CN216864343U - 一种模块化水电解制氢系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型具体为一种模块化水电解制氢系统，所述系统包括可再生能源发电系统、能量管理监控系统、电解单元模块组、储能系统，可再生能源发电系统包括可再生能源发电装置和整流逆变装置，电解单元模块组包括若干电解单元模块，储能系统包括逆变装置和储能电池组，能量管理监控系统分别与可再生能源发电系统、电解单元模块组、储能系统通讯连接。本实用新型通过多电解单元模块组合的形式，实现了大规模、集中式制氢；通过在电解单元模块中增设碱液加热系统，提高了水电解制氢系统对可再生能源功率波动性的快速响应能力；通过增配一个储能系统，一方面为电解槽预开机过程及关机过程提供电能供应，另一方面保障极端天气条件下系统的稳定性。

Description

一种模块化水电解制氢系统

技术领域

本实用新型涉及新能源技术领域，具体为一种模块化水电解制氢系统。

背景技术

随着3060双碳目标的提出，氢气因其绿色环保的特点逐渐被作为一种能源载体提及。在众多的制氢技术中，水电解制氢技术被认为是未来的主流制氢技术，因为当其与可再生能源耦合时，整个制氢过程可以真正的做到零碳。但目前单电解槽的制氢容量相对较小，难以满足未来工业等领域氢气需求量的极速增长。同时可再生能源的波动性问题也会对水电解制氢的安全性及氢气纯度带来隐患。

为增大制氢规模以及克服可再生能源的波动性问题，可采用多电解单元模块组合的方式，实现大规模，集中式制氢，同时通过控制电解槽开关数目的变化来应对可再生能源功率的波动。

但目前这种策略通常忽略了电解槽的启停时间以及启停时的功率消耗，在实际应用时可能会面临制氢不稳定、电解槽系统响应慢等问题，影响整个系统的安全性。

同时，在多个电解槽同时参与电解过程中时，如何有效的对各个制氢单元的功率分配也是模块化电解槽组急需解决的难题。对于水电解制氢系统，电解电流决定了产氢量，电解电压决定了电解效率。因此即使外部输入功率相同时，电解单元的工作数量也会影响整个系统的产氢量。从电解原理来说，电解槽工作负荷越小，电解槽工作效率越高。因此在一般条件下，选择让多个电解槽低负荷运行会比让少量电解槽高负荷运行会获得更大的电解效率和更多的产氢量。但低负荷条件下，会存在因氧气纯度低导致的安全问题，同时因辅助系统能耗的存在，系统效率会在某个临界点下随着负荷的降低而下降。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种模块化水电解制氢系统，解决现有水电解制氢系统制氢不稳定、电解槽响应慢、制氢效率低、产氢量不高、存在安全隐患等问题。

本实用新型提供的模块化水电解制氢系统包括可再生能源发电系统、能量管理监控系统，所述可再生能源发电系统包括可再生能源发电装置和整流逆变装置，所述能量管理监控系统与可再生能源发电系统通讯连接，还包括电解单元模块组、储能系统，所述电解单元模块组包括若干电解单元模块，所述电解单元模块包括电源系统、电解槽、碱液加热系统，所述碱液加热系统对进入电解槽的碱液进行加热，所述电源系统与电解槽电连接，所述储能系统包括逆变装置和储能电池组，所述每个电解单元模块的电源系统分别与整流逆变装置电连接，所述每个电解单元模块的碱液加热系统与储能系统的逆变装置电连接，所述可再生能源发电系统的整流逆变装置与储能系统的逆变装置电连接，所述能量管理监控系统分别与电解单元模块组、储能系统通讯连接。

优选的，所述电解单元模块组还包括碱箱、分离纯化系统、补水系统、冷却系统，所述碱箱盛装碱液，碱液进入碱液加热系统进行加热，所述分离纯化系统连接电解槽，所述冷却系统连接分离纯化系统，所述补水系统连接分离纯化系统。

优选的，所述可再生能源发电装置可以采用光伏发电装置、水力发电装置、风力发电装置中的一种或多种组合。

优选的，所述碱液加热系统包括加热装置和碱液管道，所述加热装置采用防爆电加热器，所述防爆电加热器与储能系统的逆变装置电连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过多电解单元模块组合的形式，突破了目前单电解单元制氢容量小的限制，实现了大规模、集中式制氢；同时充分考虑了电解槽的启停时间长的问题，通过增加电解单元模块预启动步骤以及在电解单元模块中增设碱液加热系统，提高了水电解制氢系统对可再生能源功率波动性的快速响应能力；通过增配一个储能系统，一方面为电解槽预开机过程及关机过程提供电能供应，另一方面保障极端天气条件下系统的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型模块化水电解制氢系统的原理框图；

图2为本实用新型模块化水电解制氢系统中电解单元模块的原理框图；

图3为本实用新型模块化水电解制氢系统控制方法的流程图；

图4为本实用新型模块化水电解制氢系统中电解单元模块工作状态切换示意图。

具体实施方式

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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

