CN114959738A - 一种水电解制氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制氢技术领域，公开了一种水电解制氢系统，包括依次管道连接的水电解制氢装置、换热装置、固态合金储氢装置、温控装置，还包括氢气增压及缓冲装置，氢气增压及缓冲装置与水电解制氢装置、固态合金储氢装置分别管道连接，水电解制氢装置用于产生氢气，水电解制氢装置与换热装置通过循环电解液进行热交换，换热装置与固态合金储氢装置通过循环水进行热交换，固态合金储氢装置与温控装置进行热交换。本发明解决了现有技术存在的难以在宽功率运行负荷范围内灵活调节温度、难以高效转化利用低品位电解水废热等问题。

Description

一种水电解制氢系统
技术领域
本发明涉及制氢技术领域，具体是一种水电解制氢系统。
背景技术
可再生能源制氢是能源转型过程中的重要环节，但可再生能源的波动性以及资源禀赋的地域性分布对可再生能源电解水制氢系统的灵活性和高效性也提出了很高要求。一方面水电解制氢装置需根据可再生能源出力的变化以及用电峰谷来灵活调节自身运行负荷，另一方面，需要维持水电解制氢装置自身的运行温度稳定，以满足不同负荷下保持最佳温度或快速启动的热备需要；目前一般碱性电解水冷态启动时间需要2～3小时,热态启动需要15分钟左右，运行负荷在30％-100％无法完全满足可再生能源的波动特性；除此之外，目前水电解制氢装置电解效率约在60％～80％，未利用的电能将转化为热能，通常这些热能中一大部分被氢、氧气体和原料水从电解槽出口带出，排向环境损而失掉，这些热量还难以得到有效利用。
因此，如何通过热管理技术将水电解制氢装置产生的热能进行高效回收转化利用，并且维持电解水装置在不同负荷下的热稳态，实现不同负荷下维持最佳运行温度以及快速启动和变负荷运行是亟待解决的一大问题。
中国专利CN202010512413.3提供了一种可再生能源制氢和储氢系统及其控制方法，利用氢气与有机物反应时产生的热量为水电解制氢装置进行加热，保证制氢装置的电解液在寒冷季节不会冻凝、结晶，在保障系统安全的同时，减少下次开机时间，从而提高水电解制氢装置的生产效率。但是存在吸氢放热反应温度与电解槽运行温度不匹配的情况，未实现热能的高效利用。
中国专利CN202022526308.3提供了一种水电解制氢系统热量回收装置，将电解过程电解液产生的热量，通过储热片进行吸收和储存，并通过导热管将热量传递到气体干燥器中，对吸附剂进行干燥，对气体干燥器中的吸附剂进行再生，使热量得到回收利用。但是该技术还面临不同运行负荷下热量与需求侧的匹配以及电解槽自身热量温度维持的问题。
中国专利CN202020867974.0提供了一种电解制氢过程中循环水利用装置，利用热交换器、储热池、磁力泵，形成一个密闭式热传递、热储存系统，对制氢系统产生的废热进行储存，当制氢系统低负荷运行时，可以将储存的热通过热交换器对制氢系统加温，结合外部热能系统，可以达到热综合利用效率最大化，实现电解制氢过程中循环水利用，但是通过传统的显热储存交换方式存在热利用效率低的问题。
由上述过程可知，目前已提出的电解水制氢系统，一方面是通过显热、潜热形式的蓄热、输送、交换而利用废热，很难避免热源与环境之间温差导致的热能损失和热能品位变质；另一方面是以氢载体材料为媒介，通过吸氢反应将氢气的化学能转化成热能用于自身系统加热，但仍然未实现电解水装置废热的利用。因此，常规可再生能源制氢系统热管理技术存在以下问题：
(1)随着水电解制氢装备宽功率范围运行需求的提升，还缺少电解水装置不同运行负荷下的动态热管理解决方案，电解水装置难以在宽功率运行负荷(0％～150％)范围内灵活调节温度以达到最优运行状态；
