CN114561668A - 具有蓄热装置的制氢系统和制氢系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有蓄热装置的制氢系统和制氢系统的控制方法，制氢系统包括储液罐、电解槽、换热器和蓄热装置。储液罐与电解槽相连以便向电解槽提供电解液。储液罐、换热器的第一侧和电解槽连通组成制氢回路，且换热器位于电解槽的上游，蓄热装置与换热器的第二侧连通，蓄热装置具有蓄热状态和第一放热状态。蓄热装置在制氢系统启动阶段对电解液进行预热，转“冷启动”为“热启动”，缩短了启动时间，提升了制氢速度和效率，节能降耗，降低运行成本，还能够对制氢系统正常运行时散发的大量无效废热进行有效储存，并实现低品质热能的回收利用。

Description

具有蓄热装置的制氢系统和制氢系统的控制方法

技术领域

本申请涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种具有蓄热装置的制氢系统和制氢系统的控制方法。

背景技术

目前，常用的电解水制氢方式有碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢和固体氧化物电解水制氢。碱性电解水制氢技术相对简单，成本较低，但存在制氢效率低，氢气纯度低等问题，且电解质为碱性物质，整体存在安全隐患。固体氧化物电解水制氢需要较高温度才可进行电解，能耗较高，热能损失较大。质子交换膜电解水制氢技术因其高电流密度、高产氢量、效率高、系统安全等优点而成为最常用的制取氢气的技术路线。但是实际工程应用中，质子交换膜电解水制氢系统存在以下技术难题：第一，系统冷启动时冷水直接进入电解槽，依赖直流电将电解液加热，不仅反应速率慢，催化活性和制氢效率低，而且启动时间长，较难维持电解槽的恒温状态；第二，电解将产生大量需要疏散的废热，而这些废热无法有效回收利用，若不及时疏散废热，将产生膜电极过热、催化剂脱落、电极性能衰减等严重问题，而目前的热量疏散往往通过冷却塔或冷水机组设备实现，未进行废热回收，不符合节能降耗的要求。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种具有蓄热装置的制氢系统，本发明的实施例还提出一种制氢系统的控制方法。

本发明实施例提供的具有蓄热装置的制氢系统包括储液罐，所述储液罐用于储存电解液；电解槽，所述储液罐与所述电解槽相连以便向所述电解槽提供电解液；换热器，所述储液罐、所述换热器的第一侧和所述电解槽连通组成制氢回路，且所述换热器位于所述电解槽的上游；蓄热装置，所述蓄热装置与所述换热器的第二侧连通，所述蓄热装置具有蓄热状态和第一放热状态，在所述蓄热状态，热量从所述换热器的第一侧向第二侧传递从而储存在所述蓄热装置内，在所述第一放热状态，所述蓄热装置放热，热量从所述换热器的第二侧向第一侧传递以便加热进入所述电解槽的电解液。

本发明提供的制氢系统具有蓄热装置，蓄热装置能够在制氢系统启动阶段对电解液进行预热，转“冷启动”为“热启动”，缩短了启动时间，提升了制氢速度和效率，节能降耗，降低运行成本，还能够对制氢系统正常运行时散发的大量无效废热进行有效储存，并实现低品质热能的回收利用。

在一些实施例中，制氢系统还包括冷却装置，所述冷却装置与所述蓄热装置的出水口相连，以便释放蓄热状态下的多余热量。

在一些实施例中，所述蓄热装置与所述换热器的第二侧通过第一换热回路连通，其中，

所述冷却装置连接在所述第一换热回路中，在所述蓄热状态，所述冷却装置开启，在所述第一放热状态，所述冷却装置关闭；

或者，所述蓄热装置、所述换热器的第二侧和所述冷却装置通过冷却回路连通，在所述蓄热状态，所述冷却回路开启且所述第一换热回路断开，在所述第一放热状态，所述第一换热回路开启且所述冷却回路断开。

在一些实施例中，所述蓄热装置为梯级蓄热装置，所述梯级蓄热装置包括多个蓄热区和贯穿每个所述蓄热区的热水管，所述蓄热区之间的蓄热温度不同，在所述蓄热状态，高温换热介质通过所述热水管将热量储存在每个所述蓄热区内，在所述第一放热状态，其中一个蓄热区放热以加热所述换热器的第一侧的电解液，

所述制氢系统还包括至少一个第二换热回路，所述第二换热回路与其余所述蓄热区一一对应，所述梯级蓄热装置还具有第二放热状态，在所述第二放热状态，所述蓄热区放热以加热对应的第二换热回路中的换热介质。

