一种适用于宽功率波动的高效率制氢系统

技术领域

本发明涉及水电解制氢技术领域，尤其涉及一种适用于宽功率波动的高效率制氢系统。

背景技术

氢能是一种理想的二次能源，与其他能源相比，氢热值高，且燃烧产物为水，是最环保的能源，氢能被认为是未来人类社会的终极能源。氢储能技术被认为是解决可再生能源消纳难题的有效途径，通过可再生能源发电制氢过程可以有效实现低碳制氢、绿色制氢。

但由于电解水过程能耗较高且由于风电、光伏等电源的波动性，因此对电解水制氢系统的耐功率波动范围和系统控制提出了更高的要求，另外可再生能源制氢目前还存在成本较高、经济性较差、系统配置困难、能量利用率低以及能源管理等问题。此外，电解槽运行过程会伴随产生大量余热，目前工业用碱性和纯水电解槽均是通过电解液的流动将热量带出，并通过多级冷却的方式实现温度控制及系统的稳定运行，如何实现高适应性、匹配性、经济性的高效率制氢成为目前的应用难题。

申请公布号为CN 108486596 A的专利公开了一种风电电解水制氢系统，包括风机系统、水电解制氢系统、电解用水供给系统、气/液分离干燥提纯系统、碱液循环系统和储氢罐；电流从风机系统电源的正极流出后，首先经过多路开关，然后从电解槽的某一双极板上的触点或第二端单极板流入，电解槽中的部分或全部电解小室接通电源的正极，之后经第一端单极板后流回风机系统电源的负极形成回路。该方案通过分解电解槽的工作模组数量来应对风电的波动性，但具体实施过程会有较多技术难题。因此，如何设计一种具有宽功率波动适用性、高系统稳定性，以及高效节约的电解水制氢系统是需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于宽功率波动的高效率制氢系统，解决背景技术中现有水电解制氢系统无法有效应对功率波动以及余热利用回收的问题。

本发明提供了一种适用于宽功率波动的高效率制氢系统，包括供电装置、电源模块、功率预测模块和至少一组电解制氢模组；

功率预测模块与供电装置连接，用以监测供电装置的功率、预测供电装置的发电量以及为电解制氢模组的制氢控制提供功率数据支撑；供电装置通过电源模块与电解制氢模组连接，用以电解制氢模组供电；

所述电解制氢模组包括并列设计碱性电解槽模块、纯水电解槽模块和SOEC电解模块；

碱性电解槽模块的出氢口连接第一氢分离器，第一氢分离器的输出端连接第一氢缓冲罐，碱性电解槽模块电解产生的氢气依次经第一氢分离器分离和第一氢缓冲罐后输出；

碱性电解槽模块的出氧口连接第一氧分离器，第一氧分离器的输出端连接第一氧缓冲罐，碱性电解槽模块电解产生的氧气依次经第一氧分离器分离和第一氧缓冲罐后输出；

纯水电解槽模块的出氢口连接第二氢分离器，第二氢分离器的输出端连接第二氢缓冲罐；纯水电解槽模块电解产生的氢气依次经第二氢分离器分离和第二氢缓冲罐后输出；

纯水电解槽模块的产氧出连接第二氧分离器，第二氧分离器的输出端连接第二氧缓冲罐；纯水电解槽模块电解产生的氧气依次经第二氧分离器分离和第二氧缓冲罐后输出；

SOEC电解模块的出氢口连接第三氢分离器，第三氢分离器的输出端连接第三氢缓冲罐；SOEC电解模块产生的氢气依次经第三氢分离器分离和第三氢缓冲罐后输出。

进一步地，碱性电解槽模块包括多组串联和/或并联的碱性电解槽，多组串联和/或并联的碱性电解槽的出氢口一同汇集至第一氢分离器；纯水电解槽模块包括多组串联和/或并联的纯水电解槽，多组串联和/或并联的纯水电解槽一同汇集至第二氢分离器。

