热水管道L81、L82、L83与电解槽的电解水输入接口I14、I15、I16连接；压缩机模块S2的氢气输出接口O21、O22、O23分别通过管道L9、L10、L11与热驱动储氢单元S3的氢气输入接口I31、I32、I33连接；热驱动储氢单元S3的氢气输出接口O31、O32、O33通过管道L12与氢燃料电池S4的氢气输入接口I4连接；换热单元S8的热输出接口O81通过管道L13与制冷单元S9的热输入接口I91连接，氢燃料电池S4的电输出接口O43通过电缆L14与制冷单元S9的电输入接口I92连接。
所述的电解槽制氢模块S1有3个电输入接口I11、I12、I13，3个电解水输入接口I14、I15、I16与两个氢气输出接口O11、O12。压缩机模块S2有一个氢气输入接口I2和3个氢气输出接口O21、O22、O23；热驱动储氢单元S3有3个氢气输入接口I31、I32、I33和3个氢气输出接口O31、O32、O33；热驱动升压模块S6有热输入接口I6和两个热输出接口O61、O62；余热回收单元S5有高温烟气输入接口I5和两个蒸汽输出接口O51、O52；氢燃料电池S4有氢气输入接口I4、电输出接口O42和热输出接口O41；电解槽升温模块S7有热输入接口I71、水输入接口I72和3个热水输出接口O71、O72、O73；制冷单元S9有电输入接口I92、热输入接口I91，及冷输出接口O9；换热单元S8有热输入接口I8和两个热输出接口O81、O82。
所述的电解槽制氢模块S1的电输入接口I11、I12、I13分别通过电缆L15、L16、L17与电源EO1、EO2、EO3连接；换热单元S8的热输出接口O81与热负荷接口R1连接，氢燃料电池S4的电输出接口O42与电负荷接口E1连接，制冷单元S9的冷输出接口O9与冷负荷接口C1连接。
所述的电解槽制氢模块S1由并联安装的3个电解槽组成，电解槽1，电解槽2和电解槽3的注水口分别与电解槽制氢模块S1的电解水输入接口I14、I15、I16连接。电解槽升温模块S7内并列安装3个换热元件。压缩机模块由并列安装的3个压缩机组成。热驱动储氢单元S3由3个储氢罐P1、P2、P3组成，3个氢气输入调节阀v11、v21、v31分别安装于储氢罐P1、P2、P3的氢气输入口，3个氢气输出调节阀v12、v22、v32分别安装于储氢罐P1、P2、P3的氢气输出口。热驱动储氢单元S3的氢气输入接口I31、I32、I33分别通过耐压管道l11、l21、l31与热驱动储氢单元S3的氢气输入调节阀v11、v21、v31连接；热驱动储氢单元S3的输出接口O31、O32、O33分别通过耐压管道l12、l22、l32与储氢罐P1、P2、P3的氢气输出调节阀v12、v22、v32连接。
所述的电解槽制氢模块S1的氢气输出接口O12与氢燃料电池S4的氢气输入接口I4通过管道L1连接，将电解制备的氢气输入氢燃料电池S4发电。
所述的电解槽制氢模块S1的氢气输出接口O11与压缩机模块S2的氢气输入接口I2通过氢气输送管道L2连接，将电解制备的氢气送入压缩机压缩。当氢气输入量小于等于压缩机1的压缩量时，仅压缩机1运行；当氢气输入量大于压缩机1的压缩量且小于等于压缩机1和压缩机2的压缩量之和时，压缩机1和压缩机2运行；当氢气输入量大于压缩机1和压缩机2的压缩量之和时，压缩机1、压缩机2和压缩机3运行。
所述的氢燃料电池S4的高温烟气输出接口O41与余热回收单元S5的高温烟气输入接口I5通过耐高温管道L4连接，余热回收单元S5的蒸汽输出接口O51与热驱动升压模块S6的热输入接口I6通过耐高温管道L5连接，余热回收单元S5的蒸汽输出接口O52通过耐高温管道L7与换热单元S8的热输入接口I8连接，实现高温热传输。
所述的热驱动升压模块S6的热输出接口O61通过热水管道L6与电解槽升温模块S7的输入接口I7连接，实现中低温热传输。
所述的氢气调节阀V1与V2分别安装在传输管道L1与L2中。电解槽制氢模块S1制备的氢气经氢气调节阀V1输送至氢燃料电池S4。并且，电解槽制氢模块S1输出的氢气经过氢气调节阀V2，再经压缩机压缩送入储氢罐。当氢燃料电池S4的氢气不足时，依次打开储氢罐P1的氢气输出调节阀v12、储氢罐P2的氢气输出调节阀v22、储氢罐P3的氢气输出调节阀v32，向氢燃料电池供氢。
所述的氢燃料电池S4排放的高温烟气通过耐高温管道L4送至余热回收单元S5；余热回收单元S5产生的蒸汽通过耐高温管道L5流入热驱动升压模块S6。