(2)随着水电解制氢应用规模的逐渐扩大，会产生大量低品位热能，还缺少实用的低品位电解水废热回收利用方法，其高效转化利用技术还有待开发。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种水电解制氢系统，解决现有技术存在的难以在宽功率运行负荷范围内灵活调节温度、难以高效转化利用低品位电解水废热等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种水电解制氢系统，包括依次管道连接的水电解制氢装置、换热装置、固态合金储氢装置、温控装置，还包括氢气增压及缓冲装置，氢气增压及缓冲装置与水电解制氢装置、固态合金储氢装置分别管道连接，水电解制氢装置用于产生氢气，水电解制氢装置与换热装置通过循环电解液进行热交换，换热装置与固态合金储氢装置通过循环水进行热交换，固态合金储氢装置与温控装置进行热交换。
作为一种优选的技术方案，固态合金储氢装置用于将水电解制氢装置产生的多余热能转换为氢气的化学能，或，将氢气的化学能转换成热能用于加热水电解制氢装置。
作为一种优选的技术方案，氢气增压及缓冲装置用于对水电解制氢装置的出口氢气进行缓冲、增压存储，和/或，与固态合金储氢装置进行氢气的交换。
作为一种优选的技术方案，换热装置用于实现循环电解液和循环水之间的换热。
作为一种优选的技术方案，温控装置用于调节循环水的流量，和/或，调节循环水的出口温度。
作为一种优选的技术方案，还包括与氢气增压及缓冲装置管道连接的高压气态储氢装置，所述高压指固态合金储氢装置的工作压力以上。
作为一种优选的技术方案，氢气增压及缓冲装置包括依次管道连接的一级氢气缓冲罐、一级氢气压缩机、二级氢气缓冲罐、二级氢气压缩机，一级氢气缓冲罐与水电解制氢装置管道连接，二级氢气缓冲罐、二级氢气压缩机分别与高压气态储氢装置管道连接，二级氢气缓冲罐还与固态合金储氢装置管道连接。
作为一种优选的技术方案，温控装置包括管道连接的储水装置、冷却装置，储水装置与固态合金储氢装置管道连接，冷却装置与换热装置管道连接。
作为一种优选的技术方案，换热装置为间壁式换热器。
作为一种优选的技术方案，水电解制氢装置采用碱性水电解制氢方法或固体聚合物水电解制氢方法。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明实现水电解制氢设备的热量存储和动态热管理，通过合金储氢材料的可逆吸放氢反应，实现氢气的化学能和热能之间的可逆转换；
(2)本发明可以与离网可再生能源直接连接用于可再生能源消纳，也可以与电网连接用于电网调峰，并通过热能回收利用实现其自身能量的有效利用和管控，提高了制氢装置的在能源领域的适用性；
(3)本发明设置了合金储氢装置，实现水电解制氢装置产生的热能和氢气的化学能的相互转换，其蓄热量、能量转换效率远高于传统的显热或潜热储热，因此系统的能量使用效率高于传统的制氢装置；
(4)本发明可实现供氢的同时供热，在制氢端实现分布式能源供给，提高了水电解制氢装置的经济性和应用范围。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的结构示意图。
附图中标记及相应的零部件名称：1-水电解制氢装置，2-氢气增压及缓冲装置，3-固态合金储氢装置，4-换热装置，5-温控装置，6-高压气态储氢装置，7-循环电解液，8-循环水，9-温控装置换热介质，10-第一电磁阀，11-第二电磁阀，12-第三电磁阀，13-第四电磁阀，14-第五电磁阀，15-第六电磁阀，16-减压阀，17-第七电磁阀，18-第八电磁阀，19-第九电磁阀，21-一级氢气缓冲罐，22-一级氢气压缩机，23-二级氢气缓冲罐，24-二级氢气压缩机，51-储水装置，52-冷却装置。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1、图2所示，本发明提出一种快速启停的宽功率水电解制氢系统。主要包含水电解制氢装置1、氢气增压及缓冲装置2、固态合金储氢装置3、换热装置4、温控装置5、高压气态储氢装置6，以及参与换热的水电解制氢装置循环电解液7、固态合金储氢装置循环水8、温控装置换热介质9。
