CN113846338A - 一种制氢储氢系统及多模式循环制氢方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制氢储氢系统，包括电解槽和储氢装置，还包括蓄热发电装置、储氧装置和储水装置。本发明还公开了一种多模式循环制氢方法，采用该制氢储氢系统。本发明将蓄热发电装置引入制氢系统，配合可再生能源发电在电解槽中电解水制氢，避免了可再生能源用于制氢过程带来的变工况及频繁启停的问题，提高PEM电解制氢系统对新能源波动特性的适应性。本发明提供的多模式循环制氢方法，采用有机朗肯循环发电耦合可再生能源发电的方法，填补波动性可再生能源导致的输入端功率缺额，保证了制氢系统的产能。本发明提供的方法和系统简单易行，可以将整个制氢储氢系统中产生的能源充分利用起来，提高了整个系统的经济性，同时降低了能耗。

Description

一种制氢储氢系统及多模式循环制氢方法
技术领域
本发明涉及制氢领域，具体涉及一种制氢储氢系统及多模式循环制氢方法。
背景技术
氢气在石油、化工、医药、航天、冶金等各个领域中都应用的十分广泛，可以作为能源互联转化的重要媒介，推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展，实现大规模深度脱碳。其作为一种清洁能源，能量密度高、利用过程无污染、可长时间存储，市场对于氢能源的需求变得越来越高。近几年中，我国研制的低温燃料电池已经走向了商业市场，尤其是碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池，因为其能量转换效率高等优势已经引得了人们的广泛关注。
制氢技术主要包括矿物燃料制氢和水电解制氢过程。其中，矿物燃料制氢技术主要包括天然气蒸汽转化制氢、重油部分氧化制氢及煤气化制氢；矿物燃料制氢技术主要面临着氢气产品中具有硫、氮等杂质，无法满足对于氢气品质要求较高的产业。电解制氢主要包含碱性电解制氢及质子交换膜(PEM)电解制氢，PEM电解制氢相对于传统的碱性电解制氢技术具有体积小、可调范围宽、环境友好、效率高(75-85％)的特点。随着诸如光伏、风电等新能源技术的发展，电解水制氢技术逐渐发展，成为探索解决弃风、弃光问题的有效方法之一，逐步成为国际上电解制氢技术的发展趋势与研究热点。
但是由于新能源随机性、波动性输入、以及加氢站内制氢的环境因素，会带来以下问题：
(1)PEM制氢系统在变工况及频繁启停的条件下会引起氢氧浓度、压力变化，影响到PEM制氢系统的氢气产量、产品质量和生产安全。同时波动性输入会导致核心部件膜电极反复溶胀，引起性能衰减。
(2)PEM电解制氢的冷启动速率对新能源的波动情况存在一定的滞后性。
(3)PEM制氢系统在波动性电源输入的条件下，通常不能在额定功率附近工作，致使制氢系统单位制氢功耗增加。
(4)可再生能源的间断、波动等特点，严重影响利用可再生能源的PEM制氢储氢系统运行的连贯性，是系统氢气产量降低；并且由于频繁启停，导致系统用于整备的能耗增加，严重影响制PEM氢储氢系统的经济性。
(5)目前PEM系统计算效率时，多数未考虑系统启动前的整备过程产生的功耗，例如去离子装置的再生、氢/氧纯化单元的再生，整个过程需要消耗大量的热使去离子装置、纯化装置的活性再生，使得PEM制氢系统功耗进一步增加。
(6)在加氢站内制氢的趋势下，制氢、加氢过程及其配套流程产生的能耗陡增，使加氢站内运营成本增加。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于现有采用清洁能源制氢是产生的问题，从而提供一种制氢储氢系统及多模式循环制氢方法。
为此，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种制氢储氢系统，包括电解槽和储氢装置，还包括蓄热发电装置、储氧装置和储水装置；
所述电解槽用于电解水制氢；
所述储氢装置用于储存电解槽制得的氢气；
所述储水装置用于提供电解槽所需的水，同时储存随着氧气带出电解槽的水；