在一些实施例中，所述蓄热区中分别填充有相变温度不同的相变材料，所述相变材料相变以蓄热或放热，所述热水管依次穿过所述多个蓄热区。

在一些实施例中，用于加热电解液的所述蓄热区位于用于加热所述第二换热回路的所述蓄热区的上游。

在一些实施例中，位于上游的所述蓄热区中的相变材料的相变温度高于位于下游的所述蓄热区中的相变材料的相变温度。

在一些实施例中，所述第二换热回路中的一个用于加热生活用水。

在一些实施例中，所述梯级蓄热装置包括热水支管，所述热水支管位于所述用于加热电解液的蓄热区内且其进水口与所述热水管连通，在所述第一放热状态，所述热水支管与所述换热器连通。

在一些实施例中，制氢系统包括第一管路、第二管路、第三管路、第四管路和冷却装置，所述第一管路连通所述换热器的第二侧的出水口和所述热水管的进水口，所述第二管路连通所述热水管的出水口和所述冷却装置，所述第三管路连通所述冷却装置和所述换热器，所述第四管路连通所述热水支管的出水口和所述第三管路，

在所述蓄热状态，所述第四管路断开，所述第一管路、所述热水管、所述第二管路和所述第三管路组成回路，所述冷却装置用于释放回路中的多余热量，在所述第一放热状态，所述第二管路与所述第三管路之间的连通断开，所述第一管路、所述热水支管、所述第四管路和所述第三管路的至少一部分组成回路。

在一些实施例中，所述蓄热区内设置有多孔金属骨架结构。

在一些实施例中，制氢系统包括控制器和若干温度检测器，所述控制器用于根据所述温度检测器的温度检测信号，控制所述梯级蓄热装置的状态。

本发明另一方面实施例还提供一种制氢系统的控制方法，所述控制方法包括：判断所述蓄热装置是否有足够蓄热量；若经判断所述蓄热装置没有足够蓄热量，判断所述电解槽入口处的电解液温度T1是否小于设定阈值，若是，关闭所述蓄热装置，若否，使所述蓄热装置进入蓄热状态；若经判断所述蓄热装置具有足够蓄热量，判断所述电解槽入口处的电解液温度T1是否小于设定阈值，若是，使所述蓄热装置进入第一放热状态，若否，使所述蓄热装置进入蓄热状态。

在一些实施例中，所述控制方法包括：若经判断所述蓄热装置具有足够的蓄热量，还判断用户侧是否需要热水供应，若是，开启所述第二换热回路使所述蓄热装置进入第二放热状态，若否，关闭所述第二换热回路；若经判断所述电解槽入口处的电解液温度T1大于等于所述设定阈值且用户侧不需要热水供应，使所述蓄热装置进入蓄热状态。

附图说明

图1是本发明实施例中具有蓄热装置制氢系统的结构示意图(其中蓄热装置处于第一放热状态)。

图2是本发明实施例中具有蓄热装置制氢系统的结构示意图(其中蓄热装置处于蓄热状态)。

图3是本发明实施例中梯级蓄热装置的结构示意图。

图4是图3的局部放大示意图。

图5是本发明实施例中制氢系统的控制方法的流程示意图。

附图标记：

储液罐1、电解槽2、换热器3、梯级蓄热装置4、外壳40、进水口401、第一出水口402、第二出水口403、热水管41、第一蓄热区42、第一充注口421、第一排出口422、第二蓄热区43、第二充注口431、第二排出口432、热水支管44、绝热隔板45、生活热水加热段46、多孔金属骨架结构47、冷却塔5、超纯水机6、第一循环水泵7、第一管路81、第二管路82、第三管路83、第四管路84、第一阀门91、第二阀门92、第三阀门93、第二循环水泵94、第四阀门95、控制器10、第一热电阻101、第二热电阻102、第三热电阻103、变频器104、制氢回路11、第二换热回路12。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面根据图1-图4描述本发明实施例提供的一种具有蓄热装置的制氢系统的基本结构。

制氢系统包括储液罐1、电解槽2、换热器3、蓄热装置(例如梯级蓄热装置4)。储液罐1用于储存电解液。电解槽2用于水的电解和氢气的制备，电解槽2中产生的氢气接入后处理装置进行收集处理。电解槽2与储液罐1相连以便储存罐1中的电解液能够输入电解槽2内进行电解制氢，换言之，储液罐1用于向电解槽2提供电解液。

换热器3具有第一侧和第二侧，第一侧与第二侧之间能够进行热交换即热量的传递。储液罐1、换热器3的第一侧和电解槽2连通组成了制氢回路11，并且在制氢回路11中，换热器3位于电解槽2的上游，也就是说，电解液从储液罐1输出后，先流经换热器3中进行热交换后再进入电解槽2内。

