CN118345443A - 一种集成余能回收的高压pem电解水制氢系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统及方法，系统包括：PEM电解堆，PEM电解堆的阳极入口和阳极出口分别与阳极水循环回路连接；PEM电解堆的阴极入口和阴极出口分别与阴极水循环回路连接；所述阳极水循环回路的出气口分别连接用氧端和氧气余能回收模块，所述氧气余能回收模块的输出连接冷却模块；所述阴极水循环回路的出气口经过氢气纯化模块后连接用氢端；所述阴极水循环回路还连接余热回收模块。本发明通过余热回收模块收集PEM电解堆运行过程的多余热能；充分利用多余的氧气余压能，可以提高能量利用效率，缩小冷水塔设备尺寸，降低成本。

Description

一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统及方法

技术领域

本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其涉及一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

由于可再生能源的间歇性和随机性本质，能源消纳问题逐渐突显。因此，可再生能源电力转化为氢能形式进行“储-输-用”的能源方案备受青睐，PEM(聚合物电解质膜或质子交换膜(proton exchange membrane,简称PEM)电解水制氢技术以其动态响应快和制氢纯度高等优势而得到规模化应用。

PEM电解水制氢技术将质子交换膜作为电解质，利用电能分解水分子，并在阴极和阳极分别析出氢气和氧气，对产氢作进一步的脱氧和干燥处理便可得到高纯氢。由于使用贵金属电催化剂，经济性成为制约该技术发展的关键因素之一。

电解堆供电后，氢气源源不断产出，通过出口调压阀建立起电解堆内部的高压，即为高压PEM。

常压PEM的氢气压力略高于大气压，需要额外设置压缩机，经过压缩才能满足氢气应用需求；而高压PEM得到的氢气压力较高，略经压缩、或无需压缩，即可满足应用需求；因此，高压PEM电解水制氢技术路线比常压PEM电解水制氢外加氢气压缩机技术路线更具成本优势，在实现绿色高效低成本制氢方面具有更大的潜力，应用越来越广泛。

现有的高压PEM电解水制氢技术方案中，供入电解堆阳极的纯水发挥原料供应和热管理的双重作用，小部分水参与电解反应，其余则充当冷却介质带走电解堆产热，维持堆温处于60～80℃的合理范围。电解堆废热在泵和风机等系统附件的配合下散入大气环境，这对于整个系统而言是一种能量损失；另外，以制氢为主的场景下，高压PEM电解水制氢系统的多余产氧虽然能够以安全的方式直接排入大气环境，但这也造成了氧气余压能的浪费。

现有技术虽然也公开了对电解水制氢过程的余热进行回收利用，但是仍然存在较多的技术问题；比如：

现有技术将阳极出口和阴极出口的余热回收至热储存器，进而对阳极进水进行加热，实现余热利用，但是没有考虑散热，当电解堆大功率持续运行，水温不断上升，电解堆温度可能超限。

现有技术将阳极循环水余热和电解产物余热回收至热水罐，低功率运行时加热阳极进水，实现余热回收，但是缺少对阴极回路的热管理，无法实现阳极回路和阴极回路的协同热管理；

现有技术中，电解堆在启动时需要经过一段较长时间的冷启动过程，该过程中只有少部分电能转化为氢能，其余电能则转化为热能，才能使得电解堆逐渐升温，导致电解堆工作效率较低，响应速度较慢。

另外，现有技术中没有考虑对高压PEM输出的剩余气体压力能进行回收利用，造成了能源的浪费。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统及方法，能够实现高压PEM电解水制氢系统的余热能和余压能回收利用，从而提高电解水制氢系统的综合能效和经济性。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统，包括：PEM电解堆，PEM电解堆的阳极入口和阳极出口分别与阳极水循环回路连接；PEM电解堆的阴极入口和阴极出口分别与阴极水循环回路连接；所述阳极水循环回路的出气口分别连接用氧端和氧气余能回收模块，所述氧气余能回收模块的输出连接冷却模块；所述阴极水循环回路的出气口经过氢气纯化模块后连接用氢端；所述阴极水循环回路还连接余热回收模块。

