本發(fā)明涉及一種用于氫能源汽車的加氫站，特別是具有制氫儲氫能力的自支持加氫站。

背景技術：

現(xiàn)有技術的加氫站及加氫站設計中，氫氣的來源主要通過天然氣重整等高碳排放化工過程生產(chǎn)制備；氫氣的運輸主要依靠遠程高壓氫氣運輸或液態(tài)氫氣運輸至加氫站，實現(xiàn)對氫能源汽車的服務。氫氣生產(chǎn)和運輸?shù)某杀靖咔野殡S有較高的二氧化碳排放和其他污染物排放。隨著氫能燃料電池汽車的普及，加氫站網(wǎng)絡需要達到類似加油站分布網(wǎng)絡以增加氫能燃料電池汽車的續(xù)航和覆蓋能力。在偏遠站或市電接入困難的站點，需要加氫站同時具有現(xiàn)場制氫儲氫的能力及提供自身電力能耗的能力。目前，已經(jīng)有利用可再生能源提供電力輸入的加氫站。

然而，可再生能源的利用需要解決動態(tài)功率跟隨的技術問題。風能有季節(jié)性，日間動態(tài)性和瞬時動態(tài)性，可在短時間內(nèi)由全功率輸出變?yōu)榱爿敵觯o風）；光伏輸出有明顯的日間性和季節(jié)性，夜間的輸出為零。

自支持加氫站中氫氣的生產(chǎn)制備的和加氫站的運行必需結合可再生能源的動態(tài)特性，維持在無可再生能源接入時的正常運轉和氫氣加注。

公告號為CN103062619B的中國發(fā)明專利公開了一種機動車加氫站系統(tǒng)，其利用自然能源發(fā)電進而電解產(chǎn)生氫氣，但該系統(tǒng)仍需要添加水或者燃料液，不能實現(xiàn)自支持。

公開號為CN103958955A的中國發(fā)明專利申請公開了一種用于進行氫供給的加氫站，其使用有機氫化物發(fā)生脫氫反應而獲得氫，該系統(tǒng)的原料安全性較低，還可能對環(huán)境產(chǎn)生影響。

由此，需要一種能夠克服動態(tài)功率跟隨問題利用可再生能源且無需外部電力接入、無需外部氫氣輸入、無需水源接入的完全自支持的加氫站。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種能夠克服動態(tài)功率跟隨問題利用可再生能源且無需外部電力接入、無需外部氫氣輸入、無需水源接入的完全自支持的加氫站。

本發(fā)明的技術方案如下。

一種加氫站，包括可再生能源發(fā)電裝置、電能接入/整流/配電子系統(tǒng)、電解池、蓄水罐、儲氫系統(tǒng)、氫氣加注機，以及燃料電池系統(tǒng)；其特征在于，所述加氫站具有第一運行模式和第二運行模式；

在所述第一運行模式中，所述可再生能源發(fā)電裝置所產(chǎn)生的電能接入加氫站的電能接入/整流/配電子系統(tǒng)，通過所述電能接入/整流/配電子系統(tǒng)向加氫站中的用電裝置提供直流電及交流電；其中直流電接入電解池，以在電解池中發(fā)生電解反應以產(chǎn)生氫氣；同時，交流電接入配電總線；所述氫氣存儲于儲氫系統(tǒng)的儲氫罐中；所述的蓄水罐向所述電解池提供水源以進行電解水的電化學反應；

在所述第二運行模式中，所述可再生能源發(fā)電裝置不產(chǎn)生電能接入加氫站，所述燃料電池系統(tǒng)使用所述儲氫系統(tǒng)中的氫氣發(fā)電；所述燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電能輸出到電能接入/整流/配電子系統(tǒng)，從而向配電總線供電；同時，所述燃料電池系統(tǒng)的陽極產(chǎn)物中的水經(jīng)冷凝后存儲于所述蓄水罐中待用。

優(yōu)選地，其中的電解池為質(zhì)子交換膜電解池。

優(yōu)選地，所述電解池能夠通過電解水的電化學反應，產(chǎn)生氫氣并輸出至第一氫氣壓縮機；通過第一氫氣壓縮機及其附屬的冷卻器，高壓氫氣存儲于儲氫系統(tǒng)的儲氫罐中。

