[發明專利]一種波動功率輸入下的質子交換膜電解水制氫系統及方法

有效

• 申請號: 202110671853.8
• 申請日: 2021-06-17
• 公開（公告）號: CN113373458B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 鄧占鋒;徐桂芝;宋潔;康偉;李根蒂;梁丹曦
• 申請（專利權）人: 全球能源互聯網研究院有限公司
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B15/021;C25B15/02;C25B15/08
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 安志嬌

本發明公開了一種波動功率輸入下的質子交換膜電解水制氫系統及方法；其中，本發明在氣水分離子系統中增加了多級穩壓調控子系統，并優化了熱量綜合管理子系統的結構；在氧分離器中增設加熱器，采用變頻循環水泵及其上增設旁路調節閥的方式為電解槽補水。本發明通過多級穩壓調控子系統中的第一、第二、第三出口管路聯合作用實現了氫氣壓力多級調控；本發明通過熱量綜合管理子系統在保持電解槽運行溫度恒定的情況下實現了更多熱量的有效回收，并可在電解槽低功率運行時對其進行加熱；通過氧分離器中設置加熱器的方式實現了快速啟動；本發明通過各個結構之間的相互配合，可達到功率范圍可調、快速啟動、熱量回收的目的，顯著提高綜合效率。

技術領域

本發明涉及電解水制氫領域，具體涉及一種波動功率輸入下的質子交換膜電解水制氫系統及方法。

背景技術

目前較為成熟的水電解制氫技術為堿性水電解制氫技術與純水電解制氫技術，相比于堿性水電解制氫技術，純水電解制氫技術具有無堿液污染、高效率、高產量、體積小等優點。純水電解制氫技術采用的是質子交換膜(PEM)電解槽，具有占地面積小、清潔無污染等特點，可以靈活控制，方便負載調節。

雖然純水制氫系統具有上述的各種優點，但其在應用中還是存在啟動速度慢，功率調節范圍有限，變工況輸入下系統壓力、流量、溫度等響應能力不足的問題，尤其是變工況條件下，輸入的功率波動范圍大，導致制氫的產量不一，氫氣通過氫分離器的重力進行分離后，進入到用于氫氣純化的氫氣變壓吸附裝置中的氫氣氣壓不穩定，導致純化效果不一，質量不穩定。因此，采用現有的純水制氫系統難以適應變工況下的氫氣輸出要求。

另外，電解槽質子交換膜長時間承受應力交錯，為了維持電解槽質子交換膜的使用壽命，應維持電解槽的壓力在一穩定值，因此，氫氣壓力頻繁波動，會對電解槽的壽命有衰減影響。

現有文獻中并沒有可根據輸入源的變化情況來自動調整系統內部的壓力、流量與溫度值，實現電解制氫在風電、光伏等隨機性、波動性可再生能源場景，以及用戶用氫需求變化等變工況運行場景下能夠進行穩定制氫的記載。

發明內容

因此，本發明要解決的技術問題在于采用現有的純水制氫系統難以適應變工況下導致的功率波動范圍大、氫氣壓力波動范圍大、綜合效率低的缺陷，從而提供一種波動功率輸入下的質子交換膜(PEM)電解水制氫系統，并提供了該系統的制氫方法。

一種電解水制氫系統，包括電解槽和氣水分離子系統，所述氣水分離子系統包括與電解槽順次連通的氫分離器、氫氣變壓吸附裝置，所述氫分離器與氫氣變壓吸附裝置之間設置有多級穩壓調控子系統；

所述多級穩壓調控子系統包括：

第一出口管路，連通氫分離器和氫氣變壓吸附裝置的進氣口，其上設置有第一調節閥；

第二出口管路，連通氫分離器與氫氣變壓吸附裝置的吹掃氣入口，其上設置有氣動閥；

第三出口管路，與氫分離器連通，其上設置有泄放閥。

所述第二出口管路上還設置有穩壓罐，該穩壓罐位于氣動閥和氫氣變壓吸附裝置之間。

本發明還包括熱量綜合管理子系統；所述氣水分離子系統還包括與電解槽的氧氣出口連通的氧分離器；

所述熱量綜合管理子系統包括：

氫側冷凝器，安裝在氫分離器的氫氣出口位置處，用于與氫分離器分離出的氫氣換熱并分別回收氫氣中的熱量和水；

氧側冷凝器，安裝在氧分離器的氧氣出口位置處，用于與氧分離器分離出的氧氣進行換熱并分別回收氧氣中的熱量和水；

熱水罐，用于將回收的熱量輸送到熱量利用子系統中進行利用；優選的，該熱量利用子系統為用于存儲熱水罐中熱量的蓄熱體或直接利用該熱水罐中熱量的城市生活用水；