一種模塊式綠電制氫儲用系統的制作方法
1.本技術涉及綠電制氫儲用系統技術領域，具體涉及一種模塊式綠電制氫儲用系統。
背景技術：
2.目前的綠電制氫儲用系統，首先利用過剩的可再生電力電解水制取氫氣，然后將氫氣進行儲存，再以氫燃料電池分布式能源為核心構建微電網，與常規電網、可再生能源互相耦合構建多能源互補的能源管理系統，同時向末端負載熱電聯拱，提高可再生能源利用率，提升用能的靈活性和安全性。
3.當前有工業化的大型綠電制氫儲用系統，主要包括電解制氫子系統、儲氫子系統和氫燃料電池子系統，由于系統和設備龐大，存在的問題和使用限制也比較多，主要包括以下四點：
4.1）非模塊化裝置?，F有綠電制氫儲系統用多為定制開發，沒有模塊化、標準化，所有零部件、裝配過程、產品測試、系統調試等沒有標準化，導致系統生產、運輸、現場安裝易出錯率極高，不能與特定規模和容量的風力發電、光伏矩陣直接匹配。大型綠電制氫儲用系統控制難度大，非模塊化、標準化系統使控制軟件和硬件開發成本高，難以形成機器學習和通訊系統的結合機制，對邊遠地區，不能實現系統完全自行運轉并降低運維成本。
5.2）嚴酷環境適應性差。綠電制氫儲用系統多在我國太陽輻射強烈的西北地區使用，環境溫差大，無論pem（質子交換膜，proton exchange membrane,pem）制氫及氫燃料電池，長時間低溫會導致膜電極結冰，會使膜電極串漏造成不可逆損壞，從而影響設備壽命。此外，我國西北地區高寒多變以及高堿高硬的地表水，對于制氫裝置有較大影響，會降低電解槽的性能和壽命。
6.3）系統擴展性受限。大型綠電制氫儲用系統建成之后，多數在穩定狀態下運行，很難根據末端負荷的變化進行設備的調整，擴展性受到限制，使用場景和運行策略不靈活。
7.4）系統運行穩定性低。綠電制氫儲用系統較為復雜，水、電、氣、熱有不同的遲豫尺度，大型系統的遲滯更為明顯，常規自控系統難以形成不同工作狀態下系統的協調優化運行。為提升能源利用率，需要為不同模式下系統高效安全運行制定相應控制策略。
8.因此，亟需提供一種模塊式的綠電制氫儲用系統，來減小設備的體積，進而實現提升環境適應性、系統擴展性和穩定性是亟待解決的技術問題。
技術實現要素：
9.本技術實施例提供一種模塊式綠電制氫儲用系統，可以通過模塊化來減小設備的體積，進而解決提升其環境適應性、系統擴展性和穩定性差的技術問題。能夠針對我國西北地區嚴酷環境下可再生能源資源利用中消納的瓶頸，解決制約其經濟和產業發展的共性關鍵問題。
10.本技術實施例提供一種模塊式綠電制氫儲用系統，包括兩個模塊式集裝箱艙體，
分別是儲能控制電艙和綠氫儲用氫艙；
11.其中所述儲能控制電艙內設有光伏逆變器和電池管理系統，所述光伏逆變器的輸入端連接至光伏發電裝置，所述光伏逆變器的輸出端連接至對外供電接口、市電電網及所述電池管理系統；所述對外供電接口連接至用戶負載；
12.所述綠氫儲用氫艙內設有pem（質子交換膜，proton exchange membrane,pem）制氫裝置、固態儲氫裝置、燃料電池及水箱；所述pem制氫裝置電性連接至所述光伏逆變器的輸出端，且所述pem制氫裝置的輸入端連接至所述水箱，所述pem制氫裝置的輸出端連接至所述固態儲氫裝置，所述固態儲氫裝置的輸出端連接至所述燃料電池，所述燃料電池的輸出端連接至所述水箱，且所述燃料電池電性連接至所述電池管理系統。
13.在其中一個實施例中，所述電池管理系統包括儲能電池簇和ac/dc雙向逆變器;所述儲能電池簇與所述ac/dc雙向逆變器電性連接，所述ac/dc雙向逆變器與所述光伏逆變器的輸出端電性連接。