蓄热装置与换热器3的第二侧相连通。蓄热装置具有蓄热状态和第一放热状态。其中在蓄热状态，热量从换热器3的第一侧向第二侧传递，从而储存在蓄热装置内，在第一放热状态，蓄热装置放热，热量从换热器3的第二侧向第一侧传递以便加热进入电解槽2的电解液。也就是说，在蓄热状态，热量由第一侧的高温电解液传递给第二侧的换热介质，换热介质流入蓄热装置中并进行热交换将热量储存在蓄热装置内，并且电解液的温度得以降低。在第一放热状态，蓄热装置释放热量加热换热介质，换热介质流入换热器3的第二侧，并将热量传递给换热器3的第一侧的电解液从而加热电解液，加热后的电解液进入电解槽2内进行反应。可选地，换热介质为水。

换言之，在第一放热状态，蓄热装置中储存的热量通过换热器3交换给电解液以使其升温预热，在蓄热状态，高温电解液中的热量通过换热器3储存在蓄热装置中。

需要说明的是，在制氢系统启动阶段，储液罐1输出的电解液的温度较低，此时蓄热装置进入第一放热状态，对流入电解槽2的电解液进行加热，经过预热的电解液进入电解槽2中进行反应，转“冷启动”为“热启动”，缩短了启动时间，提升了制氢速度和效率，起到了节能降耗的目的。在蓄热状态，换热器3的第一侧的高温电解液是由于制氢系统在正常运行时，电解槽2中反应产生热量使流出电解槽2的电解液具有较高的温度形成的，高温电解液进入储液罐1中，并通过制氢回路11进入下一循环。

本发明提供的制氢系统具有蓄热装置，蓄热装置能够在制氢系统启动阶段对电解液进行预热，转“冷启动”为“热启动”，缩短了启动时间，提升了制氢速度和效率，节能降耗，降低运行成本，还能够对制氢系统正常运行时散发的大量无效废热进行有效储存，并实现低品质热能的回收利用。

在一些实施例中，制氢系统还包括冷却装置，冷却装置与蓄热装置的出水口相连以便释放蓄热状态下的多余热量。也就是说，冷却装置位于蓄热装置的下游，当蓄热装置进入蓄热状态，从蓄热装置的出水口流出的换热介质进入冷却装置中进行散热，以及时疏散换热介质中多余的废热，从而可以起到保护制氢系统，延长其使用寿命的作用。可选地，冷却装置为冷却塔5，或者其他起到冷却作用的冷却装置。

在一些实施例中，蓄热装置与换热器3的第二侧通过第一换热回路连通，在第一放热状态，第一换热回路流通以便将蓄热装置释放的热量输入换热器3中。在一些可选实施例中，冷却装置连接在第一换热回路中，在蓄热状态，冷却装置开启，在第一放热状态，冷却装置关闭，从而实现冷却装置只在蓄热装置处于蓄热状态时作用的目的。或者，在其他可选实施例中，蓄热装置、换热器3的第二侧和冷却装置通过冷却回路连通，在蓄热状态，冷却回路开启且第一换热回路断开，在第一放热状态，第一换热回路开启且冷却回路断开，从而实现冷却装置只在蓄热装置处于蓄热状态时作用的目的。需要说明的是，本领域的技术人员可采用常规的管路和阀门实现上述实施例，这里不作赘述。

进一步地，发明人发现，传统技术中的蓄热装置普遍是单一温度出水，无法满足不同用热末端的温度需求。例如制氢系统所在的工业园区内有员工洗浴、生活热水的用热需求，同时周边小区等也有生活热水和供暖需求，而不同用热末端的温度需求不同，例如电解质预热的最佳温度是50-60℃，生活用水(例如洗浴)的最佳温度是35-40℃。因此相关技术中的制氢系统无法有效匹配厂区及周边建筑的用热需求。

为解决上述问题，在本发明的一些实施例中，蓄热装置为梯级蓄热装置4，梯级蓄热装置4包括多个蓄热区和贯穿每个蓄热区的热水管41，蓄热区之间的蓄热温度不同。多个蓄热区中的一个用于加热换热器3的第一侧的电解液，制氢系统还包括至少一个第二换热回路12，第二换热回路12与其余蓄热区一一对应，所述其余蓄热区用于加热对应的第二换热回路12中的换热介质。例如第二换热回路12可以用于加热生活用水。

在蓄热状态，高温换热介质在热水管41内流通，通过热水管41将热量储存在每个蓄热区内。在第一放热状态，用于加热换热器3的第一侧的电解液的蓄热区放热以使换热器3的第一侧的电解液的温度提高，转“冷启动”为“热启动”。梯级蓄热装置4还具有第二放热状态，在第二放热状态，蓄热区放热以加热对应的第二换热回路12中的换热介质。由于蓄热区之间的蓄热温度不同，因此梯级蓄热装置4能够满足不同的用热需求，既提高了能源的利用率，又能实现热量的多梯度利用，使资源利用多样化。

进一步具体地，梯级蓄热装置4的原理是通过蓄热式换热器及内部封装的相变材料，利用相变材料的不同相变温度，为不同的用热末端提供“温度对口，梯级利用”的能量。蓄热区中分别填充有相变温度不同的相变材料，相变材料相变以蓄热或放热，蓄热区内的相变材料的相变温度为该蓄热区的蓄热温度。

