CN107017633A - 一种电解制氢与水力发电站结合的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电解制氢与水力发电站结合的系统，包括电网调峰控制系统、送变电及供电系统、电解水制氢系统、氢气收集净化及对外输送系统、纯净水制备及补水系统，其特征在于：还包括冷却水余热回收系统和电解池高温蒸汽供应系统；所述送变电及供电系统为电解水制氢系统供电；所述电解水制氢系统包括碱性水溶液电解制氢装置、固体聚合物电解制氢装置、高温固体氧化物电解制氢装置中的至少一种。本发明利用水力发电厂调峰电力电解制氢并用水库水作为冷却循环水，高效耦合了水力发电厂与电解制氢工艺，充分利用了水力发电厂调峰电量，根本解决了弃水电问题，为电网提供宝贵的调峰负荷。

Description

一种电解制氢与水力发电站结合的系统
技术领域
本发明涉及氢气制造领域，尤其涉及电解制氢与水力发电站调峰领域。
背景技术
近年来，在中国三北地区电力市场容量富裕，燃机、抽水蓄能等可调峰电源稀缺，电网调峰与火电机组灵活性之间矛盾突出，电网消纳风电、光电及核电等新能源的能力不足，弃风现象严重。热电联产机组“以热定电”方式运行，调峰能力仅为10%左右。调峰困难已经成为电网运行中最为突出的问题。目前国内火电灵活性调峰改造均针对冬季供热机组，夏季如何调峰是摆在众多水力发电厂面前的一个难题。为了满足电网调峰需求，以及电厂在激烈竞争中的生存需要，深度调峰势在必行。
目前中国氢气年产量已逾千万吨规模，位居世界第一。工业规模的制氢方法主要包括甲烷蒸汽重整和电解水制氢，其中电解水制氢的产量约占世界氢气总产量4％。尽管甲烷蒸汽重整是目前最经济的制氢方法，但其在生产过程中不仅消耗大量化石燃料，而且产生大量二氧化碳。电解水制氢工艺过程简单，产品纯度高，通过采用可再生能源作为能量来源，可现氢气的高效、清洁、大规模制备，该技术也可以用于CO2的减排和转化，具有较为广阔的发展前景。
目前的电解水制氢方法主要有三种：碱性电解水制氢，固体聚合物电解水制氢，及高温固体氧化物电解水制氢。碱性电解水制氢是目前非常成熟的制氢方法，目前为止，工业上大规模的电解水制氢基本上都是采用碱性电解制氢技术，该方法工艺过程简单，易于操作。电解制氢的主要能耗为电能，每立方米氢气电耗约为4.5～5.5kWh，电费占整个电解制氢生产成本的80％左右。因此，电解水制氢技术特别适用于风力发电等可再生能源发电的能源载体。目前很多现有技术利用碱性电解水制氢工艺，如申请号 为200910027704.7的专利介绍了一种新型的中高压纯水水电解制氢系统。但这些现有发明和技术没有将电解制氢系统与水力发电厂的灵活性调峰和冷却水系统结合，而且产出的氢气仅用钢瓶压缩运输，无法大型化生产。
发明内容
本发明提供了一种电解制氢与水力发电站结合的系统，通过将电解制氢与水力发电站的灵活性调峰相结合，电网用电低谷时，智能调整上网电量，利用水力发电站产生的电能制氢，电网用电高峰，水力发电站产生的电联通过输电管网上电网，可以缓解用电高峰时段的电网压力，为电网提供宝贵的调峰负荷，解决了夏季调峰不足的问题，实现一年四季的电网深度调峰。
本发明解决上述技术问题所采用的方案是，一种电解制氢与水力发电站结合的系统，包括电网调峰控制系统、送变电及供电系统、电解水制氢系统、氢气收集净化及对外输送系统、纯净水制备及补水系统，其特征在于：还包括冷却水余热回收系统和电解池高温蒸汽供应系统；所述送变电及供电系统是在水力发电站出线母线上新增一个间隔，所述间隔设置电开关，所述电开关通过输电电网与降压变压器和逆变器连接，降压变压器和逆变器另一端与电解水制氢系统连接；所述电解水制氢系统包括碱性水溶液电解制氢装置、固体聚合物电解制氢装置、高温固体氧化物电解制氢装置中的至少一种。
优选的是，所述电网调峰控制系统包括电网调度中心和电厂集控中心，电网调度中心通过上网电量使用情况进行实时调度，将调度信号传输给电厂集控中心，电厂集控中心下达电网调峰指令，通过控制所述送变电及供电系统的电开关进行电网调峰，电解水制氢系统的供电量由电厂集控中心控制。