请参阅图1、2，本实施例提供的模块化水电解制氢系统包括可再生能源发电系统、电解单元模块组、储能系统、能量管理监控系统，所述可再生能源发电系统包括可再生能源发电装置和整流逆变装置，所述电解单元模块组包括若干电解单元模块，所述电解单元模块通过串联/并联方式连接或单独工作，所述电解单元模块包括电源系统、电解槽、碱液加热系统，所述碱液加热系统对进入电解槽的碱液进行加热，所述电源系统与电解槽电连接，所述储能系统包括逆变装置和储能电池组，所述每个电解单元模块的电源系统分别与整流逆变装置电连接，所述每个电解单元模块的碱液加热系统与储能系统的逆变装置电连接，所述可再生能源发电系统的整流逆变装置与储能系统的逆变装置电连接，所述能量管理监控系统分别与可再生能源发电系统、电解单元模块组、储能系统通讯连接。

作为本实施例的一个优选实施方式，所述可再生能源发电装置可以采用光伏发电装置、水力发电装置、风力发电装置中的一种或多种组合。所述可再生能源发电装置负责为整个模块化水电解制氢系统提供电能，整流逆变装置负责电力的转换。如果可再生能源发电装置为光伏发电装置，则整流逆变装置可以是汇流箱(系统输出直流电)或者是汇流箱与并网逆变器的组合(系统输出为交流电)；如果可再生能源发电装置为风机或水力发电机，则整流逆变装置为风电或水电变流器，经过整流、逆变原理将不稳定的风电、水电变换成为电压、频率、相位符合要求的电能。

作为本实施例的一个优选实施方式，所述储能系统的逆变装置为双向逆变器或由两个单向逆变器组成，负责电力转换，当储能电池组充电时，逆变装置输出可控的直流电给储能电池组充电；储能系统中逆变装置也与电解单元模块组中各电解单元模块中的碱液加热系统电连接，当某一电解单元模块进行预启动时，该逆变装置转换储能电池组释放的电能供给至该电解单元模块的碱液加热系统。所述储能系统的储能电池组包括两个以上的电池模块，确保整个储能系统可同时充放电。

作为本实施例的一个优选实施方式，所述电解单元模块组还包括碱箱、分离纯化系统、补水系统、冷却系统，所述碱箱盛装碱液，碱液进入碱液加热系统进行加热，所述分离纯化系统连接电解槽，所述冷却系统连接分离纯化系统，所述补水系统连接分离纯化系统。所述碱液加热系统在电解单元模块预启动时开启给碱液进行加热，所述碱液加热系统包括加热装置和碱液管道，所述加热装置采用防爆电加热器，所述防爆电加热器与储能系统的逆变装置电连接。所述碱液管道连接碱箱和电解槽，所述加热装置固定在碱液管道内部。所述电源系统通常由变压器和整流柜组成，负责将高压交流电转为可控的直流电(如果是直流电输入，则不需要变压器)，所述电解槽接收电源系统的电能，进行水电解反应，产生氢气和氧气，产生的氢气和氧气中携带大量的碱液，因此需要进行气液分离，分离后，氧气排空，氢气进入到纯化系统，进行下一步除水干燥。所述分离后的碱液经冷却系统冷却换热后，由碱液输送泵输送至电解槽，进行碱液循环，电解过程中不断有水消耗，因此通过补水系统，将去离子水加入到电解系统中。本实施例的电解槽选择碱水电解槽，电解单元模块增设有碱液加热系统，通过对碱液加热，实现电解单元模块的预启动。碱液加热系统以及实现电解单元模块预启动所需的辅助设备的电能由储能系统供给。在电解时，需要对碱液进行降温，所以碱液加热装置仅用于电解槽启动时的加热。

作为本实施例的一个优选实施方式，所述电解单元模块组、储能系统和可再生能源发电系统分别设有控制子系统，所述能量管理系统与各控制子系统通信，负责电解单元模块组中各电解单元模块间功率的分配，电解单元模块组和储能系统间功率的分配，同时控制储能系统为各电解单元模块的预启动过程提供电能。

参照图3、4，本实施例还提供了一种模块化水电解制氢系统的控制方法，首先需要说明的是，本实施例的控制方法遵守以下三个控制逻辑：

(1)各电解单元模块设置两个负荷区间范围。1)满区间：该区间负荷下限为电解槽最小工作负荷，上限为电解槽最大工作负荷，该区间由电解槽的固有性质决定；2)最优区间：该区间负荷上下限由用户自己定义，区间范围在满区间内，通常包含系统电解效率最高时的负荷点。

(2)将电解槽工作状态分为3种：生产状态(L)、待机状态(S)、停机状态(I)。各状态之间切换过程的定义如图4所示。

(3)系统运行的四个原则：

1)安全性原则。当可再生能源发电系统的功率小于电解单元模块组的最小工作负荷时，停止制氢过程，由储能系统吸收可再生能源发电系统的电能；当可再生能源发电系统的功率大于电解单元模块组的最大负荷时，由储能系统吸收剩余电能。当出现上述两种情况同时储能系统达到满负荷时，可再生能源发电系统降载。安全性原则为第一原则。