所述电解槽制得的氧气和水经分离后分别进入所述储氧装置和储水装置；
所述储氢装置、储氧装置在储氢储氧时的余热通过换热介质转化为高品位热传递至蓄热发电装置中进行发电，配合可再生能源发电在电解槽中电解水制氢。
进一步地，所述蓄热发电装置包括用于使用余热发电的有机朗肯循环发电器，用于储蓄来自所述储氢装置和储氧装置的高品位热的高温蓄热单元，中温蓄热单元以及换热介质。
进一步地，所述中温蓄热单元用于加热通入电解槽的去离子水；
所述换热介质利用高温蓄热单元的热量来加热用于吹扫储氢装置、储氧装置和储水装置的再生气；
所述中温蓄热单元的热量来源为高温蓄热单元提供的热量以及储水装置在储水时换热得到的余热。
进一步地，所述储氢装置包括用于纯化氢气的氢纯化单元，所述储氧装置包括用于纯化氧气的氧纯化单元，所述储水单元包括用于去除提供给电解槽的水中的离子的去离子单元；
所述再生气经过换热介质的加热后通入所述氢纯化单元、氢纯化单元和去离子单元吹扫除气。
优选地，所述氢纯化单元、氢纯化单元和去离子单元为2组，在所述制氢储氢系统运行时使用一组，另一组通过再生气吹扫除气后备用。
本发明还提供一种多模式循环制氢方法，采用上述制氢储氢系统，包括如下模式：
模式一：当可再生能源发电充足时，可再生能源发电经整流后驱动电解槽工作，蓄热发电装置不发电；
模式二：当可再生能源发电出现波动时，蓄热发电装置发电配合可再生能源发电驱动电解槽工作；
模式三：当无可再生能源发电时，蓄热发电装置发电驱动电解槽工作；
模式四：当重新启动制氢系统时，利用中温蓄热单元内存储的热量，通过去离子水进入电解槽，使得电解槽达到工作温度，转入模式一、二或三中的其中一种进行发电。
进一步地，当所述制氢储氢系统处于模式一、二或三中的其中一种时，
水在储水装置中纯化后，增压进入去离子单元，形成的去离子水进入电解槽电解；
从电解槽中回收水经过换热后，在储水装置中与纯化后的水混合，循环使用，回收的热量经换热进入中温蓄热单元；
电解槽电解后产生的含水氢气在储氢装置中经纯化、加压后，温度上升至150℃～250℃，经过换热降温后形成高压氢气产品存储待用，回收的热量经换热进入高温蓄热单元；
电解槽电解后产生的含水氧气在储氧装置中经纯化、加压后，温度上升至150℃～250℃，经过换热降温后形成高压氢气产品存储待用，回收的热量经换热进入高温蓄热单元。
进一步地，还包括模式五，具体为利用高温蓄热单元的热量通过换热介质对再生气进行加热，产生的高温再生气对去离子单元，氢纯化单元，氧纯化单元进行吹扫除气；
模式五独立于模式一～四存在，无论处于哪个模式都可以自行开启或关闭。
本发明技术方案，具有如下优点：
(1)本发明将蓄热发电装置引入制氢系统，配合可再生能源发电在电解槽中电解水制氢，避免了可再生能源用于制氢过程带来的变工况及频繁启停的问题，提高PEM电解制氢系统对新能源波动特性的适应性。
(2)本发明针对加氢站内制氢的系统存在压缩机能耗过高，增加制氢-加氢联合系统运行成本等问题，本发明采用余热梯级利用耦合制氢、加氢过程的方法，将制氢和储氢过程中的余热能源充分利用，有效减小制氢、加氢综合系统的能耗，达到了制氢-加氢耦合过程的能量管理与综合能效优化，提高站内制氢加氢的经济性。
(3)本发明采用多温区蓄热单元的协同作用，在高效回收制氢产生的中品位热的同时，利用存储的热能使制氢系统快速达到运行温度，提高系统冷启动速度，提高系统的响应适配特性。
(4)本发明提供的多模式循环制氢方法，采用有机朗肯循环发电耦合可再生能源发电的方法，填补波动性可再生能源导致的输入端功率缺额，扩大制氢系统功率使用范围，有效缓解新能源的波动、间歇等特性引起的电能不足，提高制氢系统的连续工作时长，减少制氢系统频繁启停，延长电解槽使用寿命，增强可再生能源驱动的PEM制氢系统的运行连续性，保证了制氢系统的产能。
(5)本发明将储氢过程产生大量高品位压缩热持续应用于制氢系统各纯化单元的再生过程，实现热能的高效利用，优化了系统整备过程的功耗。