上述任一方案优选的是，所述冷却水余热回收系统包括水库取水口、预处理冷却水管道、水处理车间、多个三通及输水管道。
上述任一方案优选的是，所述冷却水余热回收系统在预处理冷却水管道上设置分支管道，所述分支管道分别与碱性水溶液电解制氢装置、固体聚合物电解制氢装置和高温固体氧化物电解制氢装置的冷却水供水管道连接，冷却水源为水处理车间的水库水。
上述任一方案优选的是，所述碱性水溶液电解制氢装置、固体聚合物电解制氢装置和高温固体氧化物电解制氢装置的冷却水出水管道与冷却水回流管道汇合，制氢装置中的冷却水满足当地环保要求的排水温度即可排入水库。
上述任一方案优选的是，所述碱性水溶液电解制氢装置由若干个单体电解槽组成，每个电解槽由阴极、阳极、隔膜及电解液构成。
上述任一方案优选的是，所述电解液包括氢氧化钾溶液，浓度为20wt%～30wt%。
上述任一方案优选的是，所述隔膜组成成分包括石棉。
上述任一方案优选的是，所述阴极、阳极组成成分包括金属合金，所述金属合金包括雷尼镍、Ni-Mo合金，用于分解水，产生氢和氧。
上述任一方案优选的是，所述固体聚合物电解制氢装置由若干个单体电解槽组成。所述电解槽以固体聚合物膜为电解质。
上述任一方案优选的是，所述电解池高温蒸汽供应系统包括电蒸汽锅炉、电过热器、高温蒸汽输送管道，所述电过热器蒸汽入口与电蒸汽锅炉蒸汽出口连接，所述电过热器蒸汽出口与高温蒸汽输送管道入口连接。
上述任一方案优选的是，所述高温固体氧化物电解装置的高温蒸汽入口与所述高温蒸汽输送管道出口连接，所述电蒸汽锅炉内的500~600℃低温蒸汽进入电高温过热器，经过电高温过热器过热到800℃以上。
上述任一方案优选的是，所述高温固体氧化物电解制氢装置由若干个单体电解池组成。
上述任一方案优选的是，所述高温固体氧化物电解制氢装置工作温度为800～950℃。
上述任一方案优选的是，所述送变电及供电系统包括水力发电厂内的水轮机、发电机，和设置在输电电网的降压变压器、逆变器、电开关。
上述任一方案优选的是，所述纯净水制备及补水系统包括纯净水制备装置、补水泵和送水管路。
上述任一方案优选的是，水处理车间流出的净化水经过预处理冷却水管道进入纯净水制备装置，再经补水泵加压，通过送水管路进入电解水制氢系统。
上述任一方案优选的是，所述送水管路出口分别与碱性水溶液电解制氢装置进水口、固体聚合物电解制氢装置进水口、高温固体氧化物电解制氢装置进水口连接。
上述任一方案优选的是，所述氢气收集净化及对外输运系统包括氢气洗涤罐、氢气脱水罐、氢气缓冲罐、燃气管网掺混装置、氢气压缩和灌装系统、燃料电池发电系统。
上述任一方案优选的是，所述氢气洗涤罐出口连接氢气脱水罐入口，氢气脱水罐入口连接氢气缓冲罐出口，氢气缓冲罐出口分别与燃气管网掺混装置、氢气压缩和灌装系统、燃料电池发电系统中的至少一种连接。
上述任一方案优选的是，所述燃气管网掺混装置与现有燃气管网或长距离天然气输送管线连接。
上述任一方案优选的是，所述燃气管网掺混装置的氢气掺混比例小于20%。
上述任一方案优选的是，所述的燃料电池发电系统包括大型燃料电池发电厂或车载燃料电池。
上述任一方案优选的是，所述大型燃料电池发电厂利用氢气作为燃料产生电能。
上述任一方案优选的是，所述车载燃料电池用于以氢能为燃料的燃料电池汽车。
本发明通过将电解制氢与水力发电厂的灵活性调峰相结合，电网用电低谷时，智能调整上网电量，利用水力发电站产生的电能制氢，电网用电高峰，水力发电站产生的电能通过输电管网上电网，可以缓解用电高峰时段的电网压力，为电网提供宝贵的调峰负荷。同时，在夏季，通过水力发电厂通过电解制氢消耗用电低谷的电能，有效的解决了只能依靠冬季供热调峰的不足，满足了一年四季的调峰需求。本发明通过净化水库冷却水，为电解制氢提供冷却水源，同时通过收集制氢系统排出的冷却水，排放到水库中，实现水库水的循环利用，提高了水资源利用率。本发明还利用电蒸汽锅炉和电过热器加热水库的净化水，高效耦合了水力发电厂与电解制氢工艺，充分利用了大量被弃掉的水力发电电量，不但实现了弃水电量的利用，而且使得其以氢能的形式便利地储存、运输和使用。此外，生产的氢能可以方便的存储和运输，也可以直接混入现有天然气管网或直接对外销售，增加现有火力发电厂的经营效益，扩展其未来的生存空间。
