电解制氢耦合氢燃料电池的储能系统及方法

技术领域

本申请涉及电解制氢储能技术，尤其涉及一种电解制氢耦合氢燃料电池的储能系统及方法。

背景技术

氢能是理想的清洁二次能源，用可再生能源制氢，用储氢材料储氢，用氢燃料电池车发电，将构成“净零排放”可持续利用的氢能系统，构建基于清净能源转换成为氢能源的“氢能社会”，成为可再生能源之外实现“深度脱碳”的重要路径。

氢能基础设施尤其是氢气生产和储运以及应用场景单一，是制约“氢能社会”普及推广的主要因素。在很大程度上限制了氢能经济的规模化，制约了“氢能社会”的普及发展。氢能利用的相关基础设施的布局能否快速实施，其实又取决于应用场景的多元化。氢能在交通运输、冶金、发电等领域的应用在快速推进中，作为全社会用能基本单位的家庭和商用单位，尚有巨大的应用空间有待开发，而燃料电池和储能系统能够实现稳定的电能和热能供给，满足家用、商用的电能和热能需求，是实现“氢能社会”和“碳中和”的必经途径。因此，为实现“氢能社会”和“碳中和”，需要将氢能耦合燃料电池进行储能。

发明内容

本申请提供一种电解制氢耦合氢燃料电池的储能系统及方法，用以将氢能耦合燃料电池进行储能，从而实现“氢能社会”和“碳中和”。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：