进一步地，电解制氢模组包括换热模块，换热模块包括第一换热器和第二换热器；

第一氢分离器和第一氧分离器的碱性电解液出口通过第一换热器连通碱性电解模块，第一换热器用以碱性电解液换热及循环利用；

第二氢分离器和第二氧分离器的电解水出口通过第二换热器连通纯水电解模块，用以纯水电解水换热及循环利用。

进一步地，第一换热器设有多级换热介质接口，多组电解制氢模组的第一换热器之间依次连通，通过管道依次连通各自的换热介质接口；

第一组电解制氢模组的第一换热器的换热介质接口通过管道连通第二组电解制氢模组的第一换热器的换热介质接口，第二组电解制氢模组的第一换热器的换热介质接口再通过管道连通第三组电解制氢模组的第一换热器的换热介质接口；依此类推，直至连通至最后一组电解制氢模组的第一换热器。

进一步地，第二换热器设有多级换热介质接口，多组电解制氢模组的第二换热器之间依次连通，通过管道依次连通各自的换热介质接口。

第一组电解制氢模组的第二换热器的换热介质接口通过管道连通第二组电解制氢模组的第二换热器的换热介质接口，第二组电解制氢模组的第二换热器的换热介质接口再通过管道连通第三组电解制氢模组的第二换热器的换热介质接口；依此类推，直至连通至最后一组电解制氢模组的第二换热器。

进一步地，电解制氢模组包括气体检测单元，气体检测单元包括压力检测单元和气体纯度检测单元；第一氢缓冲罐、第二氢缓冲罐和第三氢缓冲罐、第一氧缓冲罐、第二氧缓冲罐和第三氧缓冲罐中均设有压力检测单元，压力检测单元用以监测气体压力；

气体纯度检测单元包括第一气体纯度检测单元和第二气体纯度检测单元；第一氢缓冲罐、第二氢缓冲罐和第三氢缓冲罐的氢气出口均设有第一气体纯度检测单元，第一气体纯度检测单元用以检测氢气纯度；第一氧缓冲罐、第二氧缓冲罐和第氧氢缓冲罐的氧气出口均设有第二气体纯度检测单元，第二气体纯度检测单元用以检测氧气纯度。

进一步地，压力检测单元为压力变送器；第一气体纯度检测单元为第一气体分析仪，第二气体纯度检测单元为第二气体分析仪。

进一步地，电解制氢模组包括第一加热单元和第二加热单元；第一氢分离器和第一氧分离器内部或第一氢分离器和第一氧分离器的外壁设置有第一加热单元，第一加热单元用以碱性电解液的加热；

第二氢分离器和第二氧分离器内部或第二氢分离器和第二氧分离器的外壁设置有第二加热单元，第二加热单元用以纯水电解水的加热。

进一步地，第一氢分离器和第二氢分离器的纯水补液口设有补水装置；第一氧分离器和第二氧分离器的纯水补液口设有补水装置。

进一步地，供电装置包括电网供电装置、风力发电装置和光伏发电装置，电源模块包括整流变压器或高频开关电源，电网供电装置、风力发电装置和光伏发电装置分别通过整流变压器或高频开关电源连接碱性电解槽模块和纯水电解槽模块。

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明的适用于宽功率波动的高效率制氢系统，通过碱性电解槽模块、纯水电解槽模块和SOEC电解模块组合式的电解制氢配置，实现了功率的大范围调节，另外根据功率预测模块的预测输入的风/光电装置功率高低自动启动/停止电解槽模块，确保电解制氢模组保持在较佳的能量转化效率下工作，进一步提高制氢系统对风/光电的适应性，有效应对制氢系统的功率波动；同时避免采用单台大产气量制氢设备在低功率工况下的过度放热及高功率的承载能力问题，提高了总体能量利用效率。

附图说明

图1为本发明的适用于宽功率波动的高效率制氢系统的结构框图；

图2是图1中气体检测单元的结构示意图；

图3是图1中供电装置的供电示意图；

其中：1、风力发电装置，2、光伏发电装置，3、电源模块，4、功率预测模块，5、电解制氢模组，6、碱性电解槽模块，7、纯水电解槽模块，8、SOEC电解模块，9、第二氢分离器，10、第二氧分离器，11、第一氢缓冲罐，12、第一氧缓冲罐，13、碱液换热器，14、纯水换热器，15、气体检测单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1至图3，本发明的一种适用于宽功率波动的高效率制氢系统，包括供电装置、电源模块3、功率预测模块4和至少一组电解制氢模组5；

