CN216592931U

CN216592931U - 电制氢余热利用装置

Info

Publication number: CN216592931U
Application number: CN202123242252.XU
Authority: CN
Inventors: 林今; 戚若玫
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2031-12-22

Abstract

本公开涉及电制氢余热利用装置。根据本公开，通过设置储热设备，并在储热设备的各个接口与换热器的各个接口间设置连接管路和控制对应管路导通/断开的阀门，在储热设备和换热器间形成可切换的储热回路和放热回路，使得在不额外增加换热器的情况下，实现高效的电解热回收利用，其结构简单、实现成本低、便于集成，并且原有设备不需大的改动。

Description

电制氢余热利用装置

技术领域

本公开涉及电制氢系统温度控制领域，尤其涉及电制氢余热利用装置。

背景技术

电制氢是一种极具发展前景的储能技术，它利用电解装置将可再生能源富余电能转化为氢气或其他燃料，可以实现能量的大规模、长时间存储。由于电制氢设备负载水平在全天内随可再生能源出力大幅波动，而电解产热与负载水平耦合：高负载时，需要开启冷水机为电制氢系统提供冷却；低负载时，电解产热不足以维持设备散热，使得设备温度下降，影响电解效率和动态性能。

考虑到高负载下存在大量电解余热、而低负载下需要热源维持电解设备温度，需要为电制氢设备配置储热系统，实现余热回收与利用。中国专利文献CN 111748822 A涉及一种大型碱性电解水制氢装置的综合热管理系统，在温度较高的气液混合状态碱液流出电解槽后立即对其进行冷却，将热量收集至热管理装置，并在冷碱液进入电解槽前进行加热，避免因热碱液在气液分离与碱液管路循环时导致的热量损失。该专利虽然试图实现电解余热回收，但是流程结构复杂，共包含四个换热器，在实际应用中显著增加了设备成本，且装置体积大，非常不利于集成。

实用新型内容

有鉴于此，本公开提出了一种结构简单、成本低而且能够高效实现电解热回收利用的装置。

本公开提出了一种电制氢余热利用装置，用于电制氢系统，所述装置包括储热设备，所述储热设备包括储热主体、第一冷液口和第一热液口：

所述储热主体用于储存液体；

所述第一冷液口通过第一管路连接到置于所述电制氢系统的气液分离器中的换热器的进液口，所述第一冷液口还通过第二管路连接到所述换热器的出液口，所述第一冷液口连通所述储热主体中第一温度的液体；

所述第一热液口通过第三管路连接到所述换热器的所述进液口，所述第一热液口通过还第四管路连接到所述换热器的所述出液口，所述第一热液口连通所述储热主体中第二温度的液体，所述第二温度大于所述第一温度；

其中，所述第一管路、所述第二管路、所述第三管路和所述第四管路上对应设置有第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门，以控制对应管路导通或断开。

可选地，所述装置还包括第一循环泵和第二循环泵，所述第一循环泵设置于所述第一管路和所述第四管路中的一者上，所述第二循环泵设置于所述第二管路和所述第三管路中的一者上。

可选地，所述装置还包括阀门组件，所述阀门组件串联在一段公共管路段的两个节点之间，所述公共管路段指所述第一管路、所述第二管路、所述第三管路和所述第四管路中具有共同接口的两个管路的公共部分，所述阀门组件包括循环泵和第五阀门、第六阀门、第七阀门和第八阀门，其中：

所述第五阀门的第一端和所述第六阀门的第一端连接到所述循环泵的进液口，所述第七阀门的第一端和所述第八阀门的第一端连接到所述循环泵的出液口；

所述第五阀门的第二端和所述第七阀门的第二端连接到所述两个节点中的一者，所述第六阀门的第二端和所述第八阀门的的第二端连接到所述两个节点中的另一者。

可选地，所述储热设备为常压式储热罐。

可选地，所述装置还包括外加热源，所述储热设备还包括第二冷液口和第二热液口，其中：

所述外加热源的进液口与所述储热设备的第二冷液口连接，所述外加热源的出液口与所述储热设备的第二热液口连接，为所述储热设备提供热量。

可选地，所述装置还包括外加冷源，所述外加冷源的出液口通过第五管路连接到所述换热器的所述进液口，所述换热器的所述出液口通过第六管路连接到所述外加冷源的所述进液口。

可选地，所述第五管路上设置有调节阀，以调节从所述外加冷源流向所述换热器的液体流量。

可选地，所述第五管路上还设置有第十阀门，以控制所述第五管路导通或断开。

可选地，所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门、所述第四阀门均为截止阀。

可选地，所述第五阀门、所述第六阀门、所述第七阀门、所述第八阀门均为截止阀。

根据本公开，通过设置储热设备，并在储热设备的各个接口与换热器的各个接口间设置连接管路和控制对应管路导通/断开的阀门，在储热设备和换热器间形成可切换的储热回路和放热回路，使得在不额外增加换热器的情况下，实现高效的电解热回收利用，其结构简单、实现成本低、便于集成，并且原有设备不需大的改动。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出传统电制氢系统的结构示意图。