在一些实施例中，热水管41依次穿过多个蓄热区。用于加热电解液的蓄热区位于用于加热第二换热回路12的蓄热区的上游，以便使热量优先储存在用于加热电解液的蓄热区内，更好地保证制氢系统的“热启动”。

在一些实施例中，位于上游的蓄热区中的相变材料的相变温度高于位于下游的蓄热区中的相变材料的相变温度，从而使热量优先储存在蓄热温度较高的蓄热区中，从而实现热量的多梯度利用，有效地提高能源的利用率。

下面根据图1-图4详细描述本发明的一个具体实施例中的制氢系统，在该实施例中，蓄热装置为梯级蓄热装置4。

如图1和图2所示，制氢系统包括储液罐1、电解槽2、换热器3、梯级蓄热装置4、冷却塔5、超纯水机6、第一循环水泵7。储液罐1中储存的电解液为超纯水。超纯水机6用于市政给水的离子去除和净化，通过管道将超纯水输送至储液罐1。第一循环水泵7位于制氢回路11中，用于为储液罐1内的超纯水提供输配动力，并将超纯水输送至换热器3的第一侧。可选地，换热器3为板式换热器，换热介质为水。

在本实施例中，制氢系统包括一个第二换热回路12，该第二换热回路12用于加热生活用水以便提供厂区内及周边建筑的洗浴和生活热水等。如图3所示，梯级蓄热装置4包括第一蓄热区42和第二蓄热区43。其中在第一放热状态，第一蓄热区42放热以加热换热器3第一侧的电解液，在第二放热状态，第二蓄热区43放热以加热生活用水。需要说明的是，梯级蓄热装置4的第一放热状态和第二放热状态可以同时进行，即在一个时间段内，第一蓄热区42和第二蓄热区43可以同时放热。在蓄热状态，梯级蓄热装置4的第一蓄热区42和第二蓄热区43共同蓄热。

如图3和图4所示，梯级蓄热装置4具有外壳40。外壳40内限定出第一蓄热区42和第二蓄热区43，第一蓄热区42和第二蓄热区43之间设有绝热隔板45。第一蓄热区42中填充有第一相变材料，第二蓄热区43中填充有第二相变材料，第一相变材料和第二相变材料的相变温度不同。外壳40上设有用于向第一蓄热区42充注第一相变材料的第一充注口421，用于从第一蓄热区42排出第一相变材料的第一排出口422，用于向第二蓄热区43充注第二相变材料的第二充注口431，用于从第二蓄热区43排出第二相变材料的第二排出口432。

如图3所示，梯级蓄热装置4具有进水口401、第一出水口402、第二出水口403、热水管41、热水支管44、生活热水加热段46。

热水管41连通进水口401和第一出水口402并贯穿第一蓄热区42和第二蓄热区43。在蓄热阶段，高温换热介质通过进水口401流入热水管41并沿着热水管41流通后从第一出水口402流出，热水管41内的高温换热介质(热水)释放热量以使相变材料相变蓄热。

热水支管44的进水端连通热水管41，出水端为第二出水口403，热水支管44位于第一蓄热区42内，在第一放热状态，热水支管44与换热器连通，即换热介质从进水口401进入，从第二出水口403流出。具体地，热水支管44的进水端与热水管41的中部连通。在第一放热状态，温度较低的换热介质从进水口401进入热水管41，第一蓄热区42内的第一相变材料相变放热，加热热水管41的位于第一蓄热区42的部分以及热水支管44中的换热介质，加热后的换热介质从第二出水口403流出，流入换热器3的第二侧并与第一侧的电解液进行热交换以加热第一侧的电解液。

生活热水加热段46位于第二蓄热区43内，生活热水加热段46连通在第二换热回路12中。生活用水侧需要热水时，梯级蓄热装置4进入第二放热状态，第二蓄热区43内的第二相变材料相变放热，加热生活热水加热段46内的换热介质，加热后的换热介质通过第二换热回路12流入生活用水侧加热生活用水。如图1所示，在本实施例中，第二换热回路12上设有控制第二换热回路12启闭的第四阀门95。

如图1所示，在本实施例中，制氢系统包括第一管路81、第二管路82、第三管路83和第四管路84。第一管路81连通换热器3的第二侧的出水口和热水管41的进水口(进水口401)，第二管路82连通热水管41的出水口(第一出水口402)和冷却塔5，第三管路83连通冷却塔5和换热器3的第二侧的进水口，第四管路84连通热水支管44的出水口(第二出水口403)和第三管路83。

