CN114592207B - 一种适应快速宽功率波动的电解制氢系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适应快速宽功率波动的电解制氢系统，包括电源模块、控制器、电解制氢模组和纯化单元模组；通过碱性制氢单元和PEM制氢单元组合式的电解制氢配置，实现了功率的大范围调节；碱性制氢单元和PEM制氢单元均采用多个电解槽串和/或并联结构，优选并联结构，并联电解槽提升了对快速波动的响应速率，且并联可单独运行电解槽，做到最低功率运行。纯化单元模组采用了独立设置的碱性制氢纯化单元和PEM制氢纯化单元，避免不同制氢单元产氢的混合；另纯化单元模组也采用多个纯化单元的并联形式，提高了低功率条件运行时纯化单元运行的有效性和高效性，避免了大体积容器设备在过低负荷运行的露点差问题。

Description

一种适应快速宽功率波动的电解制氢系统及控制方法

技术领域

本发明涉及水电解制氢技术领域，尤其涉及一种适应快速宽功率波动的电解制氢系统及控制方法。

背景技术

氢能是一种理想的二次能源，与其他能源相比，氢热值高，且燃烧产物为水，是最环保的能源，氢能被认为是未来人类社会的终极能源。氢储能技术被认为是解决可再生能源消纳难题的有效途径，通过可再生能源发电制氢过程可以有效实现低碳制氢、绿色制氢。但由于电解水过程能耗较高且由于风电、光伏等电源的波动性，因此对电解水制氢系统的耐功率波动范围和系统控制提出了更高的要求。

在现有碱性制氢系统利用多台碱性电解槽进行并联，可有效实现电解槽对宽功率下的适应，但碱性电解槽具有响应速度慢的特性，难以应对快速的功率波动；

另外现有的制氢系统基本是对应一套干燥机纯化系统，导致在低功率工作时，由于干燥系统容积较大，系统低功率下产气较少，纯化系统再生过程较慢，且耗气量大，导致干燥不完全，出现气体露点较差。在专利一种混合式电解水的绿氢制备系统中，采用了一台碱性电解槽和一台PEM电解槽进行串并联构造；该发明中采用单套氢气纯化单元，不同电解槽均通过同一套氢气纯化系统，无差别对待碱性电解槽和PEM电解槽产气，不能有效利用纯水电解槽产气纯度高、杂质少等优点；且在低功率下运行时存在气体露点较差、纯度较差问题。

因此，业内急需一种能够快速响应宽功率波动的电解制氢系统及控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适应快速宽功率波动的电解制氢系统及控制方法，解决背景技术中存在的气体露点差、纯度差以及无法有效应对功率波动的技术问题。

本发明提供了一种适应快速宽功率波动的电解制氢系统，包括电源模块、控制器、电解制氢模组和纯化单元模组；

电解制氢模组和电源模块均与控制器连接；纯化单元模组连接于电解制氢模组的氢侧输出口，纯化单元模组用以电解制氢模组氢气的纯化；电源模块用以控制器和电解制氢模组供电；控制器用以控制电解制氢模组制氢；电解制氢模组用以电解制氢；

所述电解制氢模组包括碱性制氢单元和PEM制氢单元；纯化单元模组包括碱性制氢纯化单元和PEM制氢纯化单元；

碱性制氢单元的出氢口连接第一氢分离器，第一氢分离器的输出端连接氢洗涤器，氢洗涤器的输出端连接脱氧塔，脱氧塔的出口端连通碱性制氢纯化单元，碱性制氢单元电解产生的氢气依次经第一氢分离器分离、氢洗涤器和脱氧塔后至碱性制氢纯化单元纯化处理后输出；

碱性制氢单元的出氧口连接第一氧分离器，第一氧分离器的输出端连接氧洗涤器，碱性制氢单元电解产生的氧气依次经第一氧分离器分离和氧洗涤器后输出；

PEM制氢单元的出氢口连接第二氢分离器，第二氢分离器的输出端连接第二捕滴器；第一捕滴器的出口端连通PEM制氢纯化单元，PEM制氢单元电解产生的氢气依次经第二氢分离器分离和第一捕滴器至PEM制氢纯化单元纯化处理后输出；