14.在其中一個實施例中，所述電池管理系統還包括一級升壓dc/dc模塊，所述燃料電池通過所述一級升壓dc/dc模塊電性連接至所述儲能電池簇。
15.在其中一個實施例中，所述模塊式綠電制氫儲用系統還設有艙體環境保障系統，所述艙體環境保障系統包括工控機、電艙協調控制器和氫艙協調控制器；所述工控機與所述電艙協調控制器相連接，所述電艙協調控制器與所述光伏逆變器和所述電池管理系統電性連接；所述工控機與所述氫艙協調控制器相連接，所述氫艙協調控制器與所述pem制氫裝置、所述固態儲氫裝置、所述燃料電池及所述水箱連接。
16.在其中一個實施例中，所述艙體環境保障系統設置于所述儲能控制電艙內，或者所述艙體環境保障系統設置于所述綠氫儲用氫艙內。
17.在其中一個實施例中，所述pem制氫裝置包括電解池堆、電解水循泵、水/氣分離設備、熱控系統和壓力調控系統。
18.在其中一個實施例中，所述固態儲氫裝置包括儲氫罐、空調水制冷機、太陽能熱水器、傳感器、控制閥和管路；所述儲氫罐采用la-mg-ni系儲氫合罐體，所述儲氫罐上設有質量流量控制器(mfc)；所述空調水制冷機在吸氫時提供冷水冷卻所述儲氫罐，所述太陽能熱水器在放氫時加熱所述儲氫罐。
19.在其中一個實施例中，所述燃料電池包括兩個氫燃料電池、一個啟動電源和一個二級升壓dc/dc模塊；所述啟動電源與所述兩個氫燃料電池連接；所述兩個氫燃料電池在正常狀態下一用一備，每一氫燃料電池內設有用于提供氧氣和氫氣的空氣系統和用于控制電堆內部溫度的溫控系統；每一氫燃料電池在獲取氫氣后在電堆內發生電化學反應產生電能后通過所述二級升壓dc/dc模塊輸出至所述電池管理系統。
20.在其中一個實施例中，所述模塊式綠電制氫儲用系統包括固定在地面基礎上的第一安裝底座和第二安裝底座，所述儲能控制電艙和所述綠氫儲用氫艙分別相鄰設置在所述第一安裝底座和所述第二安裝底座上。
21.在其中一個實施例中，所述儲能控制電艙內還設有配電控制柜和能源管理系統。
22.本技術提供的模塊式綠電制氫儲用系統，可以通過模塊化來減小設備的體積，進而提升其環境適應性、系統擴展性和穩定性。本技術通過光伏發電、儲電、制氫、儲氫以及燃料電池氣電轉換等模塊式系統集成，突破在特定資源和條件下的相關技術、設備及系統的
適應性和可行性，驗證模塊式系統多情景下的經濟性，帶動可再生能源大規模布局和應用。
23.上述模塊式綠電制氫儲用系統，能夠有效解決多能復合能源利用過程中面臨的關鍵技術問題，為可再生能源儲能和高效利用提供技術支撐，并將較好地推動光儲氫系統在各地的應用。尤其在我國西北地區風能和太陽能資源豐富地區，通過可再生能源發電制備氫氣技術，實現氫燃料電池系統的多能聯用，在低溫高濕、高海拔環境條件的長期穩定性供電，可有效解決我國西部地區能源有效轉換與利用。既能保障“綠水青山”的自然生態環境，又能為我國的“雙碳”目標做出實際性貢獻。
附圖說明
24.下面結合附圖，通過對本技術的具體實施方式詳細描述，將使本技術的技術方案及其它有益效果顯而易見。
25.圖1為本技術實施例提供的模塊式綠電制氫儲用系統的結構示意圖。
26.圖中的標識如下：
27.儲能控制電艙1，綠氫儲用氫艙2，光伏發電裝置3，
28.用戶負載4，艙體環境保障系統5，第一安裝底座6，
29.第二安裝底座7，光伏逆變器11，電池管理系統12，
30.pem制氫裝置21，固態儲氫裝置22，燃料電池23，
31.水箱24，工控機51，電艙協調控制器52，
32.氫艙協調控制器53，儲能電池簇121，ac/dc雙向逆變器122;