所述的热驱动升压模块S6排放的中低温烟气通过管道L6送至电解槽升温模块S7，将冷水加热至电解反应温度，再通过热水管道L81、热水管道L82与热水管道L83将热水送入电解槽制氢模块。
所述的换热单元S8的热输出接口O82通过管道L13与制冷单元S9的热输入接口I91连接，氢燃料电池S4的电输出接口O43通过电缆L14与制冷单元S9的电输入接口I92连接，通过制冷循环将电-热能转化为冷能，实现制冷。所述的电制氢-储氢耦合燃料电池的冷热电联供***，通过电解槽升温模块S7加热电解水，电解槽制氢模块S1电解水制氢气，压缩机模块S2将氢气压缩送至热驱动储氢单元S3的储氢罐，热驱动升压模块S6进一步压缩氢气，氢燃料电池S4利用电解槽产生的或储氢罐存储的氢气发电，同时产生高温烟气，余热回收单元S5回收氢燃料电池排放的高温烟气，换热单元S8利用余热满足热负荷需求，制冷单元S9利用电能与热能制冷，最终实现电能、水输入，冷-热-电联供。
附图说明
图1为本实用新型电制氢-储氢耦合燃料电池冷热电联供***示意图。
具体实施方式
本实用新型电制氢-储氢耦合氢燃料电池冷热电联供***如图1所示，包含电解槽制氢模块S1、压缩机模块S2、热驱动储氢单元S3、氢燃料电池S4、余热回收单元S5、热驱动升压模块S6、电解槽升温模块S7、换热单元S8与制冷单元S9。电解槽制氢模块S1的氢气输出接口O12与氢燃料电池S4的氢气输入接口I4通过管道L1连接；电解槽制氢模块S1的氢气输出接口O11与压缩机模块S2的氢气输入接口I2通过管道L2连接；氢燃料电池S4的高温烟气输出接口O41通过耐高温管道L4与余热回收单元S5的高温烟气输入接口I5连接；余热回收单元S5的蒸汽输出接口O51通过耐高温管道L5与热驱动升压模块S6的热输入接口I6连接；余热回收单元S5的蒸汽输出接口O52通过耐高温管道L7与换热单元S8的热输入接口I8连接；热驱动升压模块S6的热输出接口O61通过热水管道L6与电解槽升温模块S7的热输入接口I71连接；电解槽升温模块S7的热水输出接口O71、O72、O73分别通过热水管道L81、L82、L83与电解槽的电解水输入接口I14、I15、I16连接；压缩机模块S2的氢气输出接口O21、O22、O23分别通过管道L9、L10、L11与热驱动储氢单元S3的氢气输入接口I31、I32、I33连接；热驱动储氢单元S3的氢气输出接口O31、O32、O33通过管道L12与氢燃料电池S4的氢气输入接口I4连接；换热单元S8的热输出接口O81通过管道L13与制冷单元S9的热输入接口I91连接，氢燃料电池S4的电输出接口O43通过电缆L14与制冷单元S9的电输入接口I92连接。
所述的电解槽制氢模块S1有3个电输入接口I11、I12、I13，3个电解水输入接口I14、I15、I16与两个氢气输出接口O11、O12。压缩机模块S2有一个氢气输入接口I2和3个氢气输出接口O21、O22、O23；热驱动储氢单元S3有3个氢气输入接口I31、I32、I33和3个氢气输出接口O31、O32、O33；热驱动升压模块S6有热输入接口I6和两个热输出接口O61、O62；余热回收单元S5有高温烟气输入接口I5和两个蒸汽输出接口O51、O52；氢燃料电池S4有氢气输入接口I4、电输出接口O42和热输出接口O41；电解槽升温模块S7有热输入接口I71、水输入接口I72和3个热水输出接口O71、O72、O73；制冷单元S9有电输入接口I92、热输入接口I91，及冷输出接口O9；换热单元S8有热输入接口I8和两个热输出接口O81、O82。
所述的电解槽制氢模块S1的电输入接口I11、I12、I13分别通过电缆L15、L16、L17与电源EO1、EO2、EO3连接；换热单元S8的热输出接口O81与热负荷接口R1连接，氢燃料电池S4的电输出接口O42与电负荷接口E1连接，制冷单元S9的冷输出接口O9与冷负荷接口C1连接。
所述的电解槽制氢模块S1由并联安装的3个电解槽组成，电解槽1，电解槽2和电解槽3的注水口分别与电解槽制氢模块S1的电解水输入接口I14、I15、I16连接。电解槽升温模块S7内并列安装3个换热元件。压缩机模块由并列安装的3个压缩机组成。热驱动储氢单元S3由3个储氢罐P1、P2、P3组成，3个氢气输入调节阀v11、v21、v31分别安装于储氢罐P1、P2、P3的氢气输入口，3个氢气输出调节阀v12、v22、v32分别安装于储氢罐P1、P2、P3的氢气输出口。热驱动储氢单元S3的氢气输入接口I31、I32、I33分别通过耐压管道l11、l21、l31与热驱动储氢单元S3的氢气输入调节阀v11、v21、v31连接；热驱动储氢单元S3的输出接口O31、O32、O33分别通过耐压管道l12、l22、l32与储氢罐P1、P2、P3的氢气输出调节阀v12、v22、v32连接。
