CN217922341U - 一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置，属于氢能利用技术领域。它包括集装箱，集装箱内设置有电气装置、制氢装置、储氢装置、燃料电池、储电装置及热管理装置，可再生能源通过电气装置输入，电气装置与制氢装置、储氢装置、燃料电池、储电装置及热管理装置相连，制氢装置包括电解槽和水处理设备，电解槽与水处理设备相连，电解槽与储氢装置相连，储氢装置与燃料电池相连，储电装置与燃料电池、电解槽及辅助设备相连，热管理装置与电解槽、燃料电池、储电装置、集装箱及辅助设备相连。它主要用于电氢联产。

Description

一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置

技术领域

本实用新型属于氢能利用技术领域，特别是涉及一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置。

背景技术

在双碳目标背景下，可再生能源在我国能源消费结构中的比重将不断提高，但以太阳能、风能为主可再生能源的不稳定性和波动性，使得电网安全稳定运行面临重要的挑战，导致严重的弃风弃光问题，如何提高可再生能源的消纳率，提高能源利用率成为目前可再生能源技术领域的研究重点。

氢能作为高效、清洁无污染的能源载体，被认为是人类未来的理想能源。利用可再生能源电解制氢，将氢气储存，既可以通过燃料电池转换为电能，也可以将氢气供应至加氢站用于氢燃料电池汽车等，是提高可再生能源利用率，拓展氢能利用的重要途径。现有的制氢设备、储氢设备以及燃料电池设备和可再生能源电热氢系统，存在诸多技术难点：一、通常设备体积庞大，质量重，安全性要求高；二、系统复杂，冗余度高，不利于灵活布置；三、可再生能源的不稳定性波动性导致系统的功率匹配与调控难度大，可再生能源的利用率较低；四、综合能源系统管理复杂，如何协调管理各部件的产热与热需求，保证各部件工作在合理温度区间是难点；五、如何有效利用各部件的产电、产热、产氢，提高综合能源系统的有效利用率是提高系统能效的关键。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置，以解决现有技术中存在的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置，它包括集装箱，集装箱内设置有电气装置、制氢装置、储氢装置、燃料电池、储电装置及热管理装置，可再生能源通过电气装置输入，所述电气装置与制氢装置、储氢装置、燃料电池、储电装置及热管理装置相连，所述制氢装置包括电解槽和水处理设备，所述电解槽与水处理设备相连，所述电解槽与储氢装置相连，所述储氢装置与燃料电池相连，所述储电装置与燃料电池、电解槽及辅助设备相连，所述热管理装置与电解槽、燃料电池、储电装置、集装箱及辅助设备相连。

更进一步的，所述制氢装置还包括纯化设备，所述电解槽通过纯化设备与储氢装置相连。

更进一步的，所述储氢装置包括低压储氢罐、压缩机和高压储氢罐，所述电解槽通过纯化设备与低压储氢罐相连，所述低压储氢罐通过压缩机与高压储氢罐相连，所述高压储氢罐与燃料电池相连。