附图说明
图1 为按照本发明的电解制氢与水力发电站结合的系统的一优选实施例的示意图。
图示说明：
1-水力发电厂，2-水处理车间，3-发电机，4-电网调度中心，5-电厂集控中心，6-电网调峰控制系统，7-升压站，8-电开关，9-逆变器，10-电蒸汽锅炉，11-电过热器，12-碱性水溶液电解制氢装置，13-固体聚合物电解制氢装置，14-高温固体氧化物电解制氢装置，15-高温蒸汽输送管道，16-纯净水制备装置，17-补水泵，18-送水管路，19-氢气洗涤罐，20-氢气脱水罐，21-氢气缓冲罐，22-燃气管网掺混装置，23-氢气压缩和灌装系统，24-燃料电池发电系统，25-现有燃气管网，26-预处理冷却水管道。
具体实施方式
为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例对本发明作更为详细的描述，实施例只对本发明具有示例性作用，而不具有任何限制性的作用；任何本领域技术人员在本发明的基础上作出的非实质性修改，都应属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种电解制氢与水力发电站结合的系统，包括电网调峰控制系统6、送变电及供电系统、电解水制氢系统、氢气收集净化及对外输送系统、纯净水制备及补水系统，其特征在于：还包括冷却水余热回收系统和电解池高温蒸汽供应系统；所述送变电及供电系统是在水力发电站出线母线上新增一个间隔，所述间隔设置电开关8，所述电开关8通过输电电网与降压变压器和逆变器9连接，降压变压器和逆变器9另一端与电解水制氢系统连接；所述电解水制氢系统包括碱性水溶液电解制氢装置12、固体聚合物电解制氢装置13和高温固体氧化物电解制氢装置14。
在本实施例中，所述电网调峰控制系统6包括电网调度中心4和电厂集控中心5，电网调度中心4通过上网电量使用情况进行实时调度，将调度信号传输给电厂集控中心5，电厂集控中心5下达电网调峰指令，通过控制所述送变电及供电系统的电开关8进行电网调峰，电解水制氢系统的供电量由电厂集控中心5控制。
在本实施例中，所述冷却水余热回收系统包括水库取水口、预处理冷却水管道26、水处理车间2、多个三通及输水管道。
在本实施例中，所述冷却水余热回收系统在预处理冷却水管道26上设置分支管道，所述分支管道分别与碱性水溶液电解制氢装置12、固体聚合物电解制氢装置13和高温固体氧化物电解制氢装置14的冷却水供水管道连接，冷却水源为水处理车间2的水库水。
在本实施例中，所述碱性水溶液电解制氢装置12、固体聚合物电解制氢装置13和高温固体氧化物电解制氢装置14的冷却水出水管道与冷却水回流管道汇合，制氢装置中的冷却水满足当地环保要求的排水温度即可排入水库。
在本实施例中，所述碱性水溶液电解制氢装置12由若干个单体电解槽组成，每个电解槽由阴极、阳极、隔膜及电解液构成。
在本实施例中，所述电解液包括氢氧化钾溶液，浓度为20wt%～30wt%。
在本实施例中，所述隔膜组成成分包括石棉。
在本实施例中，所述阴极、阳极组成成分包括金属合金，所述金属合金包括雷尼镍、Ni-Mo合金，用于分解水，产生氢和氧。
在本实施例中，所述固体聚合物电解制氢装置13由若干个单体电解槽组成。所述电解槽以固体聚合物膜为电解质。
在本实施例中，所述电解池高温蒸汽供应系统包括电蒸汽锅炉10、电过热器11、高温蒸汽输送管道15，所述电过热器11蒸汽入口与电蒸汽锅炉10蒸汽出口连接，所述电过热器11蒸汽出口与高温蒸汽输送管道15入口连接。
