本发明涉及一种加氢站，尤其涉及一种基于高温电解水蒸气制氢技术的加氢站。
背景技术：
目前，人类的生活、生产等都基本依赖石油,产生大量的co2和尾气等造成空气污染和温室效应等，导致冰川融化、生态平衡被破坏等已经开始影响人类的生存环境；而且石油开采量已经到达极限，其储量也有限，将无法满足一直在飙升的需求。
现在人们提出一个新能源概念即氢经济，即利用氢气经过化学反应产生能量用于工业和日常能源需求。氢是一种洁净能源，氢的经济循环不但不会产生废气污染环境，而且氢气是一种极高能量密度与质量比值的能源，储存能量效率极高，例如氢燃料电池的效益高过诸多内燃机(内燃机最多20-30％效率)。而即使最差的氢燃料电池都能达到35-45％效率(通常只会高出许多)，折去相关电动马达和控制器的耗损，最后纯输出能量最差能达24％。因此，基于氢燃料电池技术的燃料电池汽车在全球范围内被广泛关注。在各类新能源汽车(太阳能汽车、混合动力汽车、纯电动汽车、各类燃料电池汽车等)中，氢燃料电池汽车以其能量转化率高、燃料经济性好、零排放等优点，已成为氢能研究最为活跃的领域之一，被认为是应对传统燃油汽车诸多弊端的一个重要解决方案。
然而，阻碍氢燃料电池汽车发展的一个重要因素就是为其提供补给的基础设施加氢站的建设不能达到需求。目前全球氢气96％来源于化石能源分解，但产生了大量的碳排放，而且直接利用化石能源制备的氢气难以满足需求，4％的氢气来源于水分解，利用的是电能分解水制氢的技术，即碱性电解池(aec)电解制氢和质子交换膜电解池(pemec)电解制氢，尽管常温下可以采用aec和pemec技术，但其能耗却是化石能源制氢3-4倍，制造成本高缺乏市场竞争力，而且aec电解槽废弃的电解液等还会产生二次污染。
因此，如何实现可持续、清洁、高效、大规模制氢是建设加氢站的亟之解决的难题。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不能做到成本低和现场大量制氢的缺陷，提供一种基于高温电解水蒸气制氢技术的加氢站，实现整个加氢站的自动控制，实现了现场制氢，做到持续、清洁、高效、大规模、可靠安全制氢和制造成本低。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明基于高温电解水蒸气制氢技术的加氢站，其特点在于，其包括电能供应单元、水供应与处理单元、气体供应及管理单元、高温电解水蒸气制氢单元、氢气纯化加压存储单元和氢气加注单元，其中：
所述电能供应单元设置有向高温电解水蒸气制氢单元供电的第一电压输入端和第一电压输出端，所述高温电解水蒸气制氢单元同时设置有向电能供应单元供电的电流输入端和电流输出端，；所述高温电解水蒸气制氢单元通过管道向氢气纯化加压存储单元输送氢气；所述氢气纯化加压存储单元通过管道向氢气加注单元和气体供应及管理单元输送氢气；所述气体供应及管理单元通过管道向水供应与处理单元输送氢气，所述气体供应及管理单元还通过管道向高温电解水蒸气制氢单元输送氮气和干燥空气；所述水供应与处理单元向高温电解水蒸气制氢单元输送带氢气的水蒸气。