功率预测模块与供电装置连接，用以监测供电装置的功率、预测供电装置的发电量以及为电解制氢模组的制氢控制提供功率数据支撑；功率预测模块通过检测供电装置的运行状态提供未来一段时间的风力发电、光伏发电功率曲线，为制氢控制提供功率数据支撑。

供电装置通过电源模块与电解制氢模组连接，用以电解制氢模组供电；

所述电解制氢模组包括并列设计碱性电解槽模块6、纯水电解槽模块7和SOEC电解模块8；

碱性电解槽模块的出氢口连接第一氢分离器，第一氢分离器的输出端连接第一氢缓冲罐11，碱性电解槽模块电解产生的氢气依次经第一氢分离器分离和第一氢缓冲罐后输出；碱性电解槽模块的出氧口连接第一氧分离器，第一氧分离器的输出端连接第一氧缓冲罐12，碱性电解槽模块电解产生的氧气依次经第一氧分离器分离和第一氧缓冲罐后输出；

纯水电解槽模块的出氢口连接第二氢分离器9，第二氢分离器的输出端连接第二氢缓冲罐；纯水电解槽模块电解产生的氢气依次经第二氢分离器分离和第二氢缓冲罐后输出；纯水电解槽模块的产氧出连接第二氧分离器10，第二氧分离器的输出端连接第二氧缓冲罐；纯水电解槽模块电解产生的氧气依次经第二氧分离器分离和第二氧缓冲罐后输出；

SOEC电解模块的出氢口连接第三氢分离器，第三氢分离器的输出端连接第三氢缓冲罐；SOEC电解模块产生的氢气依次经第三氢分离器分离和第三氢缓冲罐后输出。

本发明的适用于宽功率波动的高效率制氢系统，通过碱性电解槽模块、纯水电解槽模块和SOEC电解模块组合式的电解制氢配置，实现了功率的大范围调节，另外根据功率预测模块的预测输入的风/光电装置功率高低自动启动/停止电解槽模块，确保电解制氢模组保持在较佳的能量转化效率下工作，进一步提高制氢系统对风/光电的适应性，有效应对制氢系统的功率波动；同时避免采用单台大产气量制氢设备在低功率工况下的过度放热及高功率的承载能力问题，提高了总体能量利用效率。

供电装置包括电网供电装置、风力发电装置1和光伏发电装置2，电源模块3包括整流变压器或高频开关电源，电网供电装置、风力发电装置和光伏发电装置分别通过整流变压器或高频开关电源连接碱性电解槽模块和纯水电解槽模块。所述的风力发电装置采用直流或交流输出方式，整流变压器将风力发电装置输出的电解制氢模组所需电压的直流电。

作为一种可实施方式，碱性电解槽模块包括多组串联和/或并联的碱性电解槽，多组串联和/或并联的碱性电解槽的出氢口一同汇集至第一氢分离器；纯水电解槽模块包括多组串联和/或并联的纯水电解槽，多组串联和/或并联的纯水电解槽一同汇集至第二氢分离器。

这种多对一的气液分离器配置，一方面降低了使用成本；另一方面，当部分电解槽工作时，气液分离器(氢分离器)有足够的空间进行分离，增加了气液分离的时间和距离，有效提升气液分离效果。

电解制氢模组中碱性电解槽模块、纯水电解槽模块和SOEC电解模块独立设置，各电解槽模模块独立控制，组合式制氢；且各电解制氢模组也独立设置独立控制，各电解制氢模组以及各电解槽模块独立启停。可以根据产氢需求量以及功率的大小，增加或停止某些电解槽的产气，使得多个电解槽对应一个气液处理器(分离器)，最大化的提高气液处理器的使用效能。

作为一种可实施方式，电解制氢模组包括换热模块，换热模块包括第一换热器和第二换热器；第一氢分离器和第一氧分离器的碱性电解液出口通过第一换热器连通碱性电解模块，第一换热器用以碱性电解液换热及循环利用；第二氢分离器和第二氧分离器的电解水出口通过第二换热器连通纯水电解模块，用以纯水电解水换热及循环利用。