PEM制氢单元的出氧口连接第二氧分离器，第二氧分离器的输出端连接第二捕滴器；PEM 制氢单元电解产生的氧气依次经第二氧分离器分离和第二捕滴器后输出。

进一步地，碱性制氢单元包括多组串联和/或并联的碱性电解槽，多组串联和/或并联的碱性电解槽的出氢口一同汇集至第一氢分离器；PEM制氢单元包括多组串联和/或并联的PEM电解槽，多组串联和/或并联的PEM电解槽一同汇集至第二氢分离器。

进一步地，PEM制氢纯化单元的输出端与碱性制氢纯化单元的输出端之间设有连通管路，且该连通管路上设有由PEM制氢纯化单元流向碱性制氢纯化单元的单向阀门。

进一步地，碱性制氢纯化单元包括多组并联设计的第一纯化单元，PEM制氢纯化单元包括多组并联设计的第二纯化单元。

进一步地，第一氢分离器与第一氧分离器之间设有相连通的第一管路，第二氢分离器和第二氧分离器之间设有相连通的第二管路。

进一步地，本申请系统包括换热模块，换热模块包括冷水机、第一换热器和第二换热器；第一换热器和第二换热器分别并联于冷水机，且第一换热器和第二换热器均与冷水机双向连通，冷水机提供第一换热器和第二换热的换热用冷却介质；

第一氢分离器和第一氧分离器的碱性电解液出口通过第一换热器连通通碱性制氢单元，第一氢分离器和第一氧分离器出口的碱性电解液经第一换热器换热后流入碱性制氢单元，第一换热器与碱性制氢单元之间设有碱液循环泵，第一换热器用以碱性电解液换热及循环利用；

第二氢分离器和第二氧分离器的电解水出口通过第二换热器连通PEM制氢单元，第二氢分离器和第二氧分离器出口的纯水电解水经第二换热器换热后流入PEM制氢单元，第二换热器与PEM制氢单元之间设有纯水循环泵，第二换热器用以纯水电解水换热及循环利用。

进一步地，本申请系统包括补水单元，补水单元包括去离子器和纯水器，去离子器的输入端连接外部纯水源，去离子器设有第一出水口和第二出水口，第一出水口通过管路连通氢洗涤器；第二出水口连通纯水器，纯水器输出口连通第二氧分离器。

进一步地，碱性制氢纯化单元和PEM制氢纯化单元分别并联于冷水机，且碱性制氢纯化单元和PEM制氢纯化单元均与冷水机双向连通；

第一纯化单元的数量与碱性电解槽的数量相对应，第二纯化单元的数量与PEM电解槽的数量相对应。

本发明还提供一种适应快速宽功率波动的电解制氢系统的控制方法，包括上述的适应快速宽功率波动的电解制氢系统，包括以下步骤：

通过控制器获取功率波动量C，以及碱性制氢单元的总额定功率A和PEM制氢单元的总额定功率B；

控制器依据碱性制氢单元的总额定功率A、PEM制氢单元的总额定功率B以及功率波动量 C三者的比例范围，控制执行相应地电解制氢模组运转。

进一步地，所述控制器依据碱性制氢单元的总额定功率A、PEM制氢单元的总额定功率B 以及功率波动量C三者的比例范围，控制执行相应地电解制氢模组运转；具体包括：

波动量C是增量波动时：

当C≤B*50％时，优先采用提高PEM制氢单元的功率，利用PEM制氢单元先承受全部功率变化，并缓慢提升碱性制氢单元的功率；提升碱性制氢单元功率时，增加碱液循环泵和纯水循环泵流量，并缓慢降低PEM制氢单元的功率，且PEM制氢单元的功率变化速率不高于碱性制氢单元的功率变化速率；控制的最终状态保持碱性制氢单元总功率和PEM制氢单元总功率均有提高，且碱性制氢单元总功率提高的比例不高于PEM制氢单元总功率提高的比例；

当(A+B)*50％≥C＞B*50％时，先将PEM制氢单元功率提升50％，其余部分由碱性制氢单元承受；在变化PEM制氢单元和碱性制氢单元的功率时，增加碱液循环泵和纯水循环泵流量；控制的最终状态保持碱性制氢单元总功率和PEM制氢单元总功率均有提高，且碱性制氢单元总功率提高的比例不高于PEM制氢单元总功率提高的比例；