其中，所述冷却模块与阳极水循环回路和氢气纯化模块分别连接，用于分别实现对阳极循环水和氢气的冷却。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢方法，包括：

控制余热回收模块和阴极水循环回路运行，通过热交换使得余热回收模块的热量传入阴极水循环回路，从而PEM电解堆开始不断升温；

当PEM电解堆温度升高至设定的第一温度后，控制阳极水循环回路运行，PEM电解堆开始制氢；当PEM电解堆温度升高至设定的第二温度后，断开阴极水循环回路和余热回收模块之间的连接，PEM电解堆完成启动；

PEM电解堆运行过程中，PEM电解堆产生的氧气优先满足用氧端的氧气需求，多余氧气送入氧气余能回收模块，为氧气余能回收模块中的膨胀机做功，使得膨胀机带动直流发电机运行发电，产生的电能经过DC-DC变换后送入PEM电解堆；膨胀机输出的氧气为冷却模块提供冷能；冷却模块用于为阳极水循环回路和氢气纯化模块进行降温。

其中，余热回收模块的热量能够向用户供热；在PEM电解堆运行过程中，如果余热回收模块中的水温低于设定的温度时，通过控制三通阀建立余热回收模块与阴极水循环回路之间的连接，PEM电解堆的余热通过阴极水循环回路进入余热回收模块进行存储；当余热回收模块中的水温达到设定的温度要求时，断开余热回收模块与阴极水循环回路之间的连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明设置余热回收模块，通过余热回收模块收集PEM电解堆运行过程的多余热能；余热回收模块中的热量可以为用户供热，也可以为PEM电解堆启动之前进行暖堆，可以提高高压PEM电解水制氢系统的运行效率，加快电解堆启动的响应速度。同时，冷却塔的散热量降低，运转负荷降低，冷却回路中泵的功率也会有所降低，因此能够降低系统散热负荷。

(2)本发明利用氧气余能回收模块将氧气余压能转化为电能和冷能，用于电解水制氢和冷却水预冷，充分利用多余的氧气余压能，可以提高能量利用效率，缩小冷水塔设备尺寸，降低成本。

(3)本发明氢气纯化模块分别设置第一换热器和第二换热器，第一换热器通过冷却模块进行降温，第二换热器能够把第二气水分离器氢气的热量传递到捕滴器后面的氢气中；通过设置第二换热器，使热量从第二气水分离器出口传递到脱氧机入口，于是，氢气在进入第一换热器之前温度降低了，因此减轻了第一换热器的散热负荷；捕滴器出口的氢气在进入脱氧机之前温度升高了，因此降低了脱氧机的加热负荷，降低系统能耗，提高制氢经济性。

本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例中集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统结构示意图；

图2为本发明实施例中冷却模块结构示意图；

其中，1.冷却模块，2.捕滴器，3.第一换热器，4.膨胀机，5.直流发电机，6.氢气干燥器，7.第一三通阀，8.第一压力调节阀，9.风光发电机组，10.第二换热器，11.第二压力调节阀，12.脱氧机，13.DC-DC变换器，14.第一气水分离器，15.第二气水分离器，16.第一水泵，17.储热装置，18.PEM电解堆，19.第三换热器，20.第四换热器，21.第二三通阀，22.第三三通阀，23.第一去离子器，24.第二去离子器，25.第二水泵，26.第四三通阀，27.第五三通阀，28.第六三通阀，29.第七三通阀，30.第三水泵，31.第八三通阀，32第四水泵；