图2示出根据本公开实施例的用于电制氢系统的电制氢余热利用装置的结构示意图。

图3示出根据本公开示例性实施例的电制氢余热利用装置的结构示意图。

图4示出根据本公开示例性实施例的电制氢余热利用装置处于储热状态的示意图。

图5示出根据本公开示例性实施例的电制氢余热利用装置处于放热状态的示意图。

图6示出不同状态下根据本公开示例性实施例的电制氢余热利用装置的设置。

图7示出根据本公开示例性实施例的余热利用方法的流程图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1示出传统电制氢系统的结构示意图。如图1所示，电制氢系统主要包括电解槽、分离氧气(O₂)的气液分离器、分离氢气(H₂)的气液分离器和循环泵P_A。电解槽内发生电解水反应，生成氢气(H₂)和氧气(O₂)。产物气体被循环的碱液带出电解槽，进入气液分离器。在气液分离器内，产物气体与碱液分离，气体从气液分离器上方离开电制氢系统，被后续环节利用或存储；碱液通过循环泵后回流进入电解槽。

在电制氢系统中，电解槽内发生电解水反应生成产物氢气和氧气，该电解反应释放大量热。如果电解槽内温度过高，会对隔膜造成损害；如果电解槽内温度过低，会影响电解反应效率。通过在气液分离器内设置换热器(例如换热盘管)，利用换热器控制气液分离器内碱液的温度，碱液再回流到电解槽，从而间接控制电解槽温度。

如图2所示，该装置包括储热罐，所述储热罐包括储热主体101、第一冷液口102和第一热液口103。储热主体101用于储存液体。第一冷液口102通过第一管路连接到电制氢系统的气液分离器中的换热器的进液口104，第一冷液口102还通过第二管路连接到换热器的出液口105。第一冷液口102连通储热主体101中第一温度的液体。

第一热液口103通过第三管路连接到换热器的所述进液口104，第一热液口103还通过第四管路连接到所述换热器的所述出液口105，所述第一热液口103连通所述储热主体101中第二温度的液体，所述第二温度大于所述第一温度。

所述第一管路、所述第二管路、所述第三管路和所述第四管路上对应设置有第一阀门V1、第二阀门V2、第三阀门V3和第四阀门V4，以控制对应管路导通或断开。

在一个示例中，储热设备可采用常压式储热罐，其利用液温变化进行热量存储，密度较小的热液浮在罐上区域，密度较大的冷液聚集在罐下区域，实现热、冷液的自然分层。

在一个示例中，第一阀门V1、第二阀门V2、第三阀门V3和第四阀门V4均可采用截止阀。

基于上述实施例，打开(即导通)所述第一阀门V1和所述第四阀门V4，关闭(即不导通)所述第二阀门V2和所述第三阀门V3，即可形成电制氢系统的储热回路；关闭所述第一阀门V1和所述第四阀门V4，打开所述第二阀门V2和所述第三阀门V3，即可形成电制氢系统的放热回路，使得在不额外增加换热器的情况下，实现高效的电解热回收利用，其结构简单、实现成本低、便于集成，且原有设备不需大的改动。

在一种可能的实施方式中，所述装置可包括第一循环泵和第二循环泵，所述第一循环泵设置于所述第一管路和所述第四管路中的一者上，所述第二循环泵设置于所述第二管路和所述第三管路中的一者上。

如上所述，第一管路和第四管路可形成储热回路，第二管路和第三管路可形成放热回路，上述第一循环泵可克服储热回路的压力降，稳定可靠地实现储热回路的液体循环；上述第二循环泵可克服放热回路的压力降，稳定可靠地实现放热回路的液体循环。

在另一种可能的实施方式中，所述装置还包括阀门组件，所述阀门组件串联在一段公共管路段的两个节点之间，所述公共管路段指所述第一管路、所述第二管路、所述第三管路和所述第四管路中具有共同接口的两个管路的公共部分，所述阀门组件包括循环泵和第五阀门、第六阀门、第七阀门和第八阀门，其中：