进一步地，制氢系统包括第一阀门91、第二阀门92、第三阀门93、第二循环水泵94。第一阀门91设在第四管路84上用于控制第四管路84的开闭。第二阀门92设在第二管路82上用于控制第二管路82的开闭。第三阀门93设在第三管路83上，并且第三阀门93位于第四管路84与第三管路83连接处的上游，用于控制第三管路83的上游段的开闭。第二循环水泵94设在第三管路83上，并且位于第四管路84与第三管路83连接处的下游，用于为换热介质提供循环动力。

在蓄热状态，第一阀门91关闭使第四管路84断开，第二阀门92和第三阀门93打开，第一管路81、热水管41、第二管路82和第三管路83组成回路，在第二循环水泵94的作用下，换热器3第二侧的换热介质被第一侧的高温电解液加热，流出第二侧的高温换热介质通过第一管路81进入梯级蓄热装置4内，流经热水管41将热量储存在梯级蓄热装置4内，流出梯级蓄热装置4的换热介质通过第二管路82进入冷却塔5，冷却塔5用于释放回路中的多余热量，从冷却塔5流出的换热介质沿第三管路83回到换热器3中，完成一个循环。

在第一放热状态，第二阀门92和第三阀门93关闭，第二管路82和第三管路83断开，第一阀门91打开，第一管路81、热水支管44、第四管路84和第三管路83的一部分组成回路。在第二循环水泵94的作用下，温度较低的换热介质进入热水管41内，并沿着热水管41的位于第一蓄热区42内的部分流通进入热水支管44最终流入第四管路84，在该过程中，第一蓄热区42加热换热介质，流入第四管路84的换热介质为高温换热介质，高温换热介质通过第四管路84进入第三管路83的下游段，沿第三管路83进入换热器3的第二侧，加热换热器3第一侧的电解液，实现制氢系统的“热启动”。

在第二放热状态，第四阀门95打开，第二换热回路12开启，第二蓄热区43内的第二相变材料相变放热，加热生活热水加热段46内的换热介质，加热后的换热介质通过第二换热回路12流入生活用水侧加热生活用水。

利用相变材料的熔点不变、物态变化的特点，进行潜热的存储和释放。本领域的技术人员可知，在第一放热状态从热水支管44输出的换热介质的输出温度等于第一相变材料的相变温度，在第二放热状态从加热生活热水加热段46输出的换热介质的输出温度等于第二相变材料的相变温度。由于第一相变材料和第二相变材料的相变材料不同，因此换热介质的输出温度不同。根据不同用热末端的温度需求选择相变材料，可以实现为不同的用热末端提供“温度对口，梯级利用”的能量，保证热流体的能量充分利用，梯度释放能量，提高换热效率，满足不同用热末端的温度需求。

在本实施例中，热水管41的进水口靠近第一蓄热区42。也可以说，第一蓄热区42位于第二蓄热区43的上游。并且，第一相变材料的相变温度高于第二相变材料的温度。也就是说，在本申请的实施例中，位于上游的蓄热区中的相变材料的相变温度高于位于下游的蓄热区中的相变材料的相变温度。

这是由于，相比生活用水系统，电解液对温度的需求更高，因此用于加热电解液的第一蓄热区42优先对接热水管41的进水口，并通过相变温度较高的第一相变材料实现蓄热。对于热水温度需求较低的生活热水侧，通过相变温度较低的第二相变材料实现蓄热。

可选地，用于加热电解液的蓄热区(第一蓄热区42)中的相变材料(第一相变材料)的相变温度在50℃-60℃之间，用于加热生活用水的蓄热区(第二蓄热区43)中的相变材料(第二相变材料)的相变温度在30℃-50℃之间。进一步可选地，第二相变材料的相变温度在35℃-40℃之间。

可选地，第一相变材料为石蜡C24，相变温度51.5℃，第二相变材料可采用石蜡C20，相变温度36.7℃。

本发明所选择的第一相变材料和第二相变材料具有特殊性，主要体现在以下三点：其一，相变材料的选择取决于换热器3的回水温度、电解槽2的最佳电解温度和生活热水的需求温度；其二，两种相变材料的封装区域相邻，热物性及吸热和释热的速率较为接近，避免了相互之间的影响；其三，本系统针对的是低温余热相变回收，故相变材料的价格低廉。相变材料不局限于上述提到的C24和C20，对于能够达到同样效果的相变材料，均处于本发明保护范围内。

需要说明的是，在其他实施例中，若有三个以上对温度需求不同的用热末端，第二换热回路12可以设置有多个，梯级蓄热装置4设置有多个蓄热区，蓄热区中分别填充有相变温度不同的相变材料，热水管41贯穿每一个蓄热区。其中一个蓄热区对应加热电解液，其余蓄热区与第二换热回路12一一对应。

进一步地，为了提高梯级蓄热装置4的换热效率，如图4所示，蓄热区内设置有多孔金属骨架结构47。多孔金属骨架结构47分布设于两个蓄热区内，用于容纳不同蓄热区中的相变材料，同时起到固定和支撑蓄热装置的作用。多孔金属骨架结构导热系数高、传热速度快，大幅提高了传热的热均匀性。

