一种能够同时或单独充电和加氢的供应站和方法与流程

本发明涉及车辆能量供应领域，具体涉及一种能够同时或单独充电和加氢的供应站和方法。

背景技术：

零排放车辆包括电动车辆和氢动力燃料电池车辆，随着零排放车辆变得普遍，需要在低人口密度的长距离跨省或州际公路上对这两种类型的车辆进行快速加油。

超长距离上的基础设施可以采用独立的加氢或充电站解决方案，这将是非常昂贵的，也可以采用更有效的更灵活的供应站以支持多种加注类型。氢气为中型/重型车辆、公共汽车提供了优势，并最终可能成为乘用车的重要份额。电动车辆在零排放车辆中的采用正在加速，但需要较长时间的充电，而且在跨省或州际高速公路上接入高功率充电器的机会有限。

如果其中一种技术占主导地位，则站设备应配置相似的容量和连接方法(包括占地面积等)以重新配置站。此外，基于直流(dc)快速充电器的电动车辆充电解决方案(目前开发中的示例接近350kw)以最小化充电时间(30分钟)将需要缓冲电池系统来减轻对电网的压力(需求高峰和昂贵的使用时间成本)。电动车(ev)充电器的电源可以直接来自电网或本地分布式能源。

目前，需要满足能量和功率密度要求的长距离跨省或州际公路上的加油站，具体而言，必须存储足够的能量以容纳需要高电压的长途电动车辆和长途氢动力车辆(包括卡车)。高压充电非常有用，因为可以减少为电动车辆充电所需的时间，但是，提供高电压所需的功率输出需要大型电池存储系统。面临的挑战是需要高功率水平，要么采用具有高能量密度的电池，要么从电网中抽取大量电能。目前的系统仅使用电池存储器，但是电池的能量密度限制意味着需要非常大的(并且昂贵的)系统来适应为高电压系统供电所需的能量水平。当系统进入100兆瓦时或更大的范围时，可负担性是一项挑战。

联合供应站具有可重新配置的潜力，通过摊销设施成本、电网连接和支付方案来降低各个站的成本。

us7523770公开了一种机动车辆服务站，包括有多种燃料来源，包括不同等级的液体燃料，h2和电力。该站能够通过适用于使用每种燃料的车辆的不同加注站来容纳不同类型的车辆。其进一步描述了一种无线通信系统，其能够传达车辆的要求，以便利用正确的加注技术将车辆引导到适当的服务块。us7523770仅限定多种燃料被储存，但是如果一种燃料的需求很高，那么存在该燃料的储存可能被耗尽的风险。

us20030008183a1公开了一种能量供应站，用于将烃燃料转换成氢和电中的至少一种，用于随后输送到车辆，所述站包括一个或多个化学转换器，所述化学转换器定位成接收燃料并用于处理燃料以形成包括二氧化碳的输出介质，用于将化学成分与输出介质分离的分离阶段，具有用于收集二氧化碳的分离阶段的流体回路中的收集元件，以及用于与车辆接口的车辆界面。该站的一个特征是通过诸如重整器或燃料电池现场可变地产生电和氢，以满足燃料需求。us20030008183a1描述了从碳氢燃料在现场转换为电力和氢气，然而，这种转换所需的化学过程涉及多个单元操作，并且其响应时间和功率密度受到限制。

从上述内容可以看出，无论采用单独的基础设施方案还是联合供应站均不能满足需要高电压的长途电动车辆和长途氢动力车辆(包括卡车)的需求，且不能够满足不断变化的电力和氢气需求。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有能量供应站不能满足不断变化的电力和氢气需求的问题，提供一种能够同时或单独充电和加氢的供应站和方法，采用本发明提供的能够同时或单独充电和加氢的供应站可以满足不断变化的电力和氢气需求，且能够优化成本。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种能够同时或单独充电和加氢的供应站，该供应站包括：