33.一級升壓dc/dc模塊123。
具體實施方式
34.下面將結合本技術實施例中的附圖，對本技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本技術一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒炯夹g中的實施例，本領域技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本技術保護的范圍。
35.在本技術的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特征。在本技術的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
36.在本技術的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接或可以相互通訊；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關系。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本技術中的具體含義。
37.請參閱圖1，本技術實施例提供一種模塊式綠電制氫儲用系統，包括兩個模塊式集裝箱艙體，分別是儲能控制電艙1和綠氫儲用氫艙2。儲能控制電艙1內的主要設備為儲能電池簇、儲能變流器、配電控制柜、能源管理系統、艙體環境保障系統。綠氫儲用氫艙2內的主要設備有pem制氫裝置、固態儲氫裝置、燃料電池及艙體環境保障系統。艙體環境保障系統
可共用設置也可分開設置。
38.具體的，請參閱圖1，所述儲能控制電艙1內設有光伏逆變器11和電池管理系統12，所述光伏逆變器11的輸入端連接至光伏發電裝置3（圖中用光伏發電表示），所述光伏逆變器11的輸出端連接至對外供電接口（未圖示）、市電電網（圖中用電網表示）及所述電池管理系統12；所述對外供電接口連接至用戶負載4。
39.請參閱圖1，所述綠氫儲用氫艙2內設有pem（質子交換膜，proton exchange membrane,pem）制氫裝置21、固態儲氫裝置22、燃料電池23及水箱24；其中水箱24、pem制氫裝置21、固態儲氫裝置22、燃料電池23及水箱24依次循環連接形成制氫、儲氫設備。具體的講，所述pem制氫裝置21電性連接至所述光伏逆變器11的輸出端，且所述pem制氫裝置21的輸入端連接至所述水箱24，所述pem制氫裝置21的輸出端連接至所述固態儲氫裝置22，所述固態儲氫裝置22的輸出端連接至所述燃料電池23，所述燃料電池23的輸出端連接至所述水箱24，且所述燃料電池23電性連接至所述電池管理系統12。
40.請參閱圖1，所述電池管理系統12包括儲能電池簇121和ac/dc雙向逆變器122;所述儲能電池簇121與所述ac/dc雙向逆變器122電性連接，所述ac/dc雙向逆變器122與所述光伏逆變器11的輸出端電性連接。
41.請參閱圖1，所述電池管理系統12還包括一級升壓dc/dc模塊123（圖中用dc/dc表示），所述燃料電池23通過所述一級升壓dc/dc模塊123電性連接至所述儲能電池簇121。
42.在本實施例中，所述模塊式綠電制氫儲用系統還設有艙體環境保障系統5，所述艙體環境保障系統5包括工控機51、電艙協調控制器52和氫艙協調控制器53；所述工控機51與所述電艙協調控制器52相連接，所述電艙協調控制器52與所述光伏逆變器11和所述電池管理系統12電性連接；所述工控機51與所述氫艙協調控制器53相連接，所述氫艙協調控制器53與所述pem制氫裝置21、所述固態儲氫裝置22、所述燃料電池23及所述水箱24連接。