本实施例提供的制氢系统还包括控制器10和若干温度检测器，控制器10用于根据温度检测器的温度检测信号，控制梯级蓄热装置4的状态。

具体地，如图1和图2所示，制氢系统包括第一热电阻101、第二热电阻102、第三热电阻103和变频器104。第一热电阻101用于监测进入电解槽2的电解液的温度。第二热电阻102用于监测梯级蓄热装置4的第二出水口403处的温度。第三热电阻103用于检测第二换热回路12中向生活用水系统供热的供水温度。变频器104用于控制第二循环水泵94的转速和流量，实现变流量和运行节能，控制器10通过控制变频器104对第二循环水泵94进行流量控制。控制器10还用于控制第一阀门91、第二阀门92、第三阀门93、第四阀门95的启闭以实现控制梯级蓄热装置4的状态。各阀门的启闭时机以及梯级蓄热装置4的不同应用状态上文已叙述。控制器10根据温度检测信号，控制各个调节阀和冷却水泵以控制各个管路启闭的过程如下：

(1)梯级蓄热装置4的蓄热状态：

梯级蓄热装置4的蓄热状态实为梯级蓄热装置4蓄热量用尽重新蓄热阶段。当第二热电阻102采集的温度低于其设定值且第三热电阻103采集的温度低于其设定值，控制器10由此判断梯级蓄热装置4的蓄热量用尽，具体流程如下：

如图2所示，制氢系统正常运行时电解后的高温热水从电解槽2返回到储液罐1，并在第一循环水泵7的作用下，通过进入换热器3的第一侧。控制器10控制第一阀门91关闭，开启第二阀门92和第三阀门93，换热介质通过回路将从换热器3吸收的热量储存在梯级蓄热装置4中，对电解的无效废热进行回收和存储，多余废热经过冷却塔5释放。

(2)梯级蓄热装置4的第一放热状态：

如图1所示，在制氢系统刚开始启动时，由于电解液温度较低，第一热电阻101采集的温度低于设定值，控制器10根据第一热电阻101采集的温度检测信号判断电解槽2的进水温度过低，控制器10控制开启第一阀门91和梯级蓄热装置4，并关闭第二阀门92和第三阀门93，梯级蓄热装置4进入第一放热状态，第一蓄热区42的第一相变材料释放大量潜热，通过回路对换热器3第一侧的电解液加热，从而实现进入电解槽2的电解液温度的提升和恒定，完成电解液的预热过程。

(3)梯级蓄热装置4的第二放热状态：

如图1所示，当热用户如厂区内的洗浴、生活热水的用水点，或厂区周边建筑的用水点产生用热需求时，控制器10开启第四阀门95和梯级蓄热装置4，第二换热回路12开启且梯级蓄热装置4进入第二放热状态，第二蓄热区43中的第二相变材料释放大量潜热，通过第二换热回路12对用户侧的生活热水进行加热，完成生活热水的供应。

本发明实施例还提供了一种制氢系统的控制方法，控制方法包括：

判断所述蓄热装置是否有足够蓄热量；

若经判断所述蓄热装置没有足够蓄热量，判断所述电解槽入口处的电解液温度T1是否小于设定阈值，若是，关闭所述蓄热装置，若否，使所述蓄热装置进入蓄热状态；

若经判断所述蓄热装置有足够蓄热量，判断所述电解槽入口处的电解液温度T1是否小于设定阈值，若是，使所述蓄热装置进入第一放热状态，若否，使所述蓄热装置进入蓄热状态；

若经判断所述蓄热装置有足够蓄热量，还判断用户侧是否需要热水供应，若是，开启所述第二换热回路使所述蓄热装置进入第二放热状态，若否，关闭所述第二换热回路；

若T1大于等于设定阈值且用户侧不需要热水供应，使所述蓄热装置进入蓄热状态。

具体地，如图5的流程图所示，控制方法包括：

通过第二热电阻102和第三热电阻103监控梯级蓄热装置4的出水温度，进而判断梯级蓄热装置4是否有足够蓄热量；

若梯级蓄热装置4没有足够蓄热量，判断第一热电阻101的检测温度(即电解槽入口处的电解液温度T1)是否小于设定阈值，若是，控制器10控制关闭第一阀门91、梯级蓄热装置4和第二循环水泵94，并关闭第二阀门92和第三阀门93，这是由于此时电解槽入口处的电解液温度T1还没有超过预设温度，不宜开启蓄热及冷却流程，需要直流电将电解槽中的电解液慢慢加热；若否，即若第一热电阻101的检测温度大于等于设定阈值，说明电解槽入口处的电解液温度已满足反应条件，此时便可开启蓄热，控制器10控制第一阀门91关闭，开启第二循环水泵94、梯级蓄热装置4、第二阀门92和第三阀门93，即梯级蓄热装置4进入蓄热状态；