所述的电解槽制氢模块S1的氢气输出接口O12与氢燃料电池S4的氢气输入接口I4通过管道L1连接，将电解制备的氢气输入氢燃料电池S4发电。
所述的电解槽制氢模块S1的氢气输出接口O11与压缩机模块S2的氢气输入接口I2通过氢气输送管道L2连接，将电解制备的氢气送入压缩机压缩。当氢气输入量小于等于压缩机1的压缩量时，仅压缩机1运行；当氢气输入量大于压缩机1的压缩量且小于等于压缩机1和压缩机2的压缩量之和时，压缩机1和压缩机2运行；当氢气输入量大于压缩机1和压缩机2的压缩量之和时，压缩机1、压缩机2和压缩机3运行。
所述的氢燃料电池S4的高温烟气输出接口O41与余热回收单元S5的高温烟气输入接口I5通过耐高温管道L4连接，余热回收单元S5的蒸汽输出接口O51与热驱动升压模块S6的热输入接口I6通过耐高温管道L5连接，余热回收单元S5的蒸汽输出接口O52通过耐高温管道L7与换热单元S8的热输入接口I8连接，实现高温热传输。
所述的热驱动升压模块S6的热输出接口O61通过热水管道L6与电解槽升温模块S7的输入接口I7连接，实现中低温热传输。
所述的氢气调节阀V1与V2分别安装在传输管道L1与L2中。电解槽制氢模块S1制备的氢气经氢气调节阀V1输送至氢燃料电池S4。并且，电解槽制氢模块S1输出的氢气经过调节阀V2，再经压缩机压缩送入储氢罐。当氢燃料电池S4的氢气不足时，依次打开储氢罐P1的氢气输出调节阀v12、储氢罐P2的氢气输出调节阀v22、储氢罐P3的氢气输出调节阀v32，向氢燃料电池供氢。
所述的氢燃料电池S4排放的高温烟气通过耐高温管道L4送至余热回收单元S5；余热回收单元S5产生的蒸汽通过耐高温管道L5流入热驱动升压模块S6。
所述的热驱动升压模块S6排放的中低温烟气通过管道L6送至电解槽升温模块S7，将冷水加热至电解反应温度，再通过热水管道L81、热水管道L82与热水管道L83将热水送入电解槽制氢模块。
所述的换热单元S8的热输出接口O82通过管道L13与制冷单元S9的热输入接口I91连接，氢燃料电池S4的电输出接口O43通过电缆L14与制冷单元S9的电输入接口I92连接，通过制冷循环将电-热能转化为冷能，实现制冷。所述的电制氢-储氢耦合燃料电池的冷热电联供***，通过电解槽升温模块S7加热电解水，电解槽制氢模块S1电解水制氢气，压缩机模块S2将氢气压缩送至热驱动储氢单元S3的储氢罐，热驱动升压模块S6进一步压缩氢气，氢燃料电池S4利用电解槽产生的或储氢罐存储的氢气发电，同时产生一定高温烟气，余热回收单元S5回收氢燃料电池排放的高温烟气，换热单元S8利用余热满足热负荷需求，制冷单元S9利用电能与热能制冷，最终实现电能、水输入，冷-热-电联供。
Claims (7)
1.一种电制氢-储氢耦合氢燃料电池的冷热电联供***，其特征在于：所述的冷热电联供***包含电解槽制氢模块S1、压缩机模块S2、热驱动储氢单元S3、氢燃料电池S4、余热回收单元S5、热驱动升压模块S6、电解槽升温模块S7、换热单元S8与制冷单元S9；所述的电解槽制氢模块S1的氢气输出接口O12通过管道L1与氢燃料电池S4的氢气输入接口I4连接；电解槽制氢模块S1的氢气输出接口O11通过管道L2与压缩机模块S2的氢气输入接口I2连接；氢燃料电池S4的高温烟气输出接口O41通过耐高温管道L4与余热回收单元S5的高温烟气输入接口I5连接；余热回收单元S5的蒸汽输出接口O51通过耐高温管道L5与热驱动升压模块S6的热输入接口I6连接；余热回收单元S5的蒸汽输出接口O52通过耐高温管道L7与换热单元S8的热输入接口I8连接；热驱动升压模块S6的热输出接口O61通过热水管道L6与电解槽升温模块S7的热输入接口I71连接；电解槽升温模块S7的热水输出接口O71、O72、O73分别通过热水管道L81、L82、L83与电解槽的电解水输入接口I14、I15、I16连接；压缩机模块S2的氢气输出接口O21、O22、O23分别通过管道L9、L10、L11与热驱动储氢单元S3的氢气输入接口I31、I32、I33连接；热驱动储氢单元S3的氢气输出接口O31、O32、O33通过管道L12与氢燃料电池S4的氢气输入接口I4连接；换热单元S8的热输出接口O81通过管道L13与制冷单元S9的热输入接口I91连接，氢燃料电池S4的电输出接口O43通过电缆L14与制冷单元S9的电输入接口I92连接。
