CN209313450U - 一种甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统，甲醇废水过滤纯化系统的出口与电解池的液体入口相连通，风力发电系统的输出端与功率分配器的输入端相连接，功率分配器的两个输出端分别与变压器的输入端及AC‑DC控制器的输入端，AC‑DC控制器的输出端与电解池的电源接口相连接，电解池的阴极产物出口与燃料电池的氢气入口相连通，燃料电池的输出端与DC‑AC控制器的输入端相连接，DC‑AC控制器的输出端与变压器的输入端相连接，变压器的输出端与电网相连接，该系统能够利用甲醇解决风能间歇性、波动性及输电容量限制的问题，同时解决大规模弃风弃电的问题。

Description

一种甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统

技术领域

本实用新型属于制氢和环保技术领域，涉及一种甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统。

背景技术

甲醇作为一种重要的化工产品,常被用于各种化工产品的生产原料或反应溶剂,因此许多化工废水中通常含有浓度较高的甲醇,直接排放会对环境造成十分严重的污染。为将甲醇废水资源化利用及环境保护，我们需要采用合理的技术对废水进行深度处理，达到可持续发展的目的。

据国家能源局统计数据显示，2015年全国风电平均利用小时数1728小时，同比下降172小时，全国全年弃风电量339亿千瓦时，平均弃风率高达15％，同比增长7％，其中弃风严重的地区主要有甘肃(弃风率39％)、新疆(弃风率32％)、吉林(弃风率32％)、内蒙古(弃风率18％)。2016年，全国风电平均利用小时数1742小时，同比增加14小时，全年弃风电量497亿千瓦时，全国弃风较为严重的地区是甘肃(弃风率43％)、新疆(弃风率38％)、吉林(弃风率30％)内蒙古(弃风率21％)。弃风不仅降低风能资源利用率，还减少风电机组年利用小时数和风电场收益，使风电项目的进一步建设发展受到制约。

利用闲置的风能支撑电解水制氢消耗的电能，不仅可能提升风电系统的能源利用效率，降低发电控制系统的运行和维护成本，而且生产出附加产品氢气，实现了风能资源的综合利用。但是传统的电解水制氢能耗(水分解电压为1.23V)，通常每标准立方米氢气的电耗在5kWh以上，且对水资源的消耗很大，导致电解水制氢成本增加。

研究降低制氢电耗的有关问题，是推广电解水制氢的关键。甲醇废水中含有大量甲醇，相比于传统的生化、物理处理方法，对甲醇废水进行电解处理，不仅可以实现污水的净化，还能实现污水资源化。同时，甲醇的标准电位是0.02V，远低于电解水的理论电压(1.23V)。因此甲醇废水可能在较低的能耗下实现电解制氢。甲醇电解的反应式为：

阳极：CH₃OH+H₂O＝6H⁺+CO₂+6e^-(1)

阴极：2H⁺+2e^-＝H₂(2)

总反应：CH₃OH+H₂O＝3H₂+CO₂(3)

由反应式可知，电解甲醇不仅可以利用甲醇本身的氢，还可以从水中获得氢，因此，氢的利用率非常高。

然而现有技术中没有出现利用甲醇提高解决风能间歇性、波动性及输电容量限制的问题，进而不能解决大规模弃风弃电的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统，该系统能够利用甲醇解决风能间歇性、波动性及输电容量限制的问题，同时解决大规模弃风弃电的问题。

为达到上述目的，本实用新型所述的甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统包括甲醇废水过滤纯化系统、电解池、风力发电系统、功率分配器、变压器、AC-DC控制器、燃料电池、DC-AC控制器及电网；

甲醇废水过滤纯化系统包括过滤装置、废水储罐、甲醇废水输入管道，其中，甲醇废水输入管道依次经过滤装置及废水储罐与电解池的液体入口相连通；

风力发电系统的输出端与功率分配器的输入端相连接，功率分配器的两个输出端分别与变压器的输入端及AC-DC控制器的输入端，AC-DC控制器的输出端与电解池的电源接口相连接，电解池的阴极产物出口依次经氢气缓冲罐、氢气压缩机及储氢罐与燃料电池的氢气入口相连通，燃料电池的输出端与DC-AC控制器的输入端相连接，DC-AC控制器的输出端与变压器的输入端相连接，变压器的输出端与电网相连接；