若经判断梯级蓄热装置4有足够蓄热量，则判断第一热电阻101的检测温度(即电解槽入口处的电解液温度T1)是否小于设定阈值，若是，控制器10关闭第二阀门92和第三阀门93，开启第一阀门91和梯级蓄热装置4，梯级蓄热装置4进入第一放热状态。待制氢系统进入正常运行阶段，第一热电阻101的检测温度大于等于设定阈值，控制器10控制关闭第一阀门91、打开第二阀门92和第三阀门93，梯级蓄热装置4进入蓄热状态；

若判断梯级蓄热装置4有足够蓄热量，还判断用户侧是否需要热水供应，若是，控制器10控制开启第四阀门95和梯级蓄热装置4，第二换热回路开启且梯级蓄热装置4进入第二放热状态，若否，控制器10控制关闭第四阀门95，第二换热回路关闭。

进一步地，控制方法还包括：

梯级蓄热装置4进入第一放热状态或第二放热状态之后，还需继续判断梯级蓄热装置4是否有足够蓄热量；

若梯级蓄热装置4没有足够蓄热量，则判断第一热电阻101的检测温度T1是否小于设定阈值，若是，控制器10控制关闭第一阀门91、梯级蓄热装置4和第二循环水泵94，并关闭第二阀门92和第三阀门93，这是由于此时电解槽入口处的电解液温度T1还没有超过预设温度，不宜开启蓄热及冷却流程，需要直流电将电解槽中的电解液慢慢加热；若否，即若第一热电阻101的检测温度大于等于设定阈值，说明电解槽入口处的电解液温度以满足反应条件，此时便可开启蓄热，控制器10控制第一阀门91关闭，开启第二循环水泵94、梯级蓄热装置4、第二阀门92和第三阀门93，即梯级蓄热装置4进入蓄热状态；

若经判断梯级蓄热装置4有蓄热量，则判断第一热电阻101的检测温度是否小于设定阈值，若是，控制器10关闭第二阀门92和第三阀门93，开启第一阀门91，梯级蓄热装置4进入第一放热状态。以及判断用户侧是否需要热水供应，若是，控制器10控制开启第四阀门94和梯级蓄热装置4，第二换热回路开启且梯级蓄热装置4进入第二放热状态。若第一热电阻101的检测温度大于等于设定阈值且用户侧不需要热水供应，控制器10控制关闭第一阀门91、打开第二阀门92和第三阀门93，梯级蓄热装置4进入蓄热状态。

综上所述，本发明实施例提供的具有蓄热装置的制氢系统及其控制方法具有以下效果：

(1)提高电解水制氢速度和效率，节约用电降低成本。利用梯级蓄热装置加热冷启动时的电解液，转“冷启动”为“热启动”，缩短启动时间，提升制氢速度和效率，起到了节能降耗的目的。

(2)最大限度的发挥低品质能源的价值。充分回收电解水系统散发的废热，提高了低品质热能的利用率。

(3)热源安全、稳定、持续、经济。由于蓄热材料相变时温度恒定，所供热水温度安全、恒定；同时相变时释放的是潜热，回收热能巨大且放热时间长，几乎不受外界影响。故本系统可提供安全、稳定、持续、经济的热源。

(4)经济效益明显。回收的废热用途多样，经济价值明显。一方面可为系统自身的冷启动阶段的预热，另一方面可为厂区、周边建筑的洗浴、生活热水使用。同时，本系统无额外的运行成本，经济价值十分明显。

(5)系统简单，占地面积小。本系统中的梯级蓄热装置采用一体化结构，相变材料封装区分隔简单，通过几个接口便可完成预热和生活热水的连接。

(6)强化蓄热和放热过程。蓄热装置内部分装不同相变温度的相变材料，可满足系统中不同的用热需求，且各个相变材料封装区分别添加了多孔金属骨架结构，使得相变蓄热装置中相变材料与换热介质之间的传热性能增强，热均匀性增强，利于整个系统的蓄热和放热过程。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (14)

1.一种具有蓄热装置的制氢系统，其特征在于，包括：

储液罐；

电解槽，所述储液罐与所述电解槽相连以便向所述电解槽提供电解液；

换热器，所述储液罐、所述换热器的第一侧和所述电解槽连通组成制氢回路，且所述换热器位于所述电解槽的上游；

蓄热装置，所述蓄热装置与所述换热器的第二侧连通，所述蓄热装置具有蓄热状态和第一放热状态，在所述蓄热状态，热量从所述换热器的第一侧向第二侧传递从而储存在所述蓄热装置内，在所述第一放热状态，所述蓄热装置放热，热量从所述换热器的第二侧向第一侧传递以便加热进入所述电解槽的电解液。