第一方面，本申请提供一种电解制氢耦合氢燃料电池的储能系统，包括制氢组件、氢燃料电池和发电组件；

所述制氢组件包括通过第一管道依次连通的储水箱、电解槽、气液分离器和储氢罐；所述储氢罐上设置有氢气出口；

所述氢燃料电池的阳极通过第二管道与所述氢气出口连通，所述第二管道上连通有第三管道，所述第三管道远离所述第二管道的一端连接有加氢装置；

所述储能组件的充电端通过导线与所述氢燃料电池的电能输出端电连接，所述储能组件的放电端用于连接待充电终端。

可选的，所述储水箱与所述电解槽之间的所述第一管道上设置有水泵。

可选的，所述储水箱上设置有注水口和液位传感器。

可选的，所述电解槽的氧气出口通过第四管道连通在所述储水箱上，所述第四管道上设置有温度传感器。

可选的，所述气液分离器的底部设置有出液口，所述出液口通过第五管道连通在所述水泵与所述电解槽之间的所述第一管道上，所述第五管道上设置有第一单向阀。

可选的，所述气液分离器与所述储氢罐之间的所述第一管道上依次设置有第二单向阀和流量传感器。

可选的，所述储氢罐上设置有压力传感器和安全阀。

可选的，所述储氢罐的底部连通有第六管道，所述第六管道远离所述储氢罐的一端连通在所述水泵与所述第五管道的一端之间的所述第一管道上，所述第六管道上设置有第三单向阀。

可选的，所述第二管道上设置有第一电磁阀和电动调压阀，所述第三管道上设置有电磁阀和阻火器。

第二方面，本申请提供一种电解制氢耦合氢燃料电池的储能方法，应用于上述所述的电解制氢耦合氢燃料电池的储能系统，所述方法包括：

通过所述储水箱向所述电解槽供水，所述储水箱内的水经所述第一管道进入所述电解槽内；

通过所述电解槽对进入其内的水进行电解，所述电解槽内的水电解产生的氢气经所述第一管道输送至所述气液分离器内；

通过所述气液分离器对进入其内的氢气进行气液分离，经所述气液分离器分离后的氢气通过所述第一管道进入所述储氢罐内；

所述储氢罐内储存的氢气依次经所述氢气出口和所述第二管道进入所述氢燃料电池的阳极，氢气在所述氢燃料电池的阳极内发生化学反应并将化学能转换成电能；和/或，

所述储氢罐内储存的氢气依次经所述氢气出口和所述第二管道进入所述第三管道内，通过所述第三管道向所述加氢装置内通入氢气；

将所述氢燃料电池的电能依次经所述氢燃料电池的电能输出端、所述导线和所述储能组件的充电端输送给所述储能组件，通过所述储能组件给所述待充电终端充电。

1)本申请提供的电解制氢耦合氢燃料电池的储能系统，通过第一管道依次连通的储水箱、电解槽、气液分离器和储氢罐组成制氢组件，具体的，通过储水箱向电解槽内供水，水在电解槽内电解后产生的氢气进入气液分离器内，利用气液分离器对进入其内的氢气进行气液分离，目的是提高氢气的纯度，将气液分离后储存在储氢罐内的氢气通入氢燃料电池的阳极，氢气在氢燃料电池内发生化学反应将化学能转化为电能，再将氢染料电池内的电能输送给储能组件内，通过储能组件内储存的电能为待充电终端提供所需的电能，实现待充电终端的充电。另外，通过在第二管道上连通第三管道，并在第三管道远离第二管道的一端连接加氢装置，即可将储氢罐内储存的氢气提供给加氢装置，从而满足加氢装置所需要的氢气用量。本申请的结构简单，易于操作，且制得的氢气的纯度较高，制得的氢气不仅能够为待充电终端进行充电，还能够给加氢装置提供氢气，从而满足了家用、商用等对电能和热能的需求。

2)本申请提供的电解制氢耦合氢燃料电池的储能方法，通过电解水产生的氢气，并将电解水产生的氢气分别输送给氢燃料电池和加氢装置，其中，氢燃料电池内的氢气参与化学反应将化学能转化成电能，并将电能输送给储能组件，通过储能组件给待充电终端进行充电，从而为家庭和商业提供稳定用电，该方法很好地实现了清洁能源的普及应用，从而有利于快速推进“碳中和”进程和减少碳排放而保护环境。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的电解制氢耦合氢燃料电池的储能系统的结构框图；

图2为本申请另一实施例提供的电解槽的结构示意图；

图3为本申请另一实施例提供的氢燃料电池的结构示意图；

图4为本申请另一实施例提供的电解水制氢耦合氢燃料电池的储能方法的流程框图。

图中：101、储水箱；102、电解槽；103、气液分离器；104、储氢罐；200、氢燃料电池；201、储能组件；202、待充电终端；300、第一管道；301、水泵；302、第二单向阀；303、流量传感器；400、第五管道；401、第一单向阀；500、第六管道；501、第三单向阀；600、第二管道；601、第一电磁阀；602、电动调压阀；700、第三管道；701、加氢装置；702、第二电磁阀；703、阻火器；800、第四管道；801、温度传感器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，也属于本申请保护的范围。

由于现有的家用、商用氢能源系统，如日本等国的ENE-FARM等，通过天然气重整的方式产生氢气发电，供家庭和商用的电热联产系统，存在仍旧是化石能源作为气源、系统完备性不足、集成度不高等问题。基于上述问题，本申请提出了一种电解制氢耦合氢燃料电池的供电系统及方法，具体如下：

参考图1至图3，本申请提供一种电解制氢耦合氢燃料电池的储能系统，包括制氢组件、氢燃料电池200和储能组件201；其中，通过制氢组件制备氢气，经制氢组件制得的氢气输送至氢燃料电池200内，氢气在氢燃料电池200内发生化学反应将化学能转化为电能，将将电能输送给储能组件201并储存在储能组件201内。

制氢组件包括通过第一管道300依次连通的储水箱101、电解槽102、气液分离器103和储氢罐104；储氢罐104上设置有氢气出口；其中，储水箱101内装有纯水，储水箱101上设置有出水口，通过储水箱101提供电解槽102电解所需要的水，储水箱101内的水经其上的出水口和第一管道300进入电解槽102内，水在电解槽102内电解后产生的氢气经第一管道300进入气液分离器103内，气液分离器103对进入其内的氢气进行气液分离，气液分离后的氢气经第一管道300进入储氢罐104内，储氢罐104对进入其内的氢气进行储存，通过气液分离器103的使用提高了氢气的纯度。如图2所示，电解槽102内填充有电解液，且设置有正极和负极，水在电解液电解的作用下在正极生成氧气，在负极生成氢气。