当C＞(A+B)*50％，通过控制器和电源模块控制切断功率输入，确保电解制氢模组的总功率变化不高于(A+B)*50％，优先将PEM制氢单元功率提升50％，其余部分由碱性制氢单元承受，且在变化PEM制氢单元和碱性制氢单元的功率时，增加碱液循环泵和纯水循环泵流量；

波动量C是减量波动时：

当C小于电解制氢模组任一电解槽的功率时，均匀降低各电解槽运行功率；

当C大于电解制氢模组中一个或多个电解槽总功率时，则相应地切断一个或多个电解槽。

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明的适应快速宽功率波动的电解制氢系统，通过碱性制氢单元和PEM制氢单元组合式的电解制氢配置，实现了功率的大范围调节；碱性制氢单元和PEM制氢单元均采用多个电解槽串和/或并联结构，优选并联结构，并联电解槽的加入有效提升了对快速波动的响应速率，多电解槽的并联使得电解槽运行的最低功率得到进一步降低。纯化单元模组采用了独立设置的碱性制氢纯化单元和PEM制氢纯化单元，避免不同制氢单元产氢的混合，有效保持了PEM 制氢的高纯度、无碱性离子的特点；同时PEM制氢纯化单元和碱性制氢纯化单元间设有单向的流通管路，实现了不同气源的多种使用方案。另纯化单元模组也采用多个纯化单元的并联形式，提高了低功率条件运行时纯化单元运行的有效性和高效性，避免了大体积容器设备在过低负荷运行的露点差问题。

附图说明

图1为本发明的适应快速宽功率波动的电解制氢系统的结构框图；

其中：

1、整流变压器，2、碱性制氢单元：21、碱性电解槽，22、碱液-氢分离器，23、碱液-氧分离器，24、氢洗涤器，25、氧洗涤器，26、脱氧塔，27、碱性制氢纯化单元，28、碱液循环泵，3、PEM制氢单元，31、PEM电解槽，32、水-氢分离器，33、水-氧分离器，34、第一捕滴器，35、第二捕滴器，36、PEM制氢纯化单元，37、纯水循环泵，4、阀门，5、换热模块，51、冷水机，52、碱液换热器，53、纯水换热器，6、补水单元，61、去离子器，62、纯水器，7、控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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”、“相连”、“连接”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。

参见图1，本发明的一种适应快速宽功率波动的电解制氢系统，包括电源模块、控制器、电解制氢模组和纯化单元模组；

电解制氢模组和电源模块均与控制器连接；纯化单元模组连接于电解制氢模组的氢侧输出口，纯化单元模组用以电解制氢模组氢气的纯化；电源模块用以控制器和电解制氢模组供电；控制器用以控制电解制氢模组制氢；电解制氢模组用以电解制氢；

所述电解制氢模组包括碱性制氢单元和PEM制氢单元；纯化单元模组包括碱性制氢纯化单元和PEM制氢纯化单元。

碱性制氢单元的出氢口连接第一氢分离器，第一氢分离器的输出端连接氢洗涤器，氢洗涤器的输出端连接脱氧塔，脱氧塔的出口端连通碱性制氢纯化单元，碱性制氢单元电解产生的氢气依次经第一氢分离器分离、氢洗涤器和脱氧塔后至碱性制氢纯化单元纯化处理后输出；

碱性制氢单元的出氧口连接第一氧分离器，第一氧分离器的输出端连接氧洗涤器，碱性制氢单元电解产生的氧气依次经第一氧分离器分离和氧洗涤器后输出；

PEM制氢单元的出氢口连接第二氢分离器，第二氢分离器的输出端连接第一捕滴器；第一捕滴器34的出口端连通PEM制氢纯化单元，PEM制氢单元电解产生的氢气依次经第二氢分离器分离和第一捕滴器至PEM制氢纯化单元纯化处理后输出；

