CN117684196A - 水电解制氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水电解制氢系统，包括质子交换膜电解池、储水罐、水泵、发电系统、蓄电池和第一加热装置；水泵的进口与储水罐连接，水泵的出口与质子交换膜电解池连接；发电系统包括风力发电装置和/或太阳能发电装置，质子交换膜电解池和水泵均与发电系统电连接；发电系统连接、质子交换膜电解池和水泵均与蓄电池电连接，储水罐和水泵均与第一加热装置连接。本发明实施例的水电解制氢系统，当发电量充足时，其在制氢模式下运行，当发电量不足时，其在热备模式下运行，待风力和太阳能恢复供应时，该水电解制氢系统能够迅速切换至制氢模式，从而可以在风力和太阳能供应发生波动时降低对水电解制氢系统的影响，使水电解制氢系统稳定运行。

Description

水电解制氢系统

技术领域

本发明涉及制氢系统的技术领域，具体涉及一种水电解制氢系统。

背景技术

水电解制氢是一种常用的制氢方式，水电解制氢电解池类型有高温固体氧化物电解池、质子交换膜电解池和碱性电解池，其中，质子交换膜电解池在低温下运行，其变负荷速率、启停机速度更快，且安全性更高，因而被广泛应用。

相关技术中的一种水电解制氢系统，包括风光发电装置、质子交换膜电解池、储水罐、电加热器、储氢罐和储氧罐，储水罐向质子交换膜电解池供水，电加热器用于对进入质子交换膜电解池的水进行加热，质子交换膜电解池电解水产生的氢气和氧气分别储存在储氢罐和储氧罐内；其中，风光发电装置用于为质子交换膜电解池提供电能。

但是，由于风光发电装置受环境影响较大、波动性较大，无法稳定的为质子交换膜电解池提供电能，难以维持水电解制氢系统的长期稳定运行，导致水电解制氢系统需要频繁启停，由于质子交换膜电解池每次启动后都需要运行一段时间，待温度和压力达到一定值后才能开始制氢工作，导致水电解制氢系统利用率较低、经济性较差。

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水电解制氢系统，通过风力和太阳能发电，其具有制氢模式和热备模式，当风力和太阳能供应充足时，在制氢模式下运行，当风力和太阳能供应不足时，在热备模式下运行，以维持质子交换膜电解池内的温度和压力，从而在风力和太阳能恢复供应时，该水电解制氢系统能够迅速切换至制氢模式，从而可以在风力和太阳能供应发生波动时降低对水电解制氢系统的影响，使水电解制氢系统稳定运行，以提高水电解制氢系统的利用率和经济性。

本发明实施例的水电解制氢系统包括质子交换膜电解池、储水罐、水泵、发电系统、蓄电池和第一加热装置，所述质子交换膜电解池具有进水口；所述水泵的进口与所述储水罐连接，所述水泵的出口与所述质子交换膜电解池的进水口连接；所述发电系统包括风力发电装置和/或太阳能发电装置，所述质子交换膜电解池和所述水泵均与所述发电系统电连接；所述发电系统连接、所述质子交换膜电解池和所述水泵均与所述蓄电池电连接；所述储水罐和所述水泵均与所述第一加热装置连接。

在一些实施例中，所述第一加热装置包括太阳能集热器和储热罐，所述储热罐与所述太阳能集热器连接。

在一些实施例中，所述储热罐内设有相变材料。

在一些实施例中，所述储热罐具有第一换热介质进口和第一换热介质出口，所述储水罐与所述第一换热介质进口连接；所述质子交换膜电解池具有第一出口和第二出口；所述水电解制氢系统还包括第一气液分离器和第二气液分离器，所述第一气液分离器与所述第一出口连接，所述第一气液分离器具有氢气出口和第一水出口，所述第二气液分离器与所述第二出口连接，所述第二气液分离器具有氧气出口和第二水出口；其中，所述第一水出口和所述第二水出口中的至少一个与所述第一换热介质进口连接，所述第一换热介质出口与所述水泵的进口连接。

在一些实施例中，所述水电解制氢系统还包括第二加热装置和调节阀，所述调节阀包括第一口、第二口和第三口，所述第一口与所述第一换热介质出口连接，所述第二口与所述第二加热装置的进口连接，所述第三口和所述第二加热装置的出口均与所述水泵的进口连接。