氢燃料电池200的阳极通过第二管道600与氢气出口连通，第二管道600上连通有第三管道700，第三管道700远离第二管道600的一端连接有加氢装置701；其中，将气液分离后储存在储氢罐104内的氢气通入氢燃料电池200的阳极，氢气在氢燃料电池200内发生化学反应将化学能转化为电能，再将氢燃料电池200内的电能输送给储能组件201内；另外，通过在第二管道600上连通第三管道700，并在第三管道700远离第二管道600的一端连接加氢装置701，即可将储氢罐104内储存的氢气提供给加氢装置701，从而满足加氢装置701所需要的氢气用量。储能组件201的充电端通过导线与氢燃料电池200的电能输出端电连接，储能组件201的放电端用于连接待充电终端202。通过储能组件201内储存的电能为待充电终端202提供所需的电能，实现待充电终端202的充电；其中，储能组件201为直流可调电源，待充电终端202可以为家用、商用等用电设备，例如，手机，饮水机等。加氢装置是指生活中需要用到氢气的装置，以实验室需要用到的氢气还原反应装置为例，加氢装置可以为氢气还原氧化铜的反应装置。如图3所示，氢燃料电池200包括阳极、阴极、质子交换膜，进入其内的氢气与进入其内的空气中的氧气发生化学反应，将化学能转换成电能，氢燃料电池200的具体结构以及原理也可参见现有技术，本申请在此不对氢燃料电池200的具体结构以及原理作进一步阐述。

可选的，本申请中的电解制氢耦合氢燃料电池的储能系统还包括PLC，其中，PLC与电解槽102、氢燃料电池200和储能组件201电连接；具体的，通过PLC控制电解槽102的电解过程、氢燃料电池200发生化学反应的过程以及储能组件201的储能过程。PLC的规格和型号可根据实际需要进行选购，因此，本申请在此不对PLC的规格和型号作具体限定。

本申请提供的电解制氢耦合氢燃料电池的储能系统，通过第一管道300依次连通的储水箱101、电解槽102、气液分离器103和储氢罐104组成制氢组件，具体的，通过储水箱101向电解槽102内供水，水在电解槽102内电解后产生的氢气进入气液分离器103内，利用气液分离器103对进入其内的氢气进行气液分离，目的是提高氢气的纯度，将气液分离后储存在储氢罐104内的氢气通入氢燃料电池200的阳极，氢气在氢燃料电池200内发生化学反应将化学能转化为电能，再将氢燃料电池200内的电能输送给储能组件201内，通过储能组件201内储存的电能为待充电终端202提供所需的电能，实现待充电终端202的充电；另外，通过在第二管道600上连通第三管道700，并在第三管道700远离第二管道600的一端连接加氢装置701，即可将储氢罐104内储存的氢气提供给加氢装置701，从而满足加氢装置701所需要的氢气用量。本申请的结构简单，易于操作，且制得的氢气的纯度较高，制得的氢气不仅能够为待充电终端202进行充电，还能够给加氢装置701提供氢气，从而满足了家用、商用等对电能和热能的需求。

在一些实施例中，参考图1，本申请中的储水箱101与电解槽102之间的第一管道300上设置有水泵301。其中，水泵301提供了储水箱101内的水经储水箱101的出水口、储水箱101与电解槽102之间的第一管道300和电解槽102的进水口进入电解槽102内的输送动力，使得储水箱101内的水可以快速进入电解槽102内，提高了水的输送效率。

在一些实施例中，本申请中的储水箱101上设置有注水口和液位传感器。其中，注水口上设置有密封塞，打开注水口上的密封塞，通过注水口向储水箱101内补水，当向储水箱101内补水结束后，将密封塞堵设在注水口上，通过储水箱101上的液位传感器实时检测储水箱101内的液位情况，便于及时向储水箱101内补水，进而确保了电解水制氢过程的连续性，提高了制氢的效率。液位传感器的规格和型号可根据实际需要进行选购，本申请在此不对液位传感器的规格和型号作进一步限定。

在一些实施例中，参考图1，本申请中的电解槽102的氧气出口通过第四管道800连通在储水箱101上，第四管道800上设置有温度传感器801。其中，电解槽102在电解过程中产生氢气和氧气，电解槽102内的氧气依次经电解槽102的氧气出口、第四管道800进入储水箱101内，由于氧气难溶于水，因此，进入储水箱101内的氧气中夹杂有水分，通过第四管道800上的温度传感器801实时检测从电解槽102出来的气液混合物(氧气和水)的温度，便于实时掌握电解槽102的电解温度，通过电解槽102的温度在56～60℃之间，当温度传感器801检测到的温度值超过这一温度范围时，温度传感器801会发出报警提示，提高了电解槽102电解过程的安全性。

