CN117117975B - 一种基于低温余热利用的氢水电联产系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于低温余热利用的氢水电联产系统及方法，属于清洁能源技术领域。包括制氢电解槽装置、高压储氢储氧装置、质子交换膜燃料电池发电装置、低温多效蒸发装置和循环冷却水装置。制氢电解槽装置包括电解槽、第一气液分离器、第二气液分离器以及补水箱，高压储氢储氧装置包括第一高压储氢罐、第二高压储氧罐、第一PID控制器及第二控制器，循环冷却水装置包括制氢电解槽装置、高压储氢储氧装置、质子交换膜燃料电池发电装置及水箱，制氢电解槽装置的补水箱分别与低温多效蒸发装置、第一气液分离器、第二气液分离器及电解槽连接。本发明氢、电、水三者相互耦合又相对独立，提高了能源利用效率，工作过程清洁无污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于低温余热利用的氢水电联产系统及方法，属于清洁能源技术领域。
背景技术
制氢电解槽、质子交换膜燃料电池在工作过程中会产生相当数量的余热，除少部分热量可用于维持正常运行温度外，大部分热量通过冷却系统主动排除，造成能源利用的浪费。制氢电解槽运行温度约50～90℃，效率约60%～80%；质子交换膜燃料电池运行温度一般60～90℃，效率约50%～60%。制氢电解槽和PEMFC的能量转换效率均不高，尤其是质子交换膜燃料电池不足60%，这意味着有近一半的能量以热能形式释放出来。若散热效果不好，对于制氢电解槽会使电解质温度和电解槽压力升高，影响电极和设备寿命，严重时可导致泄露或爆炸；对于PEMFC则会造成最高温度超过膜的设计点温度（常用的Nafion膜最高耐受温度为80℃）以及温度不均匀，而温度分布会影响气体的供应、电化学反应、质子交换膜的传输特性以及水管理，对设备的总效率与稳定性造成影响。因此，制氢电解槽和PEMFC产生的热量必须通过冷却系统主动排除。同时，由于余热温度低、热能质量差，这部分热量没有较为高效和经济的利用方式，往往直接弃置。
对于热法海水淡化，低温多效法的运行温度在42～70℃，与制氢电解槽和质子交换膜燃料电池的余热温度较为匹配，非常适合作为余热利用单元进行淡水生产，以达成提高该类项目能源利用效率、实现系统能量的梯级利用的目标。但目前，鉴于制氢电解槽、质子交换膜燃料电池是新型技术，海水淡化余热联产的研究往往集中在火电、核电、太阳能和船舶等领域，与制氢电解槽、质子交换膜燃料电池耦合的研究较少，尚无成熟的技术方案和系统设计，对于制氢电解槽、质子交换膜燃料电池、热法海水淡化耦合系统性能研究也不足。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种基于低温余热利用的氢水电联产系统及方法。
一种基于低温余热利用的氢水电联产系统，制氢电解槽装置包括电解槽、第一气液分离器、第二气液分离器以及补水箱，高压储氢储氧装置包括第一高压储氢罐、第二高压储氧罐、第一PID控制器及第二控制器，循环冷却水装置包括制氢电解槽装置、高压储氢储氧装置、质子交换膜燃料电池发电装置及水箱，制氢电解槽装置的补水箱分别与低温多效蒸发装置、第一气液分离器、第二气液分离器及电解槽连接，高压储氢储氧装置的第一高压储氢罐与第一PID控制器连接，第二高压储氧罐与第二控制器连接，第一气液分离器与第一高压储氢罐连接，第二气液分离器与第二高压储氧罐连接，循环冷却水装置的水箱分别与质子交换膜燃料电池发电装置、电解槽及低温多效蒸发装置连接，质子交换膜燃料电池发电装置分别与逆变器、水箱、第一PID控制器、第二控制器及低温多效蒸发装置连接，低温多效蒸发装置与电解槽连接。