在一些实施例中，所述第二加热装置为电加热装置，所述蓄电池与所述第二加热装置电连接。

在一些实施例中，所述水电解制氢系统还包括第一管，所述第一换热介质出口和所述第一口通过所述第一管连接；所述水电解制氢系统还包括温度监测装置，所述温度监测装置与所述第一管连接，用于监测所述第一管内的水的温度。

在一些实施例中，所述温度监测装置与所述蓄电池电连接。

在一些实施例中，所述水电解制氢系统还包括氢气压缩机、氧气压缩机、氢气罐和氧气罐，所述氢气压缩机的进口与所述氢气出口连接，所述发电系统和所述蓄电池均与所述氢气压缩机电连接，所述氧气压缩机的进口与所述氧气出口连接，所述发电系统和所述蓄电池均与所述氧气压缩机电连接；所述氢气罐与所述氢气压缩机的出口连接，所述氧气罐与所述氧气压缩机的出口连接。

在一些实施例中，所述发电系统为风光发电系统，所述风光发电系统包括所述风力发电装置和所述太阳能发电装置。

本发明实施例的水电解制氢系统，通过风力发电装置和/或太阳能发电装置进行发电，以实现可再生能源的充分利用。当发电系统的发电量充足时，发电系统为质子交换膜电解池和水泵供电，剩余的电量储存在蓄电池内，此时水电解制氢系统为制氢模式，储水罐内的水经过第一加热装置加热后，通过水泵泵入质子交换膜电解池内进行电解，从而实现制氢。当发电系统的发电量不充足时，蓄电池可以对质子交换膜电解池和水泵供电，从而使水电解制氢系统维持在制氢模式。

当蓄电池的储存电量不足时，水电解制氢系统切换至热备模式，蓄电池仅对水泵供电，储水罐内的水经过第一加热装置加热后，通过水泵泵入质子交换膜电解池内，随后由质子交换膜电解池排出，并再次通过水泵进入质子交换膜电解池内循环，以维持质子交换膜电解池内的温度和压力，待发电系统重新进行发电后，水电解制氢系统可以迅速的切换至制氢模式，从而可以在风力和太阳能供应发生波动时降低对水电解制氢系统的影响，使水电解制氢系统稳定运行，以提高水电解制氢系统的利用率和经济性。

附图说明

图1是本发明一个实施例的水电解制氢系统的结构示意图。

附图标记：

100、水电解制氢系统；

1、质子交换膜电解池；11、进水口；12、第一出口；13、第二出口；

2、储水罐；21、水泵；22、调节阀；23、第一管；24、第二管；

3、发电系统；

4、蓄电池；

5、第一加热装置；51、太阳能集热器；52、储热罐；521、第一换热介质进口；522、第一换热介质出口；

61、第一气液分离器；62、第二气液分离器；63、热水管；64、三通合流阀；

7、第二加热装置；

8、温度监测装置；

91、氢气压缩机；92、氧气压缩机；93、氢气罐；94、氧气罐。

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。

如图1所示，本发明实施例的水电解制氢系统100包括质子交换膜电解池1、储水罐2、水泵21、发电系统3、蓄电池4和第一加热装置5，质子交换膜电解池1具有进水口11；水泵21的进口与储水罐2连接，水泵21的出口与质子交换膜电解池1的进水口11连接；发电系统3包括风力发电装置和/或太阳能发电装置，质子交换膜电解池1和水泵21均与发电系统3电连接；发电系统3连接、质子交换膜电解池1和水泵21均与蓄电池4电连接；储水罐2和水泵21均与第一加热装置5连接。

本发明实施例的水电解制氢系统100，通过风力发电装置和/或太阳能发电装置进行发电，以实现可再生能源的充分利用。当发电系统3的发电量充足时，发电系统3为质子交换膜电解池1和水泵21供电，剩余的电量储存在蓄电池4内，此时水电解制氢系统100为制氢模式，储水罐2内的水经过第一加热装置5加热后，通过水泵21泵入质子交换膜电解池1内进行电解，从而实现制氢。当发电系统3的发电量不充足时，蓄电池4可以对质子交换膜电解池1和水泵21供电，从而使水电解制氢系统100维持在制氢模式。