电解池的阳极产物出口相连通的再生水系统，可作为工业回用水。

废水储罐与电解池之间的管道上设置有流量调节阀。

当风力发电系统的发电功率大于电网需求时，功率分配器将风力发电系统产生的多余电量经AC-DC控制器输送至电解池中，使得电解池电解甲醇废水中的甲醇而产生氢气，然后将产生的氢气经氢气缓冲罐及氢气压缩机存储于储氢罐中。

当风力发电系统的发电功率小于等于电网的需求时，功率分配器将风力发电系统产生的电全部输送至电网中，同时燃料电池启动，燃料电池产生的电经DC-AC控制器转换为交流电后再经变压器输送至电网中。

电解池中的电解液为中性电解液，其中，电解液中甲醇的质量浓度为0.1％-100％。

电解池中阴极的材质为Pt、Ru、Rh、Ir、Ni、Co、Fe、Zn及Ti中的一种或几种的合金；电解池中阳极的材质为铂基材料，膜电极为质子交换膜。

电解池内的温度为0℃-40℃。

电解池中通电发生电解反应为：

阳极：CH₃OH+H₂O＝6H⁺+CO₂+6e^-(1)

阴极：2H⁺+2e^-＝H₂(2)

总反应：CH₃OH+H₂O＝3H₂+CO₂(3) E＝0.02V。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型所述的甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统在具体操作时，当风力发电系统的发电功率大于电网需求时，功率分配器将风力发电系统产生的多余电量送给电解池，使得电解池电解甲醇产生氢气，然后对氢气进行储存，当风力发电系统的发电功率小于等于电网需求时，功率分配器经风力发电系统产生的电全部供给给电网，燃料电池利用电解池产生的氢气发电，从而通过风力发电系统及燃料电池共同为电网供电，以解决风能间歇性、波动性及输电容量限制的问题，同时避免出现大规模弃风弃电的问题，以实现电网调峰及改善风电质量的目的。另外，需要说明的是，本实用新型利用甲醇废水中的甲醇为燃料电池提供氢气，实现甲醇废水的再利用，达到降解废水中甲醇的目的，具有较高的环保意义及综合效益。相对于传统的水电解，甲醇电解制氢的电压仅为0.02V，极大的节省了电解制氢的电耗，同时变废为宝，进一步降低系统的成本。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

其中，1为风力发电系统、2为功率分配器、3为AC-DC控制器、4为电解池、5为再生水系统、6为氢气缓冲罐、7为氢气压缩机、8为废水储罐、9为过滤装置、10为储氢罐、11为燃料电池、12为甲醇废水输入管道、13为DC-AC控制器、14为变压器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

参考图1，本实用新型所述的甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统包括甲醇废水过滤纯化系统、电解池4、风力发电系统1、功率分配器2、变压器14、AC-DC控制器3、燃料电池11、DC-AC控制器13及电网；甲醇废水过滤纯化系统包括过滤装置9、废水储罐8、甲醇废水输入管道12，其中，甲醇废水输入管道12依次经过滤装置9及废水储罐8与电解池4的液体入口相连通，风力发电系统1的输出端与功率分配器2的输入端相连接，功率分配器2的两个输出端分别与变压器14的输入端及AC-DC控制器3的输入端，AC-DC控制器3的输出端与电解池4的电源接口相连接，电解池4的阴极产物出口依次经氢气缓冲罐6、氢气压缩机7及储氢罐10与燃料电池11的氢气入口相连通，燃料电池11的输出端与DC-AC控制器13的输入端相连接，DC-AC控制器13的输出端与变压器14的输入端相连接，变压器14的输出端与电网相连接。