逆变器与电网装置连接，电解槽为多个PEM电解槽串联连接结构，低温多效蒸发装置包括多个换热器。
一种基于低温余热利用的氢水电联产方法,含有以下步骤: 电解步骤：通过循环冷却水控制运行温度稳定，流经电解槽的循环冷却水进行热量交换后汇入水箱；电解淡化后的海水制氢制氧，制得的氢气和氧气分别通过第一气液分离器和第二气液分离器，分离出的氢气和氧气通入高压储氢储氧装置，分离出的水通入补水箱补充淡水，对通入电解槽的淡水进行预热，提高电解槽的启动速度。
氢气和氧气的控制步骤：
高压储氢储氧装置用于存储制氢电解槽装置制得的氢气和氧气，并且控制流量输送给质子交换膜燃料电池发电装置，第一PID控制器及第二控制器控制储氢罐出口流量，使第一高压储氢罐、第二高压储氧罐输出氢气压力恒定，为质子交换膜燃料电池发电装置提供稳定燃料。
电能控制步骤：
质子交换膜燃料电池发电装置包括多个质子交换膜燃料电池串联和逆变器，高压储氢储氧装置供给的定压氢气和氧气做为燃料，提供电能，通过循环控制质子交换膜燃料电池发电装置的运行温度稳定，流经燃料电池的循环冷却水换热后汇入水箱，质子交换膜燃料电池释放的电能通过逆变器供给电网装置。
三效蒸发步骤：
低温多效蒸发装置为三效蒸发，包括三个换热器串联，与循环冷却水装置相连，制氢电解槽装置和质子交换膜燃料电池内换热升温后的循环水作为热源蒸汽流经水箱进入低温多效蒸发装置，海水进入第一级换热器，由热源蒸汽间接加热海水产生的蒸汽称为二次蒸汽，将二次蒸汽引入下一级换热器作为加热蒸汽使用，最后一级产生的蒸汽流入末级的换热器中凝结成淡水，通过真空装置维持各级蒸发器在沿程上压力逐级降低，以保证海水沸点由第一级到末级逐渐降低，从而实现前一级中二次蒸汽对后一级中海水的加热作用，其中各级的冷凝水都是产品淡水，作为制氢电解槽的原料。
循环利用步骤：
循环冷却水装置的循环水通过循环水管路流经制氢电解槽和质子交换膜燃料电池换热升温，汇入水箱进行存储，由泵加压输送至低温多效蒸发装置作为热源蒸汽间接加热海水，换热降温后继续进入循环冷却水装置的管路与制氢电解槽和质子交换膜燃料电池换热升温，实现循环利用。
循环冷却水运行温度为70～90℃，质子交换膜燃料电池发电装置的运行温度为70～90℃。
本发明的优点是:氢、电、水三者相互耦合又相对独立，对电解槽和质子交换膜燃料电池产生的余热进行回收利用，用作海水淡化的热源，以达成提高该类项目能源利用效率、实现装置能量的梯级利用的目标。本发明分配得当，各得其所，温度对口，实现装置能量的梯级利用，设计合理，提高了能源利用效率，工作过程清洁无污染。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明的限定。
实施例1：如图1所示，一种基于低温余热利用的氢水电联产系统，包括制氢电解槽装置1、高压储氢储氧装置2、质子交换膜燃料电池发电装置13、低温多效蒸发装置3和循环冷却水装置4。
包括补水箱5，电解槽6，第一气液分离器7，第二气液分离器8，第一高压储氢罐9，第二高压储氧罐10，第一PID控制器11, 第二控制器12，质子交换膜燃料电池发电装置13，水箱14，逆变器15，电网装置16。
循环冷却水装置4包括制氢电解槽装置1、高压储氢储氧装置2、质子交换膜燃料电池发电装置13及水箱14。
低温多效蒸发装置3包括多个换热器。
高压储氢储氧装置2包括第一高压储氢罐9、第二高压储氧罐10、第一PID控制器11及第二控制器12。
制氢电解槽装置1包括补水箱5、电解槽6、第一气液分离器7及第二气液分离器8。
制氢电解槽装置1包括电解槽6、第一气液分离器7、第二气液分离器8以及补水箱5，电解槽6为多个PEM电解槽串联连接结构。