根据上文中第一、第二、第三和第四管路的连接方式可知，第一和第二管路具有共同接口——换热设备的第一冷液口102，第一和第三管路具有共同接口——换热器的进液口104，第二和第四管路具有共同接口——换热器的出液口105，第三和第四管路具有共同接口——换热设备的第一热液口103，因此，第一和第二管路在接近第一冷液口102处可具有公共管路段，第一和第三管路在接近换热器的进液口104处可具有公共管路段，第二和第四管路在接近换热器的出液口105处可具有公共管路段，第三和第四管路在接近第一热液口103处可具有公共管路段。根据本公开的连接方式，具有公共管路段的两个通路刚好分别处于放热回路和储热回路中，采用根据本示例的阀门组件，可根据当前回路的流向，通过打开/关闭不同阀门，使循环泵以对应方向接入回路，使得仅需一个循环泵，就可既作用于放热回路，也作用于储热回路，节省了装置成本和体积。

在一种可能的实施方式中，所述装置还包括外加热源，所述外加热源的进液口与所述储热设备的第二冷液口连接，所述外加热源的出液口与所述储热设备的第二热液口连接，为所述储热设备提供热量。

如CN 111748822 A的现有余热利用系统中，当储热设备的储热不足时，热管理系统无法维持合适的电解温度。根据本实施方式的电制氢余热利用装置，可通过外加热源为储热设备提供热量，从而便于在储热设备的储热不足时，迅速补充热量，稳定维持电解温度。此外，外加热源与储热设备直接连接，能够更充分地利用储热罐提供的灵活性，如在谷电时刻提前储热等。

上述外加热源可采用热泵或电加热器。

在一种可能的实施方式中，所述装置还包括外加冷源，所述外加冷源的出液口通过第五管路连接到所述换热器的所述进液口104，所述换热器的所述出液口105通过第六管路连接到所述外加冷源的所述进液口。

如CN 111748822 A的现有余热利用系统中，当储热设备的蓄冷不足时，热管理系统无法维持合适的电解温度。根据本实施方式的电制氢余热利用装置，将外加冷源与储热设备并联，从而便于在储热设备的蓄冷不足时，迅速切换到外加冷源对电解槽制冷，稳定维持电解温度。

上述外加冷源可以采用冷水机。

在一个示例中，所述第五管路上设置有调节阀，以调节从所述外加冷源流向所述换热器的液体流量，从而实现更灵活更准确地温度控制。所述调节阀可采用薄膜调节阀等。

在一些示例中，所述第五管路上还可设置截至阀，以确保在无需外加冷源时，使其断开。

在一些示例中，诸如冷水机的外加冷源内部提供给液体的通路可视为一根连通第五管路和第六管路的管路，这种情况下，无需在第六管路上设置额外的阀门。

图3示出了根据本公开示例性实施例的的电制氢余热利用装置的结构示意图。如图所示，在第一管路和第二管路的公共管路段上串联了如上所述的阀门组件。其中，第五阀门V5的第一端和第六阀门V6的第一端连接到循环泵P_B的进液口，第七阀门V7的第一端和第八阀门V8的第一端连接到循环泵P_B的出液口，第五阀门V5的第二端和第七阀门V7的第二端连接到接近第一冷液口102的节点处，第六阀门V6的第二端和第八阀门V8的第二端连接到公共管路段的另一个节点。

示例性地，阀门V1～V8均为截止阀。

热泵106作为外加热源，其进液口109和出液口110分别与储热设备的第二冷液口107和第二热液口108连接。

作为外加冷源的冷水机111与储热设备并联，其连接到气液分离器的进液口104的第五管路上设置有薄膜调节阀V9和截止阀V10。

打开上述装置的所述第一阀门和所述第四阀门，关闭所述第二阀门和所述第三阀门，使得从所述储热设备的所述第一冷液口102流出的液体经由所述第一管路流入所述换热器的进液口104，然后从所述换热器的出液口105流出，并经由所述第四管路流入所述储热设备的所述第一热液口103，可使上述电制氢余热利用装置处于储热状态。

关闭所述第一阀门和所述第四阀门，打开所述第二阀门和所述第三阀门，使得从所述储热设备的所述第一热液口103流出的液体经由所述第三管路流入所述换热器的进液口104，然后从所述换热器的出液口105流出，并经由所述第二管路流入所述储热设备的所述第一冷液口102，可使上述电制氢余热利用装置处于放热状态。

图4示出根据本公开示例性实施例的电制氢余热利用装置处于储热状态的示意图，为使显示清晰，未显示被断开或旁路的管路和设备。

如图所示，在储热状态下，储热罐底部约50℃的冷水经阀门V5、V8和V1进入换热器，升温至约80℃后经阀门V4回流进储热罐顶部，由循环泵P_B提供冷液循环动力并控制液体流量。电解槽出口碱液在气液分离器内从90℃降温至70℃后回流回电解槽。阀门V1、V4打开，保证碱液与冷却液逆流换热，最大限度回收电解余热，减小热能品质损失。