更进一步的，所述低压储氢罐和压缩机设置在集装箱内部，所述高压储氢罐设置在集装箱外部。

更进一步的，所述储氢装置包括一个或多个低压储氢罐，所述低压储氢罐与电解槽和燃料电池相连。

更进一步的，所述电气装置包括相连的配电柜、控制柜和电源转换器。

更进一步的，所述电解槽为质子交换膜电解槽或碱性水电解槽。

更进一步的，所述燃料电池采用质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池或熔融碳酸盐燃料电池。

更进一步的，所述储电装置为锂离子电池或液流电池。

更进一步的，所述低压储氢罐储存压力与电解槽出口压力一致，所述高压储氢罐的工作压力为20MPa、35MPa或70MPa。

本实用新型还提供了一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置的工作方法，可再生能源电力与直流母线连接，直流母线与设置在集装箱内的电源转换器连接，电源转换器将一部分电能转换用于满足电负荷需求，剩余电能通过电源转换器接入电解槽、水处理装置、纯化装置、储电装置及其他辅助设备，外部水源经过水处理装置接入电解槽，电解槽将接入的电能用于电解水产生氢气、氧气以及热量，氢气经过纯化装置进入储氢装置，实现氢储能，储电装置接入或输出部分电能用于维持电解槽平稳运行与安全升或降功率运行，热管理装置通过换热器将电解槽产生的热量带走或回收，维持电解槽稳定运行；储氢装置能够输出氢气用于满足氢负荷需求；当可再生能源发电不足时，储氢装置中的氢气降压后接入燃料电池，燃料电池产生电能和热量，燃料电池输出电能通过电源转换器输出至电负荷，同时储电装置通过接入或输出部分电能用于维持燃料电池平稳运行与安全升或降负荷，热管理装置通过换热器将燃料电池产生的热量带走或回收，热管理装置能够输出热量用于满足热负荷需求。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本申请是一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置，将制氢、储氢、用氢集中布置至集装箱内，形成一体化的电氢联产模块，减少设备冗余，采用一体化的安全设计，具有高紧凑高可靠的优势，同时，通过储电储氢的匹配提升系统模块应对可再生能源快速波动的能力，采用综合的热管理提高模块的可靠性和运行能效，可构建高紧凑高效率高可靠的电氢联产模块，适用于分布式、移动式应用场景，具有广阔的应用前景。具有高集成度高紧凑灵活布置的优点，可用于离网或联网的分布式可再生能源综合能源系统，提高可再生能源的消纳率和一体化电热联供。

本实用新型将制氢设备、储氢设备、燃料电池设备及辅助设备集成至集装箱内，形成一体化的电氢联产模块，适用于分布式，移动式场景。

本实用新型采用集装箱为载体，一体化集成方案，相对于现有技术，可大大减小空间需求，集装箱内分区布置，可减少设备冗余，统一规划安全性方案，具有高度集成高紧凑的优点，易于标准化定制。

本实用新型将储氢与储电结合，有利于平抑可再生能源波动性不稳定，有利于实现可再生能源高比例接入，提高可再生能源利用率。

本实用新型采用一体化的综合热管理，回收利用制氢、用氢、储电等过程的产热，保证系统的高效可靠运行，并实现电氢联产。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型所述的一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置结构示意图一；

图2为本实用新型所述的一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置结构示意图二；

图3为本实用新型所述的一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置结构示意图三；

图4为本实用新型所述的一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置运行系统图。

100-集装箱，110-第一区域，120-第二区域，130-第三区域，140-第四区域，210-配电柜，220-控制柜，230-电源转换器，310-电解槽，320-水处理设备，330-纯化设备，410-低压储氢罐，420-压缩机，430-高压储氢罐，510-燃料电池，520-储电装置，530-热管理装置。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：参见图1-4说明本实施方式，一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置，它包括集装箱100，集装箱100内设置有电气装置、制氢装置、储氢装置、燃料电池510、储电装置520及热管理装置530，可再生能源通过电气装置输入，所述电气装置与制氢装置、储氢装置、燃料电池510、储电装置520及热管理装置530相连，所述制氢装置包括电解槽310和水处理设备320，所述电解槽310与水处理设备320相连，所述电解槽310与储氢装置相连，所述储氢装置与燃料电池510相连，所述储电装置520与燃料电池510、电解槽310及辅助设备相连，所述热管理装置530与电解槽310、燃料电池510、储电装置520、集装箱100及辅助设备相连，所述制氢装置还包括纯化设备330，所述电解槽310通过纯化设备330与储氢装置相连。

实施例2：参见图1，与实施例1相比，本实施例所述储氢装置包括低压储氢罐410、压缩机420和高压储氢罐430，所述电解槽310通过纯化设备330与低压储氢罐410相连，所述低压储氢罐410通过压缩机420与高压储氢罐430相连，所述高压储氢罐430与燃料电池510相连，电解槽310产生的氢气首先注入低压储氢罐410，而后通过压缩机420将低压储氢罐410中的氢气加压储存至高压储氢罐430，压缩机420一般由电源转换器230输出供电。

实施例3：参见图2，与实施例2相比，本实施例所述低压储氢罐410和压缩机420设置在集装箱100内部，所述高压储氢罐430设置在集装箱100外部。

实施例4：参见图3，与实施例1相比，本实施例所述储氢装置包括一个或多个低压储氢罐410，所述低压储氢罐410与电解槽310和燃料电池510相连。

实施例1-4根据储能需求的不同进行布置，当储氢需求较小时，集装箱100内可以仅包含一个或多个低压储氢罐410，当储氢设备需求较高时，集装箱内可包含低压储氢罐410及压缩机420，高压储氢罐430可安装在集装箱100外部。

实施例中所述电气装置包括相连的配电柜210、控制柜220和电源转换器230。风、光等可再生能源通过电气装置接入，电气装置与电解槽310、水处理设备320、纯化设备330、低压储氢罐410、压缩机420、高压储氢罐430、燃料电池510、储电装置520和热管理装置530相连。