(1)水电解制氢装置1用于生产氢气，可采用碱性水电解制氢技术或固体聚合物水电解制氢技术，可根据需要直接连接风电、光伏、光热等可再生能源电力或连接电网，用于可再生能源的消纳或电网的削峰填谷。
(2)氢气增压及缓冲装置2用于对水电解制氢装置1的出口氢气进行缓冲、增压存储，同时可以缓冲参与固态合金储氢装置3中吸、放氢反应的氢气，并且可实现对外供氢。
(3)固态合金储氢装置3利用合金储氢材料的氢化反应与脱氢反应的可逆反应过程，将水电解制氢装置1产生的多余热能转换为氢气的化学能，或者将氢气的化学能转换成热能用于加热水电解制氢装置1，用于系统中热能的利用、转换和储存。
(4)换热装置4用于实现水电解制氢装置循环电解液7和固态合金储氢装置循环水8之间的换热，可采用板式换热器、管式换热器等间壁式换热器。
(5)温控装置5用于调节固态合金储氢装置循环水8的流量，或者通过温控装置换热介质9调节固态合金储氢装置循环水8的出口温度，以保证满足水电解制氢装置循环电解液7的换热量需求。
(6)高压气态储氢装置6用于存储氢气增压及缓冲装置2出口的高压氢气，实现对外供氢以及向固态合金储氢装置3的吸氢反应供氢。
(7)水电解制氢装置循环电解液7为水电解制氢装置的原料，在水电解制氢装置中循环流动并带出电解槽中的多余热量。
(8)固态合金储氢装置循环水8用于吸收水电解制氢装置循环电解液7中的热量并加热固态合金储氢装置3驱动放氢反应，或者用于吸收固态合金储氢装置3中吸氢反应产生的热能用以加热水电解制氢装置循环电解液7。
一种快速启动的宽功率水电解制氢系统流程示意图，包括水电解制氢装置1、一级氢气缓冲罐21、一级氢气压缩机22、二级氢气缓冲罐23、二级氢气压缩机24、固态合金储氢装置3、换热装置4、储水装置51、冷却装置52、高压气态储氢装置6、以及参与换热的水电解制氢装置循环电解液7、固态合金储氢装置循环水8、温控装置换热介质9，系统中工作介质的通断、流量、流向可通过电磁阀阀门10～19控制。其流程如下：
水电解制氢装置1产生的0.6～3MPa的氢气暂存于一级氢气缓冲罐21中，一级氢气压缩机22将一级氢气缓冲罐21中的氢气压力提升到固态合金储氢装置3的吸/放氢反应压力范围内。一级氢气压缩机22的出口氢气储存于二级氢气缓冲罐23中，二级氢气缓冲罐23中的氢气经过二级氢气压缩机24进一步增压到20MPa，二级氢气压缩机24的出口氢气存储于高压气态储氢装置6中，高压气态储氢装置6可用于对外充装氢气，也可以将氢气减压后输入二级氢气缓冲罐23中。固态合金储氢装置循环水8与水电解制氢装置循环电解液7通过换热装置4进行换热。
由上可知，本发明的工作原理如下：水电解制氢装置1产生的氢气经过氢气增压及缓冲装置2进入高压气态储供氢装置6进行存储和对外供氢。水电解制氢装置循环电解液7通过换热装置4与固态合金储氢装置循环水8换热，实现水电解制氢装置1与固态合金储氢装置3之间的热交换。固态合金储氢装置3吸热放氢时，释放的氢气进入氢气增压及缓冲装置2中，当固态合金储氢装置3吸氢放热时，氢气从氢气增压及缓冲装置2中进入固态合金储氢装置3中。合金储氢装置的热源为电解槽中的废热，合金储氢装置产生的热能可用于加热水电解制氢装置1，也可以进一步的对热能用户供热。
综上所述，本发明能将水电解制氢装置产生多余的热能通过固态合金储氢装置3转化为氢能进行储存，并可以将氢能通过固态合金储氢装置3转化为热能用以加热水电解装置，以维持水电解制氢装置低负荷运行或者停机时的温度，解决水电解制氢装置1变负荷运行及冷启动时的热稳态维持问题，并且提高了水电解制氢装置1的能量转换及利用效率，从而提高其在可再生能源制氢应用中的宽功率适应性及灵活性、高效性。具有无污染，适用性广泛，能量转换及储存效率高等优点。