优选的，第一换热器设有多级换热介质接口，多组电解制氢模组的第一换热器之间依次连通，通过管道依次连通各自的换热介质接口；第一组电解制氢模组的第一换热器的换热介质接口通过管道连通第二组电解制氢模组的第一换热器的换热介质接口，第二组电解制氢模组的第一换热器的换热介质接口再通过管道连通第三组电解制氢模组的第一换热器的换热介质接口；依此类推，直至连通至最后一组电解制氢模组的第一换热器。

第二换热器设有多级换热介质接口，多组电解制氢模组的第二换热器之间依次连通，通过管道依次连通各自的换热介质接口。

第一组电解制氢模组的第二换热器的换热介质接口通过管道连通第二组电解制氢模组的第二换热器的换热介质接口，第二组电解制氢模组的第二换热器的换热介质接口再通过管道连通第三组电解制氢模组的第二换热器的换热介质接口；依此类推，直至连通至最后一组电解制氢模组的第二换热器。

第一换热器为碱液换热器13，第二换热器为纯水换热器14；碱性电解槽模块、纯水电解槽模块采用不同的换热器换热方式，充分发挥各自换热器的效能，同时相邻两碱性电解槽模块的两第一换热器之间实现管道连接，即碱液换热器AE1和AE2之间实现管道连接，当第一组电解制氢模组工作时，可通过管道实现AE2的提前预热，实现余热能量的回收高效利用，利于第二组电解制氢模组的快速工作，直到执行至所需工作的第j组电解制氢模组和换热器AEj。相邻两纯水电解槽模块的两第二换热器之间实现管道连接，即纯水换热器PE1和PE2间实现管道连接，当第一组电解制氢模组工作时，可通过管道实现PE2提前预热，实现余热能量的回收高效利用，利于第二组电解制氢模组的快速工作，直到执行至所需工作的第j组电解制氢模组和换热器PEj。

这种多级换热器之间管道连接共用实现电解过程余热的回收利用，提高制氢全过程的综合能量利用效率，且保证冷却水的出水温度可接近电解槽的工作温度，达到70～80℃左右，提高电解制氢效能。

作为一种可选实施例，电解制氢模组包括气体检测单元15，气体检测单元包括压力检测单元和气体纯度检测单元；第一氢缓冲罐、第二氢缓冲罐和第三氢缓冲罐、第一氧缓冲罐、第二氧缓冲罐和第三氧缓冲罐中均设有压力检测单元，压力检测单元用以监测气体压力；

第一氢缓冲罐、第二氢缓冲罐和第三氢缓冲罐的氢气出口均设有第一气体纯度检测单元，第一气体纯度检测单元用以检测氢气纯度；第一氧缓冲罐、第二氧缓冲罐和第氧氢缓冲罐的氧气出口均设有第二气体纯度检测单元，第二气体纯度检测单元用以检测氧气纯度。

优选的，压力检测单元为压力变送器；第一气体纯度检测单元为第一气体分析仪，第二气体纯度检测单元为第二气体分析仪。第一气体分析仪和第二气体分析仪分别检测氢/氧缓冲罐出口氢气中氧气的含量和氧气中氢气的含量。各氢/氧缓冲罐中单独设置气体检测单元，确保在碱性电解槽模块和纯水电解槽模块的氢、氧出口侧合并前进行纯度检测验证，有效避免宽功率运行期间的气体输出口纯度差的问题，以及确保多电解槽独立工作时的系统安全性。

作为一种可实施例，电解制氢模组包括第一加热单元和第二加热单元；第一氢分离器和第一氧分离器内部或第一氢分离器和第一氧分离器的外壁设置有第一加热单元，第一加热单元用以碱性电解液的加热；第二氢分离器和第二氧分离器内部或第二氢分离器和第二氧分离器的外壁设置有第二加热单元，第二加热单元用以纯水电解水的加热。第一加热单元和第二加热单元优选购买的电加热设备。电加热设备加热循环电解液和电解水，实现电解液和电解水温度的恒定控制。