(6)本发明提供的方法和系统简单易行，可以将整个制氢储氢系统中产生的能源充分利用起来，提高了整个系统的经济性，同时降低了能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例1中制氢储氢系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1中制氢储氢系统的具体结构示意图。
附图标记：
1-电解槽；
2-蓄热发电装置；21-有机朗肯循环发电器；22-高温蓄热单元；23-中温蓄热单元；24-第一换热单元；
3-储氢装置；31-氢气储罐；32-氢纯化单元；33-氢气压缩单元；34-第二换热单元；
4-储氧装置；41-氧气储罐；42-氧纯化单元；43-氧气压缩单元；44-第三换热单元；45-氧水分离单元；
5-储水装置；51-纯水机；52-去离子单元；53-增压单元；54-第四换热单元。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。
以下具体实施例是对本发明的进一步说明，所举案例并不能列举出本发明的全部实施方式，仅以其中部分实施方式为例进行说明，具体实施例如下：
实施例1
本实施例提供一种制氢储氢系统，其结构如图1所示，包括电解槽1和蓄热发电装置2、储氢装置3，储氧装置4和储水装置5；
所述电解槽1用于电解水制氢；
所述储氢装置3用于储存电解槽制得的氢气；
所述储水装置5用于提供电解槽1所需的水，同时储存随着氧气带出电解槽1的水。
所述电解槽1制得的氧气和水经分离后分别进入所述储氧装置2和储水装置；
所述储氢装置3、储氧装置4在储氢储氧时的余热通过换热介质转化为高品位热传递至蓄热发电装置2中进行发电，配合可再生能源发电在电解槽1中电解水制氢，其中可再生能源发电具体为风电或光电。
本实施例所示的制氢储氢系统结构如图2所示，所述蓄热发电装置2包括用于使用余热发电的有机朗肯循环发电器21，用于储蓄来自所述储氢装置和储氧装置的高品位热的高温蓄热单元22，还包括中温蓄热单元23以及第一换热单元24；
中温温蓄热单元23用于加热通入电解槽1的去离子水，其热量来源为高温蓄热单元22提供的热量以及储水装置5在储水时换热得到的余热；
第一换热单元24利用高温蓄热单元22的热量来加热用于吹扫储氢装置3、储氧装置4和储水装置5的再生气。
储氢装置3包括用于储氢的氢气储罐31，用于纯化氢气的氢纯化单元32，用于压缩氢气的氢气压缩单元33和用于将氢气的余热提供给高温蓄热单元22的第二换热单元34；
储氧装置4包括用于储氧的氧气储罐31，用于纯化氧气的氧纯化单元42，用于压缩氧气的氧气压缩单元43和用于将氧气的余热提供给高温蓄热单元22的第三换热单元44，用于分离氧气和水的氧水分离单元45；
储水单元包括用于净化水的纯水机51，用于去除提供给电解槽的水中的离子的去离子单元52，用于对水进行增压的增压单元53，用于将水的余热提供给中温蓄热单元23的第四换热单元54。
再生气经过第一换热单元24的加热后通入氢纯化单元32、氢纯化单元42和去离子单元52吹扫除气。
其中氢纯化单元32、氢纯化单元42和去离子单元52为两组，在所述制氢储氢系统运行时使用一组，另一组通过再生气吹扫除气后备用。
实施例2
本实施例为具体使用实施例1提供的制氢储氢系统进行的多模式循环制氢方法，包括如下模式：
模式一：当可再生能源发电充足时，可再生能源发电经整流后驱动电解槽工作，蓄热发电装置不发电；
模式二：当可再生能源发电出现波动时，蓄热发电装置发电配合可再生能源发电驱动电解槽工作；
模式三：当无可再生能源发电时，蓄热发电装置发电驱动电解槽工作；
模式四：当重新启动制氢系统时，利用中温蓄热单元内存储的热量，通过去离子水进入电解槽，使得电解槽达到工作温度，转入模式一、二或三中的其中一种进行发电；
模式五：利用高温蓄热单元的热量通过换热介质对再生气进行加热，产生的高温再生气可对去离子单元，氢纯化单元，氧纯化单元进行吹扫除气。
当制氢储氢系统处于模式一、二或三中的其中一种时，
水在储水装置中纯化后，增压进入去离子单元，形成的去离子水进入电解槽电解；
从电解槽中回收水经过换热后，在储水装置中与纯化后的水混合，循环使用，回收的热量经换热进入中温蓄热单元；
