一种多能源式制氢储能系统

技术领域

本发明涉及氢储能领域，更具体地说，涉及一种多能源式制氢储能系统。

背景技术

广义的氢储能是指把任意形式的能量转换成氢气的化学能，以氢气的形式进行存储。狭义的氢储能是指将太阳能、风能等清洁能源发出的电能或夜间电网的过剩电能，通过电解水制取氢气，通过储氢罐存储，之后由燃料电池发电技术等实现氢气的利用。

《中国氢能产业发展报告2020》预计，2050年，氢能在我国终端能源消费占比将达10％，国内氢燃料电池汽车保有量将达3000万辆，氢气需求量达6000万吨，我国进入氢能社会。

目前国内还缺乏氢储能运行、维护数据和成本核算方法，缺乏氢储能全生命周期的经济效益分析方法，导致运维成本难于评估；同时，氢能产业市场行情仍不够明晰，氢燃料电池汽车和加氢站的建设数量低于政策规划的预期数量，完全市场化运行之后，其发展情况和竞争力也缺乏有效评估；在技术方面，电解水和燃料电池的核心材料，如催化剂、离子交换膜和碳纸的国产化程度仍较低，成本较高，寿命不足，并且内部传热传质过程复杂，需要在基础材料和水热管理策略方面加大研发投入。

同时，在氢储能方面，制氢过程中氢气和氧气混在一起，会极大影响存储的效果，而且制氢过程中，需要用催化剂进行催化，而添加催化剂又可能导致制得的氢气和氧气泄漏，造成浪费。

为此，我们提出一种多能源式制氢储能系统来解决上述问题。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种多能源式制氢储能系统，可以实现能够利用现有发电模块在不影响电量正常供应的情况下，对电解水系统进行供电，从而有效、合理地利用发电量，避开用电量的高峰期，从而极大节约能耗，提高制氢效率，另外，通过隔板和活动板能够隔开氢氧，避免混杂，同时又能够自动补入催化剂，并且使得催化剂与纯水充分混合，从而提高制氢效果。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种多能源式制氢储能系统，包括中央模块、发电模块、供电模块：中央模块分别连接有发电量推定模块和用电量预测模块，发电量推定模块用于推定发电模块的发电量，用电量预测模块用于预测供电模块的用电量，发电模块还包括定量发电模块和变量发电模块，供电模块还连接有电解水系统，以电解水制氢储能。

通过发电模块和供电模块能够预测余裕电量多少，从而将余裕的电量用来进行电解水，不影响正常的供电，同时将电能制备成氢能，提高用电效率。

进一步的，中央模块包括比较模块、选取模块，比较模块用于比较定量发电模块的发电量和供电模块的用电量大小；

在定量发电模块的发电量小于供电模块的用电量时，选取模块选取部分变量发电模块和定量发电模块同时向供电模块供电，剩余变量发电模块向电解水系统供电；

在定量发电模块的发电量大于等于供电模块的供电量时，选取模块选取变量发电模块的发电量和多余部分的定量发电模块的发电量向电解水系统供电。

利用比较模块比较用电量和发电量的大小，这样在发电量大于用电量时，选取一定的发电量用来进行电解水制氢储能，另外，可以根据需要选取定量发电模块和变量发电模块，在保证供电稳定的基础上，最大效率地进行发电制氢储能，定量发电模块指发电量稳定的，比如火力发电，而变量发电模块则指发电量变化的设备，比如风力发电，这样优先供给用电设备定量发电模块的电量，保证设备的安稳运行。

进一步的，电解水系统包括电解箱，电解箱中安装有两个电接头，电接头贯穿电解箱的侧壁延伸至外部，且电解箱中设置有隔板，两个电接头分别位于隔板的两侧，电解箱上还安装有两个出气管，每个出气管位于一个电接头上方，电解箱的两侧还设置有收集箱，每个收集箱中均注入纯水，出气管的中部向下弯曲，且出气管的另一端分别延伸至一个收集箱的纯水中并与收集箱固定密封，每个收集箱的上端均连接有收集瓶。

在向电解水系统供电时，电接头通电，与电解箱中的水通电，开始电解氢气，而氢气和氧气产生时，位于不同的位置，并且采用隔板分开，这样能够避免氢气和氧气混合，不仅保存方便，而且更加安全，产生的氢气或者氧气能够经过出气管进入收集箱中，同时带给纯水一定的热量，而且能够受到纯水的过滤作用，除去部分杂质，而氢气或氧气就能够被收入不同的收集瓶中。

进一步的，隔板中设置有圆柱形的空腔，电解箱的上端侧壁还安装有电机，电机的动力轴延伸至空腔中，且与电解箱的侧壁固定密封，电机的动力轴连接有螺杆，螺杆的下端延伸至空腔的底部，空腔的侧壁还设置有进料管，进料管贯穿至电解箱外并设置有进料斗，进料管的下端倾斜设置，且进料管倾斜的角度大于45°，空腔的两侧内壁还设置有出料孔，出料孔向下倾斜，且出料孔位于与螺杆的上端平齐位置。