在本方案中，采用由所述控制单元连接并控制的电能供应单元、水供应与处理单元、气体供应及管理单元、高温电解水蒸气制氢单元、氢气纯化加压存储单元和氢气加注单元相互配合，尤其利用高温电解水蒸气制氢原理，采用水为原材料，成本低，实现现场制氢，做到水、空气、氢气、氮气供应的相互配合和循环，真正实现了持续、高效、大规模、可靠、安全制氢；该装置的各个设备之间的完好配合和设计，加氢站日产氢量大，储氢罐氢气储量能力强；避免了氢气在运输途中及大规模存储造成的安全威胁。作为本发明的一种优选，所述基于高温电解水蒸气制氢技术的加氢站还包括控制单元，所述控制单元均连接并控制所述电能供应单元、水供应与处理单元、气体供应及管理单元、高温电解水蒸气制氢单元、氢气纯化加压存储单元和氢气加注单元。作为本发明加氢站的一种优选，所述电能供应单元包括依次连接的降压变压器、ac-dc转换器、dc-ac转换器和升压降压器，所述降压变压器一侧设置有第二电压输入端，所述升压降压器一侧设置有第二电压输出端；与所述高温电解水蒸气制氢单元的电流输入端和电流输出端对应连接的端子设置在ac-dc转换器和dc-ac转换器之间。在本方案中，电能供应单元1设置有第一电压输入端和第一电压输出端，用于向高温电解水蒸气制氢单元4供电；同时，所述高温电解水蒸气制氢单元的电流输入端和电流输出端，在电能供应单元1电量不足时，所述高温电解水蒸气制氢单元可以向电能供应单元1供电，使生产能够安全、持续进行。
优选地，所述电能供应单元还可以设置有储能电池，所述储能电池与降压变压器连接。
在本方案中，所述储能电池可以作为整个加氢站系统关键设备的备用电源，也可用于突发情况时的安全维护。
作为本发明加氢站的一种优选，所述水供应与处理单元包括通过管道依次连接的水净化装置、纯净水储水罐、水泵和蒸汽发生器，所述水净化装置设置有供水入口，所述蒸汽发生器设置有氢气进气口和水蒸气出气口。
优选地，所述水供应与处理单元还设置有两端均通过管道与水净化装置连接的循环水冷却系统，所述循环水冷却系统的其中一端与水净化装置的供水入口一侧连接。
作为本发明加氢站的一种优选，所述高温电解水蒸气制氢单元包括电热堆箱和，还包括设置在电热堆箱内的若干个并联和/或串联连接的固体氧化物电解池堆、与所述固体氧化物电解池堆两侧通过管道连接的水蒸气预热器和氢气换热器、与所述固体氧化物电解池堆两侧通过管道连接的空气预热器和空气换热器。
作为本发明加氢站的一种优选，所述气体供应及管理单元由氮气保护气气瓶组、氮气保护气路、空气供给系统、氢气排放系统组成，所述氮气保护气路和氢气排放系统均设置有电磁阀。
优选地，所述空气供给系统由空气压缩机与干燥机组成，所述干燥机可为吸附式干燥机或冷冻式干燥机。
作为本发明加氢站的一种优选，所述氢气纯化加压存储单元包括由依次通过管道连接的气水分离干燥装置、一级储氢罐、增压泵和二级储氢罐。
作为本发明加氢站的一种优选，所述氢气加注单元包括氢气加注机和管路，还设置有35mpa和/或70mpa的加氢枪。
作为本发明加氢站的一种优选，所述基于高温电解水蒸气制氢技术的加氢站还设置有外供氢耦合单元，所述外供氢耦合单元通过管道连接到氢气加注单元。
优选地，所述外供氢耦合单元包括管束运氢车、卸气柱和管路。
本发明的积极进步效果在于：
本发明一种基于高温电解水蒸气制氢技术的加氢站，实现现场制氢，自动控制，操作灵活，避免了氢气在运输途中及大规模存储造成的安全威胁，真正实现了持续、高效、大规模、可靠、安全制氢；加氢站日产氢量大，储氢罐氢气储量能力强，具有过程简单、成本较低等特点；同时可以做到制氢和发电两种模式的切换，与电网，核能、风电、光伏、地热等新能源耦合与反馈，实现现场制氢与能源存储的双重功能；采用循环水冷却系统用于加氢站中各设备中余热的回收及利用，不仅节约能源提高生产效率，而且有效延长设备的使用寿命；水供应与处理单元向高温电解水蒸气制氢单元加氢、气体供应及管理单元设置电磁阀随时向高温电解水蒸气制氢单元启动时加氮气等，实现设备的自我保护；储能电池作为整个加氢站系统关键设备的备用电源，可保证用于突发情况时的安全维护；本发明能够被广泛应用于燃料电池汽车和其它各行各业的加氢。