1-1.第五水泵，1-2.第九三通阀，1-3.冷水塔，1-4.第五换热器，1-5.第六水泵。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统，结合图1，具体包括：PEM电解堆18，PEM电解堆18的阳极入口和阳极出口分别与阳极水循环回路连接；PEM电解堆18的阴极入口和阴极出口分别与阴极水循环回路连接；阳极水循环回路的出气口分别连接用氧端和氧气余能回收模块，氧气余能回收模块的输出连接冷却模块1；冷却模块1与阳极水循环回路和氢气纯化模块分别连接，用于分别实现对阳极循环水和氢气的冷却；阴极水循环回路的出气口经过氢气纯化模块后连接用氢端；阴极水循环回路还连接余热回收模块。

进一步地，还包括供电模块，供电模块的电能由风光发电机组9和氧气余能回收模块的直流发电机5产生，经DC-DC变换器13转换，为PEM电解堆18供电。具体地，风光发电机组9接DC-DC变换器13输入端，直流发电机5接DC-DC变换器13输入端，DC-DC变换器13输出端接PEM电解堆18接线柱；此模块中，为PEM电解堆18提供电力。作为可选的实施方式，电力来源也可以是电网谷电，电网接入变压器，变压器接入整流器，整流器接入PEM电解堆18，利用电网谷电来制氢可以辅助电网的负荷调整。

具体地，本实施例中的阳极水循环回路包括：第一气水分离器14、第四换热器20、第二水泵25、第四三通阀26、第一去离子器23、第五三通阀27和PEM电解堆18阳极；第一气水分离器14出水口接第四换热器20热侧入口，第四换热器20热侧出口接第二水泵25入口，第二水泵25出口接第四三通阀26的a口，第四三通阀26的b口接第一去离子器23入口，第四三通阀26的c口接第五三通阀27的a口，第五三通阀27的b口接第一去离子器23出口，第五三通阀27的c口接PEM电解堆18的阳极入口，PEM电解堆18的阳极出口接第一气水分离器14的进料口；

阳极水循环回路中，第二水泵25作为循环动力源，纯水从第一气水分离器14出发，经第四换热器20降温和第一去离子器23脱除离子，进入PEM电解堆18的阳极发生电解反应，剩余未反应的水与阳极产氧一起进入第一气水分离器14，电解堆产热随之被带出。此回路中，能够满足PEM电解堆18的原料供应和冷却。

本实施例中，阴极水循环回路包括：第二气水分离器15、第二三通阀21、第三换热器19、第三三通阀22、第八三通阀31、第三水泵30、第四水泵32、第七三通阀29、第二去离子器24、第六三通阀28和PEM电解堆18阴极。

第二气水分离器15出水口接第二三通阀21的a口，第二三通阀21的b口接第三换热器19的纯水侧入口，第二三通阀21的c口接第三三通阀2222的a口，第三三通阀22的b口接第三换热器19的纯水侧出口，第三三通阀22的c口接第八三通阀31的b口，第八三通阀31的a口接第三水泵30入口，第八三通阀31的c口接第四水泵32入口，第四水泵32出口接阳极水循环回路，第三水泵30出口接第七三通阀29的c口，第七三通阀29的b口接第二去离子器24入口，第七三通阀29的a口接第六三通阀28的c口，第二去离子器24出口接第六三通阀28的b口，第六三通阀28的a口接PEM电解堆18的阴极入口，PEM电解堆18的阴极出口接第二气水分离器15的进料口；此回路中，循环水为余热能回收利用提供条件，并且能够促进氢气从电解堆内排出。

本实施例的阴极水循环回路中，第三水泵30作为循环动力源，纯水从第二气水分离器15出发，经第三换热器19交换热量和第二去离子器24脱除离子，进入PEM电解堆18的阴极，与阴极产氢混合成气水混合物，进入第二气水分离器15；部分水经第四水泵32从阴极回路引流至阳极回路，避免第二气水分离器15液位超限。