在本实施例中，所述高温固体氧化物电解装置的高温蒸汽入口与所述高温蒸汽输送管道15出口连接，所述电蒸汽锅炉10内的500~600℃低温蒸汽进入电高温过热器，经过电高温过热器过热到800℃以上。
在本实施例中，所述高温固体氧化物电解制氢装置14由若干个单体电解池组成。
在本实施例中，所述高温固体氧化物电解制氢装置14工作温度为800～950℃。
在本实施例中，所述送变电及供电系统包括水力发电厂1内的水轮机、发电机3，和设置在输电电网的降压变压器、逆变器9、电开关8。
在本实施例中，所述纯净水制备及补水系统包括纯净水制备装置16、补水泵17和送水管路18。
在本实施例中，水处理车间2流出的净化水经过预处理冷却水管道26进入纯净水制备装置16，再经补水泵17加压，通过送水管路18进入电解水制氢系统。
在本实施例中，所述送水管路18出口分别与碱性水溶液电解制氢装置12进水口、固体聚合物电解制氢装置13进水口、高温固体氧化物电解制氢装置14进水口连接。
在本实施例中，所述氢气收集净化及对外输运系统包括氢气洗涤罐19、氢气脱水罐20、氢气缓冲罐21、燃气管网掺混装置22、氢气压缩和灌装系统23、燃料电池发电系统24。
在本实施例中，所述氢气洗涤罐19出口连接氢气脱水罐20入口，氢气脱水罐20入口连接氢气缓冲罐21出口，氢气缓冲罐21出口分别与燃气管网掺混装置22、氢气压缩和灌装系统23、燃料电池发电系统24中的至少一种连接。
在本实施例中，所述燃气管网掺混装置22与现有燃气管网25或长距离天然气输送管线连接。
在本实施例中，所述燃气管网掺混装置22的氢气掺混比例小于20%。
在本实施例中，所述的燃料电池发电系统24包括大型燃料电池发电厂或车载燃料电池。
在本实施例中，所述大型燃料电池发电厂利用氢气作为燃料产生电能。
在本实施例中，所述车载燃料电池用于以氢能为燃料的燃料电池汽车。
本实施例的系统，通过将电解制氢与水力发电厂1的灵活性调峰相结合，电网用电低谷时，智能调整上网电量，利用水力发电站产生的电能制氢，电网用电高峰，水力发电站产生的电能通过输电管网上电网，可以缓解用电高峰时段的电网压力，为电网提供宝贵的调峰负荷。同时，在夏季，通过水力发电厂1通过电解制氢消耗用电低谷的电能，有效的解决了只能依靠冬季供热调峰的不足，满足了一年四季的调峰需求。本发明通过净化水库冷却水，为电解制氢提供冷却水源，同时通过收集制氢系统排出的冷却水，排放到水库中，实现水库水的循环利用，提高了水资源利用率。本发明还利用电蒸汽锅炉10和电过热器11加热水库的净化水，高效耦合了水力发电厂1与电解制氢工艺，充分利用了大量被弃掉的水力发电电量，不但实现了弃水电量的利用，而且使得其以氢能的形式便利地储存、运输和使用。
实施例2
实施例2与实施例1相似，所不同的是，本实施例中优选的电解水制氢系统包括多个碱性水溶液电解制氢装置12，所述的碱性水溶液电解制氢装置12包括氢氧分离电解槽、氢气气水分离罐、氢系统加碱罐、氧气气水分离罐、氧系统加碱罐、电解液管路、氢气洗涤罐19及脱水罐、氧气洗涤罐。所述氢氧分离电解槽由阴极、阳极、隔膜及电解液构成。电解槽以碳纤维材料和泡沫金属网作为基底和电极材料，如碳布、碳纸、泡沫镍等，得到稳定的三维立体纳米结构以提高其催化效率，且碳纤维或泡沫镍直接作为阴极用于催化制氢，形成特殊的无粘合剂电极。通过净化水库冷却水，为电解制氢提供冷却水源，同时通过收集制氢系统排出的冷却水，排放到水库中，实现水库水的循环利用，提高了水资源利用率。
实施例3
实施例3与实施例1相似，所不同的是，本实施例中优选的电解水制氢系统包括多个高温固体氧化物电解制氢装置14，所述电解池高温蒸汽供应系统包括电蒸汽锅炉10、电过热器11、高温蒸汽输送管道15，所述电过热器11蒸汽入口与电蒸汽锅炉10蒸汽出口连接，所述电过热器11蒸汽出口与高温蒸汽输送管道15入口连接。所述高温固体氧化物电解装置的高温蒸汽入口与所述高温蒸汽输送管道15出口连接，所述电蒸汽锅炉10内的500~600℃低温蒸汽进入电高温过热器，经过电高温过热器过热到800℃以上，再引入电解槽参与制氢。