PEM制氢单元的出氧口连接第二氧分离器，第二氧分离器的输出端连接第二捕滴器35； PEM制氢单元电解产生的氧气依次经第二氧分离器分离和第二捕滴器后输出。

具体地，电源模块包括快速宽功率波动电源和整流变压器，快速宽功率波动电源通过电路与整流变压器1输入端连接，整流后的直流电向碱性电解槽21和PEM电解槽31供电。

碱性制氢单元2包括碱性电解槽21、碱液-氢分离器22、碱液-氧分离器23、氢洗涤器24、氧洗涤器25、脱氧塔26、碱性制氢纯化单元27、碱液循环泵28；第一氢分离器为碱液-氢分离器22，第一氧分离器为碱液-氧分离器23。

PEM制氢单元3包括PEM电解槽31、水-氢分离器32、水-氧分离器33、第一捕滴器34、第二捕滴器35、PEM制氢纯化单元36、纯水循环泵37；第二氢分离器为水-氢分离器32，第二氧分离器为水-氧分离器33。

碱性电解槽21的阴极电解液-氢两相混合物与碱液-氢分离器22相互连通，阳极电解液- 氧两相混合物与碱液-氧分离器23相互连通，碱液-氢分离器22与碱液-氧分离器23通过管路相互连通，碱液-氢分离器22出气口与氢洗涤器24进气口通过管路相互连通，碱液-氧分离器23出气口与氧洗涤器25进气口通过管路相互连通，氢洗涤器24出气口与脱氧塔26进气口连通，脱氧塔26出气口与碱性制氢纯化单元27进气口连通；碱液-氢分离器22和碱液-氧分离器23通过连通管连通，利用氢/氧分离器(氢分离器和氧分离器)内部的压力和液位控制，实现两分离器内的液位平衡稳定。

PEM电解槽的阴极水-氢两相混合物与水-氢分离器32相互连通，PEM电解槽的阳极水-氧两相混合物与水-氧分离器33相互连通，水-氢分离器32与水-氧分离器33通过管路相互连通，水-氢分离器32出气口与第一捕滴器34进气口通过管路相互连通，水-氧分离器33出气口与第二捕滴器35进气口通过管路相互连通，第一捕滴器34出气口与PEM制氢纯化单元36进气口连通；水-氢分离器32与水-氧分离器33通过连通管路设可实现自动控制的电池阀或气动阀门。水-氢分离器和水-氧分离器的压力和液位采用独立控制水-氢分离器和水-氧分离器连通后的液位和压力联合设备控制。

作为一些可选实施例，碱性制氢单元包括多组串联和/或并联的碱性电解槽，多组串联和 /或并联的碱性电解槽的出氢口一同汇集至第一氢分离器，优选并联结构。PEM制氢单元包括多组串联和/或并联的PEM电解槽，多组串联和/或并联的PEM电解槽一同汇集至第二氢分离器，优选并联结构。碱性制氢纯化单元包括多组并联设计的第一纯化单元，PEM制氢纯化单元包括多组并联设计的第二纯化单元。

PEM制氢纯化单元的输出端与碱性制氢纯化单元的输出端之间设有连通管路，且该连通管路上设有由PEM制氢纯化单元流向碱性制氢纯化单元的单向阀门。具体地，PEM制氢纯化单元36与碱性制氢纯化单元27通过管路连通，管路上设置有可实现自动控制的气动阀门 4，气动阀门4为单向阀，单向阀方向为PEM制氢纯化单元向碱性制氢纯化单元方向流通。

上述技术方案中，通过碱性制氢单元和PEM制氢单元组合式的电解制氢配置，实现了功率的大范围调节；碱性制氢单元和PEM制氢单元均采用多个电解槽串和/或并联结构，优选并联结构，并联电解槽的加入有效提升了对快速波动的响应速率，多电解槽的并联使得电解槽运行的最低功率得到进一步降低。纯化单元模组采用了独立设置的碱性制氢纯化单元和 PEM制氢纯化单元，避免不同制氢单元产氢的混合，有效保持了PEM制氢的高纯度、无碱性离子的特点；同时PEM制氢纯化单元和碱性制氢纯化单元间设有单向的流通管路，实现了不同气源的多种使用方案。另纯化单元模组也采用多个纯化单元的并联形式，提高了低功率条件运行时纯化单元运行的有效性和高效性，避免了大体积容器设备在过低负荷运行的露点差问题。