在注入新的纯水时，可以利用电机带动螺杆转动，而螺杆转动能够带动催化剂上升，催化剂沿着圆腔的内壁提升，从而经过出料孔排出，被撒入电解箱中，提高电解效率，同时随着圆腔底部催化剂的减少，进料斗中的催化剂能够沿着进料管下落进入圆腔中，以便能够向电解箱中送入更多的催化剂。

进一步的，螺杆的下端连接有转杆，转杆贯穿空腔并与空腔的内壁活动密封，转杆的下端固定连接有第一斜齿轮，电解箱的两侧内壁均转动连接有活动板，电解箱的底部设置有支杆，支杆的上端通过轴承连接有横杆，横杆上套设有两个第二斜齿轮，两个第二斜齿轮同时与第一斜齿轮啮合，横杆的两端均转动连接有摆动组件，摆动组件与活动板连接。

在螺杆转动时，带动转杆转动，转杆带动第一斜齿轮和第二斜齿轮转动，进而带动摆动组件控制摆动板来回摆动，这样在不使用时，摆动板能够与隔板配合，避免氢气和氧气混合，在投入催化剂时，可以使得催化剂更快地融入水中，混合均匀，从而提高混合效率。

进一步的，摆动组件包括圆盘，圆盘安装在横杆的一端，圆盘靠近活动板的侧壁固定连接有扭件，扭件位于圆盘远离中心的位置，活动板的侧壁还开设有收纳槽，扭件的一端延伸至收纳槽中。

横杆转动时，带动圆盘转动，圆盘带动扭件转动，扭转在收纳槽中移动，带动活动板沿着电解箱的内壁转动，这样活动板能够来回摆动，而在摆动的过程中，活动板能够带动水流动，这样使得催化剂更快融入水中。

进一步的，电接头位于电解箱中的部分呈蛇形盘旋设置，且电接头上还设置有螺旋片，螺旋片的外端设置倒角，这样设置能够使得水中的电接头与水的接触面积更大，电离的效果更加理想，制备的速度更快，而且通过螺旋片能够进一步增加接触面积，而且螺旋片能够吸附一定的水中杂质，保证电接头本身始终具有良好的电离效果。

进一步的，电解箱的上端侧壁开设有条形口，电解箱的上端设置有与条形口对应的导流槽，导流槽与条形口之间固定密封，且导流槽的内壁向中间倾斜，且导流槽采用阻燃材质，通过条形口和导流槽能够使得氢气更快地沿着管道进入收集箱中，而采用阻燃材质的导流槽能够进一步提高安全性。

进一步的，收集箱的侧壁连接有水管，电解水系统还包括回流泵，回流泵分别与两个水管连接，回流泵上还连接有回流管，回流管的另一端与电解箱连接，回流管和水管上均设有阀门，回流泵采用耐高温泵。电离产生的热量可以导入收集箱进而加热收集箱中的纯水，这样在需要更换纯水时，可以将收集箱中的纯水经过水管和回流管送入电解箱中，不仅能够提高电解的效率，而且对废热进行二次利用，节约能耗。

进一步的，第一斜齿轮和第二斜齿轮均采用合金材质，轴承采用合金或镀锌处理，这样保证第一斜齿轮、第二斜齿轮和轴承不会生锈，整个装置安全、耐用。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本方案在不影响电量正常供应的情况下，对电解水系统进行供电，从而有效、合理地利用发电量，避开用电量的高峰期，从而极大节约能耗，提高制氢效率，另外，通过隔板和活动板能够隔开氢氧，避免混杂，同时又能够自动补入催化剂，并且使得催化剂与纯水充分混合，从而提高制氢效果。

(2)利用比较模块比较用电量和发电量的大小，这样在发电量大于用电量时，选取一定的发电量用来进行电解水制氢储能，另外，可以根据需要选取定量发电模块和变量发电模块，在保证供电稳定的基础上，最大效率地进行发电制氢储能，定量发电模块指发电量稳定的，比如火力发电，而变量发电模块则指发电量变化的设备，比如风力发电，这样优先供给用电设备定量发电模块的电量，保证设备的安稳运行。

(3)在向电解水系统供电时，电接头通电，与电解箱中的水通电，开始电解氢气，而氢气和氧气产生时，位于不同的位置，并且采用隔板分开，这样能够避免氢气和氧气混合，不仅保存方便，而且更加安全，产生的氢气或者氧气能够经过出气管进入收集箱中，同时带给纯水一定的热量，而且能够受到纯水的过滤作用，除去部分杂质，而氢气或氧气就能够被收入不同的收集瓶中。