在一些实施例中，参考图1，本申请中的气液分离器103的底部设置有出液口，出液口通过第五管道400连通在水泵301与电解槽102之间的第一管道300上，第五管道400上设置有第一单向阀401。其中，经气液分离器103分离后的水依次经气液分离器103的出液口、第五管道400和水泵301与电解槽102之间的第一管道300进入电解槽102内，继续发生电解，提高了水的利用率，而第五管道400上的第一单向阀401使得气液分离器103内的水流入储水箱101与电解槽102之间的第一管道300内，而储水箱101与电解槽102之间的第一管道300内的水不会进入气液分离器103内，确保了气液分离器103内氢气的纯净度，也降低了气液分离器103的分离压力。

在一些实施例中，参考图1，本申请中的气液分离器103与储氢罐104之间的第一管道300上依次设置有第二单向阀302和流量传感器303。其中，第二单向阀302的作用是确保经气液分离器103分离后的氢气进入储氢罐104内，而储氢罐104内储存的氢气不会回流至气液分离器103内，确保了储氢罐104内储存的氢气的纯度，通过气液分离器103与储氢罐104之间的第一管道300上的流量传感器303可以实时计量从气液分离器103进入储氢罐104内的氢气的流量多少，便于掌握储氢罐104内氢气的储存量。

上述实施例中的流量传感器303可根据实际需要进行购买，本申请在此不对流量传感器303的型号和规格作进一步限定。

在一些实施例中，本申请中的储氢罐104上设置有压力传感器和安全阀。其中，安全阀属于自动阀类，是启闭件受外力作用下处于常闭状态，当设备或管道内的介质压力升高超过规定值时，通过向系统外排放介质来防止管道或设备内介质压力超过规定数值的特殊阀门。具体的，通过压力传感器实时检测储氢罐104内的压力情况，当储氢罐内的压力较大时，安全阀打开，通过安全阀将储氢罐104内的部分压力释放掉，确保了储氢罐104储存过程的安全性，同时也对人身安全起重要的保护作用。

上述实施例中，压力传感器和安全阀的型号和规格可根据实际需要进行购买，本申请在此不对其作具体限定。

在一些实施例中，参考图1，本申请中的储氢罐104的底部连通有第六管道500，第六管道500远离储氢罐104的一端连通在水泵301与第五管道400的一端之间的第一管道300上，第六管道500上设置有第三单向阀501。其中，在气液分离器103对氢气中含有的水分分离不完全的情况下，进入储氢罐104内的氢气仍含有一部分水，由于氢气是世界上已知的最轻的气体，它的密度非常小，只有空气的1/14，且难溶于水，因此，储氢罐104内储存的氢气在储氢罐104的上部，而储氢罐104内的水可通过第六管道500进入储水箱101与电解槽102之间的第一管道300内，最终流入电解槽102内的水再次经电解槽102电解产生氢气，不仅提高了储氢罐104内氢气的纯度，同时还提高了水的利用率；另外，第六管道500上的第三单向阀501可以使得储氢罐104内的水单向流入储水箱101与电解槽102之间的第一管道300内，而储水箱101与电解槽102之间的第一管道300内的水不会回流至储氢罐104内，提高了储氢罐104内氢气的纯度。

在一些实施例中，参考图1，本申请中的第二管道600上设置有第一电磁阀601和电动调压阀602，第三管道700上设置有第二电磁阀702和阻火器703。其中，根据氢燃料电池200的实际需要，打开第二管道600上的电动调压阀602，通过调节电动调压阀602的开度调节从储氢罐104进入氢燃料电池200的阳极内的氢气的压力，使得进入氢燃料电池200的阳极内的氢气可以最大程度的将化学能转化为电能；打开第三管道700上的第二电磁阀702可将储氢罐104内的氢气通入加氢装置701内，阻火器703是用来阻止易燃气体和易燃液体蒸汽的火焰蔓延的安全装置，因此，第三管道700上的阻火器703避免了第三管道700内的氢气发生燃烧的风险，提供了储氢罐104向加氢装置701提供氢气的过程的安全性。