根据循环水电导率是否符合要求，可以选择阳极水循环回路和阴极水循环回路中的去离子器是否接入；以阳极水循环回路为例，纯水电导率达到设定下限值时，第四三通阀26和第五三通阀27调整为a口和c口开启、b口关闭状态，第一去离子器23脱开，降低第二水泵25的功耗；纯水电导率达到设定上限值时，第四三通阀26调整为a口和b口开启、c口关闭状态，第五三通阀27调整为a口关闭、b口和c口开启状态，去离子器接入，实现离子脱除。阴极水循环回路中也是同样的运行原理。

本实施例中，余热回收模块包括：储热装置17、第三换热器19和第一水泵16通过管路连接，构成水循环管路；用于实现阴极水循环回路与储热装置17内水的热量交换。其中，储热装置17出口接第三换热器19自来水侧入口，第三换热器19自来水侧出口接第一水泵16入口，第一水泵16出口接储热装置17入口。

第一水泵16驱动自来水从储热装置17出发，经第三换热器19交换热量，循环回储热装置17，若储热装置17的水温低于阴极水循环回路的，热能被回收至储热装置17；反之，热能被输入至阴极水循环回路。此模块实现了电解堆余热能回收利用，既解决了电解堆启动暖堆问题，又满足了用户的部分热需求，可以达到节能效果。

根据电解堆运行情况和储热装置17水温，可以选择第三换热器19是否接入；接入与接出由三通阀联通状态的切换来实现。

氧气余能回收模块包括：至少一组膨胀机4和直流发电机5，阳极水循环回路出气口输出的氧气经过压力调节阀后，根据需要部分进入用氧端，剩余氧气进入膨胀机4做功，使得膨胀机4带动直流发电机5运转；膨胀机4出口的低温氧气送入冷却模块1提供冷能。

具体地，第一气水分离器14出气口接第一压力调节阀8，第一压力调节阀8接第一三通阀7的b口，第一三通阀7分两路：c口接用氧端，a口接膨胀机4入口。膨胀机4与直流发电机5同轴连接，膨胀机4出口接冷却模块1的第五换热器1-4冷侧入口。氧气从第一气水分离器14出发，经第一压力调节阀8和第一三通阀7送入用氧端，多余产氧进入膨胀机4，驱动直流发电机5发电，经膨胀做功后进入变为低温低压状态，流入冷却模块1提供冷能。此模块中，氧气余压能转化为电能和冷能，用于电解和系统冷却，实现了多余产氧的余能回收利用，提高了能源利用效率。

本实施例中，氢气纯化模块包括：第二换热器10、第一换热器3、捕滴器2、第二压力调节阀11、脱氧机12和氢气干燥器6。

第二气水分离器15出气口接第二换热器10热侧入口，第二换热器10热侧出口接第一换热器3热侧入口，第一换热器3热侧出口接捕滴器2进气口，捕滴器2出气口接第二压力调节阀11，第二压力调节阀11接第二换热器10冷侧入口，第二换热器10冷侧出口接脱氧机12入口，脱氧机12出口接氢气干燥器6入口，氢气干燥器6出口接用氢端。

氢气从第二气水分离器15出发，经第二换热器10热侧预冷和第一换热器3热侧二次冷却，进入补滴器去除液态水，经第二压力调节阀11进入第二换热器10冷侧预热，经脱氧机12脱氧和氢气干燥器6干燥，送入用氢端；此模块实现了粗氢纯化。

第一换热器3的作用是降低氢气温度，温度降低使得水的饱和蒸汽压降低，氢气中的水分从气态转变为液态，随后进入捕滴器2去除液态水滴。第二换热器10的作用是把第二气水分离器15氢气的热量传递到捕滴器2后面的氢气中。氢气进入捕滴器2，脱出了水分，然后再进入脱氧机12，除去微量的氧，脱氧机12首先加热氢气，然后催化氧气发生反应，反应产物为水，最后进入氢气干燥器6进一步干燥。通过设置第二换热器10，使热量从第二气水分离器15出口传递到脱氧机12入口，于是，氢气在进入第一换热器3之前温度降低了，捕滴出口的氢气在进入除氧机之前温度升高了，因此，可以减轻第一换热器3散热负荷，降低除氧机加热负荷。