本申请的制氢系统还包括换热模块5，换热模块包括冷水机、第一换热器和第二换热器；第一换热器和第二换热器分别并联于冷水机，且第一换热器和第二换热器均与冷水机双向连通，冷水机提供第一换热器和第二换热的换热用冷却介质。第一氢分离器和第一氧分离器的碱性电解液出口通过第一换热器连通通碱性制氢单元，第一氢分离器和第一氧分离器出口的碱性电解液经第一换热器换热后流入碱性制氢单元，第一换热器与碱性制氢单元之间设有碱液循环泵，第一换热器用以碱性电解液换热及循环利用；

第二氢分离器和第二氧分离器的电解水出口通过第二换热器连通PEM制氢单元，第二氢分离器和第二氧分离器出口的纯水电解水经第二换热器换热后流入PEM制氢单元，第二换热器与PEM制氢单元之间设有纯水循环泵，第二换热器用以纯水电解水换热及循环利用。第一换热器为碱液换热器，第二换热器为纯水换热器；碱液换热器52和纯水换热器53采用间壁式换热器。碱液循环泵采用变频泵，并在碱液入口采用了流量可控制器，因此碱性制氢单元可以实现功率、产氢量、循环量的协同控制，有效提高了碱性制氢单元的稳定性。纯水循环泵采用了变频泵，进一步提高了PEM电解槽的稳定性。

碱性制氢纯化单元和PEM制氢纯化单元分别并联于冷水机，且碱性制氢纯化单元和PEM 制氢纯化单元均与冷水机双向连通；第一纯化单元的数量与碱性电解槽的数量相对应(数量相等)，第二纯化单元的数量与PEM电解槽的数量相对应(数量相等)。冷水机分别与碱液换热器52和纯水换热器53以及纯化单元模组连通进行热交换。本申请装置还包括补水单元，补水单元包括去离子器和纯水器，去离子器的输入端连接外部纯水源，去离子器设有第一出水口和第二出水口，第一出水口通过管路连通氢洗涤器；第二出水口连通纯水器，出水器输出口连通第二氧分离器。

上述方案中，实现了针对碱性制氢单元和PEM制氢单元(纯水制氢单元)的梯级利用补水单元补水，碱性制氢单元补的水可经去离子器后流入碱性制氢单元，有效利用了碱性制氢单元对水质要求相对较低的特点和PEM制氢单元对水质要求较高的特点，原料水多级纯化，梯级利用，避免了全部用超纯水补水带来的质量过剩和浪费。

本发明制氢系统的一应用方式：

风电或光伏发电或风光耦合发电或电网供电经过整流变压器1转换为可用于电解水制氢的直流电，电解制氢模组包含碱性制氢单元2和PEM制氢单元3，总制氢量为1500Nm3/h，

碱性制氢单元2采用两个碱性电解槽并联的模式，两个碱性电解槽采用等压模式运行，总产气量为1000Nm3/h，两个碱性电解槽的制氢规模分别为500Nm3/h和500Nm3/h；

PEM制氢单元采用两个PEM电解槽并联的模式，总产气量为500Nm3/h，两个PEM电解槽的制氢规模分别为250Nm3/h和250Nm3/h；

碱性制氢纯化单元数量与碱性电解槽数量相对应，碱性制氢纯化单元采用两个第一纯化单元并联模式，总处理量为1000Nm3/h，两个第一纯化单元处理量分别为500Nm3/h和500 Nm3/h；PEM制氢纯化单元采用两个第二纯化单元并联的模式，总产气量为500Nm3/h，第一纯化单元为碱性纯化单元，第二纯化单元为PEM纯化单元。

两个PEM电解槽的制氢规模分别为250Nm3/h和250Nm3/h；

当需要1500Nm3/h产气量时，电解制氢模组和纯化单元模组均满功率运行，两个碱性电解槽21阴极流出的电解液汇入碱液-氢分离器22，分离后的氢气进入氢洗涤器24，经过洗涤后的氢气进入脱氧塔26进行脱氧，脱氧完成后进入碱性制氢纯化单元27。两个碱性电解槽阳极流出的电解液汇入碱液-氧分离器23，分离后的氧气进入氧洗涤器25，经过洗涤后的氧气进入氧气排出管道。气液分离后剩余的碱液经过碱液换热器52进行降温，并循环回碱性制氢单元2的碱性电解槽。