图5示出根据本公开示例性实施例的电制氢余热利用装置处于放热状态的示意图，为使显示清晰，未显示被断开或旁路的管路和设备。

在放热阶段，储热罐上部热液在换热器内从80℃降低至60℃，经阀门V2、V6、V7流回储热罐下部，由循环泵P_B提供热液循环动力并控制热液体流量。电解槽出口碱液在气液分离器内从50℃升温至70℃后回流回电解槽。阀门V2、V3打开，保证碱液与冷却水为逆流换热。

图6示出储热状态、放热状态和外加冷源制冷三种情况下，各个阀门、循环泵和冷水机的开关状态。

图7示出根据本公开示例性实施例的余热利用方法的流程图。如图7所示，在步骤702，判断作为储热设备的常压式储热罐是否达到第一储热条件。在一个示例中，可得到接近储热罐顶部的多个传感器测得的平均温度，如果该平均温度大于第一预设值，则判断储热罐达到第一储热条件。在一个示例中，可以设该第一预设值为50℃。

如果储热罐达到第一储热条件，则进入步骤704，进一步判断储热罐是否达到第二储热条件。所述第二储热条件的储热要求高于所述第一储热条件，例如，可将储热罐储热已满的状态设置为所述第二储热条件。在一个示例中，可通过竖直均匀分布在储热罐内的多个传感器测得的平均温度是否达到第二预设值来判断是否储热已满，例如，可以设该第二预设值为80℃。

如果步骤704的判断结果为否，则进入步骤706，继续判断所述电制氢系统的槽前温是否低于预设槽前温。槽前温指进入电解槽前的碱液的温度，也即流出气液分离器的碱液的温度。在一个示例中，预设槽前温可以设为60℃。

如果在步骤706中判断槽前温低于预设槽前温，则进入步骤708，设置上述电制氢余热利用装置处于上述储热状态；如果在步骤706中判断槽前温高于预设槽前温，则进入步骤710，设置上述电制氢余热利用装置进入上述放热状态。

回到步骤704，如果储热设备达到上述第二储热条件，则进入步骤712，进一步判断所述电制氢系统的槽前温是否低于预设槽前温。如果是，则进入步骤710，设置上述电制氢余热利用装置处于上述放热状态；如果否，则进入714，关闭所述第一至第四阀门，即旁路上述储热设备，并将外加冷源与换热器连通，通过外加冷源为电制氢系统提供冷却。

如果储热罐没有达到第一储热条件，即步骤702的判断结果为否，则进入步骤716，继续判断所述电制氢系统的槽前温是否低于预设槽前温。如果槽前温低于预设槽前温，则进入步骤718，关闭第一至第四阀门，即旁路储热设备，同时，进入步骤720，利用外加热源为储热设备提供热量。

如果步骤716的判断结果是否，则进入步骤708，设置上述电制氢余热利用装置处于上述储热状态，同时，进入步骤720，利用外加热源为储热设备提供热量。

采用根据本公开的电制氢余热利用装置的余热利用方法，实现了冷热源切换控制策略，实现了电制氢系统全运行区间内的电解温度控制。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims

1.一种电制氢余热利用装置，用于电制氢系统，其特征在于，所述装置包括储热设备，所述储热设备包括储热主体、第一冷液口和第一热液口：

所述储热主体用于储存液体；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第一循环泵和第二循环泵，所述第一循环泵设置于所述第一管路和所述第四管路中的一者上，所述第二循环泵设置于所述第二管路和所述第三管路中的一者上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括阀门组件，所述阀门组件串联在一段公共管路段的两个节点之间，所述公共管路段指所述第一管路、所述第二管路、所述第三管路和所述第四管路中具有共同接口的两个管路的公共部分，所述阀门组件包括循环泵和第五阀门、第六阀门、第七阀门和第八阀门，其中：

所述第五阀门的第二端和所述第七阀门的第二端连接到所述两个节点中的一者，所述第六阀门的第二端和所述第八阀门的第二端连接到所述两个节点中的另一者。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储热设备为常压式储热罐。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括外加热源，所述储热设备还包括第二冷液口和第二热液口，其中：

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括外加冷源，所述外加冷源的出液口通过第五管路连接到所述换热器的所述进液口，所述换热器的所述出液口通过第六管路连接到所述外加冷源的所述进液口。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第五管路上设置有调节阀，以调节从所述外加冷源流向所述换热器的液体流量。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第五管路上还设置有第十阀门，以控制所述第五管路导通或断开。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门、所述第四阀门均为截止阀。

10.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第五阀门、所述第六阀门、所述第七阀门、所述第八阀门均为截止阀。