循环冷却水装置4的水箱14分别与质子交换膜燃料电池发电装置13、电解槽6及低温多效蒸发装置3连接。
制氢电解槽装置1的补水箱5分别与低温多效蒸发装置3、第一气液分离器7、第二气液分离器8及电解槽6连接。
高压储氢储氧装置2的第一高压储氢罐9与第一PID控制器11连接，第二高压储氧罐10与第二控制器12连接。
第一气液分离器7与第一高压储氢罐9连接，第二气液分离器8与第二高压储氧罐10连接。
质子交换膜燃料电池发电装置13分别与逆变器15、水箱14、第一PID控制器11、第二控制器12及低温多效蒸发装置3连接。
逆变器15与电网装置16连接。
低温多效蒸发装置3与电解槽6连接。
实施例2：如图1所示，一种基于低温余热利用的氢电水联产系统，包括制氢电解槽装置1、高压储氢储氧装置2、质子交换膜燃料电池发电装置13、低温多效蒸发装置3和循环冷却水装置4。包括补水箱5，电解槽6，第一气液分离器7，第二气液分离器8，第一高压储氢罐9，第二高压储氧罐10，第一PID控制器11, 第二控制器12，质子交换膜燃料电池发电装置13，水箱14，逆变器15，电网装置16。循环冷却水装置4包括制氢电解槽装置1、高压储氢储氧装置2、质子交换膜燃料电池发电装置13及水箱14。低温多效蒸发装置3包括多个换热器。高压储氢储氧装置2包括第一高压储氢罐9、第二高压储氧罐10、第一PID控制器11及第二控制器12。制氢电解槽装置1包括补水箱5、电解槽6、第一气液分离器7及第二气液分离器8。制氢电解槽装置1包括电解槽6、第一气液分离器7、第二气液分离器8以及补水箱5，电解槽6为多个PEM电解槽串联连接结构。
使用PEM电解槽，具有电流密度高、灵活性强、效率高、能量容量大等优点，能很好的匹配可再生能源，且产生的气体中没有碱雾更环保，能源效率高。该装置运行温度约为70～90℃，由循环冷却水控制该运行温度稳定，流经电解槽的循环冷却水进行热量交换后汇入水箱；电解淡化后的海水制氢制氧，制得的氢气和氧气分别通过第一气液分离器7和第二气液分离器8，分离出的氢气和氧气通入高压储氢储氧装置2，分离出的水通入补水箱5补充淡水，节约淡水利用，并且对通入电解槽6的淡水进行预热，提高电解槽6的启动速度。
高压储氢储氧装置2用于存储制氢电解槽装置1制得的氢气和氧气并且控制流量输送给质子交换膜燃料电池发电装置13。高压储氢储氧装置2包括高压储氢罐9、第二高压储氧罐10、第一PID控制器11及第二控制器12。第一PID控制器11及第二控制器12控制储氢罐出口流量，使第一高压储氢罐9、第二高压储氧罐10输出氢气压力恒定，为质子交换膜燃料电池发电装置13提供稳定燃料。
质子交换膜燃料电池发电装置13包括多个质子交换膜燃料电池串联和逆变器15，以高压储氢储氧装置2供给的定压氢气和氧气做为燃料，提供电能。质子交换膜燃料电池发电装置13的运行温度约为70～90℃，由循环控制该运行温度稳定，流经燃料电池的循环冷却水换热后汇入水箱14。质子交换膜燃料电池释放的电能通过逆变器15供给电网装置16。
低温多效蒸发装置3为三效蒸发，包括三个换热器串联，与循环冷却水装置4相连。制氢电解槽装置1和质子交换膜燃料电池内换热升温后的循环水作为热源蒸汽流经水箱14进入低温多效蒸发装置3，海水进入第一级换热器，由热源蒸汽间接加热海水产生的蒸汽称为二次蒸汽，将二次蒸汽引入下一级换热器作为加热蒸汽使用，最后一级产生的蒸汽流入末级的换热器中凝结成淡水。通过真空装置维持各级蒸发器在沿程上压力逐级降低，以保证海水沸点由第一级到末级逐渐降低，从而实现前一级中二次蒸汽对后一级中海水的加热作用，其中各级的冷凝水都是产品淡水，作为制氢电解槽的原料。