2.根据权利要求1所述的具有蓄热装置的制氢系统，其特征在于，还包括冷却装置，所述冷却装置与所述蓄热装置的出水口相连，以便释放蓄热状态下的多余热量。

3.根据权利要求2所述的具有蓄热装置的制氢系统，其特征在于，所述蓄热装置与所述换热器的第二侧通过第一换热回路连通，其中，

所述冷却装置连接在所述第一换热回路中，在所述蓄热状态，所述冷却装置开启，在所述第一放热状态，所述冷却装置关闭；

或者，所述蓄热装置、所述换热器的第二侧和所述冷却装置通过冷却回路连通，在所述蓄热状态，所述冷却回路开启且所述第一换热回路断开，在所述第一放热状态，所述第一换热回路开启且所述冷却回路断开。

4.根据权利要求1或2所述的具有蓄热装置的制氢系统，其特征在于，所述蓄热装置为梯级蓄热装置，所述梯级蓄热装置包括多个蓄热区和贯穿每个所述蓄热区的热水管，所述蓄热区之间的蓄热温度不同，在所述蓄热状态，高温换热介质通过所述热水管将热量储存在每个所述蓄热区内，在所述第一放热状态，其中一个蓄热区放热以加热所述换热器的第一侧的电解液，

所述制氢系统还包括至少一个第二换热回路，所述第二换热回路与其余所述蓄热区一一对应，所述梯级蓄热装置还具有第二放热状态，在所述第二放热状态，所述蓄热区放热以加热对应的第二换热回路中的换热介质。

5.根据权利要求4所述的具有蓄热装置的制氢系统，其特征在于，所述蓄热区中分别填充有相变温度不同的相变材料，所述相变材料相变以蓄热或放热，所述热水管依次穿过所述多个蓄热区。

6.根据权利要求5所述的具有蓄热装置的制氢系统，其特征在于，用于加热电解液的所述蓄热区位于用于加热所述第二换热回路的所述蓄热区的上游。

7.根据权利要求6所述的具有蓄热装置的制氢系统，其特征在于，位于上游的所述蓄热区中的相变材料的相变温度高于位于下游的所述蓄热区中的相变材料的相变温度。

8.根据权利要求4-6中任一项所述的具有蓄热装置的制氢系统，其特征在于，所述第二换热回路中的一个用于加热生活用水。

9.根据权利要求4-7中任一项所述的具有蓄热装置的制氢系统，其特征在于，所述梯级蓄热装置包括热水支管，所述热水支管位于所述用于加热电解液的蓄热区内且其进水口与所述热水管连通，在所述第一放热状态，所述热水支管与所述换热器连通。

10.根据权利要求9所述的具有蓄热装置的制氢系统，其特征在于，包括第一管路、第二管路、第三管路、第四管路和冷却装置，所述第一管路连通所述换热器的第二侧的出水口和所述热水管的进水口，所述第二管路连通所述热水管的出水口和所述冷却装置，所述第三管路连通所述冷却装置和所述换热器，所述第四管路连通所述热水支管的出水口和所述第三管路，

在所述蓄热状态，所述第四管路断开，所述第一管路、所述热水管、所述第二管路和所述第三管路组成回路，所述冷却装置用于释放回路中的多余热量，在所述第一放热状态，所述第二管路与所述第三管路之间的连通断开，所述第一管路、所述热水支管、所述第四管路和所述第三管路的至少一部分组成回路。

11.根据权利要求4所述的具有蓄热装置的制氢系统，其特征在于，所述蓄热区内设置有多孔金属骨架结构。

12.根据权利要求4所述的具有蓄热装置的制氢系统，其特征在于，包括控制器和若干温度检测器，所述控制器用于根据所述温度检测器的温度检测信号，控制所述梯级蓄热装置的状态。

13.一种制氢系统的控制方法，其特征在于，所述制氢系统为根据权利要求1-12中任一项所述的制氢系统，所述控制方法包括：

判断所述蓄热装置是否有足够蓄热量；

若经判断所述蓄热装置没有足够蓄热量，判断所述电解槽入口处的电解液温度T1是否小于设定阈值，若是，关闭所述蓄热装置，若否，使所述蓄热装置进入蓄热状态；

若经判断所述蓄热装置具有足够蓄热量，判断所述电解槽入口处的电解液温度T1是否小于设定阈值，若是，使所述蓄热装置进入第一放热状态，若否，使所述蓄热装置进入蓄热状态。

14.根据权利要求13所述的制氢系统的控制方法，其特征在于，所述制氢系统为根据权利要求8所述的制氢系统，所述控制方法还包括：

若经判断所述蓄热装置具有足够的蓄热量，还判断用户侧是否需要热水供应，若是，开启所述第二换热回路使所述蓄热装置进入第二放热状态，若否，关闭所述第二换热回路；

若经判断所述电解槽入口处的电解液温度T1大于等于所述设定阈值且用户侧不需要热水供应，使所述蓄热装置进入蓄热状态。

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