两个PEM电解槽31阴极流出的气液两相流汇入水-氢分离器32，分离后的氢气进入第一捕滴器34，经过第一捕滴器后的氢气进入PEM制氢纯化单元36。两个PEM电解槽31阳极流出的气液两相流汇入水-氧分离器33，分离后的氧气进入第二捕滴器35，经过第二捕滴器后的氧气进入氧气排出管道。气液分离后剩余的纯水经过纯水换热器53进行降温，并循环回 PEM制氢单元3的PEM电解槽。

碱性制氢纯化单元27纯化的氢气与PEM制氢纯化单元36纯化后的氢气通过单独的氢气排除管道进入独立的收集、利用。PEM制氢纯化单元纯化后的氢气离子含量低，不含碱性离子，可用氢气纯度要求高、离子含量要求低的特殊场合，如燃料电池、高纯金属冶金、需要高纯气体的多晶硅、半导体等。碱性制氢纯化单元纯化后的氢气含有微量的碱性离子，可用于相对要求较低的场合。

当纯度要求较低的场合的氢使用量较大，碱性电解槽产气量不能满足需求时，且高纯度氢气使用量较低时，可以通过控制碱性制氢纯化单元和PEM制氢纯化单元后的连通管上的阀门，调节PEM制氢纯化单元后氢气的流向，使部分或者全部PEM制氢纯化的氢气与碱性制氢纯化后的氢气进行混合使用。

本发明还提供一种适应快速宽功率波动的电解制氢系统的控制方法，包括上述的适应快速宽功率波动的电解制氢系统，包括以下步骤：

通过控制器获取功率波动量C，以及碱性制氢单元的总额定功率A和PEM制氢单元的总额定功率B；

控制器依据碱性制氢单元的总额定功率A、PEM制氢单元的总额定功率B以及功率波动量C三者的比例范围，控制执行相应地电解制氢模组运转。

进一步地，所述控制器依据碱性制氢单元的总额定功率A、PEM制氢单元的总额定功率 B以及功率波动量C三者的比例范围，控制执行相应地电解制氢模组运转；具体包括：

波动量C是增量波动时：

当C≤B*50％时，优先采用提高PEM制氢单元的功率，利用PEM制氢单元先承受全部功率变化，并缓慢提升碱性制氢单元的功率；提升碱性制氢单元功率时，增加碱液循环泵和纯水循环泵流量，并缓慢降低PEM制氢单元的功率，且PEM制氢单元的功率变化速率不高于碱性制氢单元的功率变化速率；控制的最终状态保持碱性制氢单元总功率和PEM制氢单元总功率均有提高，且碱性制氢单元总功率提高的比例不高于PEM制氢单元总功率提高的比例；

当(A+B)*50％≥C＞B*50％时，先将PEM制氢单元功率提升50％，其余部分由碱性制氢单元承受；在变化PEM制氢单元和碱性制氢单元的功率时，增加碱液循环泵和纯水循环泵流量；控制的最终状态保持碱性制氢单元总功率和PEM制氢单元总功率均有提高，且碱性制氢单元总功率提高的比例不高于PEM制氢单元总功率提高的比例；

当C＞(A+B)*50％，通过控制器和电源模块控制切断功率输入，确保电解制氢模组的总功率变化不高于(A+B)*50％，优先将PEM制氢单元功率提升50％，其余部分由碱性制氢单元承受，且在变化PEM制氢单元和碱性制氢单元的功率时，增加碱液循环泵和纯水循环泵流量；

