一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统及方法

本发明涉及电解水制氢，尤其涉及一种集成余能回收的高压pem电解水制氢系统及方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、由于可再生能源的间歇性和随机性本质，能源消纳问题逐渐突显。因此，可再生能源电力转化为氢能形式进行“储-输-用”的能源方案备受青睐，pem(聚合物电解质膜或质子交换膜(proton exchange membrane,简称pem)电解水制氢技术以其动态响应快和制氢纯度高等优势而得到规模化应用。

3、pem电解水制氢技术将质子交换膜作为电解质，利用电能分解水分子，并在阴极和阳极分别析出氢气和氧气，对产氢作进一步的脱氧和干燥处理便可得到高纯氢。由于使用贵金属电催化剂，经济性成为制约该技术发展的关键因素之一。

4、电解堆供电后，氢气源源不断产出，通过出口调压阀建立起电解堆内部的高压，即为高压pem。

5、常压pem的氢气压力略高于大气压，需要额外设置压缩机，经过压缩才能满足氢气应用需求；而高压pem得到的氢气压力较高，略经压缩、或无需压缩，即可满足应用需求；因此，高压pem电解水制氢技术路线比常压pem电解水制氢外加氢气压缩机技术路线更具成本优势，在实现绿色高效低成本制氢方面具有更大的潜力，应用越来越广泛。

6、现有的高压pem电解水制氢技术方案中，供入电解堆阳极的纯水发挥原料供应和热管理的双重作用，小部分水参与电解反应，其余则充当冷却介质带走电解堆产热，维持堆温处于60～80℃的合理范围。电解堆废热在泵和风机等系统附件的配合下散入大气环境，这对于整个系统而言是一种能量损失；另外，以制氢为主的场景下，高压pem电解水制氢系统的多余产氧虽然能够以安全的方式直接排入大气环境，但这也造成了氧气余压能的浪费。

7、现有技术虽然也公开了对电解水制氢过程的余热进行回收利用，但是仍然存在较多的技术问题；比如：

8、现有技术将阳极出口和阴极出口的余热回收至热储存器，进而对阳极进水进行加热，实现余热利用，但是没有考虑散热，当电解堆大功率持续运行，水温不断上升，电解堆温度可能超限。

9、现有技术将阳极循环水余热和电解产物余热回收至热水罐，低功率运行时加热阳极进水，实现余热回收，但是缺少对阴极回路的热管理，无法实现阳极回路和阴极回路的协同热管理；

10、现有技术中，电解堆在启动时需要经过一段较长时间的冷启动过程，该过程中只有少部分电能转化为氢能，其余电能则转化为热能，才能使得电解堆逐渐升温，导致电解堆工作效率较低，响应速度较慢。

11、另外，现有技术中没有考虑对高压pem输出的剩余气体压力能进行回收利用，造成了能源的浪费。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种集成余能回收的高压pem电解水制氢系统及方法，能够实现高压pem电解水制氢系统的余热能和余压能回收利用，从而提高电解水制氢系统的综合能效和经济性。

2、在一些实施方式中，采用如下技术方案：

3、一种集成余能回收的高压pem电解水制氢系统，包括：pem电解堆，pem电解堆的阳极入口和阳极出口分别与阳极水循环回路连接；pem电解堆的阴极入口和阴极出口分别与阴极水循环回路连接；所述阳极水循环回路的出气口分别连接用氧端和氧气余能回收模块，所述氧气余能回收模块的输出连接冷却模块；所述阴极水循环回路的出气口经过氢气纯化模块后连接用氢端；所述阴极水循环回路还连接余热回收模块。

4、其中，所述冷却模块与阳极水循环回路和氢气纯化模块分别连接，用于分别实现对阳极循环水和氢气的冷却。

5、在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

6、一种集成余能回收的高压pem电解水制氢方法，包括：

7、控制余热回收模块和阴极水循环回路运行，通过热交换使得余热回收模块的热量传入阴极水循环回路，从而pem电解堆开始不断升温；

8、当pem电解堆温度升高至设定的第一温度后，控制阳极水循环回路运行，pem电解堆开始制氢；当pem电解堆温度升高至设定的第二温度后，断开阴极水循环回路和余热回收模块之间的连接，pem电解堆完成启动；

9、pem电解堆运行过程中，pem电解堆产生的氧气优先满足用氧端的氧气需求，多余氧气送入氧气余能回收模块，为氧气余能回收模块中的膨胀机做功，使得膨胀机带动直流发电机运行发电，产生的电能经过dc-dc变换后送入pem电解堆；膨胀机输出的氧气为冷却模块提供冷能；冷却模块用于为阳极水循环回路和氢气纯化模块进行降温。

10、其中，余热回收模块的热量能够向用户供热；在pem电解堆运行过程中，如果余热回收模块中的水温低于设定的温度时，通过控制三通阀建立余热回收模块与阴极水循环回路之间的连接，pem电解堆的余热通过阴极水循环回路进入余热回收模块进行存储；当余热回收模块中的水温达到设定的温度要求时，断开余热回收模块与阴极水循环回路之间的连接。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

12、(1)本发明设置余热回收模块，通过余热回收模块收集pem电解堆运行过程的多余热能；余热回收模块中的热量可以为用户供热，也可以为pem电解堆启动之前进行暖堆，可以提高高压pem电解水制氢系统的运行效率，加快电解堆启动的响应速度。同时，冷却塔的散热量降低，运转负荷降低，冷却回路中泵的功率也会有所降低，因此能够降低系统散热负荷。