43.可理解的是，所述電艙協調控制器52還可與所述儲能控制電艙1上設置的第一環境調節裝置電性連接。所述第一環境調節裝置包括電艙配電裝置、電艙電動機構、電艙電表、電艙空調、電艙空氣開關、電艙氣體傳感器和電艙消防裝置。所述氫艙協調控制器53還可與所述綠氫儲用氫艙2上設置的第二環境調節裝置電性連接。所述第二環境調節裝置包括氫艙配電裝置、氫艙電動機構、氫艙電表、氫艙空調、氫艙空氣開關、氫艙氣體傳感器和氫艙消防裝置。
44.在本實施例中，所述艙體環境保障系統5設置于所述儲能控制電艙1內，或者所述艙體環境保障系統5設置于所述綠氫儲用氫艙2內?？衫斫獾氖?，所述艙體環境保障系統5也可拆分后設置于所述儲能控制電艙1和所述綠氫儲用氫艙2內。
45.在本實施例中，所述pem制氫裝置21包括電解池堆、電解水循泵、水/氣分離設備、熱控系統和壓力調控系統。
46.在本實施例中，所述固態儲氫裝置22包括儲氫罐、空調水制冷機、太陽能熱水器、傳感器、控制閥和管路；所述儲氫罐采用la-mg-ni系儲氫合罐體，所述儲氫罐上設有質量流量控制器(mfc)；所述空調水制冷機在吸氫時提供冷水冷卻所述儲氫罐，所述太陽能熱水器在放氫時加熱所述儲氫罐。
47.在本實施例中，所述燃料電池23包括兩個氫燃料電池、一個啟動電源和一個二級升壓dc/dc模塊；所述啟動電源與所述兩個氫燃料電池連接；所述兩個氫燃料電池在正常狀
態下一用一備，每一氫燃料電池內設有用于提供氧氣和氫氣的空氣系統和用于控制電堆內部溫度的溫控系統；每一氫燃料電池在獲取氫氣后在電堆內發生電化學反應產生電能后通過所述二級升壓dc/dc模塊輸出至所述電池管理系統12。
48.在本實施例中，所述模塊式綠電制氫儲用系統包括固定在地面基礎上的第一安裝底座6和第二安裝底座7，所述儲能控制電艙1和所述綠氫儲用氫艙2分別相鄰設置在所述第一安裝底座6和所述第二安裝底座7上。
49.在本實施例中，所述儲能控制電艙1內還設有配電控制柜和能源管理系統。
50.在使用時，太陽能光伏發電經匯流、逆變之后直接供給末端用戶負載，在電力富裕時為儲能電池簇充電，或啟動pem制氫裝置進行制氫、固態儲氫裝置進行儲氫。在用電高峰儲能電池簇輔助供電，然后燃料電池啟動工作，經dc/dc升壓為350v后為電池簇充電。本系統以儲能控制電艙為核心，分別連接光伏發電陣列、綠氫儲用氫艙、市電電網組成系統整體，對外具備供電接口，連接用戶負載給負載供電，可以實現并、離網運行，并網充電、并網放電、離網功率平衡等工作模式。
51.其中，pem制氫裝置主要由電解池堆、電解水循泵、水/氣分離設備、熱控系統、壓力調控系統等組成。從經濟性角度考慮，優先考慮使用可再生電力，尤其是可再生電力供應超過電網收購時數之后，使用可再生電力制取氫氣避免電力阻塞和負電價?？紤]到西北地區高寒多變以及高堿高硬的地表水，對pem制氫系統中水處理和電解過程進行了優化和平衡，使其成為寬范圍、快響應的高效水處理-電解制氫系統，功率負載范圍為5％-100％，冷啟動時間在5分鐘之內。
52.其中，固態儲氫系統主要由儲氫罐、空調水制冷機、太陽能熱水器、傳感器、控制閥和管路等組件組成，儲氫采用lanimg低溫型儲氫合金，氫氣的控制和計量，主要通過mfc控制和計量，通過流量的累積，確定吸氫和放氫量。吸氫時制冷機組提供冷水冷卻儲氫罐，放氫時通過太陽能熱水器和加熱棒的加熱儲氫罐，提升其溫度為40-75℃，使儲氫罐以一定放氫速率供給燃料電池。