可再生能源通过电气设备供电输出至电解槽310，电解槽310电解所需的去离子水由水处理设备320接入，电解槽310电解产生的氢气经纯化设备330后，输入至储氢装置，同时产生的氧气排空至大气。

储氢装置释放氢气用于燃料电池510发电，燃料电池510发出的电经电源转换器230输出，满足用电负荷。所述储电装置520与电解槽310、燃料电池510及辅助设备通过电气装置相连，保证电解水-储氢-燃料电池一体化电氢联产装置具有宽功率调节快速响应的优点。储电装置520可在电负荷需求不稳定时，维持燃料电池510稳定运行或平稳变负荷，所述储电装置520在可再生能源输入端波动时，维持电池槽310平稳运行或安全变负荷，所述储电装置520在可再生能源缺失时，提供电解槽310、水处理设备320、纯化装置330、压缩机420、热管理装置530等紧急供电，保护制氢设备、储氢设备平稳启停。

所述热管理装置530控制设备运行在安全合理的温度区间。热管理装置530在制氢过程中，将电解槽310工作时所产生的热量带出或回收，所述热管理装置530在燃料电池510发电过程中，将燃料电池510工作时产生的热量带出或回收，所述热管理装置530在储电装置520充放电过程中，将储电装置520工作产生的热量带出或回收，所述热管理装置530可包含储热设备如储热水箱，用于储存电解槽310、燃料电池510、储电装置520的热量，用于平衡模块热功率与用户热负荷之间的不匹配，所述热管理装置530所取的热量可通过冷却塔或外置风机将热量排出，所述热管理装置530所取的热量可输出至热负荷，满足生活热水、供暖等热需求。所述高压储氢罐430储存的氢气可连接输送至氢气管道或输送至加氢站或降压后用于燃料电池510发电。

所述电源转换器230可接入可再生能源电力，并输出至电解槽310、储电装置520以及配套设备，包括水处理设备320、纯化设备330、压缩机420、热管理装置530等。

所述电解槽310消纳接入的可再生能源产生氢气，产生的氢气首先注入低压储氢罐410，经压缩机420加压后，储存至高压储氢罐430中，制氢储氢过程主要在可再生能源电力充裕时运行。

所储存的氢气可经过降压后接入至燃料电池510，燃料电池510输出的电能经过电源转换器230输出至用户，燃料电池510发电主要用于可再生能源不足时满足用户电负荷。

所述储电装置520在制氢过程中，可调节电解槽310平稳运行和平缓变功率，消纳快速波动的可再生能源接入；在发电过程中，可用于维持燃料电池510平稳运行和平稳变功率，满足不稳定的电负荷需求；在紧急断电过程中，可用于电解槽310安全停机，维持辅助设备安全运行，开启安全保护措施等。

所述热管理装置530，用于维持集装箱100，电解槽310，燃料电池510，储电装置520及辅助设备运行在合理的温度，回收电解槽310产热、燃料电池510产热及储电装置520产热，热管理装置530所回收的热量可用于供热输出或通过冷却塔将热量排出。

实施例中所述集装箱100内划分成第一区域110、第二区域120、第三区域130及第四区域140，所述第一区域110布置有电气装置，所述第二区域120布置有制氢装置，所述第三区域130布置有储氢装置，所示第四区域140布置有燃料电池510、储电装置520及热管理装置530。

集装箱100内第一区域110设置的电气设备，连接了集装箱100内的制氢装置、储氢装置、燃料电池510、储电装置520、热管理装置530，可再生能源通过电源转换器230接入装置，经过DC-DC变换，DC-AC变换输出至电解槽310、储电装置520、辅助设备及用户电负荷，燃料电池510和储电装置520输入至电源转换器230，经过DC-DC变换，DC-AC变换输出至辅助设备及用户电负荷。

集装箱内第二区域120设置有制氢装置，电解槽310运行在60～80℃，所需电解水可由自来水供应，并经过水处理设备320供应至电解槽310，电解所产生的的氧气可直接排空至集装箱100外，所产生的氢气经过纯化之后，氢气纯度大于99.9％，工作压力为1.5～3.2MPa。电解槽310优选为质子交换膜电解槽或碱性水电解槽。

集装箱内第三区域130设置有储氢装置，低压储氢罐410可作为缓冲罐，储存压力与电解槽出口压力相当，为保证较长的储能时间，采用高压储氢罐430以提高储氢密度，高压储氢罐430工作压力一般设置为20MPa、35MPa或70MPa，一方面可供应储氢站等用氢需求，另一方面经过降压后，用于燃料电池510发电。