循环冷却水装置4的循环水通过循环水管路流经制氢电解槽6和质子交换膜燃料电池13换热升温，汇入水箱14进行存储，由泵加压输送至低温多效蒸发装置3作为热源蒸汽间接加热海水，换热降温后继续进入循环冷却水装置4的管路准备与制氢电解槽6和质子交换膜燃料电池13换热升温，实现循环利用。
实施例3：如图1所示，一种基于低温余热利用的氢电水联产系统，由于制氢电解槽、质子交换膜燃料电池在工作过程中会产生相当数量的余热，除少部分热量可用于维持正常运行温度外，大部分热量通过冷却装置主动排除，造成能源利用的浪费。并且低温多效法的运行温度在42～70℃，与制氢电解槽和质子交换膜燃料电池的余热温度相匹配，非常适合作为余热利用单元进行淡水生产，故该装置可以提高能源利用效率、实现装置能量的梯级利用。循环冷却水装置通过循环水管路流经电解制氢装置和质子交换膜燃料电池进行换热，所述制氢电解槽装置和质子交换膜燃料电池内换热升温后的循环水流经水箱由泵输送至低温多效蒸发装置的低压换热器中作为热源蒸汽，间接加热海水获得淡水，实现余热利用。淡水通过制氢电解槽装置电解获得氢气和氧气，将其存储入高压储氢储氧装置，供给质子交换膜燃料电池装置产生电能。
一种基于低温余热利用的氢电水联产系统，在基于低温余热利用的先进氢电水联产装置中，氢、电、水三者相互耦合又相对独立。
实施例4：如图1所示，一种基于低温余热利用的氢电水联产系统，用于热法海水淡化与制氢电解槽和质子交换膜燃料电池耦合，通过余热利用单元进行淡水生产，以达成提高该类项目能源利用效率、实现装置能量的梯级利用的目标，
包括制氢电解槽装置、高压储氢储氧装置、质子交换膜燃料电池发电装置、低温多效蒸发装置和循环冷却水装置。循环冷却水装置的循环水通过循环水管路流经制氢电解槽和质子交换膜燃料电池换热升温，经过水箱流经低温多效蒸发装置换热降温，然后进入循环冷却水装置继续循环换热。制氢电解槽装置电解由低温多效蒸发装置提供的淡水为质子交换膜燃料电池装置提供燃料进行发电，两装置内换热升温后的循环水作为热源蒸汽流经水箱进入低温多效蒸发装置。低温多效蒸发装置利用热源蒸汽携带的余热进行海水淡化，淡化后的海水即为制氢电解槽所需的淡水。
制氢电解槽装置包括与循环冷却水装置相连的电解槽、气液分离器和补水箱。电解槽电解淡水得到氢气和氧气，经过气液分离器后的氢气和氧气存储入高压储氢储氧装置，分离出的水进入补水箱，电解槽运行温度约为70～90℃，运行过程中的余热通过循环冷却水换热后汇入水箱。
高压储氢储氧装置包括高压储氢罐、高压储氧罐和PID控制器，用于存储电解出的氢气和氧气，通过PID控制器控制储氢罐出口流量，使储氢罐输出氢气压力恒定，为质子交换膜燃料电池发电装置提供燃料。
质子交换膜燃料电池发电装置，包括与循环冷却水装置相连的质子交换膜燃料电池和逆变器，以高压储氢储氧装置提供的氢气和氧气作为燃料，释放电能通过逆变器供给电网。运行温度约为70～90℃，运行过程中的余热通过循环冷却水换热后汇入水箱。
低温多效蒸发装置包括三个低压换热器，与循环冷却水装置相连，将利用电解槽和氢气燃料电池余热的循环冷却水作为热源蒸汽通入到低压换热器进行热交换对海水进行低温多效蒸发，得到制氢电解槽所需淡水。
循环冷却水装置包括水箱、泵和冷却管路，循环冷却水流经制氢电解槽和质子交换膜燃料电池升温，存入水箱，后流经低温多效蒸发装置低压换热器进行降温，实现循环利用。
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于低温余热利用的氢水电联产方法, 其特征在于，含有以下步骤: 电解步骤：通过循环冷却水控制运行温度稳定，流经电解槽的循环冷却水进行热量交换后汇入水箱；电解淡化后的海水制氢制氧，制得的氢气和氧气分别通过第一气液分离器和第二气液分离器，分离出的氢气和氧气通入高压储氢储氧装置，分离出的水通入补水箱补充淡水，对通入电解槽的淡水进行预热，提高电解槽的启动速度，