供电单元、蓄电池系统、能够将电力转化为氢气的设备、氢气存储系统、能够将氢气转化为电力的设备、充电器和加氢机；

其中，供电单元与蓄电池系统连通以输送电力；蓄电池系统与能够将电力转化为氢气的设备连通，以将蓄电池系统提供的电力转化为氢气；能够将电力转化为氢气的设备与氢气存储系统连通，以将所述氢气存储于氢气存储系统中；氢气存储系统与能够将氢气转化为电力的设备连通，以将氢气存储系统提供的氢气转化为电力；充电器与所述蓄电池系统连通，用于对电动车辆充电；加氢机与氢气存储系统连通，用于对氢动力车辆加注氢气。

本发明第二方面提供一种能够同时或单独充电和加氢的方法，该方法包括：

采用蓄电池系统为电动车辆充电，采用氢气存储系统为氢动力车辆加注氢气；

采用能够将电力转化为氢气的设备和能够将氢气转化为电力的设备实现氢气和电力的转化，以实现充电和加注氢气的分配。

本发明提供的能够同时或单独充电和加氢的供应站和方法与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明提供的供应站具有动态调整可用氢气和电力比率的能力；

(2)本发明提供的供应站能够以电力或化学形式储存能源，满足燃料需求，且优化资本成本；

(3)本发明提供的供应站具有比电网连接更高的速率提供高压充电的能力；

(4)本发明采用的可重新配置分配技术以在多种条件下输送电力和氢气，以保持灵活性与不断改变的燃料标准的兼容性。

附图说明

图1是本发明提供的能够同时或单独充电和加氢的供应站的示意图。

附图标记说明

1-供电单元2-蓄电池系统

3-能够将电力转化为氢气的设备4-氢气存储系统

5-能够将氢气转化为电力的设备6-充电器

7-加氢机

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明第一方面提供一种能够同时或单独充电和加氢的供应站，如图1所示，该供应站包括：

供电单元1、蓄电池系统2、能够将电力转化为氢气的设备3、氢气存储系统4、能够将氢气转化为电力的设备5、充电器6和加氢机7；

其中，供电单元1与蓄电池系统2连通以输送电力；蓄电池系统2与能够将电力转化为氢气的设备3连通，以将蓄电池系统2提供的电力转化为氢气；能够将电力转化为氢气的设备3与氢气存储系统4连通，以将所述氢气存储于氢气存储系统4中；氢气存储系统4与能够将氢气转化为电力的设备4连通，以将氢气存储系统4提供的氢气转化为电力；充电器6与所述蓄电池系统2连通，用于对电动车辆充电；加氢机7与氢气存储系统4连通，用于对氢动力车辆加注氢气。

本发明所述的蓄电池系统2和氢气存储系统4分别为电力和氢气的存储单元，能够将电力转化为氢气的设备3和能够将氢气转化为电力的设备5是氢气和电力互相转换的单元，充电器6和加氢机7分别将电力和氢气输送至电动车辆和氢动力车辆。

根据本发明的一种具体实施方式，当供电单元1和/或蓄电池系统2提供的电力与电动车辆不完全匹配时，例如电压或电流过低或过高，可以采用充电器6对电力进行转化，以适用于电动车辆。

根据本发明的一种具体实施方式，当氢气存储系统4提供的氢气与氢动力车辆不完全匹配时，例如流量或压力过高或过低，可以采用加氢机7对氢气进行处理，以适用于氢动力车辆。

本发明对所述电动车辆和氢动力车辆没有特别的限定，所述电动车辆可以为本领域常规使用的各种通过电力驱动的车辆，所述氢动力车辆可以为本领域常规使用的各种通过氢气驱动的车辆。

根据本发明的一种优选实施方式，供电单元1与能够将电力转化为氢气的设备3连通以提供能够将电力转化为氢气的设备3所需的电力。供电单元1提供的电力作用于能够将电力转化为氢气的设备3，将电力转化氢气。采用该种优选实施方式，当氢气需求量较大时，可以采用能够将电力转化为氢气的设备3将供电单元1提供的电力转化为氢气为氢动力车辆加注氢气，当氢气需求量小时，可以将转化的氢气存储于氢气存储系统4中。

根据本发明的一种优选实施方式，供电单元1与充电器6连通以对电动车辆充电。采用该种优选实施方式，供电单元1直接通过充电器6为电动车辆进行充电。电动车辆的电力来源可以为蓄电池系统2，还可以为供电单元1。