实施例2
如图1、图2所示，本实施例的系统组成和与实施例1相同，除了部分电动阀的开闭状态不同，利用本实施例可实现水电解制氢装置在冷态下的快速启动，包括如下流程：
当水电解制氢装置长时间停机后启动时，第一电磁阀10、第二电磁阀11、第三电磁阀12、第四电磁阀13、第五电磁阀14关闭，第六电磁阀15、减压阀16、第七电磁阀17关闭，第八电磁阀18打开，第九电磁阀19根据换热量需求调节固态合金储氢装置循环水8流量。高压气态储氢装置6中存储的氢气通过减压阀16和第六电磁阀15进入二级氢气缓冲罐23中，并通过第八电磁阀18进入固态合金储氢装置3中，与储氢材料进行吸氢放热反应，固态合金储氢装置3产生的热能由固态合金储氢装置循环水8通过换热装置4传递给水电解制氢装置1，对其进行预热，以减少冷态启动时系统的升温时间。本实施例中换热量可通过温控装置，包括储水装置51、冷却装置52进行换热量的快速调节，保证水电解制氢装置在启动过程中负荷的稳定上升。
实施例3
本实施例系统组成及流程与图2及其描述相同，利用本实施例的系统可实现水电解制氢装置产生的废热的利用，包括如下流程：
当水电解制氢装置长时间高负荷运行时，第一电磁阀10、第二电磁阀11、第三电磁阀12、第四电磁阀13、第五电磁阀14打开，第六电磁阀15、减压阀16、第七电磁阀17关闭，第八电磁阀18打开，第九电磁阀19根据换热量需求调节固态合金储氢装置循环水8流量，水电解制氢装置1的循环电解液通过换热装置4将热量传递给固态合金储氢装置循环水8，固态合金储氢装置循环水8用于驱动加热固态合金储氢装置3中的合金储氢材料进行吸热放氢反应。储水装置51用于储存被加热后的固态合金储氢装置循环水8，冷却装置52用于通过风冷或水冷方式调节固态合金储氢装置循环水8的出口温度，以保证满足水电解制氢装置循环电解液7的换热量需求。
实施例4
本实施例的系统组成和与实施例1相同，除了部分电动阀的开闭状态不同，利用本实施例可实现水电解制氢装置在宽功率范围内波动运行情况下的温度调节，包括如下流程：
当水电解制氢装置1低负荷运行，且水电解槽自身产生的热量不足以加热循环电解液时，第一电磁阀10、第二电磁阀11、第三电磁阀12、第四电磁阀13、第五电磁阀14关闭，第六电磁阀15和减压阀16打开。高压气态储氢装置6中的氢气经过减压进入二级氢气缓冲罐23，并通过二级氢气缓冲罐23进入固态合金储氢装置3，与合金储氢材料进行吸氢放热反应，产生的热量用于加热水电解制氢装置，以维持其运行温度在最佳值；当水电解制氢装置功率提升或降低时，可通过温控装置调节固态合金储氢装置与水电解制氢装置之间的换热量，以实现运行负荷及温度的平稳快速上升，缩短系统负荷上升时间，同时可将多余的热量通过固态合金储氢装置转换为氢能进行存储，减少能量损失。
本发明通过设置一套固态储氢系统与缓冲罐系统，在解决水电解制氢装置快速冷态启动问题的同时，提高了水电解制氢装置宽功率运行时的负荷调节能力，大大提高了电解水系统的能量效率。
1、水电解装置可以采用运行温度在50～90℃的碱性水电解、固体聚合物水电解等低温水电解制氢，也可以采用运行温度在900～1000℃的高温固体氧化物水电解制氢。
2、本技术利用固态合金储氢装置，实现水电解制氢设备的热量存储和动态热管理，其基本原理是通过合金储氢材料的可逆吸放氢反应，实现氢气的化学能和热能之间的可逆转换。
3、本技术固态合金储氢材料可采用稀土系、钛系、钙系、镁系等合金储氢材料，实现其吸放氢反应温度与水电解制氢装置运行温度的匹配，优先材料放氢温度80～100℃，吸氢温度为3050℃。
4、本技术固态合金储氢装置可以根据热源温度特性分为不同温度等级，进行多模块配置以满足连续运行需要，本固态储氢的额定储氢容量设计以能提供水电解制氢装置在20分钟以内从冷态升温到额定运行温度所需热量为准，最大储氢量以额定容量的100％—150％为宜。