附图说明
图1为本发明一个较佳实施例的加氢站的整体结构示意图。
图2为本发明一个较佳实施例的电能供应单元的结构示意图。
图3为本发明一个较佳实施例的水供应与处理单元的结构示意图。
图4为本发明一个较佳实施例的高温电解水蒸气制氢单元的结构示意图。
图5为本发明的高温电解水蒸气制氢单元制氢能量消耗示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1所示，本发明一种基于高温电解水蒸气制氢技术的加氢站，包括控制单元8，还包括均与控制单元8连接并被控制单元8控制的电能供应单元1、水供应与处理单元2、气体供应及管理单元3、高温电解水蒸气制氢单元4、氢气纯化加压存储单元5和氢气加注单元6。控制单元8用于控制整个加氢站的电力、气体、水、安全等处理单元及设备，实现整个加氢站的控制，实现自动运行。
电能供应单元1设置有第一电压输入端和第一电压输出端，用于向高温电解水蒸气制氢单元4供电，同时高温电解水蒸气制氢单元4设置有向电能供应单元1供电的电流输入端即阴极电流线接线端子317和电流输出端即阳极电流线接线端子319；水供应与处理单元2通过管道连接到高温电解水蒸气制氢单元4；高温电解水蒸气制氢单元4通过管道连接到氢气纯化加压存储单元5；氢气纯化加压存储单元5通过管道同时连接到氢气加注单元6和气体供应及管理单元3；气体供应及管理单元3通过管道同时连接到水供应与处理单元2和高温电解水蒸气制氢单元4。
如图2所示，电能供应单元1可以外接供电装置11如电网或核能、风能、太阳能、地热能等。电能供应单元1包括依次连接的降压变压器12、ac-dc转换器14、dc-ac转换器15和升压降压器16，与高温电解水蒸气制氢单元4的电流输入端和电流输出端对应连接的端子设置在ac-dc转换器14和dc-ac转换器15之间。降压变压器12一侧设置有第二电压输入端，升压降压器16一侧设置有第二电压输出端，均用于外接供电装置11，作为与外接供电装置11如电网连接的电力输入、输出端，第二电压输入端也可以作为与核能、风能、太阳能、地热能等发电装置的电力输入端。电能供应单元1与加氢站的各个设备之间均通过电线电缆连接。电能供应单元1还可以设置有储能电池13，储能电池13可与降压变压器12连接。
在加氢站开始制氢时，从供电装置11如电网等输入的高压电首先通过第二电压输入端经过降压变压器12输送至储能电池13和ac-dc转换器14上，然后输送给高温电解水蒸气制氢单元4用于制氢，其中储能电池13所存储的电能也可以作为整个加氢站系统关键设备的备用电源，也可用于突发情况时的安全维护；在氢气储量充足，且电网用电高峰时，高温电解水蒸气制氢单元4切换为氢气燃料电池发电系统输出低压直流电输送至电能供应单元1，低压直流电被dc-ac转换器15转化为交流电后再经过升压变压器16转变为高压交流电通过第二电压输出端反馈给电网。
如图3所示，水供应与处理单元2包括通过管道依次连接的水净化装置21、纯净水储水罐22、水泵23和蒸汽发生器24，蒸汽发生器24设置有氢气进气口和水蒸气出气口。水净化装置21设置有供水入口以便外接自来水管网，自来水进入到水净化装置21中经过过滤、物理化学吸附净化并除去溶解氧，然后输运至纯净水储水罐22，水泵23将纯水从纯净水储水罐22中泵入到蒸汽发生器24中。纯水在蒸汽发生器24中经过蒸汽加热，与从氢气进气口中输入进入蒸汽发生器24中的氢气一起混合制备成带氢的水蒸气，然后通过水蒸气出气口输送至高温电解水蒸气制氢单元4。