具体的氢气纯化过程如下：换热器降温→捕滴器2去除液态水→脱氧机12脱除氧气→氢气干燥器6去除气态水。

本实施例中，结合图2，冷却模块1包括：冷水塔1-3、第九三通阀1-2、第五水泵1-1、第六水泵1-5、第一换热器3、第四换热器20和第五换热器1-4。

冷水塔1-3出口接第九三通阀1-2的b口，第九三通阀1-2的a口接第五水泵1-1入口，第九三通阀1-2的c口接第六水泵1-5入口，第五水泵1-1出口接第一换热器3冷侧入口，第六水泵1-5出口接第四换热器20冷侧入口，第一换热器3冷侧出口接第五换热器1-4热侧入口，第四换热器20冷侧出口接第五换热器1-4热侧入口，第五换热器1-4热侧出口接冷水塔1-3入口，膨胀机4出口接第五换热器1-4冷侧入口，第五换热器1-4冷侧出口接大气环境。

冷却水从冷水塔1-3出发，在第五水泵1-1和第六水泵1-5驱动下，进入第九三通阀1-2分流，一路进入第一换热器3冷侧为氢气降温，另一路进入第四换热器20冷侧为纯水降温，随后两路并入第五换热器1-4热侧预冷，接着循环回冷水塔1-3被二次冷却；第五换热器1-4冷侧介质为所述氧气余能回收模块产生的低温低压氧气，其提供冷能后排入大气。此模块中，实现阳极循环水和阴极产氢的冷却，氧气余能回收模块为此模块提供冷能，减轻了冷水塔1-3散热负荷。

在本实施例中，PEM电解水制氢系统分三个阶段运行，具体方法如下：

(1)PEM电解堆18暖堆阶段

当环境满足发电条件，系统首先进入PEM电解堆18暖堆阶段，第二三通阀21调整为a口和b口开启、c口关闭状态，第三三通阀22调整为a口关闭、b口和c口开启状态，第六三通阀28调整为a口和b口开启、c口关闭状态，第七三通阀29调整为a口关闭、b口和c口开启状态，第一水泵16和第三水泵30启动，余热回收模块和阴极水循环回路开始运行，其中，余热回收模块的循环路线为：储热装置17→第三换热器19→第一水泵16→储热装置17；阴极水循环回路的循环路线为：第二气水分离器15→第二三通阀21→第三换热器19→第三三通阀22→第八三通阀31→第三水泵30→第七三通阀29→第二去离子器24→第六三通阀28→PEM电解堆18→第二气水分离器15；储热装置17中的热量持续输入至阴极水循环回路，使得PEM电解堆18不断升温。

(2)PEM电解堆18启动阶段

PEM电解堆18升温至40℃时，系统进入PEM电解堆18启动阶段，第四三通阀26调整为a口和b口开启、c口关闭状态，第五三通阀27调整为a口关闭、b口和c口开启状态，第二水泵25启动，阳极水循环回路运行，阳极水循环回路的循环路线为第一气水分离器14→第四换热器20→第二水泵25→第四三通阀26→第一去离子器23→第五三通阀27→PEM电解堆18→第一气水分离器14。

风光发电机组9开始发电，PEM电解堆18开始制氢，运行一段时间后，PEM电解堆18升温至60℃，此时，第二三通阀21和第三三通阀22调整为a口和c口开启、b口关闭状态，第一水泵16关闭，余热回收模块与阴极水循环回路脱离，PEM电解堆18完成启动阶段。