優(yōu)選地，有加氫需求時，所述儲氫系統(tǒng)將氫氣輸出至第二氫氣壓縮機；所述儲氫罐中的氫氣通過所述第二氫氣壓縮機壓縮輸出至氫氣加注機。

優(yōu)選地，所述第二氫氣壓縮機將所述氫氣壓縮至35兆帕。

優(yōu)選地，在所述第一模式中，所述燃料電池系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。

優(yōu)選地，在所述第二模式中，所述電解池處于待機狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述可再生能源發(fā)電裝置包括風能發(fā)電裝置和/或光伏發(fā)電裝置。

優(yōu)選地，所述電能接入/整流/配電子系統(tǒng)對所述可再生能源發(fā)電裝置的輸入進行實時監(jiān)控，當實時電能輸入在所述電解池的最低待機閾值以上時，所述自支持加氫站按所述第一模式運行；當實時電能輸入低于質(zhì)子交換膜電解池的最低待機閾值時，所述自支持加氫站按所述第二模式運行。

優(yōu)選地，所述電解池的最低待機閾值為所述電解池額定功率的5%-10%。

本發(fā)明中的自支持加氫站，利用現(xiàn)場的可再生能源為主要能源輸入，通過使用電解水實現(xiàn)綠色氫氣的制備存儲和加注，徹底消除氫氣制備環(huán)節(jié)的二氧化碳排放，并無需市電輸入，達到自身用水平衡。

附圖說明

圖1 是本發(fā)明的自支持加氫站在有可再生能源接入時的運行模式示意圖。

圖2是本發(fā)明的自支持加氫站在無可再生能源接入時的運行模式示意圖。

圖中各附圖標記的含義如下：

1、可再生能源發(fā)電裝置，2、電能接入/整流/配電子系統(tǒng)，3、電解池，4、純水蓄水罐，5、第一氫氣壓縮機，6、冷卻器，7、儲氫罐，8、第二氫氣壓縮機，9、氫氣加注機，10、加氫站其它用電負載，11、加氫站配電總線，12、燃料電池。

具體實施方式

下面結合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的說明。

在此的術語“加氫站”主要指為氫能汽車或氫氣內(nèi)燃機汽車或氫氣天然氣混合燃料汽車等的儲氫瓶充裝氫燃料的專門場所。

在此的術語“燃料電池”（Fuel Cell）是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池的陽極和陰極，電流就能夠通過電化學反應被生產(chǎn)出來。

本發(fā)明的加氫站包括可再生能源發(fā)電裝置1、電能接入/整流/配電子系統(tǒng)2、電解池3、純水蓄水罐4、儲氫系統(tǒng)、氫氣加注機9，以及燃料電池12。

可再生能源發(fā)電裝1置主要指風力發(fā)電裝置、光伏發(fā)電裝置或水力發(fā)電裝置，還可以包括生物燃料發(fā)電裝置，以及海水溫差、潮汐能、潮流能、海流能、波浪能等發(fā)電的裝置。

電能接入/整流/配電子系統(tǒng)2可以包括整流裝置、逆變裝置，以及監(jiān)測控制裝置，其主要功能是將可再生能源提供的交流電進行調(diào)壓、整流，從而輸出符合用電裝置需要的交流電和直流電。

燃料電池按電池所用的電解質(zhì)分類包括堿性燃料電池（AFC）、磷酸鹽型料電池（PAFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接醇類燃料電池（DMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）。根據(jù)需要，上述的電池還可以做成電堆，以提供需要的輸出電壓。在一優(yōu)選的實施方式中，燃料電池選用質(zhì)子交換膜燃料電池。

電解池3是采用水電解制氫的裝置，其類型可以選擇堿液電解池、質(zhì)子交換膜電解池，或者固體氧化物電解池。在一優(yōu)選的實施方式中，電解池3選用質(zhì)子交換膜電解池。

純水蓄水罐4用于向質(zhì)子交換膜電解池提供水源以進行電解水的電化學反應。在一優(yōu)選的實施方式中，其中的水是由燃料電池的陽極產(chǎn)物中的水經(jīng)冷凝后存儲的。

儲氫系統(tǒng)包括第一氫氣壓縮機5及冷卻器6、儲氫罐7、第二氫氣壓縮機8，其能夠?qū)㈦娊獬?中收集來的氫氣加壓、存儲及輸出，并且可以對氫氣的輸出壓強進行調(diào)整，以及對氫氣的流量進行監(jiān)控。