本实用新型还包括与电解池4的阳极产物出口相连通的再生水系统5，可作为工业回用水。

废水储罐8与电解池4之间的管道上设置有流量调节阀。

本实用新型在具体工作时，当风力发电系统1的发电功率大于电网需求时，功率分配器2将风力发电系统1产生的多余电量经AC-DC控制器3输送至电解池4中，使得电解池4电解甲醇废水而产生氢气，然后将产生的氢气经氢气缓冲罐6及氢气压缩机7存储于储氢罐10中；当风力发电系统1的发电功率小于等于电网的需求时，功率分配器2将风力发电系统1产生的电全部输送至电网中，同时启动燃料电池11，燃料电池11产生的电经DC-AC控制器13转换为交流电后再经变压器14输送至电网中。

燃料电池启动发电时，系统中发生的化学反应为：

阳极反应方程式：2H₂－4e^－→4H⁺

阴极反应方程式：O₂+4e^－+2H₂O→4OH^－

总反应方程式：2H₂+O₂→2H₂O

电解池4中的电解液为中性电解液，其中，电解液中甲醇的质量浓度为0.1％-100％。

电解池4中阴极的材质为Pt、Ru、Rh、Ir、Ni、Co、Fe、Zn及Ti中的一种或几种的合金；电解池4中阳极的材质为铂基材料，膜电极为质子交换膜，电解池4内的温度为0℃-40℃。

电解池4中发生的电解反应为：

阳极：CH₃OH+H₂O＝6H⁺+CO₂+6e^-(1)

阴极：2H⁺+2e^-＝H₂(2)

总反应：CH₃OH+H₂O＝3H₂+CO₂(3) E＝0.02V

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统，其特征在于，包括甲醇废水过滤纯化系统、电解池(4)、风力发电系统(1)、功率分配器(2)、变压器(14)、AC-DC控制器(3)、燃料电池(11)、DC-AC控制器(13)及电网；

甲醇废水过滤纯化系统包括过滤装置(9)、废水储罐(8)、甲醇废水输入管道(12)，其中，甲醇废水输入管道(12)依次经过滤装置(9)及废水储罐(8)与电解池(4)的液体入口相连通；

风力发电系统(1)的输出端与功率分配器(2)的输入端相连接，功率分配器(2)的两个输出端分别与变压器(14)的输入端及AC-DC控制器(3)的输入端，AC-DC控制器(3)的输出端与电解池(4)的电源接口相连接，电解池(4)的阴极产物出口依次经氢气缓冲罐(6)、氢气压缩机(7)及储氢罐(10)与燃料电池(11)的氢气入口相连通，燃料电池(11)的输出端与DC-AC控制器(13)的输入端相连接，DC-AC控制器(13)的输出端与变压器(14)的输入端相连接，变压器(14)的输出端与电网相连接。

2.根据权利要求1所述的甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统，其特征在于，还包括与电解池(4)的阳极产物出口相连通的再生水系统(5)。

3.根据权利要求1所述的甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统，其特征在于，废水储罐(8)与电解池(4)之间的管道上设置有流量调节阀。

4.根据权利要求1所述的甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统，其特征在于，当风力发电系统(1)的发电功率大于电网需求时，功率分配器(2)将风力发电系统(1)产生的多余电量经AC-DC控制器(3)输送至电解池(4)中，使得电解池(4)电解甲醇废水中的甲醇而产生氢气，然后将产生的氢气经氢气缓冲罐(6)及氢气压缩机(7)存储于储氢罐(10)中。

5.根据权利要求1所述的甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统，其特征在于，当风力发电系统(1)的发电功率小于等于电网的需求时，功率分配器(2)将风力发电系统(1)产生的电全部输送至电网中，同时燃料电池(11)启动，燃料电池(11)产生的电经DC-AC控制器(13)转换为交流电后再经变压器(14)输送至电网中。

6.根据权利要求1所述的甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统，其特征在于，电解池(4)中的电解液为中性电解液，其中，电解液中甲醇的质量浓度为0.1％-100％。

7.根据权利要求1所述的甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统，其特征在于，电解池(4)内的温度为0℃-40℃。

8.根据权利要求1所述的甲醇废水用于风电制氢调峰调频系统，其特征在于，在电解槽中通电发生电解反应为：

阳极：CH₃OH+H₂O＝6H⁺+CO₂+6e^-(1)

阴极：2H⁺+2e^-＝H₂(2)

总反应：CH₃OH+H₂O＝3H₂+CO₂(3) E＝0.02V。