[發(fā)明專利]一種可再生能源耦合梯級(jí)制氫系統(tǒng)及制氫方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211345062.7
• 申請(qǐng)日: 2022-10-31
• 公開（公告）號(hào): CN115637447A
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高翔;宋超;高超;苗云濤;田家彬;夏海龍;謝淑賢
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中車山東風(fēng)電有限公司
• 主分類號(hào): C25B1/04
• 分類號(hào): C25B1/04;C25B9/65;C25B9/67;C25B15/02;C25B9/70;F03D9/19;H02J3/28;H02J3/38;H02M3/04;H02M7/04
• 代理公司: 山東舜源聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37359
• 代理人: 張亮

本發(fā)明提供一種可再生能源耦合梯級(jí)制氫系統(tǒng)及制氫方法，涉及電解水制氫技術(shù)領(lǐng)域，可再生能源控制模塊設(shè)有供電單元，可再生能源控制模塊通過分流控制模塊向梯級(jí)制氫子系統(tǒng)供電，滿足梯級(jí)制氫子系統(tǒng)對(duì)電能的需求；燃料電池控制模塊用于控制燃料電池?zé)犭娐?lián)供子系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)制氫工藝向梯級(jí)制氫子系統(tǒng)供水；梯級(jí)制氫子系統(tǒng)的輸出端依次與氣液分離模塊、純化模塊、緩沖罐以及儲(chǔ)氫罐連接；制氫需求控制模塊判斷可再生能源控制模塊最大輸出功率下是否滿足用氫需求；如滿足用氫需求，則梯級(jí)制氫子系統(tǒng)停止制氫。本發(fā)明利用燃料電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱能為制氫系統(tǒng)預(yù)加熱，解決了堿性電解槽冷啟動(dòng)時(shí)間長的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電解水制氫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可再生能源耦合梯級(jí)制氫系統(tǒng)及制氫方法。

背景技術(shù)

在眾多的制氫技術(shù)中，電解水制氫被認(rèn)為是未來氫氣來源的主流技術(shù)。采用傳統(tǒng)的網(wǎng)電電解水制氫因電力來源主要為煤，并不是真正意義上的綠色氫氣，因此，構(gòu)建可再生能源耦合電解水制氫裝備來生產(chǎn)氫氣成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，也是真正意思上的零碳排放。

目前，電解槽作為電解水制氫的關(guān)鍵技術(shù)裝備，呈現(xiàn)出技術(shù)路線多樣化的特點(diǎn)，根據(jù)電解質(zhì)的不同，電解水制氫技術(shù)分為堿性、質(zhì)子交換膜和固體氧化物三大類。堿性電解槽技術(shù)成熟，成本低，運(yùn)行范圍窄，啟動(dòng)慢，波動(dòng)適應(yīng)性差，電流密度低，體積龐大，占據(jù)市場主導(dǎo)地位，在大型化方面具有優(yōu)勢，低電耗和高功率仍是攻關(guān)方向；PEM電解槽技術(shù)成熟度相對(duì)較高，成本有待降低，運(yùn)行范圍寬，啟動(dòng)快，波動(dòng)適應(yīng)性好，電流密度高，體積小，市場占有率快速提升；SOEC電解槽制氫效率高，需高溫下運(yùn)行，仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。

風(fēng)光等可再生能源耦合電解水制氫有諸多優(yōu)勢，能夠有效解決風(fēng)光等可再生能源不穩(wěn)定、季節(jié)性強(qiáng)、不易消納等問題，耦合電解水制氫能夠有效提高風(fēng)電光伏等可再生能源的使用率。通過可再生能源制取的氫氣能夠有效降低碳排放。目前廣泛采用的可再生能源耦合電解水制氫主要采用堿性電解槽，堿性電解槽因其具有冷啟動(dòng)時(shí)間長、不耐風(fēng)光波動(dòng)性的特點(diǎn)，影響了堿性電解槽在風(fēng)光等可再生能源制氫項(xiàng)目上的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供及一種可再生能源耦合梯級(jí)制氫系統(tǒng)，為了解決堿性電解槽冷啟動(dòng)時(shí)間長、耐風(fēng)光波動(dòng)性差等問題。制氫系統(tǒng)通過燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)工作產(chǎn)生的熱能為堿性電解槽預(yù)加熱，提升堿性電解槽的冷啟動(dòng)能力。

可再生能源耦合梯級(jí)制氫系統(tǒng)包括：電控裝置和制氫裝置；

電控裝置包括：可再生能源控制模塊、分流控制模塊以及燃料電池控制模塊以及制氫需求控制模塊；

制氫裝置包括：梯級(jí)制氫子系統(tǒng)、燃料電池?zé)犭娐?lián)供子系統(tǒng)、氣液分離模塊、純化模塊、緩沖罐以及儲(chǔ)氫罐；

可再生能源控制模塊設(shè)有供電單元，可再生能源控制模塊通過分流控制模塊向梯級(jí)制氫子系統(tǒng)供電，滿足梯級(jí)制氫子系統(tǒng)對(duì)電能的需求；

燃料電池控制模塊用于控制燃料電池?zé)犭娐?lián)供子系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)制氫工藝向梯級(jí)制氫子系統(tǒng)供水；

梯級(jí)制氫子系統(tǒng)的輸出端依次與氣液分離模塊、純化模塊、緩沖罐以及儲(chǔ)氫罐連接；

制氫需求控制模塊判斷可再生能源控制模塊最大輸出功率下是否滿足用氫需求；

如不滿足，可再生能源控制模塊切換至電網(wǎng)給梯級(jí)制氫子系統(tǒng)供電，增加梯級(jí)制氫子系統(tǒng)制氫效率；

如制氫需求控制模塊判斷當(dāng)前已經(jīng)滿足用氫需求，則制氫需求控制模塊向可再生能源控制模塊發(fā)送滿足用氫需求信號(hào)，可再生能源控制模塊停止給梯級(jí)制氫子系統(tǒng)供電，梯級(jí)制氫子系統(tǒng)停止制氫。

進(jìn)一步需要說明的是，在梯級(jí)制氫子系統(tǒng)啟動(dòng)前，通過燃料電池?zé)犭娐?lián)供子系統(tǒng)的燃料電池在電池反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱能為梯級(jí)制氫子系統(tǒng)預(yù)加熱，實(shí)現(xiàn)堿性電解槽的冷啟動(dòng)。

進(jìn)一步需要說明的是，燃料電池控制模塊根據(jù)可再生能源控制模塊輸入的指令控制燃料電池?zé)犭娐?lián)供子系統(tǒng)的兩個(gè)出水口開合和流量；