5、本系统制氢装置后端配置氢气压缩机和缓冲罐系统，实现储氢压力与制氢出口压力、固态合金储氢装置的吸放氢压力匹配。
6、本系统缓冲罐的功能有：对水电解制氢、固态合金储氢装置吸放氢反应提供氢气缓冲和储存装置，以实现氢气储存并且适配系统运行过程中压力、流量的变化。此外本系统所述的氢气缓冲罐与固态储氢装置结合形成氢气缓冲系统，较常规工艺流程减少了氢气缓冲罐的体积，提高了整体系统的储氢密度，同时可减少整体制氢系统的占地面积。
7、本技术二级缓冲罐后端可配置二级压缩机和高压储氢罐。高压储氢罐用于对外充装氢气，并且可以在水电解制氢装置停止运行时，经过减压阀输出氢气进入缓冲系统并在固态储氢装置中反应放热，为水电解质设备的热备提供能量。
8、本技术的运行方法基于以下原则：当水电解制氢装置低负荷运行或短暂停机时，可利用缓冲罐系统输出为固态合金储氢装置供氢，进行吸氢反应放热为水电解装置供热以维持温度，保证电解槽处于最佳运行温度，并实现水电解制氢装置在热态下快速调节负荷或启动；当水电解制氢装置高负荷运行时，可利用本发明配置的合金储氢装置利用水电解装置产生的废热进行吸热放氢反应，为储供氢系统输送氢气，增加氢气流量。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水电解制氢系统，其特征在于，包括依次管道连接的水电解制氢装置(1)、换热装置(4)、固态合金储氢装置(3)、温控装置(5)，还包括氢气增压及缓冲装置(2)，氢气增压及缓冲装置(2)与水电解制氢装置(1)、固态合金储氢装置(3)分别管道连接，水电解制氢装置(1)用于产生氢气，水电解制氢装置(1)与换热装置(4)通过循环电解液进行热交换，换热装置(4)与固态合金储氢装置(3)通过循环水进行热交换，固态合金储氢装置(3)与温控装置(5)进行热交换。
2.根据权利要求1所述的一种水电解制氢系统，其特征在于，固态合金储氢装置(3)用于将水电解制氢装置(1)产生的多余热能转换为氢气的化学能，或，将氢气的化学能转换成热能用于加热水电解制氢装置(1)。
3.根据权利要求2所述的一种水电解制氢系统，其特征在于，氢气增压及缓冲装置(2)用于对水电解制氢装置(1)的出口氢气进行缓冲、增压存储，和/或，与固态合金储氢装置(3)进行氢气的交换。
4.根据权利要求3所述的一种水电解制氢系统，其特征在于，换热装置(4)用于实现循环电解液和循环水之间的换热。
5.根据权利要求4所述的一种水电解制氢系统，其特征在于，温控装置(5)用于调节循环水的流量，和/或，调节循环水的出口温度。
6.根据权利要求5所述的一种水电解制氢系统，其特征在于，还包括与氢气增压及缓冲装置(2)管道连接的高压气态储氢装置(6)，所述高压指固态合金储氢装置的工作压力以上。
7.根据权利要求6所述的一种水电解制氢系统，其特征在于，氢气增压及缓冲装置(2)包括依次管道连接的一级氢气缓冲罐(21)、一级氢气压缩机(22)、二级氢气缓冲罐(23)、二级氢气压缩机(24)，一级氢气缓冲罐(21)与水电解制氢装置(1)管道连接，二级氢气缓冲罐(23)、二级氢气压缩机(24)分别与高压气态储氢装置(6)管道连接，二级氢气缓冲罐(23)还与固态合金储氢装置(3)管道连接。
8.根据权利要求7所述的一种水电解制氢系统，其特征在于，温控装置(5)包括管道连接的储水装置(51)、冷却装置(52)，储水装置(51)与固态合金储氢装置(3)管道连接，冷却装置(52)与换热装置(4)管道连接。
9.根据权利要求8所述的一种水电解制氢系统，其特征在于，换热装置(4)为间壁式换热器。
10.根据权利要求9所述的一种水电解制氢系统，其特征在于，水电解制氢装置(1)采用碱性水电解制氢方法或固体聚合物水电解制氢方法。
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