2.如权利要求1所述的冷热电联供***，其特征在于：所述的电解槽制氢模块S1的氢气输出接口O12通过管道L1与氢燃料电池S4的氢气输入接口I4连接，将电解制备的氢气输入氢燃料电池S4发电；所述的电解槽制氢模块S1的氢气输出接口O11通过氢气输送管道L2与压缩机模块S2的氢气输入接口I2连接，将电解制备的氢气送入压缩机压缩；当氢气输入量小于等于压缩机1的压缩量时，仅压缩机1运行；当氢气输入量大于压缩机1的压缩量且小于等于压缩机1和压缩机2的压缩量之和时，压缩机1和压缩机2运行；当氢气输入量大于压缩机1和压缩机2的压缩量之和时，压缩机1、压缩机2和压缩机3运行。
3.如权利要求1所述的冷热电联供***，其特征在于：所述的氢燃料电池S4的高温烟气输出接口O41与余热回收单元S5的高温烟气输入接口I5通过耐高温管道L4连接，余热回收单元S5的蒸汽输出接口O51与热驱动升压模块S6的热输入接口I6通过耐高温管道L5连接，余热回收单元S5的蒸汽输出接口O52通过耐高温管道L7与换热单元S8的热输入接口I8连接，实现高温热传输。
4.如权利要求1所述的冷热电联供***，其特征在于：所述的热驱动升压模块S6的热输出接口O61通过热水管道L6与电解槽升温模块S7的输入接口I7连接，实现中低温热传输。
5.如权利要求1所述的冷热电联供***，其特征在于：所述的管道L1上安装有氢气调节阀V1，电解槽制氢模块S1制备的氢气经氢气调节阀V1输送至氢燃料电池S4；所述的管道L2上安装有氢气调节阀V2，电解槽制氢模块S1输出的氢气经过调节阀V2，再经压缩机压缩送入储氢罐；当氢燃料电池S4的氢气不足时，依次打开储氢罐P1的氢气输出调节阀v12、储氢罐P2的氢气输出调节阀v22、储氢罐P3的氢气输出调节阀v32，向氢燃料电池S4供氢。
6.如权利要求1所述的冷热电联供***，其特征在于：所述的氢燃料电池S4排放的高温烟气通过耐高温管道L4送至余热回收单元S5；余热回收单元S5产生的高温蒸汽通过耐高温管道L5流入热驱动升压模块S6；所述的热驱动升压模块S6排放的中低温烟气通过热水管道L6送至电解槽升温模块S7，将冷水加热至电解反应温度，再通过热水管道L81、热水管道L82与热水管道L83将热水送入电解槽。
7.如权利要求1所述的冷热电联供***，其特征在于：所述的换热单元S8的热输出口O82通过管道L13与制冷单元S9的热输入接口I91连接，氢燃料电池S4的电输出接口O43通过电缆L14与制冷单元S9的电输入接口I92连接，通过制冷循环将电-热能转化为冷能，实现制冷。
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|---|---|---|---|---|
| CN112594220A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-04-02 | 深圳市奥宇节能技术股份有限公司 | 一种冶金空分***的余热利用***及其方法 |
| CN112786917A (zh) * | 2021-01-04 | 2021-05-11 | 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） | 一种基于电厂低压省煤器余热的氢燃料电池*** |
| CN113846338A (zh) * | 2021-09-22 | 2021-12-28 | 全球能源互联网研究院有限公司 | 一种制氢储氢***及多模式循环制氢方法 |
| CN114883594A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-08-09 | 江苏集萃安泰创明先进能源材料研究院有限公司 | 以带翅片的固态储氢罐为氢源的燃料电池叉车电源*** |
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2020
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