当蓄电池4的储存电量不足时，水电解制氢系统100切换至热备模式，此时，蓄电池4仅对水泵21供电，储水罐2内的水经过第一加热装置5加热后，通过水泵21泵入质子交换膜电解池1内，随后由质子交换膜电解池1排出，并再次通过水泵21进入质子交换膜电解池1内循环，以维持质子交换膜电解池1内的温度和压力；待发电系统3重新运行发电后，水电解制氢系统100可以迅速的切换至制氢模式，从而可以在风力和太阳能的供应发生波动时降低对水电解制氢系统100的影响，使水电解制氢系统100稳定运行，以提高水电解制氢系统100的利用率和经济性。

可选地，储水罐2通过进水管与水泵21的进口连接，水泵21的出口通过管道与质子交换膜电解池1的进水口11连接。

可以理解的是，第一加热装置5对进水管内的水进行加热，加热后的水温为50℃～90℃，以满足质子交换膜电解池1的工作温度。

在一些实施例中，第一加热装置5包括太阳能集热器51和储热罐52，储热罐52与太阳能集热器51连接。

太阳能集热器51可以将太阳的辐射能转换为热能，并储存在储热罐52内，从而可以对进水管内的水进行加热，以满足质子交换膜电解池1内的温度需求。

可选地，太阳能集热器51为真空管太阳能集热器51。

在一些实施例中，储热罐52内设有相变材料。

由于相变材料的温度稳定性较好，可以保证储热罐52的长期稳定运行，从而提高水电解制氢的稳定运行。

可选地，相变材料为石蜡，石蜡的熔点在50℃～70℃之间，该温度与质子交换膜电解池1所需的水温相匹配，因而采用石蜡作为相变材料，相变材料的相变温度与质子交换膜电解池1所需的工作温度适配性更高。

优选地，储热罐52内的相变材料的相变温度为64℃。

在一些实施例中，储热罐52具有第一换热介质进口521和第一换热介质出口522，储水罐2与第一换热介质进口521连接；质子交换膜电解池1具有第一出口12和第二出口13；水电解制氢系统还包括第一气液分离器61和第二气液分离器62，第一气液分离器61与第一出口12连接，第一气液分离器61具有氢气出口和第一水出口，第二气液分离器62与第二出口13连接，第二气液分离器62具有氧气出口和第二水出口；其中，第一水出口和第二水出口中的至少一个与第一换热介质进口521连接，第一换热介质出口522与水泵21的进口连接。

质子交换膜电解池1电解产生的氧气和氢气排出时会携带部分水，第一气液分离器61用于将第一出口12排出的氢气和水分离，第二分离器用于将第二出口13排出的氧气和水分离，由第一气液分离器61和第二气液分离器62分离出的水可以与储水罐2的水汇合并共同经过储热罐52，然后在水泵21作用下进入质子交换膜电解池1，从而可以实现水资源的重复利用。

此外，当质子交换膜电解池1的负荷升高时，通过质子交换膜电解池1的电流和电压均升高，由于焦耳效应的作用，质子交换膜电解池1的温度升高，因此，随氧气和氢气排出的水的温度也随之升高，即由第一出口12和第二出口13排出的水的温度高于进入质子交换膜电解池1的水的温度。当第一出口12和第二出口13排出的水与储水罐2排出的水汇合后的水温高于储热罐52内的相变材料的相变温度时，由第一换热介质进口521进入储热罐52内的水在储热罐52内进行放热，并将热量储存在相变材料内，从而可以为储热罐52提供储存热量。

可选地，第一出口12通过管道与第一气液分离器61的进口连接，第二出口13通过管道与第二气液分离器62的进口连接。

可选地，进水管包括第二管24，储水罐2和第一换热进口通过第二管24连接；水电解制氢系统100还包括热水管63和三通合流阀64，三通合流阀64具有第一端、第二端和第三端，第一端与第一水出口通过管道连接，第二端与第二水出口通过管道连接，第三端与热水管63的一端连接；热水管63的另一端与第二管24连接，从而可以将第一水出口和第二水出口的水与储水罐2内流出的水汇合。

在一些实施例中，水电解制氢系统100还包括第二加热装置7和调节阀22，调节阀22包括第一口、第二口和第三口，第一口与第一加热装置5连接，第二口与第二加热装置7的进口连接，第三口和第二加热装置7的出口均与水泵21的进口连接。