本实施例中，所述的高温固体氧化物电解制氢装置14包括高温固体氧化物氢氧分离电解槽、氢气洗涤罐19及脱水罐、氧气洗涤罐。高温固体氧化物氢氧分离电解槽为平板式的SOEC电解槽，内部中间为致密的电解质层，两边为多孔的氢电极和氧电极，电解质层主要作用是隔开氧气和燃料气体，并且传导氧离子或质子。电解质致密且具有高的离子电导率。电极一般为多孔结构，以利于气体的扩散和传输。此外，平板式SOEC还设置密封材料，多个单体电解池组成电堆还设置连接体材料。本实施例利用电蒸汽锅炉10和电过热器11加热水库的净化水，高效耦合了水力发电厂1与电解制氢工艺，充分利用了大量被弃掉的水力发电电量，实现了弃水电量的高效利用。
尽管具体地参考其优选实施例来示出并描述了本发明，但本领域的技术人员可以理解，可以作出形式和细节上的各种改变而不脱离所附权利要求书中所述的本发明的范围。以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电解制氢与水力发电站结合的系统，包括电网调峰控制系统（6）、送变电及供电系统、电解水制氢系统、氢气收集净化及对外输送系统、纯净水制备及补水系统，其特征在于：还包括冷却水余热回收系统和电解池高温蒸汽供应系统；
所述送变电及供电系统是在水力发电站出线母线上新增一个间隔，所述间隔设置电开关（8），所述电开关（8）通过输电电网与降压变压器和逆变器（9）连接，降压变压器和逆变器（9）另一端与电解水制氢系统连接；
所述电解水制氢系统包括碱性水溶液电解制氢装置（12）、固体聚合物电解制氢装置（13）、高温固体氧化物电解制氢装置（14）中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的电解制氢与水力发电站结合的系统，其特征在于：所述电网调峰控制系统（6）包括电网调度中心（4）和电厂集控中心（5），电网调度中心（4）通过上网电量使用情况进行实时调度，将调度信号传输给电厂集控中心（5），电厂集控中心（5）下达电网调峰指令，通过控制所述送变电及供电系统的电开关（8）进行电网调峰，电解水制氢系统的供电量由电厂集控中心（5）控制。
3.根据权利要求1所述的电解制氢与水力发电站结合的系统，其特征在于：所述冷却水余热回收系统包括水库取水口、预处理冷却水管道（26）、水处理车间（2）、多个三通及输水管道。
4.根据权利要求1所述的电解制氢与水力发电站结合的系统，其特征在于：所述冷却水余热回收系统在预处理冷却水管道（26）上设置分支管道，所述分支管道分别与碱性水溶液电解制氢装置（12）、固体聚合物电解制氢装置（13）和高温固体氧化物电解制氢装置（14）的冷却水供水管道连接，冷却水源为水处理车间（2）的水库水。
5.根据权利要求3所述的电解制氢与水力发电站结合的系统，其特征在于：所述碱性水溶液电解制氢装置（12）、固体聚合物电解制氢装置（13）和高温固体氧化物电解制氢装置（14）的冷却水出水管道与冷却水回流管道汇合，制氢装置中的冷却水满足当地环保要求的排水温度即可排入水库。
6.根据权利要求1所述的电解制氢与水力发电站结合的系统，其特征在于：所述碱性水溶液电解制氢装置（12）由若干个单体电解槽组成，每个电解槽由阴极、阳极、隔膜及电解液构成。
7.根据权利要求5所述的电解制氢与水力发电站结合的系统，其特征在于：所述电解液包括氢氧化钾溶液，浓度为20wt%～30wt%。
8.根据权利要求5所述的电解制氢与水力发电站结合的系统，其特征在于：所述隔膜组成成分包括石棉。
9.根据权利要求5所述的电解制氢与水力发电站结合的系统，其特征在于：所述阴极、阳极组成成分包括金属合金，所述金属合金包括雷尼镍、Ni-Mo合金，用于分解水，产生氢和氧。
10.根据权利要求1所述的电解制氢与水力发电站结合的系统，其特征在于：所述固体聚合物电解制氢装置（13）由若干个单体电解槽组成。
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