53.其中，燃料電池主要由兩個氫燃料電池模塊、一個鋰電模塊和一個二級升壓dc/dc模塊組成，兩個氫燃料電池模塊正常狀態下一用一備。燃料電池模塊內的空氣系統提供的氧氣和氫氣系統提供的氫氣在電堆內發生電化學反應，產生電能，供給一級升壓dc/dc模塊，溫控系統控制電堆內部溫度，配電系統中的鋰電池平抑功率波動并作為燃料電池的啟動電源，二級升壓dc/dc模塊起到匹配外部電源系統母線電壓的作用。
54.其中，氫燃料電池系統進行更加精確的熱管理方式結合預測性的智能算法，根據環境溫度變化對燃料電池運行參數進行相應的調節，尤其在西北地區嚴酷環境下，燃料電池堆自增濕方式可實現膜內水平衡供給，空氣直接進入燃料電池陰極縫槽板和集流板流場，既充當氧化劑也起到冷卻作用，無需外加增濕器和加熱裝置，降低能耗和維護成本。
55.其中，所述艙體環境保障系統包括的工控機、電艙協調控制器和氫艙協調控制器構成控制系統，該控制系統實現pem制氫、固態儲氫、燃料電池發電、光伏、儲能、電網及用戶負載的能量及功率協調管理控制功能，同時實現收集各設備運行狀態信息數據，通過保護功能控制各子系統在安全范圍內運行，實現整個系統的實時監控及內部管理，且具備本地控制顯示能力。在多能互補模塊式綠氫儲用系統中，控制系統綜合構建“發電-儲電-用電”、“生水-蓄水-用水-排水”、“產氣-儲氣-用氣-排氣”以及“產熱-熱管理-熱利用”四維體系，
充分考慮各種應用場景尤其嚴酷環境地區應用場景下的控制參數和關聯因素，在較小空間內完成系統配置和高效管理，實現系統穩定可靠運行。
56.本技術提供的模塊式綠電制氫儲用系統，可以通過模塊化來減小設備的體積，進而提升其環境適應性、系統擴展性和穩定性。本技術通過光伏發電、儲電、制氫、儲氫以及氫燃料電池氣電轉換等模塊式系統集成，突破在特定資源和條件下的相關技術、設備及系統的適應性和可行性，驗證模塊式系統多情景下的經濟性，帶動可再生能源大規模布局和應用。
57.上述模塊式綠電制氫儲用系統，能夠有效解決多能復合能源利用過程中面臨的關鍵技術問題，為可再生能源儲能和高效利用提供技術支撐，并將較好地推動光儲氫系統在各地的應用。尤其在我國西北地區風能和太陽能資源豐富地區，通過可再生能源發電制備氫氣技術，實現氫燃料電池系統的多能聯用，在低溫高濕、高海拔環境條件的長期穩定性供電，可有效解決我國西部地區能源有效轉換與利用。既能保障“綠水青山”的自然生態環境，又能為我國的“雙碳”目標做出實際性貢獻。
58.在上述實施例中，對各個實施例的描述都各有側重，某個實施例中沒有詳述的部分，可以參見其他實施例的相關描述。
59.以上對本技術實施例所提供的一種模塊式綠電制氫儲用系統進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本技術的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本技術的技術方案及其核心思想；本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本技術各實施例的技術方案的范圍。
技術特征：