本申请提供的电解制氢耦合氢燃料电池的储能系统的具体使用原理如下：

打开储水箱101与电解槽102之间的第一管道300上的水泵301，储水箱101内的水经储水箱101与电解槽102之间的第一管道300流入电解槽102内，电解槽102内的水电解后产生的氢气经电解槽102与气液分离器103之间的第一管道300进入气液分离器103内，经气液分离器103分离后的氢气经气液分离器103与储氢罐104之间的第一管道300进入储氢罐104内，其中，气液分离器103分离后的水分依次经气液分离器103的底部、第五管道400和储水箱101与电解槽102之间的第一管道300进入电解槽102内，储氢罐104内的水依次经其底部、第六管道500和储水箱101与电解槽102之间的第一管道300进入电解槽102内，储氢罐104内储存的氢气经第二管道600进入氢燃料电池200内，氢气在氢燃料电池200内发生化学反应将化学能转化为电能，氢燃料电池200通过导线与储能组件201连接，通过储能组件201对电能进行存储，根据待充电终端202的需电量通过储能组件201向待充电终端202充电；另外，根据加氢装置701所需的氢气用量，将储氢罐104内储存的氢气依次经第二管道600和第三管道700通入加氢装置701内。

参考图4，本申请提供一种电解制氢耦合氢燃料电池的储能方法，应用于上述电解制氢耦合氢燃料电池的储能系统，方法包括：

S901、通过储水箱101向电解槽102供水，储水箱101内的水经第一管道300进入电解槽102内；其中，通过储水箱101向电解槽102提供电解水制氢所需要的水。

S902、通过电解槽102对进入其内的水进行电解，电解槽102内的水电解产生的氢气经第一管道300输送至气液分离器103内；其中，从储水箱101进入电解槽102内的水在电解作用下发生电解生成氢气，且生成的氢气经电解槽102与气液分离器103之间的第一管道300进入气液分离器103内。

S903、通过气液分离器103对进入其内的氢气进行气液分离，经气液分离器103分离后的氢气通过第一管道300进入储氢罐104内；其中，气液分离器103对进入其内的氢气进行气液分离后，气液分离后的氢气依次经气液分离器103的出气口、第一管道300和储氢罐104的进气口进入储氢罐104内，通过储氢罐104对进入其内的氢气进行储存，便于后续氢气的利用，从而可以提高氢气的利用率。

S904、储氢罐104内储存的氢气依次经氢气出口和第二管道600进入氢燃料电池200的阳极，氢气在氢燃料电池200的阳极内发生化学反应并将化学能转换成电能；和/或，储氢罐104内储存的氢气依次经氢气出口和第二管道600进入第三管道700内，通过第三管道700向加氢装置701内通入氢气；其中，将储氢罐104内的氢气输送给氢燃料电池200，氢气在氢燃料电池200内发生化学反应，将化学能转化成电能，提高氢能的利用率；另外，在储氢罐104上的氢气出口与氢燃料电池200的阳极之间的第二管道600上连通第三管道700，第三管道700远离第二管道600的一端连通加氢装置701，根据加氢装置701所需的加氢量向加氢装置701内提供所需量的氢气。

S905、将氢燃料电池200的电能依次经氢燃料电池200的电能输出端、导线和储能组件201的充电端输送给储能组件201，通过储能组件201给待充电终端202充电。其中，将氢燃料电池200内的电能通过导线传输给储能组件201，通过储能组件201对由氢能转化而成的电能进行储存，根据待充电终端202的需要，通过储能组件201向待充电终端202实时充电。

本申请提供的电解制氢耦合氢燃料电池的储能方法，通过电解水产生的氢气，并将电解水产生的氢气分别输送给氢燃料电池200和加氢装置701，其中，氢燃料电池200内的氢气参与化学反应将化学能转化成电能，并将电能输送给储能组件201，通过储能组件201给待充电终端202进行充电，从而为家庭和商业提供稳定用电，该方法很好地实现了清洁能源的普及应用，从而有利于快速推进“碳中和”进程和减少碳排放而保护环境。

最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。