根据本发明的一种优选实施方式，能够将氢气转化为电力的设备5与蓄电池系统2和/或充电器6连通以对电动车辆充电。能够将氢气转化为电力的设备5可以与蓄电池系统2连通，还可以与充电器6连通，也可以是既和蓄电池系统2连通，又和充电器6连通。能够将氢气转化为电力的设备5将氢气存储系统4中存储的氢气转化为电力，输送至蓄电池系统2和/或充电器6为电动车辆充电。采用该种优选实施方式，在电动车辆充电高峰时期，电动车辆的电力来源可以为蓄电池系统2、供电单元1和能够将氢气转化为电力的设备5转换得到的电力，以满足需要高电压、短充电时间的长途电动车辆的需求，采用该种优选实施方式，降低了对蓄电池系统和供电单元的供能要求，相对于独立电动车辆供应站，具有更小的占地面积和投资成本。

根据本发明的一种优选实施方式，所述供电单元1为电力网。本发明对所述电力网的电压等级没有特别的限定，根据供应站的负荷以及车流量适当进行选择。优选地，所述电力网的电压为240-800v。

根据本发明提供的供应站，对所述能够将电力转化为氢气的设备3没有特别的限定，可以为本领域常规使用的各种能够将电力转化为氢气的设备，例如，所述能够将电力转化为氢气的设备3为电解槽和/或可逆式燃料电池，具体地，所述电解槽可以选自碱性电解槽、质子交换膜电解槽、固体氧化物电解槽和可逆式电解槽中的至少一种。电解槽和可逆式燃料电池均可以通过商购得到。

根据本发明提供的供应站，对所述能够将氢气转化为电力的设备5没有特别的限定，可以为本领域常规使用的各种能够将氢气转化为电力的设备，例如，所述能够将氢气转化为电力的设备5为燃料电池和/或可逆式电解槽，具体地，所述燃料电池选自质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池和可逆式燃料电池中的至少一种。燃料电池和可逆式电解槽均可以通过商购得到。

本发明提供的供应站有能力进行重新配置，具有动态调整可用氢气和电力比率的能力，以动态响应车辆需求。本发明提供的供应站能够以电力或化学形式储存能源，满足燃料需求，且通过分摊电力和氢气站的费用，优化资本成本。本发明提供的供应站可以将来自电力网的电力直接存储，也可以用于生成氢气进行储存，使供应站在非高峰期储存能量，这更有利于提高风力或太阳能发电的电力网的稳定性。本发明提供的供应站能够将氢气转化为电力使用，具有比电网连接更高的速率提供高压充电的能力。另外，本发明的另一个优势是具有可重构性，该供应站可以与新的燃油分配要求兼容，能源供应的可互换性意味着当使用新的分配设备进行改造时，该站不会受到能源供应的限制。

本发明第二方面提供一种能够同时或单独充电和加氢的方法，该方法包括：

采用蓄电池系统2为电动车辆充电，采用氢气存储系统4为氢动力车辆加注氢气；

采用能够将电力转化为氢气的设备3和能够将氢气转化为电力的设备5实现氢气和电力的转化，以实现充电和加注氢气的分配。

根据本发明提供的方法，蓄电池系统2提供的电力和氢气存储系统4提供的氢气通过能够将电力转化为氢气的设备3和能够将氢气转化为电力的设备5的转化，可以实现充电和加注氢气的分配。具体地，当氢气需求量大时，可以采用能够将电力转化为氢气的设备3，将蓄电池系统2提供的电力转化为氢气为氢动力车辆加注氢气，可以减少氢气存储系统4能量耗尽的风险，也降低了高峰期对氢气存储系统4的储氢量的要求；当电力需求量大时，可以采用能够将氢气转化为电力的设备5，将氢气存储系统4提供的氢气转化为电力为电动车辆充电，可以降低对蓄电池系统2的供能要求，相对于独立电动车辆供应站，具有更小的占地面积和投资成本。