(3)PEM电解堆18常规运行阶段

风光发电机组9的功率输出波动导致PEM电解堆18的电解速率和产热速率变化，阳极水循环回路负责PEM电解堆18的原料供应和热管理，散热量调节由第二水泵25的流量控制来实现，阴极水循环回路稳定运行，促进氢气从阴极排出，当第二气水分离器15的液位达到限值，第四水泵32启动，将部分水引流至阳极回路。

储热装置17可向用户供热，当水温低于40℃，第二三通阀21调整为a口和b口开启、c口关闭状态，第三三通阀22调整为a口关闭、b口和c口开启状态，第一水泵16启动，储热回路开始运行，PEM电解堆18的余热能借助阴极水循环回路和储热循环回路回收至储热装置17；当储热装置17升温至60℃，第二三通阀21和第三三通阀22调整为a口和c口开启、b口关闭状态，第一水泵16关闭，余热回收模块与阴极水循环回路脱离，此过程重复进行，实现余热能回收利用。

PEM电解堆18的阴极产氢经氢气纯化模块处理后供向用氢端，产氧优先满足用氧端的氧气需求，当需求少或无需求时，多余产氧经第一三通阀7供入氧气余能回收模块，膨胀机4带动直流发电机5运转，产生的电力送入DC-DC变换器13，膨胀机4出口低温氧气为冷却模块1提供冷能。

冷却模块1实时匹配氢气纯化模块和阳极水循环模块的散热需求，具体的散热量由第五水泵1-1和所述第六水泵1-5的流量控制以及冷水塔1-3的风机转速来实现。

需要说明的是，本实施例的高压是通过压力调节阀实现的，电解开始后，气体不断生成，关小阀门，使得电解堆内氢气不断积累，压力不断增大，压力超过设定值时，开大阀门，气体排出速度加快，压力有所降低，通过动态调整阀门开度，可以将压力稳定在预设值，实现高压PEM。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢方法，具体包括：

控制余热回收模块和阴极水循环回路运行，通过热交换使得余热回收模块的热量传入阴极水循环回路，从而PEM电解堆18开始不断升温；

当PEM电解堆18温度升高至设定的第一温度后，控制阳极水循环回路运行，PEM电解堆18开始制氢；当PEM电解堆18温度升高至设定的第二温度后，断开阴极水循环回路和余热回收模块之间的连接，PEM电解堆18完成启动；

PEM电解堆18运行过程中，PEM电解堆18产生的氧气优先满足用氧端的氧气需求，多余氧气送入氧气余能回收模块，为氧气余能回收模块中的膨胀机4做功，使得膨胀机4带动直流发电机5运行发电，产生的电能经过DC-DC变换后送入PEM电解堆18；膨胀机4输出的氧气为冷却模块1提供冷能；冷却模块1用于为阳极水循环回路和氢气纯化模块进行降温。

进一步地，余热回收模块的热量能够向用户供热；在PEM电解堆18运行过程中，如果余热回收模块中的水温低于设定的温度时，通过控制三通阀建立余热回收模块与阴极水循环回路之间的连接，PEM电解堆18的余热通过阴极水循环回路进入余热回收模块进行存储；当余热回收模块中的水温达到设定的温度要求时，断开余热回收模块与阴极水循环回路之间的连接。

上述过程的具体实现过程已经在实施例一中进行了详细的说明，此处不再详述。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统，其特征在于，包括：PEM电解堆，PEM电解堆的阳极入口和阳极出口分别与阳极水循环回路连接；PEM电解堆的阴极入口和阴极出口分别与阴极水循环回路连接；所述阳极水循环回路的出气口分别连接用氧端和氧气余能回收模块，所述氧气余能回收模块的输出连接冷却模块；所述阴极水循环回路的出气口经过氢气纯化模块后连接用氢端；所述阴极水循环回路还连接余热回收模块。

2.如权利要求1所述的一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统，其特征在于，所述冷却模块与阳极水循环回路和氢气纯化模块分别连接，用于分别实现对阳极循环水和氢气的冷却。

