CN108486596A - 一种风电电解水制氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明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；风机系统的电能第一输出端连接水电解制氢系统，水电解制氢系统包括控制器、多路开关和电解槽，多路开关的控制端与控制器连接，多路开关的输入端与风机系统的正极连接，多路开关的输出端具有第一端口至第M个端口，电解用水供给系统将水供应至水电解制氢系统中；水电解制氢系统依次与气/液分离干燥提纯系统和储氢罐连接，气/液分离干燥提纯系统还与碱液循环系统连接。本发明的优点为：有效提升水电解制氢装置对风机系统波动输出的适应性，提高了风能利用效率同时提高氢气的产率。

Description

一种风电电解水制氢系统

技术领域

本发明属于可替换能源技术与水电解制氢领域，涉及一种风电电解水制氢系统。

背景技术

氢气作为储能载体拥有质量轻，能量密度高，使用时对环境无任何排放等优点，受到广大科研工作者及环境工作者的青睐。然而，氢气并非存在于自然界，需要利用外部能量进行制备。目前制氢的技术主要是矿物燃料制氢和水电解制氢两大类。也有其他制氢方法比如热化学循环制氢和生物质制氢。矿物燃料制氢是目前最大也是最经济的氢气来源，随着社会的发展和环境问题受到越来越多的关注，矿物燃料制氢由于其使用石油燃料作为原料，在制备氢气过程中不可避免的对环境有一定的负面影响，所制备的氢气后期需要繁琐的过滤和分离工序导致氢气纯度不一定能满足后期用氢设备的要求。另外，矿物燃料制氢通常用于大型生产基地，在目前高效经济的微电网架构中无法完全发挥其作用。

水电解制氢通过电解水而获得高纯度的氢气，其设备结构成熟，相对简单。其纯化后的氢气纯度可高达99.9999％，高出其他制氢方式一个数量级且其制备的氢气不含碳元素杂质，故而成为如多晶硅生产等高精应用领域唯一选择。然而水电解制氢的能量转化率相较矿物燃料制氢偏低，有研究分析得出，水电解制氢的生产消耗构成中，原材料(主要为电费投入)占比高达81.9％，致使水电解制氢在整体制氢市场所占份额很小。

在国家大力倡导新能源可持续化发展今天，水电解制氢迎来了新的发展机遇。风能发电利用风车收集风的动能从而带动发电机转动发电，其发电量与接受到的能量成正比，与风能强度与风能持续时间有关，由于其产电功率的不稳定性以及地域限制，导致风能无法合理的被利用，继而出现弃风现象。水电解制氢凭借其灵活的系统规模，成熟且稳定的系统性能，以及与氢燃料电池系统良好的契合度，有望成为主流制氢的技术手段。另一方面，氢气作为能量载体，在同等质量的燃料中，拥有最高的能量密度。未来在能量储存应用和微电网构建方面，水电解制氢也将扮演重要的角色。

目前利用风电电解水制氢所面临的挑战主要来自于两个方面：电解水制氢效率不高以及风能输入功率不稳定。因此，优化水电解制氢系统对波动电源输入的适应性，同时提高单位能量的产氢量，是目前水电解制氢技术的主要目标。

因此，如何提高用于水电解制氢的电解槽对风机系统波动电源的适应性，提高能量转化效率，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种高效风电电解水制氢系统，用于有效利用风能进行氢气制备，提供优选的系统设计。其创新点包括：提高风能转化效率，缓解弃风问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

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；风机系统采用风力发电机组；其电能第一输出端连接水电解制氢系统，电能第二输出端通过整流装置连接至外电网；水电解制氢系统包括控制器、多路开关和电解槽，多路开关的控制端与控制器连接，多路开关的输入端与风机系统的正极连接，多路开关的输出端具有第一端口至第M个端口，电解槽包括分置于两端的第一端单极板、第二端单极板和设于两者之间的N个双极板，第一端单极板、N个双极板和第二端单极板依次串联，每相邻两个极板之间构成一个电解小室，且每一电解小室内部由隔膜分隔成阳极与阴极，第一端单极板连接风机系统的负极，N个双极板和第二端单极板的触点分别与多路开关的第一端口至第M个端口一一对应；电解用水供给系统将水供应至水电解制氢系统中；水电解制氢系统将制备的氢气与氧输入气/液分离干燥提纯系统进行分离、干燥和提纯，分离、干燥和提纯后的氢气由气/液分离干燥提纯系统输入储氢罐中，气/液分离干燥提纯系统中的碱液反应后经碱液循环系统处理后回流至水电解制氢系统中。