集装箱内第四区域140设置的燃料电池510，可采用低温质子交换膜燃料电池，运行温度在65～70℃，工作压力在0.8～1.8MPa。储电装置520，通常需具有高功率快速响应的特征，储能时间可以较低，用于应对可再生能源出力、电负荷需求不稳定性波动性以及紧急用电需求，优选为磷酸铁锂或铅酸蓄电池。热管理装置530，需承担集装箱100，电解槽310，燃料电池510，储电装置520及辅助设备的热管理，可输出热管理的热至用户热负荷或通过冷却塔等设备进行冷却。

本实施例为含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置的工作方法，可再生能源电力与直流母线连接，直流母线与设置在集装箱100内的电源转换器230连接，电源转换器230将一部分电能转换用于满足电负荷需求，剩余电能通过电源转换器230接入电解槽310、水处理装置320、纯化装置330、储电装置520及其他辅助设备，外部水源经过水处理装置320接入电解槽310，电解槽310将接入的电能用于电解水产生氢气、氧气以及热量，氢气经过纯化装置330进入储氢装置，实现氢储能，储电装置520接入或输出部分电能用于维持电解槽310平稳运行与安全升或降功率运行，热管理装置510通过换热器将电解槽310产生的热量带走或回收，维持电解槽310稳定运行；储氢装置能够输出氢气用于满足氢负荷需求；当可再生能源发电不足时，储氢装置中的氢气降压后接入燃料电池510，燃料电池510产生电能和热量，燃料电池510输出电能通过电源转换器230输出至电负荷，同时储电装置520通过接入或输出部分电能用于维持燃料电池510平稳运行与安全升或降负荷，热管理装置530通过换热器将燃料电池510产生的热量带走或回收，热管理装置530能够输出热量用于满足热负荷需求。

以上公开的本实用新型实施例只是用于帮助阐述本实用新型。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。

Claims (10)

1.一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置，其特征在于：它包括集装箱(100)，集装箱(100)内设置有电气装置、制氢装置、储氢装置、燃料电池(510)、储电装置(520)及热管理装置(530)，可再生能源通过电气装置输入，所述电气装置与制氢装置、储氢装置、燃料电池(510)、储电装置(520)及热管理装置(530)相连，所述制氢装置包括电解槽(310)和水处理设备(320)，所述电解槽(310)与水处理设备(320)相连，所述电解槽(310)与储氢装置相连，所述储氢装置与燃料电池(510)相连，所述储电装置(520)与燃料电池(510)、电解槽(310)及辅助设备相连，所述热管理装置(530)与电解槽(310)、燃料电池(510)、储电装置(520)、集装箱(100)及辅助设备相连。

2.根据权利要求1所述的一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置，其特征在于：所述制氢装置还包括纯化设备(330)，所述电解槽(310)通过纯化设备(330)与储氢装置相连。

3.根据权利要求1所述的一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置，其特征在于：所述储氢装置包括低压储氢罐(410)、压缩机(420)和高压储氢罐(430)，所述电解槽(310)通过纯化设备(330)与低压储氢罐(410)相连，所述低压储氢罐(410)通过压缩机(420)与高压储氢罐(430)相连，所述高压储氢罐(430)与燃料电池(510)相连。

4.根据权利要求3所述的一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置，其特征在于：所述低压储氢罐(410)和压缩机(420)设置在集装箱(100)内部，所述高压储氢罐(430)设置在集装箱(100)外部。

5.根据权利要求1所述的一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置，其特征在于：所述储氢装置包括一个或多个低压储氢罐(410)，所述低压储氢罐(410)与电解槽(310)和燃料电池(510)相连。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置，其特征在于：所述电气装置包括相连的配电柜(210)、控制柜(220)和电源转换器(230)。

7.根据权利要求6所述的一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置，其特征在于：所述电解槽(310)为质子交换膜电解槽或碱性水电解槽。

8.根据权利要求6所述的一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置，其特征在于：所述燃料电池(510)采用质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池或熔融碳酸盐燃料电池。

9.根据权利要求6所述的一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置，其特征在于：所述储电装置(520)为锂离子电池或液流电池。

10.根据权利要求3或4所述的一种含热管理的集装箱式一体化电氢联产装置，其特征在于：所述低压储氢罐(410)储存压力与电解槽(310)出口压力一致，所述高压储氢罐(430)的工作压力为20MPa、35MPa或70MPa。

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