电制氢-储氢耦合氢燃料电池的冷热电联供系统的制作方法

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系统。

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系统，导致氢气的能量转化利用形式单一，效率低。

技术实现要素：

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系统。

所述的电制氢-储氢耦合氢燃料电池的冷热电联供系统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系统，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系统示意图。

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系统如图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系统，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。