2)效率最优原则。当计算在生产与待机状态间切换的电解单元模块的数量时，要求切换后处于生产状态的各电解单元模块的工作负荷在最优区间内。计算由S-L切换的数量时，计算值取最大值；计算由L-S切换的数量时，计算值取最小值。设置该原则的目的是确保处于生产状态的电解单元模块数量在一定条件下的最大化，提高制氢效率，增加绿氢产量。

3)操作最优原则。当计算在待机与停机状态间切换、生产与停机状态间切换的电解单元模块的数量时，要求切换后处于生产、待机状态的各电解单元的预计工作负荷在满区间内。设置该原则的目的是避免电解槽频繁的启动或停机，保证电解槽的寿命和电解的安全性，同时降低运维成本。计算结果均取最小值。

4)均衡分配原则。当各电解单元模块的额定功率相等时，任一时刻，处于生产状态的各电解单元模块的工作功率实行均衡分配，即处于生产状态的各电解单元模块的工作功率相等。

本实施例的模块化水电解制氢系统的控制方法依次包括如下步骤：

S1、分别获取处于生产状态、待机状态、停机状态电解单元模块的数目，分别记为N_L、N_S、N_I；

S2、根据式(1)计算处于生产状态、待机状态电解单元模块的剩余负荷总和P_total，

其中，f_max为某一电解单元模块电解槽负荷最优区间的上限，f_now为该电解单元模块电解槽当前负荷，P_e为该电解槽的额定功率；

S3、根于天气预报系统，预测可再生能源发电系统下一时间段以及下下时间段的发电量增量ΔP1、ΔP2，其中ΔP1为下一时间段功率与当前时间段功率的差值，ΔP2为下下一时间段功率与当前时间段功率的差值；

S4、当ΔP1＞0，表明根据预测结果，下一时间段可再生能源发电系统的发电功率较当前有所提升，若ΔP1＜Ptotal，表明处于生产、待机状态电解单元模块的剩余负荷总和可以满足下一个时间段可再生能源发电功率的增量，则在下一时间段进行电解单元模块待机→生产状态的切换，切换的电解单元模块数量按照效率最优原则计算；若ΔP1＞Ptotal，且ΔP2＞Ptotal，表明现阶段处于生产、待机状态电解单元的剩余负荷总和均不能满足未来两个时间段内可再生能源发电功率的增量，则将处于停机状态的电解单元模块进行预启动，即停机→待机状态切换，切换的电解单元模块数量按照操作最优原则计算；若ΔP1＞Ptotal，但ΔP2＜Ptotal，表明可再生能源发电功率仅在下一时间段有明显的增加，为避免电解槽频繁启动，不进行I→S切换，由储能系统吸收下一时间段可再生能源系统发电量的增量，如果储能系统负荷已满，则对可再生能源系统进行降负荷操作；

S5、当ΔP1＜0，表明根据预测结果，下一时间段可再生能源系统的发电功率较当前有所下降。若ΔP2＜0，表明未来两个时间段内可再生能源系统的发电功率均会下降，则对处于生产、待机状态的电解单元模块进行停机操作，即进行生产→停机、待机→停机状态切换，切换的电解单元模块数量按照操作最优原则计算，且优先进行待机→停机状态切换；若ΔP2＞0，说明可再生能源发电功率仅在下一时间段有暂时的下降，为避免电解槽频繁停机，对仅处于生产状态的电解单元模块进行待机切换，切换的单元数量按照效率最优原则计算。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种模块化水电解制氢系统，包括可再生能源发电系统、能量管理监控系统，所述可再生能源发电系统包括可再生能源发电装置和整流逆变装置，所述能量管理监控系统与可再生能源发电系统通讯连接，其特征在于：还包括电解单元模块组、储能系统，所述电解单元模块组包括若干电解单元模块，所述电解单元模块包括电源系统、电解槽、碱液加热系统，所述碱液加热系统对进入电解槽的碱液进行加热，所述电源系统与电解槽电连接，所述储能系统包括逆变装置和储能电池组，所述每个电解单元模块的电源系统分别与整流逆变装置电连接，所述每个电解单元模块的碱液加热系统与储能系统的逆变装置电连接，所述可再生能源发电系统的整流逆变装置与储能系统的逆变装置电连接，所述能量管理监控系统分别与电解单元模块组、储能系统通讯连接。

2.根据权利要求1所述的模块化水电解制氢系统，其特征在于：所述电解单元模块组还包括碱箱、分离纯化系统、补水系统、冷却系统，所述碱箱盛装碱液，碱液进入碱液加热系统进行加热，所述分离纯化系统连接电解槽，所述冷却系统连接分离纯化系统，所述补水系统连接分离纯化系统。

3.根据权利要求1所述的模块化水电解制氢系统，其特征在于：所述可再生能源发电装置可以采用光伏发电装置、水力发电装置、风力发电装置中的一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的模块化水电解制氢系统，其特征在于：所述碱液加热系统包括加热装置和碱液管道，所述加热装置采用防爆电加热器，所述防爆电加热器与储能系统的逆变装置电连接。

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