第一氢分离器和第二氢分离器的纯水补液口设有补水装置；第一氧分离器和第二氧分离器的纯水补液口设有补水装置。补水装置为现有的补水设备，用以氢/氧分离器的补水。

本申请制氢系统的一具体制氢应用：

风电或光伏作为电源经过整流变压器或高频开光电源转换为可用于电解水的直流电，电解槽采用碱性电解水电解槽，总制氢规模为400Nm3/h(功率调节范围为10～150％)，可设计为产氢量为并联或串联的多组电解槽，最大产气量为600Nm3/h，总产气量范围为80～600Nm3/h，设备运行控制如下：

1)产气量0～120Nm3/h

1#电解槽单独运行，通过优化调整工艺参数满足稳定运行的条件，使气体指标达标(纯度和露点)

2)产气量120Nm3/h～400Nm3/h

当系统输入能量处于上述范围内时，优先保证1#电解槽运行，逐步开启2#电解槽并保证运行负荷至40Nm3/h，并逐步增减1#电解槽运行负荷，当1#电解槽运行负荷到达200Nm3/h时，逐步增加2#电解槽运行负荷。

当运行负荷下降时，优先逐步降低2#电解槽负荷至40Nm3/h，当1#电解槽负荷至120Nm3/h时停机2#电解槽，由1#电解槽单独控制。

3)产气量400Nm3/h～600Nm3/h

当系统输入能量>400Nm3/h时，由1#和2#电解槽共同消纳宽功率波动，并自动匹配接近的电流大小。1#和2#电解槽均为碱性电解槽。

当运行负荷下降＜400Nm3/h，优先逐步降低2#电解槽负荷至220Nm3/h，当1#电解槽负荷至120Nm3/h时，由2#电解槽负荷逐步降至120Nm3/h，由1#继续参与调节，并参照步骤2过程进行调节。

以上运行过程中，根据功率预测模块，提前开启第j个换热器模块，实现设备的快速启动控制，同时当换热功率不足时，可通过分离器外部加热装置加热循环碱液，实现温度的恒定控制，对碱性设备的特性，优选的保持碱液温度在40～60℃之间。

本申请制氢系统的另一具体制氢应用：

PEM+ALK耦合运行的技术方案，风电或光伏作为电源经过整流变压器或高频开光电源转换为可用于电解水的直流电，考虑依据产气量(输入功率转换)分档调节，制氢部分包含2×200Nm3/h碱性制氢设备和1台100Nm3/h纯水制氢设备。两台碱性电解槽分别为1#和2#电解槽。

1)产气量0～100Nm3/h

PEM制氢单独运行，但系统输入能量>100Nm3/h时，PEM保持运行，开启1#电解槽低功率运行。

2)产气量100Nm3/h～300Nm3/h

当系统输入能量处于上述范围内时，优先保证1#电解槽运行，逐步降低纯水电解槽运行负荷到20Nm3/h，当1#电解槽运行负荷到达220Nm3/h时，逐步增加纯水电解槽运行负荷。

当运行负荷下降时，优先逐步降低纯水电解槽负荷至40Nm3/h，当1#电解槽负荷至40Nm3/h时停机，由PEM电解槽单独控制。

3)产气量300Nm3/h～600Nm3/h

当系统输入能量>300Nm3/h时，启动2#电解槽低负荷运行，同理逐步降低纯水电解槽运行负荷到20Nm3/h，由1#和2#电解槽消纳宽功率波动。

当运行负荷下降时，优先逐步降低纯水电解槽负荷至40Nm3/h，1#电解槽负荷保持在220Nm3/h时，当2#电解槽负荷至40Nm3/h时停机，由PEM和1#电解槽参与系统控制。纯水电解槽可以实现快速的启动响应。

需要说明的是，本发明的制氢系统还包括控制器，控制器中包含有控制系统，控制系统参照现有技术常规设置，控制器与电解槽、调节回路的调节阀、温度监测回路的温度计、水质监测回路的电导率测试仪、循环泵和流量计都电性连接；控制器用以获取温度计、流量计、电导率测试仪的监测信号，并控制电解槽、循环泵以及系统管路中阀门的运转；系统管路中的阀门包括但不限于调节阀和单向阀。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。