氫氣加注機9是向需要加氫的車輛提供氫氣的裝置，其通常具有能夠與車輛連接的標準的接口，從而向車輛加注氫氣。

根據(jù)本發(fā)明的自支持加氫站的能夠支持兩種運行模式：有可再生能源接入時的第一運行模式，以及無可再生能源接入時的第二運行模式。圖1所示的是自支持加氫站在有可再生能源接入時的運行模式示意圖。

如圖1所示，風能或光伏作為可再生能源發(fā)電裝置1所產(chǎn)生的電能接入加氫站的電能接入/整流/配電子系統(tǒng)2。所述電能接入/整流/配電子系統(tǒng)2包括整流裝置、逆變裝置及監(jiān)測裝置。整流裝置對風能或光伏所產(chǎn)生的電能進行整流，向加氫站中的用電裝置提供直流電及交流電。整流后直流電接入電解池3，以在電解池3中發(fā)生電解反應以產(chǎn)生氫氣。其中的電解池3優(yōu)選為質(zhì)子交換膜電解池。同時，整流裝置輸出的交流電接入加氫站配電總線11。純水蓄水罐4向電解池3提供水源以進行電解水的電化學反應。通過電解水的電化學反應，電解池3能夠產(chǎn)生壓力高于常壓的氫氣并輸出至第一氫氣壓縮機5。通過第一氫氣壓縮機5及其附屬的冷卻器6，高壓氫氣存儲于儲氫系統(tǒng)的儲氫罐7中。

需要對外加氫時，儲氫罐中7的氫氣通過第二氫氣壓縮機8壓縮至35兆帕國際標準加注壓力，輸出至氫氣加注機9。第一氫氣壓縮機5、第二氫氣壓縮機8、氫氣加注機9及加氫站其他用電負載10（如照明等）通過加氫站配電總線11供電。

在這一運行模式中，燃料電池系統(tǒng)12處于待機狀態(tài)。

圖2所示的是自支持加氫站在無可再生能源（風能或光伏）接入時的運行模式示意圖。

如圖2所示，在這一運行模式中，無風能或光伏（夜晚）接入加氫站，加氫站中的燃料電池12使用儲氫系統(tǒng)中的氫氣發(fā)電。燃料電池12產(chǎn)生的電能輸出到電能接入/整流/配電子系統(tǒng)2，從而實現(xiàn)向加氫站配電總線11供電。同時，燃料電池12的陽極產(chǎn)物中的水經(jīng)冷凝后存儲于純水蓄水罐4中待用。

有加氫需求時，儲氫系統(tǒng)將氫氣輸出至第二氫氣壓縮機8。儲氫罐4中的氫氣通過第二氫氣壓縮機8壓縮至35兆帕國際標準加注壓力，輸出至氫氣加注機9。

第一氫氣壓縮機5、第二氫氣壓縮機8、氫氣加注機9及加氫站其他用電負載10（如照明等）通過加氫站配電總線11供電。

在這一運行模式中，電解池3處于待機狀態(tài)。

根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，自支持加氫站能夠?qū)顟B(tài)參數(shù)進行檢測，從而實現(xiàn)在可再生能源接入模式和無可再生能源接入模式間自動切換。

圖1中的電能接入/整流/配電子系統(tǒng)對可再生能源發(fā)電裝置1的輸入功率（kW）進行實時監(jiān)控，當實時電能輸入在質(zhì)子交換膜電解池的最低待機閾值（一般為質(zhì)子交換膜電解池額定功率的5%-10%）以上時，自支持加氫站按有可再生能源接入模式運行。當實時電能輸入低于質(zhì)子交換膜電解池的最低待機閾值（一般為質(zhì)子交換膜電解池額定功率的5%-10%）時，電能接入/整流/配電子系統(tǒng)2對燃料電池12發(fā)出啟動信號，燃料電池2啟動至滿功率，同時電解池3進入關閉狀態(tài)并向連接電解池3的第一氫氣壓縮機5發(fā)出關閉信號。當電能接入/整流/配電子系統(tǒng)2監(jiān)測到可再生能源發(fā)電裝置1輸入高于電解池3的最低待機閾值時，電能接入/整流/配電子系統(tǒng)2對燃料電池12發(fā)出待機信號，燃料電池12降低輸出至待機功率，同時電解池3進入運行狀態(tài)并向連接電解池3的第一氫氣壓縮機5發(fā)出運行信號。