3.如权利要求1所述的一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统，其特征在于，所述阳极水循环回路包括：第一气水分离器，纯水进入第一汽水分离器，第一气水分离器的出水口经过第四换热器和第二水泵后与PEM电解堆的阳极入口连接；在第二水泵后与PEM电解堆阳极入口的连接管路上，通过三通阀并联连接第一去离子器；PEM电解堆的阳极出口连接至第一气水分离器的进料端；所述第一气水分离器的出气口经过压力调节阀后分别连接至用氧端和氧气余能回收模块。

4.如权利要求1所述的一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统，其特征在于，所述阴极水循环回路包括：第二气水分离器，第二气水分离器的出水口经过第三水泵后连接至PEM电解堆的阴极入口；PEM电解堆的阴极出口连接至第二气水分离器的进料端；在所述第二气水分离器和第三水泵的连接管路上，通过三通阀并联连接第三换热器，用于与余热回收模块进行热交换；所述第二气水分离器的出气口经过氢气纯化模块后连接至用氢端。

5.如权利要求4所述的一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统，其特征在于，所述余热回收模块包括：储热装置，所述储热装置、第三换热器和第一水泵通过管路连接，构成水循环管路；用于实现阴极水循环回路与储热装置内水的热量交换。

6.如权利要求1所述的一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统，其特征在于，所述氧气余能回收模块包括：至少一组膨胀机和直流发电机，阳极水循环回路出气口输出的氧气经过压力调节阀后，根据需要部分进入用氧端，剩余氧气进入膨胀机做功，使得膨胀机带动直流发电机运转；膨胀机出口的低温氧气送入冷却模块提供冷能。

7.如权利要求1所述的一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统，其特征在于，所述冷却模块包括：冷水塔和第五换热器，冷水塔的出口通过三通阀分别通过水泵连接至阳极水循环回路的换热器冷侧入口和氢气纯化模块的换热器冷侧入口，阳极水循环回路的换热器冷侧出口和氢气纯化模块的换热器冷侧出口共同接入第五换热器的热侧入口，第五换热器热侧出口接入冷水塔入口；第五换热器的冷侧入口连接氧气余能回收模块。

8.如权利要求1所述的一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统，其特征在于，还包括DC-DC变换器和风光发电机组，氧气余能回收模块输出的电能与风光发电机组输出的电能，分别经过所述DC-DC变换器后，接入PEM电解堆，用于为PEM电解堆提供电能。

9.一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢方法，其特征在于，包括：

控制余热回收模块和阴极水循环回路运行，通过热交换使得余热回收模块的热量传入阴极水循环回路，从而PEM电解堆开始不断升温；

当PEM电解堆温度升高至设定的第一温度后，控制阳极水循环回路运行，PEM电解堆开始制氢；当PEM电解堆温度升高至设定的第二温度后，断开阴极水循环回路和余热回收模块之间的连接，PEM电解堆完成启动；

PEM电解堆运行过程中，PEM电解堆产生的氧气优先满足用氧端的氧气需求，多余氧气送入氧气余能回收模块，为氧气余能回收模块中的膨胀机做功，使得膨胀机带动直流发电机运行发电，产生的电能经过DC-DC变换后送入PEM电解堆；膨胀机输出的氧气为冷却模块提供冷能；冷却模块用于为阳极水循环回路和氢气纯化模块进行降温。

10.如权利要求9所述的一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢方法，其特征在于，余热回收模块的热量能够向用户供热；在PEM电解堆运行过程中，如果余热回收模块中的水温低于设定的温度时，通过控制三通阀建立余热回收模块与阴极水循环回路之间的连接，PEM电解堆的余热通过阴极水循环回路进入余热回收模块进行存储；当余热回收模块中的水温达到设定的温度要求时，断开余热回收模块与阴极水循环回路之间的连接。