水供应与处理单元2还设置有两端均通过管道与水净化装置21连接的循环水冷却系统25，循环水冷却系统25的其中一端与水净化装置21的供水入口一侧连接，与自来水管网的管道相通连接。循环水冷却系统25用于整个加氢站中高温电解水蒸气制氢单元4、氢气纯化加压存储单元5和氢气加注单元6等设备中余热的回收及利用。这些待冷却设备的余热传递给循环水冷却系统25中的低温自来水使水温高于40℃时，热水就被输送至水净化装置21，由水净化装置21进行处理后输入纯净水储水罐22，进一步进行处理产生水蒸气；与此同时，低温自来水再次自动补充到循环水冷却系统25，继续回收余热。循环水冷却系统25利用余热传递，利用工业上产生的廉价热能或者废热来生产水蒸气，充分利用能源进行再生产。这样高温电解水蒸气制氢单元4电解水所需要的能量就由输入的热能和消耗的电能这两部分组成，输入的热能越多，则耗电量越少，则制氢的成本低。
因此，水供应与处理单元2不仅为高温电解水蒸气制氢单元4提供原料气即水蒸气(水蒸气和氢气的混合气)，保证生产运行，并为加氢站提供循环冷却水，提高系统各设备的寿命及效率，节约能源。
如图4所示，高温电解水蒸气制氢单元4设置有电热堆箱31，工作温度为650℃～900℃，电热堆箱31外壳311的材料可为不锈钢，内部可镶嵌氧化铝保温层312。电热堆箱31的外壳311上设置了水蒸气进气口313、空气进气口314、氢气出口315、空气出口316，电热堆箱31内部还安装设置有水蒸气预热器33、空气预热器34、氢气换热器35、空气换热器36。电热堆箱31内部还设置安装了若干个固体氧化物电解池堆32，这些固体氧化物电解池堆32可为1～500个，通过并联和/或串联的方式连接。在650～900℃范围内，固体氧化物电解池堆32可以稳定高效地工作。水蒸气预热器33和氢气换热器35分别设置在固体氧化物电解池堆32的两侧，并通过管道与固体氧化物电解池堆32连接。来自于蒸汽发生器24的水蒸气(氢气/水蒸气混合气)从进气口313输入的水蒸气经过水蒸气预热器33预热后输送到固体氧化物电解池堆32上进行分解反应，得到的氢气经过氢气换热器35进行冷却和余热回收后经过氢气出口315输送到下个处理单元即氢气纯化加压存储单元5；其中分解得到的氧气被干燥空气吹扫进入空气换热器36后排空。空气预热器34和空气换热器36也分别设置在固体氧化物电解池堆32的两侧，通过管道与固体氧化物电解池堆32连接。来自于气体供应及管理单元3的空气供给系统供给的干燥空气从空气进气口314输入经过空气预热器34进行预热后也输送到固体氧化物电解池堆32上吹扫，对电解分解产物氧气进行吹扫，然后经过空气换热器36进行冷却和余热回收后从空气出口316排空。
本发明采用高温电解水蒸气制氢(soec)制氢，制备单位体积的氢气可以比碱性电解池(aec)电解制氢和质子交换膜电解池(pemec)至少节省20％～30％的电能，如下表所示：
以上明显可以看出，高温电解水蒸气制氢(soec)与碱性电解池(aec)电解制氢、质子交换膜电解池(pemec)相比，有其明显优势。
本发明采用高温电解水蒸气制氢(soec)，并采用本发明的设计结构，结合图5可以看出，随着温度升高，所需总消耗能量变化不大，而消耗电能逐渐减少，通过逐渐消耗热能来维持能量消耗。因此，本发明通过消耗热能来节约电能，达到持续、安全、环保制氢的效果。