(4)在注入新的纯水时，可以利用电机带动螺杆转动，而螺杆转动能够带动催化剂上升，催化剂沿着圆腔的内壁提升，从而经过出料孔排出，被撒入电解箱中，提高电解效率，同时随着圆腔底部催化剂的减少，进料斗中的催化剂能够沿着进料管下落进入圆腔中，以便能够向电解箱中送入更多的催化剂。

(5)在螺杆转动时，带动转杆转动，转杆带动第一斜齿轮和第二斜齿轮转动，进而带动摆动组件控制摆动板来回摆动，这样在不使用时，摆动板能够与隔板配合，避免氢气和氧气混合，在投入催化剂时，可以使得催化剂更快地融入水中，混合均匀，从而提高混合效率。

(6)横杆转动时，带动圆盘转动，圆盘带动扭件转动，扭转在收纳槽中移动，带动活动板沿着电解箱的内壁转动，这样活动板能够来回摆动，而在摆动的过程中，活动板能够带动水流动，这样使得催化剂更快融入水中。

(7)能够使得水中的电接头与水的接触面积更大，电离的效果更加理想，制备的速度更快，而且通过螺旋片能够进一步增加接触面积，而且螺旋片能够吸附一定的水中杂质，保证电接头本身始终具有良好的电离效果。

(8)通过条形口和导流槽能够使得氢气更快地沿着管道进入收集箱中，而采用阻燃材质的导流槽能够进一步提高安全性。

(9)电离产生的热量可以导入收集箱进而加热收集箱中的纯水，这样在需要更换纯水时，可以将收集箱中的纯水经过水管和回流管送入电解箱中，不仅能够提高电解的效率，而且对废热进行二次利用，节约能耗。

(10)第一斜齿轮、第二斜齿轮和轴承不会生锈，整个装置安全、耐用。

附图说明

图1为本发明的一种多能源式制氢储能系统的流程示意图；

图2为本发明的电解箱的结构示意图；

图3为本发明的电解箱的截面结构示意图；

图4为本发明的横杆和圆盘的连接结构示意图；

图5为本发明的摆动组件的结构示意图；

图6为本发明的电接头的结构示意图；

图7为本发明的进料管和隔板的连接结构示意图；

图8为本发明的收集箱的截面结构示意图；

图9为本发明的隔板的部分结构示意图；

图10为本发明的导流槽的结构示意图。

图中标号说明：

1、电解箱；2、电接头；3、隔板；4、出气管；5、收集箱；6、收集瓶；7、电机；8、螺杆；9、进料管；10、进料斗；11、转杆；12、第一斜齿轮；13、活动板；14、支杆；15、横杆；16、第二斜齿轮；17、圆盘；18、扭件；19、收纳槽；20、导流槽；21、水管；22、回流泵；23、回流管；24、阀门；25、螺旋片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”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”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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。

实施例1：

请参阅图1，一种多能源式制氢储能系统，包括中央模块、发电模块、供电模块，中央模块分别连接有发电量推定模块和用电量预测模块，发电量推定模块用于推定发电模块的发电量，用电量预测模块用于预测供电模块的用电量，发电模块还包括定量发电模块和变量发电模块，供电模块还连接有电解水系统，以电解水制氢储能。

通过发电模块和供电模块能够预测余裕电量多少，从而将余裕的电量用来进行电解水，不影响正常的供电，同时将电能制备成氢能，提高用电效率。

中央模块包括比较模块、选取模块，比较模块用于比较定量发电模块的发电量和供电模块的用电量大小；

在定量发电模块的发电量小于供电模块的用电量时，选取模块选取部分变量发电模块和定量发电模块同时向供电模块供电，剩余变量发电模块向电解水系统供电；

在定量发电模块的发电量大于等于供电模块的供电量时，选取模块选取变量发电模块的发电量和多余部分的定量发电模块的发电量向电解水系统供电。

利用比较模块比较用电量和发电量的大小，这样在发电量大于用电量时，选取一定的发电量用来进行电解水制氢储能，另外，可以根据需要选取定量发电模块和变量发电模块，在保证供电稳定的基础上，最大效率地进行发电制氢储能，定量发电模块指发电量稳定的，比如火力发电，而变量发电模块则指发电量变化的设备，比如风力发电，这样优先供给用电设备定量发电模块的电量，保证设备的安稳运行。

参照图1-图3，电解水系统包括电解箱1，电解箱1中安装有两个电接头2，电接头2贯穿电解箱1的侧壁延伸至外部，且电解箱1中设置有隔板3，两个电接头2分别位于隔板3的两侧，电解箱1上还安装有两个出气管4，每个出气管4位于一个电接头2上方，电解箱1的两侧还设置有收集箱5，每个收集箱5中均注入纯水，出气管4的中部向下弯曲，且出气管4的另一端分别延伸至一个收集箱5的纯水中并与收集箱5固定密封，每个收集箱5的上端均连接有收集瓶6。