控制器用于检测风机系统电源的输出功率，并根据风机系统电源输出功率控制多路开关的输出端中相应的端口与电解槽的N个双极板和第二端单极板中的相应的触点的连通。

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。

风机系统的电源电压控制不同数量的电解小室接入电解回路。

N个双极板等间距分布于第一端单极板和第二端单极板之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过对风机系统输出功率的检测结果而选择性的接入部分电解槽进入电路回路，在不过多增加生产成本的情况下，有效实现水电解制氢装置对风能波动输出电源的适应性，提高能源利用效率，同时为风能的收集，利用，储存提供解决方案，缓解当前电力行业的“弃风”问题。

附图说明

附图1是本发明的风电电解水制氢系统的结构示意图。

其中，1-风机系统、2-水电解制氢系统、3-控制器、4-多路开关、5-电解用水供给系统、6-气/液分离干燥提纯系统、7-碱液循环系统、8-储氢罐、9-电能第二输出端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的风电电解水制氢的具体实施方式做详细说明。

图中包括以下部件：1-风机系统、2-水电解制氢系统、3-控制器、4-多路开关、5-电解用水供给系统、6-气/液分离干燥提纯系统、7-碱液循环系统、8-储氢罐和9-电能第二输出端。

如图1所示，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；风机系统采用风力发电机组；其电能第一输出端连接水电解制氢系统，电能第二输出端通过整流装置连接至外电网；水电解制氢系统包括控制器、多路开关和电解槽，多路开关的控制端与控制器连接，多路开关的输入端与风机系统的正极连接，多路开关的输出端具有第一端口至第M个端口，电解槽包括分置于两端的第一端单极板、第二端单极板和设于两者之间的N个双极板，第一端单极板、N个双极板和第二端单极板依次串联，每相邻两个极板之间构成一个电解小室，且每一电解小室内部由隔膜分隔成阳极与阴极，第一端单极板连接风机系统的负极，N个双极板和第二端单极板的触点分别与多路开关的第一端口至第M个端口一一对应；电解用水供给系统将水供应至水电解制氢系统中；水电解制氢系统将制备的氢气与氧输入气/液分离干燥提纯系统进行分离、干燥和提纯，分离、干燥和提纯后的氢气由气/液分离干燥提纯系统输入储氢罐中，气/液分离干燥提纯系统中的碱液反应后经碱液循环系统处理后回流至水电解制氢系统中。

控制器用于检测风机系统电源的输出功率，并根据风机系统电源输出功率控制多路开关的输出端中相应的端口与电解槽的N个双极板和第二端单极板中的相应的触点的连通。

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。

风机系统的电源电压控制不同数量的电解小室接入电解回路。

N个双极板等间距分布于第一端单极板和第二端单极板之间。

实施例

本具体实施方式提供的风电电解水制氢系统，包括风机系统1、水电解制氢系统2、控制器3、多路开关4、电解用水供给系统5、气/液分离干燥提纯系统6、碱液循环系统7和储氢罐8。其中，风机系统1为风能发电站，其电能第一输出端连接水电解制氢系统，电能第二输出端9通过整流装置连接至外电网。电解槽用于电解水以产生清洁能源氢气，具体来说，电解槽2内发生电化学反应：通过输入的电能将水分解成氢气与氧气，其中氢气在去水后纯度达99.9％。

多路开关4，其输入端连接风机系统1的正极、控制端连接控制器3，输出端具有第一端口至第M端口。

风能发电受制于当地风能强度以及其持续时间等因素导致了可再生能源作为电源的输出电压波动性。

为了适应风机系统1产生的电源的波动性，提高能源利用效率，本具体实施方式所提供的水电解制氢系统2，由多个极板串联构成，相邻两个极板之间构成一电解小室，由水电解产生氢气的过程在电解小室内发生，且每一电解小室内部由隔膜分隔成阳极与阴极。多个极板包括N个双极板和两个单极板，两个单极板包括置于水电解制氢系统相对两端的第一端单极板和第二端单极板。如图1所示，第一端单极板，设置于水电解制氢系统的一端，且连接风机系统1电源的负极；第二端单极板，与第一端单极板相对的设置于水电解制氢系统的另一端，且与多路开关最后端口连接；N个双极板，N个双极板等间距分布于第一端单极板和第二端单极板之间。即在本具体实施方式的水电解制氢系统中总共有N+2个极板，由这N+2个极板共构成N+1个小室，且这N+1个小室是相互串联。本具体实施方式为了适应波动的电源电压，所采取方式是根据电源电压控制不同数量的电解小室接入电解回路。