电热堆箱31的外壳上还设置了阴极电流线接线端子317、阴极电压线接线端子318、阳极电流线接线端子319、阳极电压线接线端子320。固体氧化物电解池堆32通过阴极电流线接线端子317、阴极电压线接线端子318、阳极电流线接线端子319、阳极电压线接线端子320与电能供应单元1进行连接，实现电能供给和电信号监测。电能供应单元1为高温电解水蒸气制氢单元4提供制氢所用的直流电。同时，高温电解水蒸气制氢单元31可以切换成燃料电池发电工作模式，将来自气体供应及管理单元3中的氢气逆向通到高温电解水蒸气制氢单元31中固体氧化物电解池堆32的氢电极(位于阴极电流线接线端子317)上，将空气通入到固体氧化物电解池堆32的氧电极(位于阳极电流线接线端子319)上，则固体氧化物电解池堆32即可发生电化学反应输出直流电，实现电能输出。因此，在用电高峰电能供应单元1供电不足时，高温电解水蒸气制氢单元31发电，经过阴极电流线接线端子317、阳极电流线接线端子319向电能供应单元1供电，该低压直流电被dc-ac转换器15转化为交流电后再经过升压变压器16转变为高压交流电通过第二电压输出端反馈给电网，完成向供电装置11如电网供电，这样保证生产持续、稳定、安全运行。本发明提供了的技术方案能与电网、核能、风能、太阳能、地热能等清洁新能源耦合，具有高效、清洁、过程简单且成本较低等特点，实现现场制氢与能源存储的双重功能，成为大规模制氢方法而会取代目前的基于化石能源分解模式。
气体供应及管理单元3由氮气保护气气瓶组、氮气保护气路、空气供给系统、氢气排放系统组成，氮气保护气路和氢气排放系统均设置有电磁阀。气体供应及管理单元3为高温电解水蒸气制氢单元4提供干燥的压缩空气吹扫气以及氮气保护气。在加氢站启动或者有氢气泄漏等故障时，氮气保护气路中电磁阀开启，向高温电解水蒸气制氢单元4供应氮气保护气进行吹扫保护；空气供给系统由空气压缩机与干燥机组成，干燥机可为吸附式干燥机或冷冻式干燥机，用于在高温电解水蒸气制氢单元4正常工作时向其供给干燥空气以吹扫电解得到的氧气；当氢气纯化加压存储单元5或管路中压力超过阈值时，氢气排放系统开启，向高空安全排放。
氢气纯化加压存储单元5包括由依次通过管道连接的气水分离干燥装置、一级储氢罐、增压泵和二级储氢罐。这些设备依次采用管路连接，一级储氢罐中被增压的一部分氢气输送至二级储氢罐储存，另一部分氢气将输送到蒸汽发生器24中以实现部分氢气的循环，是作为保护气，用于高温电解水蒸气制氢单元4中的固体氧化物电解池堆32不被氧化，延长使用寿命。因此，氢气纯化加压存储单元5用以实现氢气的纯化加压存储和循环利用。
氢气加注单元6包括氢气加注机和管路，还设置有35mpa和/或70mpa的加氢枪。氢气加注单元6为燃料电池汽车提供高纯氢气。
作为本发明的优选实施例，本发明加氢站还可设置有外供氢耦合单元7，用于补给加氢站的氢气储量，并提高加氢站的加氢能力，实现现场制氢与外供氢的联用。外供氢耦合单元7包括管束运氢车、卸气柱和管路，外供氢耦合单元7通过管道连接到氢气加注单元6。管束运氢车运载的中高压氢气经过卸气柱后降至低压与氢气纯化加压存储单元5中纯化后的氢气混合再进行加压存储。
本方明为高温电解水蒸气制氢系统为核心的设计，包括原料供应、现场制氢、氢气纯化、氢气加压存储以及加注的整体的加氢站系统，提高了整个加氢站的电-氢转化效率，现场制氢，操作灵活，避免了氢气在运输途中及大规模存储造成的安全威胁；本发明能够利用清洁能源作为电力来源，逐步解决目前可再生能源难以并网的困境，最终真正实现氢气的清洁制备；同时可以做到制氢和发电两种模式的切换，实现与电力供应系统的耦合与反馈，实现了电网的“削峰填谷”。而且本发明加氢站日产氢量为1～1000kg，储氢罐氢气储量为10～5000kg，适用于燃料电池汽车的加氢及合成氨、冶金、电子、石化等工业企业的加氢，能被广泛应用。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。