波动量C是减量波动时：

当C小于电解制氢模组任一电解槽的功率时，均匀降低各电解槽运行功率；

当C大于电解制氢模组中一个或多个电解槽总功率时，则相应地切断一个或多个电解槽。

实际生产中一应用：

当风电或光伏发电或风光耦合发电或电网供电电源发生快速宽功率增加波动时，利用控制器控制，优先采用PEM电解槽承受快速功率的波动。控制器优选PLC可编程控制器。

假定制氢能耗为4.6kW/Nm3h，则碱性电解槽额定总功率为4600kW，纯水电解槽额定总功率为2300kW，当总功率快速波动时，快速增加量1150kW；

采用PEM电解槽功率快速提高至3450kW，同时利用PLC可编程控制器进行控制，缓慢提升碱性电解槽的总功率，提升功率同时，增加碱液循环泵和纯水循环泵流量，并缓慢降低 PEM电解槽的总功率。稳定状态调节至碱性电解槽以5300kW功率运行，PEM电解槽以2750kW功率运行。

当风电或光伏发电或风光耦合发电或电网供电电源发生快速宽功率减小波动时，当总功率减少1200kW时，当不同品质用气量无要求时，单个PEM电解功率为1150kW，则切断一个PEM电解槽的运行，和一个PEM制氢纯化单元，总功率减少低于690kW时，所有电解槽均在90％的满负荷工作。当高品质氢气需求为500Nm/h时，优先保证纯水电解槽按照需求运行，碱性电解槽总功率为3910kW运行。

通过以上功率波动量按比例调节的控制方式，实现了电解制氢系统快速的适应及应对电源及生产过程中的功率波动，避免因功率波动原因而引起电解制氢模组受损的问题，同时保证电解制氢模组平稳运行，确保制氢生产效率稳定。

以上所述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来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种适应快速宽功率波动的电解制氢系统的控制方法，包括电解制氢系统，所述电解制氢系统包括电源模块、控制器、电解制氢模组和纯化单元模组；

电解制氢模组和电源模块均与控制器连接；纯化单元模组连接于电解制氢模组的氢侧输出口，纯化单元模组用以电解制氢模组氢气的纯化；电源模块用以向控制器和电解制氢模组供电；控制器用以控制电解制氢模组制氢；电解制氢模组用以电解制氢；

所述电解制氢模组包括碱性制氢单元和PEM制氢单元；纯化单元模组包括碱性制氢纯化单元和PEM制氢纯化单元；

碱性制氢单元的出氢口连接第一氢分离器，第一氢分离器的输出端连接氢洗涤器，氢洗涤器的输出端连接脱氧塔，脱氧塔的出口端连通碱性制氢纯化单元，碱性制氢单元电解产生的氢气依次经第一氢分离器分离、氢洗涤器和脱氧塔后至碱性制氢纯化单元纯化处理后输出；

碱性制氢单元的出氧口连接第一氧分离器，第一氧分离器的输出端连接氧洗涤器，碱性制氢单元电解产生的氧气依次经第一氧分离器分离和氧洗涤器后输出；

PEM制氢单元的出氢口连接第二氢分离器，第二氢分离器的输出端连接第一捕滴器；第一捕滴器的出口端连通PEM制氢纯化单元，PEM制氢单元电解产生的氢气依次经第二氢分离器分离和第一捕滴器至PEM制氢纯化单元纯化处理后输出；

PEM制氢单元的出氧口连接第二氧分离器，第二氧分离器的输出端连接第二捕滴器；PEM制氢单元电解产生的氧气依次经第二氧分离器分离和第二捕滴器后输出，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

通过控制器获取功率波动量C，以及碱性制氢单元的总额定功率A和PEM制氢单元的总额定功率B；

控制器依据碱性制氢单元的总额定功率A、PEM制氢单元的总额定功率B以及功率波动量C三者的比例范围，控制执行相应地电解制氢模组运转，所述控制器依据碱性制氢单元的总额定功率A、PEM制氢单元的总额定功率B以及功率波动量C三者的比例范围，控制执行相应地电解制氢模组运转；具体包括：

波动量C是增量波动时：

当C≤B*50％时，优先采用提高PEM制氢单元的功率，利用PEM制氢单元先承受全部功率变化，并缓慢提升碱性制氢单元的功率；提升碱性制氢单元功率时，增加碱液循环泵和纯水循环泵流量，并缓慢降低PEM制氢单元的功率，且PEM制氢单元的功率变化速率不高于碱性制氢单元的功率变化速率；控制的最终状态保持碱性制氢单元总功率和PEM制氢单元总功率均有提高，且碱性制氢单元总功率提高的比例不高于PEM制氢单元总功率提高的比例；