氢气和氧气的控制步骤：
高压储氢储氧装置用于存储制氢电解槽装置制得的氢气和氧气，并且控制流量输送给质子交换膜燃料电池发电装置，第一PID控制器及第二控制器控制储氢罐出口流量，使第一高压储氢罐、第二高压储氧罐输出氢气压力恒定，为质子交换膜燃料电池发电装置提供稳定燃料，
电能控制步骤：
质子交换膜燃料电池发电装置包括多个质子交换膜燃料电池串联和逆变器，高压储氢储氧装置供给的定压氢气和氧气做为燃料，提供电能，通过循环控制质子交换膜燃料电池发电装置的运行温度稳定，流经燃料电池的循环冷却水换热后汇入水箱，质子交换膜燃料电池释放的电能通过逆变器供给电网装置，
三效蒸发步骤：
低温多效蒸发装置为三效蒸发，包括三个换热器串联，与循环冷却水装置相连，制氢电解槽装置和质子交换膜燃料电池内换热升温后的循环水作为热源蒸汽流经水箱进入低温多效蒸发装置，海水进入第一级换热器，由热源蒸汽间接加热海水产生的蒸汽称为二次蒸汽，将二次蒸汽引入下一级换热器作为加热蒸汽使用，最后一级产生的蒸汽流入末级的换热器中凝结成淡水，通过真空装置维持各级蒸发器在沿程上压力逐级降低，以保证海水沸点由第一级到末级逐渐降低，从而实现前一级中二次蒸汽对后一级中海水的加热作用，其中各级的冷凝水都是产品淡水，作为制氢电解槽的原料，
循环利用步骤：
循环冷却水装置的循环水通过循环水管路流经制氢电解槽和质子交换膜燃料电池换热升温，汇入水箱进行存储，由泵加压输送至低温多效蒸发装置作为热源蒸汽间接加热海水，换热降温后继续进入循环冷却水装置的管路与制氢电解槽和质子交换膜燃料电池换热升温，实现循环利用。
2.根据权利要求1所述的一种基于低温余热利用的氢水电联产方法，其特征在于，循环冷却水运行温度为70～90℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于低温余热利用的氢水电联产方法，其特征在于，质子交换膜燃料电池发电装置的运行温度为70～90℃。
4.一种基于低温余热利用的氢水电联产系统，采用权利要求1-3任一项所述的基于低温余热利用的氢水电联产方法，其特征在于，制氢电解槽装置包括电解槽、第一气液分离器、第二气液分离器以及补水箱，高压储氢储氧装置包括第一高压储氢罐、第二高压储氧罐、第一PID控制器及第二控制器，循环冷却水装置包括制氢电解槽装置、高压储氢储氧装置、质子交换膜燃料电池发电装置及水箱，制氢电解槽装置的补水箱分别与低温多效蒸发装置、第一气液分离器、第二气液分离器及电解槽连接，高压储氢储氧装置的第一高压储氢罐与第一PID控制器连接，第二高压储氧罐与第二控制器连接，第一气液分离器与第一高压储氢罐连接，第二气液分离器与第二高压储氧罐连接，循环冷却水装置的水箱分别与质子交换膜燃料电池发电装置、电解槽及低温多效蒸发装置连接，质子交换膜燃料电池发电装置分别与逆变器、水箱、第一PID控制器、第二控制器及低温多效蒸发装置连接，低温多效蒸发装置与电解槽连接。
5.一种基于低温余热利用的氢水电联产系统，采用权利要求1-3任一项所述的基于低温余热利用的氢水电联产方法，其特征在于，逆变器与电网装置连接。
6.一种基于低温余热利用的氢水电联产系统，采用权利要求1-3任一项所述的基于低温余热利用的氢水电联产方法，其特征在于，电解槽为多个PEM电解槽串联连接结构。
7.一种基于低温余热利用的氢水电联产系统，采用权利要求1-3任一项所述的基于低温余热利用的氢水电联产方法，其特征在于，低温多效蒸发装置包括多个换热器。
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