太阳能供应充足时，储热罐52内储存的热量充足，储水罐2内的水经过储热罐52换热后能够达到储热罐52内相变材料的相变温度64℃，此时调节阀22的第一口和第三口打开、第二口关闭，水依次通过第一口、第三口后由水泵21进入质子交换膜电解池1。太阳能供应不足时，太阳能集热器51无法持续为储热罐52提供热量，储热罐52内的热量被持续消耗，当储热罐52内储存的热量不足以将进水管内的水加热至质子交换膜电解池1的工作温度时，可以将调节阀22的第一口和第二口打开、第三口关闭，水依次经过第一口和第二口后进入第二加热装置7，由第二加热装置7流出后通过水泵21进入质子交换膜电解池1，第二加热装置7可以对水再次加热，将水温提高至质子交换膜电解池1所需的工作温度，从而可以在太阳能不足时，保持质子交换膜电解池1的稳定运行，从而提高水解制氢系统的利用率。

可选地，调节阀22为三通调节阀22。

在一些实施例中，第二加热装置7为电加热装置，蓄电池4与第二加热装置7电连接。

通过采用电加热装置作为第二加热装置7，加热操作更加方便；此外，当储热罐52储存的热量不足时，蓄电池4可以对第二加热装置7供电使其运行，无需针对第二加热装置7单独设置电源，从而提高可再生能源的利用率。

可选地，发电系统3也与第二加热装置7电连接，在发电系统3发电充足时，由发电系统3对第二加热装置7供电，在发电系统3发电不充足时，由蓄电池4对第二加热装置7供电。

在一些实施例中，水电解制氢系统100还包括第一管23，第一换热介质出口522和第一口通过第一管23连接；水电解制氢系统还包括温度监测装置8，温度监测装置8与第一管23连接，用于监测第一管23内的水的温度。

储水罐2的水经过储热罐52换热后进入第一管23，通过设置温度监测装置8，可以实时监测第一管23内的水温，以便控制调节阀22的第一口、第二口和第三口的开闭状态。例如，当监测到的水温低于储热罐52的相变温度(64℃)时，表示储热罐52内储存的热量不足，此时可以将调节阀22的第一口和第二口打开、第三口关闭，使水流经第二加热装置7，由第二加热装置7加热后再进入质子交换膜电解池1，以保证质子交换膜电解池1的正常运行。

可以理解的是，第一管23为进水管的一段。

在一些实施例中，温度监测装置8与蓄电池4电连接。

通过蓄电池4对温度监测装置8供电，无需针对温度监测装置8单独设置电源，可以提高可再生能源的利用率，同时使得水电解制氢系统100的结构更加简单。

可选地，发电系统3也与温度监测装置8电连接，在发电系统3发电充足时，由发电系统3对温度监测装置8供电，在发电系统3发电不充足时，由蓄电池4对温度监测装置8供电。

在一些实施例中，水电解制氢系统100还包括氢气压缩机91、氧气压缩机92、氢气罐93和氧气罐94，氢气压缩机91的进口与氢气出口连接，发电系统3和蓄电池4均与氢气压缩机91电连接，氧气压缩机92的进口与氧气出口连接，发电系统3和蓄电池4均与氧气压缩机92电连接；氢气罐93与氢气压缩机91的出口连接，氧气罐94与氧气压缩机92的出口连接。

氢气压缩机91可以对氢气进行压缩，以便氢气的储存，氧气压缩机92可以对氧气进行压缩，以便氧气的储存；并且，当发电系统3发电充足，发电系统3可以对氧气压缩机92和氢气压缩机91供电，当发电系统3发电不充足时，蓄电池4可以对氧气压缩机92和氢气压缩机91供电，从而可以保证水电解制氢系统100的稳定运行。

可选地，氢气压缩机91的进口通过管道与第一气液分离器61的氢气出口连接，氢气压缩机91的出口通过管道与氢气罐93连接；氧气压缩机92的进口通过管道与第二气液分离器62的氧气出口连接，氧气压缩机92的出口通过管道与氧气罐94连接。