当(A+B)*50％≥C＞B*50％时，先将PEM制氢单元功率提升50％，其余部分由碱性制氢单元承受；在变化PEM制氢单元和碱性制氢单元的功率时，增加碱液循环泵和纯水循环泵流量；控制的最终状态保持碱性制氢单元总功率和PEM制氢单元总功率均有提高，且碱性制氢单元总功率提高的比例不高于PEM制氢单元总功率提高的比例；

当C＞(A+B)*50％，通过控制器和电源模块控制切断功率输入，确保电解制氢模组的总功率变化不高于(A+B)*50％，优先将PEM制氢单元功率提升50％，其余部分由碱性制氢单元承受，且在变化PEM制氢单元和碱性制氢单元的功率时，增加碱液循环泵和纯水循环泵流量；

波动量C是减量波动时：

当C小于电解制氢模组任一电解槽的功率时，均匀降低各电解槽运行功率；

当C大于电解制氢模组中一个或多个电解槽总功率时，则相应地切断一个或多个电解槽。

2.根据权利要求1所述的适应快速宽功率波动的电解制氢系统的控制方法，其特征在于，碱性制氢单元包括多组串联和/或并联的碱性电解槽，多组串联和/或并联的碱性电解槽的出氢口一同汇集至第一氢分离器；PEM制氢单元包括多组串联和/或并联的PEM电解槽，多组串联和/或并联的PEM电解槽一同汇集至第二氢分离器。

3.根据权利要求1所述的适应快速宽功率波动的电解制氢系统的控制方法，其特征在于，PEM制氢纯化单元的输出端与碱性制氢纯化单元的输出端之间设有连通管路，且该连通管路上设有由PEM制氢纯化单元流向碱性制氢纯化单元的单向阀门。

4.根据权利要求2所述的适应快速宽功率波动的电解制氢系统的控制方法，其特征在于，碱性制氢纯化单元包括多组并联设计的第一纯化单元，PEM制氢纯化单元包括多组并联设计的第二纯化单元。

5.根据权利要求1-4任一项所述的适应快速宽功率波动的电解制氢系统的控制方法，其特征在于，第一氢分离器与第一氧分离器之间设有相连通的第一管路，第二氢分离器和第二氧分离器之间设有相连通的第二管路。

6.根据权利要求5所述的适应快速宽功率波动的电解制氢系统的控制方法，其特征在于，包括换热模块，换热模块包括冷水机、第一换热器和第二换热器；第一换热器和第二换热器分别并联于冷水机，且第一换热器和第二换热器均与冷水机双向连通，冷水机提供第一换热器和第二换热器的换热用冷却介质；

第一氢分离器和第一氧分离器的碱性电解液出口通过第一换热器连通通碱性制氢单元，第一氢分离器和第一氧分离器出口的碱性电解液经第一换热器换热后流入碱性制氢单元，第一换热器与碱性制氢单元之间设有碱液循环泵，第一换热器用以碱性电解液换热及循环利用；

第二氢分离器和第二氧分离器的电解水出口通过第二换热器连通PEM制氢单元，第二氢分离器和第二氧分离器出口的纯水电解水经第二换热器换热后流入PEM制氢单元，第二换热器与PEM制氢单元之间设有纯水循环泵，第二换热器用以纯水电解水换热及循环利用。

7.根据权利要求6所述的适应快速宽功率波动的电解制氢系统的控制方法，其特征在于，包括补水单元，补水单元包括去离子器和纯水器，去离子器的输入端连接外部纯水源，去离子器设有第一出水口和第二出水口，第一出水口通过管路连通氢洗涤器；第二出水口连通纯水器，纯水器输出口连通第二氧分离器。

8.根据权利要求7所述的适应快速宽功率波动的电解制氢系统的控制方法，其特征在于，碱性制氢纯化单元和PEM制氢纯化单元分别并联于冷水机，且碱性制氢纯化单元和PEM制氢纯化单元均与冷水机双向连通；

第一纯化单元的数量与碱性电解槽的数量相对应，第二纯化单元的数量与PEM电解槽的数量相对应。

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