根据本发明的一种优选实施方式，该方法还包括：采用电力网为蓄电池系统2和/或电动车辆充电。进一步优选地，当电力网和蓄电池系统2的输出电力不能满足电动车辆对电力的需求时，通过能够将氢气转化为电力的设备5将氢气存储系统4中的氢气转化为电力输送至蓄电池系统2和/或电动车辆。采用该种优选实施方式，降低了本发明提供的方法对蓄电池系统2和电力网的供能要求，相对于独立地为电动车辆提供电力的方法，本发明提供的方法可以使用具有更小的占地面积的蓄电池系统2。

所述电力网的电压如上所述，在此不再赘述。

根据本发明提供的方法，优选地，当输出氢气不能够满足氢动力车辆对氢气的需求时，通过能够将电力转化为氢气的设备3将蓄电池系统2和/或电力网提供的电力转化为氢气加注至氢动力车辆。当氢动力车辆的加注氢气高峰期时，氢气存储系统4中的氢气存在耗尽的风险，本发明提供的方法可以采用能够将电力转化为氢气的设备3将蓄电池系统2和/或电力网提供的电力转化为氢气，进而减低该风险。另外，该种优选实施方式降低了对于氢气存储系统4储氢量的要求，降低了设备投入。

根据本发明的一种优选实施方式，当不需要电力网为电动车辆充电时，采用电力网为蓄电池系统2充电。进一步优选地，当不需要为电动车辆充电时(即不需要电力网，也不需要蓄电池系统2为电动车辆充电时)，采用电力网为蓄电池系统2充电。当电动车辆不在用电高峰期时，采用电力网为蓄电池系统2充电补充蓄电池系统2消耗的电力，而且这更有利于提高风力或太阳能发电的电力网的稳定性。

根据本发明的一种具体实施方式，本发明提供的方法还包括采用外部氢源(例如可以通过管拖车)为氢气存储系统4补充消耗的氢气。

根据本发明的一种优选实施方式，当氢气存储系统4能够满足氢动力车辆对于氢气的需求时，采用能够将电力转化为氢气的设备3将电力网提供的电力转化为氢气存储于氢气存储系统4中。采用该种优选实施方式，在非用氢高峰期，采用电力网通过能够将电力转化为氢气的设备3为氢气存储系统4补充消耗的氢气。该种优选实施方式更有利于提高风力或太阳能发电的电力网的稳定性。

根据本发明提供的方法，所述能够将电力转化为氢气的设备3和能够将氢气转化为电力的设备5的选择如上所述，在此不再赘述。

根据本发明的一种具体实施方式，该方法还包括：在电力输送至电动车辆之前，将电力转化为电动车辆适用级别；在氢气输送至氢动力车辆之前，将氢气转化为氢动力车辆适用级别。电力网和/或蓄电池系统2提供的电力可能与电动车辆不完全匹配，可以将电力转化为电动车辆适用级别，例如电压或电流过低或过高，可以采用充电器6对电力进行转化。氢气存储系统4提供的氢气与氢动力车辆不完全匹配时，可以将氢气转化为氢动力车辆适用级别，例如流量或压力过高或过低，可以采用加氢机7对氢气进行处理。

以下将通过具体示例对本发明进行详细描述。

供应站服务的车辆包括电动车辆(包括卡车和汽车)和氢动力车辆(包括卡车和汽车)。

充电的电力需求与以下因素有关：(1)供应站同时服务的电动车辆数量；(2)电动车辆电池的充电容量；(3)电动车辆的目标充电时间。例如，在30分钟内为电池容量为2600kwh的单台电动卡车充电需要5.2mw的电力；5分钟内为电池容量为100kwh的电动汽车充电需要1.2mw的电力。在电动车辆充电站中，电力将由电网提供的电力和现场电池存储提供的电力组合提供，现场电池存储将在非高峰充电需求期间充电。

加注氢气的需求量与以下因素有关：(1)供应站同时服务的氢动力车辆数量；(2)氢动力车辆的氢气储罐容量；(3)氢动力车辆的目标加注氢气时间。例如，一辆氢动力车辆的氢气储罐容量为100千克，加注氢气时间为30分钟的卡车需要200千克/小时的加氢量。一辆氢气储罐容量为5千克、加注氢气时间为5分钟的氢动力汽车需要60千克/小时的加氢量。在加氢站中，氢气在现场储存，氢气存储系统通过定期用外部氢源(例如可以通过管拖车)来补充。