1.一種模塊式綠電制氫儲用系統，其特征在于，包括兩個模塊式集裝箱艙體，分別是儲能控制電艙和綠氫儲用氫艙；其中所述儲能控制電艙內設有光伏逆變器和電池管理系統，所述光伏逆變器的輸入端連接至光伏發電裝置，所述光伏逆變器的輸出端連接至對外供電接口、市電電網及所述電池管理系統；所述對外供電接口連接至用戶負載；所述綠氫儲用氫艙內設有pem制氫裝置、固態儲氫裝置、燃料電池及水箱；所述pem制氫裝置電性連接至所述光伏逆變器的輸出端，且所述pem制氫裝置的輸入端連接至所述水箱，所述pem制氫裝置的輸出端連接至所述固態儲氫裝置，所述固態儲氫裝置的輸出端連接至所述燃料電池，所述燃料電池的輸出端連接至所述水箱，且所述燃料電池電性連接至所述電池管理系統。2.如權利要求1所述的模塊式綠電制氫儲用系統，其特征在于，所述電池管理系統包括儲能電池簇和ac/dc雙向逆變器;所述儲能電池簇與所述ac/dc雙向逆變器電性連接，所述ac/dc雙向逆變器與所述光伏逆變器的輸出端電性連接。3.如權利要求2所述的模塊式綠電制氫儲用系統，其特征在于，所述電池管理系統還包括一級升壓dc/dc模塊，所述燃料電池通過所述一級升壓dc/dc模塊電性連接至所述儲能電池簇。4.如權利要求1所述的模塊式綠電制氫儲用系統，其特征在于，所述模塊式綠電制氫儲用系統還設有艙體環境保障系統，所述艙體環境保障系統包括工控機、電艙協調控制器和氫艙協調控制器；所述工控機與所述電艙協調控制器相連接，所述電艙協調控制器與所述光伏逆變器和所述電池管理系統電性連接；所述工控機與所述氫艙協調控制器相連接，所述氫艙協調控制器與所述pem制氫裝置、所述固態儲氫裝置、所述燃料電池及所述水箱連接。5.如權利要求4所述的模塊式綠電制氫儲用系統，其特征在于，所述艙體環境保障系統設置于所述儲能控制電艙內，或者所述艙體環境保障系統設置于所述綠氫儲用氫艙內。6.如權利要求1所述的模塊式綠電制氫儲用系統，其特征在于，所述pem制氫裝置包括電解池堆、電解水循泵、水/氣分離設備、熱控系統和壓力調控系統。7.如權利要求1所述的模塊式綠電制氫儲用系統，其特征在于，所述固態儲氫裝置包括儲氫罐、空調水制冷機、太陽能熱水器、傳感器、控制閥和管路；所述儲氫罐采用la-mg-ni系儲氫合罐體，所述儲氫罐上設有質量流量控制器；所述空調水制冷機在吸氫時提供冷水冷卻所述儲氫罐，所述太陽能熱水器在放氫時加熱所述儲氫罐。8.如權利要求1所述的模塊式綠電制氫儲用系統，其特征在于，所述燃料電池包括兩個氫燃料電池、一個啟動電源和一個二級升壓dc/dc模塊；所述啟動電源與所述兩個氫燃料電池連接；所述兩個氫燃料電池在正常狀態下一用一備，每一氫燃料電池內設有用于提供氧氣和氫氣的空氣系統和用于控制電堆內部溫度的溫控系統；每一氫燃料電池在獲取氫氣后在電堆內發生電化學反應產生電能后通過所述二級升壓dc/dc模塊輸出至所述電池管理系統。9.如權利要求1所述的模塊式綠電制氫儲用系統，其特征在于，所述模塊式綠電制氫儲用系統包括固定在地面基礎上的第一安裝底座和第二安裝底座，所述儲能控制電艙和所述綠氫儲用氫艙分別相鄰設置在所述第一安裝底座和所述第二安裝底座上。
10.如權利要求1所述的模塊式綠電制氫儲用系統，其特征在于，所述儲能控制電艙內還設有配電控制柜和能源管理系統。
技術總結
本申請公開了一種模塊式綠電制氫儲用系統。該模塊式綠電制氫儲用系統包括兩個模塊式集裝箱艙體，分別是儲能控制電艙和綠氫儲用氫艙；所述儲能控制電艙內設有光伏逆變器和電池管理系統，所述光伏逆變器的輸入端連接至光伏發電裝置，所述光伏逆變器的輸出端連接至對外供電接口、市電電網及所述電池管理系統；所述綠氫儲用氫艙內設有PEM制氫裝置、固態儲氫裝置、燃料電池及水箱；所述燃料電池電性連接至所述電池管理系統。本申請提供的模塊式綠電制氫儲用系統，可以通過模塊化來減小設備的體積，進而提升其環境適應性、系統擴展性和穩定性。性。性。