电解槽电解后产生的含水氢气在储氢装置中经纯化、加压后，温度上升至150℃～250℃，经过换热降温后形成高压氢气产品存储待用，回收的热量经换热进入高温蓄热单元；
电解槽电解后产生的含水氧气在储氧装置中经纯化、加压后，温度上升至150℃～250℃，经过换热降温后形成高压氢气产品存储待用，回收的热量经换热进入高温蓄热单元。
本实施例用于制备氢气时,以100kw制氢系统为例，24小时不间断运行前提下，单次加热再生气所需时间不能多于12小时(一备一用，加热器也是24小时运行)，加热功率至少为8-10kw，若采用回收高品位热能，单日可节省240kwh，可节能约8％～10％。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种制氢储氢系统，包括电解槽和储氢装置，其特征在于，还包括蓄热发电装置、储氧装置和储水装置；
所述电解槽用于电解水制氢；
所述储氢装置用于储存电解槽制得的氢气；
所述储水装置用于提供电解槽所需的水，同时储存随着氧气带出电解槽的水；
所述电解槽制得的氧气和水经分离后分别进入所述储氧装置和储水装置；
所述储氢装置、储氧装置在储氢储氧时的余热通过换热介质转化为高品位热传递至蓄热发电装置中进行发电，配合可再生能源发电在电解槽中电解水制氢。
2.根据权利要求1所述的制氢储氢系统，其特征在于，所述蓄热发电装置包括用于使用余热发电的有机朗肯循环发电器，用于储蓄来自所述储氢装置和储氧装置的高品位热的高温蓄热单元，中温蓄热单元以及换热介质。
3.根据权利要求2所述的制氢储氢系统，其特征在于，所述中温蓄热单元用于加热通入电解槽的去离子水；
所述换热介质利用高温蓄热单元的热量来加热用于吹扫储氢装置、储氧装置和储水装置的再生气；
所述中温蓄热单元的热量来源为高温蓄热单元提供的热量以及储水装置在储水时换热得到的余热。
4.根据权利要求3所述的制氢储氢系统，其特征在于，所述储氢装置包括用于纯化氢气的氢纯化单元，所述储氧装置包括用于纯化气的氧纯化单元，所述储水单元包括用于去除提供给电解槽的水中的离子的去离子单元；
所述再生气经过换热介质的加热后通入所述氢纯化单元、氢纯化单元和去离子单元吹扫除气。
5.根据权利要求4所述的制氢储氢系统，其特征在于，所述氢纯化单元、氢纯化单元和去离子单元为2组，在所述制氢储氢系统运行时使用一组，另一组通过再生气吹扫除气后备用。
6.一种多模式循环制氢方法，采用权利要求1-5任一项所述的制氢储氢系统，其特征在于，包括如下模式：
模式一：当可再生能源发电充足时，可再生能源发电经整流后驱动电解槽工作，蓄热发电装置不发电；
模式二：当可再生能源发电出现波动时，蓄热发电装置发电配合可再生能源发电驱动电解槽工作；
模式三：当无可再生能源发电时，蓄热发电装置发电驱动电解槽工作；
模式四：当重新启动制氢系统时，利用中温蓄热单元内存储的热量，通过去离子水进入电解槽，使得电解槽达到工作温度，转入模式一、二或三中的其中一种进行发电。
7.根据权利要求6所述的多模式循环制氢方法，其特征在于，当所述制氢储氢系统处于模式一、二或三中的其中一种时，
水在储水装置中纯化后，增压进入去离子单元，形成的去离子水进入电解槽电解；
从电解槽中回收的水经过换热后，在储水装置中与纯化后的水混合，循环使用，回收的热量经换热进入中温蓄热单元；
电解槽电解后产生的含水氢气在储氢装置中经纯化、加压后，温度上升至150℃～250℃，经过换热降温后形成高压氢气产品存储待用，回收的热量经换热进入高温蓄热单元；
电解槽电解后产生的含水氧气在储氧装置中经纯化、加压后，温度上升至150℃～250℃，经过换热降温后形成高压氢气产品存储待用，回收的热量经换热进入高温蓄热单元。
8.根据权利要求6或7所述的多模式循环制氢方法，其特征在于，还包括模式五，具体为利用高温蓄热单元的热量通过换热介质对再生气进行加热，产生的高温再生气对去离子单元，氢纯化单元，氧纯化单元进行吹扫除气。
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