单独设置的充电站的功率和氢气输送要求将由上述车辆需求来设定。

而本发明提供的组合供应站的优势在于，通过能够将氢气转化为电力的设备(例如燃料电池)的设置，提供补充电力，可以在组合工作站中降低电力网的峰值电力负荷；同样地，能够将电力转化为氢气的设备(例如电解槽)的设置可以部分满足氢的需求，在组合工作站中降低对现场氢气存储装置的要求，能够将电力转化为氢气的设备的电力由电力网或现场蓄电池系统提供。相对于独立的单个(ev或h2)加油站，峰值电力网功率负荷，现场电池存储要求，氢气输送速率要求和现场储氢容量要求均降低。

下表1列出了本发明提供的组合供应站和单独的ev充电站的数据计算。

表1

由表1可以看出，如果是单独的ev充电站需要32.8兆瓦的峰值功率消耗，采用10mw电力网连接时，ev充电站现场蓄电池系统需要30分钟的时间间隔达到22.8mwh的存储容量。本发明提供的组合供应站，采用10mw电力网连接，剩余的22.8mw由燃料电池和现场蓄电池系统组合提供，燃料电池分担50％的电池存储时，11.4mw的存储容量由燃料电池提供，供应站现场蓄电池系统仅需30分钟的时间间隔达到11.4mwh的存储容量。本发明提供的供应站可以将蓄电池系统存储需求从22.8mwh降低到11.4mwh。

该示例中，当供应站服务的车辆连续不断时(即每30分钟有4辆电动卡车和10辆电动汽车)，需要采用燃料电池直接补充蓄电池系统。而当供应站服务的车辆间歇驶来时，在非高峰时段，可以采用电力网和/或燃料电池为蓄电池系统充电。

当蓄电池系统运行30分钟，然后在30分钟停机周期内进行充电，蓄电池系统需要在30分钟停机周期内需要11.4mwh的存储容量，需要22.8mw(11.4mwh/0.5h)的功率才能完全充电。如果电力网提供10mw，则需要12.8mw的燃料电池容量。

当蓄电池系统运行30分钟，然后在60分钟停机周期内进行充电，蓄电池系统需要在60分钟停机周期内需要11.4mwh的存储容量，需要11.4mw(11.4mwh/1h)的功率才能完全充电。如果电力网提供10mw，则燃料电池的功率要求只有1.4mw。

燃料电池的功率可以根据具体供应站服务的车辆流量进行设计。

下表2列出了本发明提供的组合供应站和单独的h2加氢站的数据计算。

表2

由表2可以看出，如果是单独的h2加氢站需要1040kg/h的最高负荷，并且每30min加氢周期需要420kg(100×4+5×4)的储存容量以满足要求。

如果电力网可为电解装置(例如电解槽)提供动力，10mw电网连接可产生200千克/小时(50千瓦时/千克h2)的氢气。这意味着它可以补充大约一半的所需氢气。根据每天的加氢周期及其相对时间安排，使用电力网供电的电解槽可以减少所需的现场储罐尺寸或传输频率。例如，在30分钟的加氢周期和30分钟的停机周期内(在24小时内总共24次加氢周期)，电解槽可以提供200千克/小时(如果在加氢和关机期间都运行)。这意味着氢气每小时净耗尽量为220(420-200)千克/小时。这比独立h2站的h2耗尽率略高一半。在这种情况下，24小时期间所需的独立h2站的罐体尺寸为10080千克(24小时×420千克/小时)，组合供应站所需的罐体尺寸为5280千克(24小时×220千克/小时)。

本发明提供的供应站和方法能够根据电动车辆和氢动力车辆的需求实现动态调整，相较于现有技术提供的供应站和方法，可以减少设备投资，减轻了应用过程中蓄电池系统的储电量和氢气存储系统的储氢量的限制。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。