在一些实施例中，发电系统3为风光发电系统，风光发电系统包括风力发电装置和太阳能发电装置。

通过采用风光发电系统作为发电系统3，风力发电装置和太阳能发电装置可以互补，换言之，当风能和太阳能中的任意一种供应充足时，均能够保证发电系统3发电充足，从而提高发电系统3发电的稳定性、充足性，进而提高对该水电解制氢系统100内各个部件供电的稳定性，使得水电解制氢系统100的稳定运行。

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，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种水电解制氢系统(100)，其特征在于，包括：

质子交换膜电解池(1)，所述质子交换膜电解池(1)具有进水口(11)；

储水罐(2)和水泵(21)，所述水泵(21)的进口与所述储水罐(2)连接，所述水泵(21)的出口与所述质子交换膜电解池(1)的进水口(11)连接；

发电系统(3)，所述发电系统(3)包括风力发电装置和/或太阳能发电装置，所述质子交换膜电解池(1)和所述水泵(21)均与所述发电系统(3)电连接；

蓄电池(4)，所述发电系统(3)连接、所述质子交换膜电解池(1)和所述水泵(21)均与所述蓄电池(4)电连接；

第一加热装置(5)，所述储水罐(2)和所述水泵(21)均与所述第一加热装置(5)连接。

2.根据权利要求1所述的水电解制氢系统(100)，其特征在于，所述第一加热装置(5)包括：

太阳能集热器(51)；

储热罐(52)，所述储热罐(52)与所述太阳能集热器(51)连接。

3.根据权利要求2所述的水电解制氢系统(100)，其特征在于，所述储热罐(52)内设有相变材料。

4.根据权利要求2所述的水电解制氢系统(100)，其特征在于，所述储热罐(52)具有第一换热介质进口(521)和第一换热介质出口(522)，所述储水罐(2)与所述第一换热介质进口(521)连接；

所述质子交换膜电解池(1)具有第一出口(12)和第二出口(13)；所述水电解制氢系统还包括：

第一气液分离器(61)，所述第一气液分离器(61)与所述第一出口(12)连接，所述第一气液分离器(61)具有氢气出口和第一水出口；

第二气液分离器(62)，所述第二气液分离器(62)与所述第二出口(13)连接，所述第二气液分离器(62)具有氧气出口和第二水出口；

其中，所述第一水出口和所述第二水出口中的至少一个与所述第一换热介质进口(521)连接，所述第一换热介质出口(522)与所述水泵(21)的进口连接。

5.根据权利要求4所述的水电解制氢系统(100)，其特征在于，还包括：

第二加热装置(7)；

调节阀(22)，所述调节阀(22)包括第一口、第二口和第三口，所述第一口与所述第一换热介质出口(522)连接，所述第二口与所述第二加热装置(7)的进口连接，所述第三口和所述第二加热装置(7)的出口均与所述水泵(21)的进口连接。

6.根据权利要求5所述的水电解制氢系统(100)，其特征在于，所述第二加热装置(7)为电加热装置，所述蓄电池(4)与所述第二加热装置(7)电连接。

7.根据权利要求5所述的水电解制氢系统(100)，其特征在于，还包括第一管(23)，所述第一换热介质出口(522)和所述第一口通过所述第一管(23)连接；

所述水电解制氢系统还包括温度监测装置(8)，所述温度监测装置(8)与所述第一管(23)连接，用于监测所述第一管(23)内的水的温度。

8.根据权利要求7所述的水电解制氢系统(100)，其特征在于，所述温度监测装置(8)与所述蓄电池(4)电连接。

9.根据权利要求4所述的水电解制氢系统(100)，其特征在于，还包括：

氢气压缩机(91)，所述氢气压缩机(91)的进口与所述氢气出口连接，所述发电系统(3)和所述蓄电池(4)均与所述氢气压缩机(91)电连接；

氧气压缩机(92)，所述氧气压缩机(92)的进口与所述氧气出口连接，所述发电系统(3)和所述蓄电池(4)均与所述氧气压缩机(92)电连接；

氢气罐(93)，所述氢气罐(93)与所述氢气压缩机(91)的出口连接；

氧气罐(94)，所述氧气罐(94)与所述氧气压缩机(92)的出口连接。

10.根据权利要求1-9任一项所述的水电解制氢系统(100)，其特征在于，所述发电系统(3)为风光发电系统，所述风光发电系统包括所述风力发电装置和所述太阳能发电装置。