在向电解水系统供电时，电接头2通电，与电解箱1中的水通电，开始电解氢气，而氢气和氧气产生时，位于不同的位置，并且采用隔板3分开，这样能够避免氢气和氧气混合，不仅保存方便，而且更加安全，产生的氢气或者氧气能够经过出气管4进入收集箱5中，同时带给纯水一定的热量，而且能够受到纯水的过滤作用，除去部分杂质，而氢气或氧气就能够被收入不同的收集瓶6中。

参照图3-图6，隔板3中设置有圆柱形的空腔，电解箱1的上端侧壁还安装有电机7，电机7的动力轴延伸至空腔中，且与电解箱1的侧壁固定密封，电机7的动力轴连接有螺杆8，螺杆8的下端延伸至空腔的底部，空腔的侧壁还设置有进料管9，进料管9贯穿至电解箱1外并设置有进料斗10，进料管9的下端倾斜设置，且进料管9倾斜的角度大于45°，空腔的两侧内壁还设置有出料孔，出料孔向下倾斜，且出料孔位于与螺杆8的上端平齐位置。

在注入新的纯水时，可以利用电机7带动螺杆8转动，而螺杆8转动能够带动催化剂上升，催化剂沿着圆腔的内壁提升，从而经过出料孔排出，被撒入电解箱1中，提高电解效率，同时随着圆腔底部催化剂的减少，进料斗10中的催化剂能够沿着进料管9下落进入圆腔中，以便能够向电解箱1中送入更多的催化剂。

螺杆8的下端连接有转杆11，转杆11贯穿空腔并与空腔的内壁活动密封，转杆11的下端固定连接有第一斜齿轮12，电解箱1的两侧内壁均转动连接有活动板13，电解箱1的底部设置有支杆14，支杆14的上端通过轴承连接有横杆15，横杆15上套设有两个第二斜齿轮16，两个第二斜齿轮16同时与第一斜齿轮12啮合，横杆15的两端均转动连接有摆动组件，摆动组件与活动板13连接。

在螺杆8转动时，带动转杆11转动，转杆11带动第一斜齿轮12和第二斜齿轮16转动，进而带动摆动组件控制摆动板来回摆动，这样在不使用时，摆动板能够与隔板3配合，避免氢气和氧气混合，在投入催化剂时，可以使得催化剂更快地融入水中，混合均匀，从而提高混合效率。

参照图2-图7，摆动组件包括圆盘17，圆盘17安装在横杆15的一端，圆盘17靠近活动板13的侧壁固定连接有扭件18，扭件18位于圆盘17远离中心的位置，活动板13的侧壁还开设有收纳槽19，扭件18的一端延伸至收纳槽19中。

横杆15转动时，带动圆盘17转动，圆盘17带动扭件18转动，扭转在收纳槽19中移动，带动活动板13沿着电解箱1的内壁转动，这样活动板13能够来回摆动，而在摆动的过程中，活动板13能够带动水流动，这样使得催化剂更快融入水中。

电接头2位于电解箱1中的部分呈蛇形盘旋设置，且电接头2上还设置有螺旋片25，螺旋片25的外端设置倒角，这样设置能够使得水中的电接头2与水的接触面积更大，电离的效果更加理想，制备的速度更快，而且通过螺旋片25能够进一步增加接触面积，而且螺旋片25能够吸附一定的水中杂质，保证电接头2本身始终具有良好的电离效果。

电解箱1的上端侧壁开设有条形口，电解箱1的上端设置有与条形口对应的导流槽20，导流槽20与条形口之间固定密封，且导流槽20的内壁向中间倾斜，且导流槽20采用阻燃材质，通过条形口和导流槽20能够使得氢气更快地沿着管道进入收集箱5中，而采用阻燃材质的导流槽20能够进一步提高安全性。

参照图6-图10，收集箱5的侧壁连接有水管21，电解水系统还包括回流泵22，回流泵22分别与两个水管21连接，回流泵22上还连接有回流管23，回流管23的另一端与电解箱1连接，回流管23和水管21上均设有阀门24，回流泵22采用耐高温泵。电离产生的热量可以导入收集箱5进而加热收集箱5中的纯水，这样在需要更换纯水时，可以将收集箱5中的纯水经过水管21和回流管23送入电解箱1中，不仅能够提高电解的效率，而且对废热进行二次利用，节约能耗。

第一斜齿轮12和第二斜齿轮16均采用合金材质，轴承采用合金或镀锌处理，这样保证第一斜齿轮12、第二斜齿轮16和轴承不会生锈，整个装置安全、耐用。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。