具体来说，本具体实施方式中，第1×(N+2)÷M个双极板通过触点与水电解制氢系统第一端口连接，第2×(N+2)÷M个双极板通过触点与多路开关4第二端口连接，以此类推，第(M-1)×(N+2)÷M个双极板通过触点与多路开关4第(M-1)端口连接；其中，N与M均为正整数。在本具体实施方式中，多路开关4输入端的M个端口与水电解制氢系统的M个极板一一对应连接。控制器3，用于检测风机系统电源，并根据电源输出功率控制多路开关4中的输入端与输出端中对应的端口导通。这样，通过控制器3控制多路开关4中的输入端与输出端中对应的端口导通，就能够实现将不同数量的电解小室接入电解回路，以完成针对不同电源电压使得全部或部分电解小室参与电解制氢的过程。优选的，当1×(N+2)÷M，2×(N+2)÷M，…,(M-1)×(N+2)÷M的计算结果为非整数时，以对其计算结果向上取整后得到的值作为与多路开关4连接的双极板。

采用本具体实施方式提供的风电电解水制氢系统进行水电解制氢的过程中，电流从风机系统1电源的正极流出后，首先经过多路开关4，从水电解制氢系统某一双极板上的触点或第二端单极板流入，然后其中的部分或全部电解小室，之后经第一端单极板后流回风机系统1电源的负极形成回路。其中，多路开关4中的输入端与输出端中的第一端口导通时表明参与反应的电解小室数量最少，相应的，多路开关4中的输入端与输出端中的第M端口导通时表明水电解制氢系统中全部的电解小室均参与反应(即参与反应的电解小室数量最大)。参与反应的电解小室数量越少，则表明电源输入相比电解槽最大可接受输入功率越小。一般情况下，电源输入功率均小于电解槽可接收额定功率。

风机系统1的电能第二输出端9经过整流变频设备连接至外网，其目的为：通过与电网的通讯，在电网需要时可将风机系统产生的电能回馈至电网。

电解用水供给系统5用于将水供应至水电解制氢系统中，同时提供电解用水的补水接口。

气/液分离干燥提纯系统6，用于将水电解反应所制备的氢气与氧气进行与碱液的分离操作，同时该系统对分离后的氢气与氧气进行干燥提纯处理。

碱液循环系统7，用于对碱液的循环处理，同时提供补碱接口用于碱液的补充。

储氢罐8，为水电解制氢系统提供氢气的储存空间，所储存的氢气可通过运氢火车运送至需要氢气的化工场，或者直接供应于氢燃料设备如氢燃料电池系统以供使用。

本具体实施方式提供的风电电解水制氢系统，通过对风机系统1电源功率的检测结果而选择性的接入部分水电解制氢系统进入电路回路，在不过多增加生产成本的情况下，有效实现水电解制氢系统对风机系统1波动输入的适应性，提高风能利用效率，有效缓解“弃风”问题。

以上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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种风电电解水制氢系统，其特征在于：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；风机系统采用风力发电机组；其电能第一输出端连接水电解制氢系统，电能第二输出端通过整流装置连接至外电网；水电解制氢系统包括控制器、多路开关和电解槽，多路开关的控制端与控制器连接，多路开关的输入端与风机系统的正极连接，多路开关的输出端具有第一端口至第M个端口，电解槽包括分置于两端的第一端单极板、第二端单极板和设于两者之间的N个双极板，第一端单极板、N个双极板和第二端单极板依次串联，每相邻两个极板之间构成一个电解小室，且每一电解小室内部由隔膜分隔成阳极与阴极，第一端单极板连接风机系统的负极，N个双极板和第二端单极板的触点分别与多路开关的第一端口至第M个端口一一对应；电解用水供给系统将水供应至水电解制氢系统中；水电解制氢系统将制备的氢气与氧输入气/液分离干燥提纯系统进行分离、干燥和提纯，分离、干燥和提纯后的氢气由气/液分离干燥提纯系统输入储氢罐中，气/液分离干燥提纯系统中的碱液反应后经碱液循环系统处理后回流至水电解制氢系统中。

2.根据权利要求1所述的一种风电电解水制氢系统，其特征在于：控制器用于检测风机系统电源的输出功率，并根据风机系统电源输出功率控制多路开关的输出端中相应的端口与电解槽的N个双极板和第二端单极板中的相应的触点的连通。

3.根据权利要求1所述的一种风电电解水制氢系统，其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述的一种风电电解水制氢系统，其特征在于：风机系统的电源电压控制不同数量的电解小室接入电解回路。

5.根据权利要求1所述的一种风电电解水制氢系统，其特征在于：N个双极板等间距分布于第一端单极板和第二端单极板之间。