13、(2)本发明利用氧气余能回收模块将氧气余压能转化为电能和冷能，用于电解水制氢和冷却水预冷，充分利用多余的氧气余压能，可以提高能量利用效率，缩小冷水塔设备尺寸，降低成本。

14、(3)本发明氢气纯化模块分别设置第一换热器和第二换热器，第一换热器通过冷却模块进行降温，第二换热器能够把第二气水分离器氢气的热量传递到捕滴器后面的氢气中；通过设置第二换热器，使热量从第二气水分离器出口传递到脱氧机入口，于是，氢气在进入第一换热器之前温度降低了，因此减轻了第一换热器的散热负荷；捕滴器出口的氢气在进入脱氧机之前温度升高了，因此降低了脱氧机的加热负荷，降低系统能耗，提高制氢经济性。

15、本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。

技术特征：

1.一种集成余能回收的高压pem电解水制氢系统，其特征在于，包括：pem电解堆，pem电解堆的阳极入口和阳极出口分别与阳极水循环回路连接；pem电解堆的阴极入口和阴极出口分别与阴极水循环回路连接；所述阳极水循环回路的出气口分别连接用氧端和氧气余能回收模块，所述氧气余能回收模块的输出连接冷却模块；所述阴极水循环回路的出气口经过氢气纯化模块后连接用氢端；所述阴极水循环回路还连接余热回收模块。

2.如权利要求1所述的一种集成余能回收的高压pem电解水制氢系统，其特征在于，所述冷却模块与阳极水循环回路和氢气纯化模块分别连接，用于分别实现对阳极循环水和氢气的冷却。

3.如权利要求1所述的一种集成余能回收的高压pem电解水制氢系统，其特征在于，所述阳极水循环回路包括：第一气水分离器，纯水进入第一汽水分离器，第一气水分离器的出水口经过第四换热器和第二水泵后与pem电解堆的阳极入口连接；在第二水泵后与pem电解堆阳极入口的连接管路上，通过三通阀并联连接第一去离子器；pem电解堆的阳极出口连接至第一气水分离器的进料端；所述第一气水分离器的出气口经过压力调节阀后分别连接至用氧端和氧气余能回收模块。

4.如权利要求1所述的一种集成余能回收的高压pem电解水制氢系统，其特征在于，所述阴极水循环回路包括：第二气水分离器，第二气水分离器的出水口经过第三水泵后连接至pem电解堆的阴极入口；pem电解堆的阴极出口连接至第二气水分离器的进料端；在所述第二气水分离器和第三水泵的连接管路上，通过三通阀并联连接第三换热器，用于与余热回收模块进行热交换；所述第二气水分离器的出气口经过氢气纯化模块后连接至用氢端。

5.如权利要求4所述的一种集成余能回收的高压pem电解水制氢系统，其特征在于，所述余热回收模块包括：储热装置，所述储热装置、第三换热器和第一水泵通过管路连接，构成水循环管路；用于实现阴极水循环回路与储热装置内水的热量交换。

6.如权利要求1所述的一种集成余能回收的高压pem电解水制氢系统，其特征在于，所述氧气余能回收模块包括：至少一组膨胀机和直流发电机，阳极水循环回路出气口输出的氧气经过压力调节阀后，根据需要部分进入用氧端，剩余氧气进入膨胀机做功，使得膨胀机带动直流发电机运转；膨胀机出口的低温氧气送入冷却模块提供冷能。

7.如权利要求1所述的一种集成余能回收的高压pem电解水制氢系统，其特征在于，所述冷却模块包括：冷水塔和第五换热器，冷水塔的出口通过三通阀分别通过水泵连接至阳极水循环回路的换热器冷侧入口和氢气纯化模块的换热器冷侧入口，阳极水循环回路的换热器冷侧出口和氢气纯化模块的换热器冷侧出口共同接入第五换热器的热侧入口，第五换热器热侧出口接入冷水塔入口；第五换热器的冷侧入口连接氧气余能回收模块。

8.如权利要求1所述的一种集成余能回收的高压pem电解水制氢系统，其特征在于，还包括dc-dc变换器和风光发电机组，氧气余能回收模块输出的电能与风光发电机组输出的电能，分别经过所述dc-dc变换器后，接入pem电解堆，用于为pem电解堆提供电能。

9.一种集成余能回收的高压pem电解水制氢方法，其特征在于，包括：

10.如权利要求9所述的一种集成余能回收的高压pem电解水制氢方法，其特征在于，余热回收模块的热量能够向用户供热；在pem电解堆运行过程中，如果余热回收模块中的水温低于设定的温度时，通过控制三通阀建立余热回收模块与阴极水循环回路之间的连接，pem电解堆的余热通过阴极水循环回路进入余热回收模块进行存储；当余热回收模块中的水温达到设定的温度要求时，断开余热回收模块与阴极水循环回路之间的连接。

技术总结本发明公开了一种集成余能回收的高压PEM电解水制氢系统及方法，系统包括：PEM电解堆，PEM电解堆的阳极入口和阳极出口分别与阳极水循环回路连接；PEM电解堆的阴极入口和阴极出口分别与阴极水循环回路连接；所述阳极水循环回路的出气口分别连接用氧端和氧气余能回收模块，所述氧气余能回收模块的输出连接冷却模块；所述阴极水循环回路的出气口经过氢气纯化模块后连接用氢端；所述阴极水循环回路还连接余热回收模块。本发明通过余热回收模块收集PEM电解堆运行过程的多余热能；充分利用多余的氧气余压能，可以提高能量利用效率，缩小冷水塔设备尺寸，降低成本。技术研发人员：白书战,赵海洋,赵明,封金凤,朱思鹏,李国祥,王桂华受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18