一种适用于海上漂浮式风机的电解水制氢系统及方法

本发明涉及一种海水间接制氢系统及方法，特别涉及的是一种适用于海上漂浮式风机的电解水制氢系统及方法。

背景技术：

1、氢能源被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。在我国政策指导下，布局未来氢能基础设施建设。电解水制氢技术被认为是最具发展前景的一种制氢策略，而利用可再生能源产生的电力进行电解水制取绿氢更是新能源的重要发展路径。

2、目前，质子交换膜电解水技术(pem)须使用纯水作为原料，且目前单机产量低、成本较高；而碱性电解水制氢技术仅需使用淡水作为原料，且是最为成熟、产业化程度最广的制氢技术，占据着主导地位。但全球淡水资源极其有限，这无疑会加剧淡水资源短缺问题。

3、2018年以后中国海上风电快速发展，受技术进步、成本下降以及政策调整影响，多个沿海省份加快核准和开工建设了一大批海上风电项目。此外，海水资源丰富，取之不尽用之不竭。其中海上漂浮式风机基础因具有较大的甲板面积，且可变载荷较大，具备承载大功率制氢设备的条件，如果一个海上风电场内的多个漂浮式风机都配置了利用海水制氢的设备，并且通过管线将氢气输送至汇集平台，由汇集平台进行集中存储和外输，这便形成了一个分布式海水制氢场景，且分布式海上风电制氢具有每个风机制氢功能独立，扩展能力强、可靠性高的优点。

4、近年来，直接进行海水电解制氢技术已引起学者们的广泛研究兴趣，但目前尚停留在技术研发与验证阶段。所以，如何将海水淡化技术与碱性电解水制氢技术耦合形成一种有效的海水间接制氢技术，并适合大规模应用在海上漂浮式风机上成为了亟需解决的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用于海上漂浮式风机的电解水制氢系统及方法，通过采用闭式循环淡水作为碱性电解水制氢中冷却单元的冷却介质，进而被加热后的淡水作为负压海水制淡单元中的海水加热源，由此形成淡水闭式循环，可实现利用碱性电解水制氢中的需冷却热量进行负压海水制淡，进而为碱性电解水制氢供给原料淡水，不仅有利于碱性电解水制氢废热的有效利用，且能实现海水间接制氢，且能适用于海上漂浮式风机的分布式海水制氢场景，以期为海上风电制氢提供一种具有可行性的技术方案，不仅可为海水间接电解制氢提供技术支撑和研制依据，也有利于海上风电的就地消纳。

2、为了实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种适用于海上漂浮式风机的电解水制氢系统，包括：碱性电解槽单元、氧分离冷却单元、氢分离冷却单元、碱液过滤循环单元、碱液冷却单元、负压海水制淡单元和循环淡水驳运单元，所述碱性电解槽单元电源接口与海上漂浮式风机相连，碱性电解槽单元中的淡水在海上漂浮式风机的直流电作用下分解成氢气和氧气，氢气和碱液进入氢分离冷却单元，氧气和碱液进入氧分离冷却单元，所述碱液过滤循环单元用于将氧分离冷却单元和氢分离冷却单元中的碱液分离后循环回碱性电解槽单元，碱液过滤循环单元和碱性电解槽单元之间设置所述碱液冷却单元，用于将碱液冷却至电解槽要求的温度范围，所述负压海水制淡单元用于进行海水负压制淡，为碱性电解水制氢供给原料淡水，所述循环淡水驳运单元用于构建闭式循环淡水循环系统，利用闭式循环淡水吸收碱性电解水制氢中需冷却的介质热量，并将热量作为负压海水制淡单元中的海水淡化的热源。

3、进一步地，所述碱性电解槽单元的碱液进口与碱液冷却单元碱液出口相连；碱性电解槽单元氢气出口与氢分离冷却单元相连；碱性电解槽单元氧气出口与氧分离冷却单元相连，所述氧分离冷却单元的碱液出口与氢分离冷却单元的碱液出口相连，并汇成总管后与碱液过滤循环单元相连；氧分离冷却单元的冷却淡水出口与氢分离冷却单元冷却淡水出口相连后与碱液冷却单元冷却淡水进口相连。

4、进一步地，还包括氢纯化冷却单元，所述氢分离冷却单元氢气进口与碱性电解槽单元氢气出口相连；氢分离冷却单元氢气出口与氢纯化冷却单元相连；氢分离冷却单元的冷却淡水进口与氧分离冷却单元冷却淡水进口相连后与氢纯化冷却单元冷却淡水出口相连；氢分离冷却单元的冷却淡水出口与氧分离冷却单元冷却淡水出口相连后与碱液冷却单元冷却淡水进口相连；氢分离冷却单元的原料淡水进口与负压海水制淡单元的淡水源相连，氢纯化冷却单元的氢出口连接输送管线；氢纯化冷却单元的冷却淡水进口与负压海水制淡单元冷却淡水出口相连；氢纯化冷却单元的冷却淡水出口与氢分离冷却单元的冷却淡水进口、氧分离冷却单元冷却淡水进口相连，其用于通过催化反应、冷却、分子筛吸附原理去除水、氧以及其他杂质，最终将氢气提纯至99.999％。

5、进一步地，负压海水制淡单元的海水进口是海水进入通道；负压海水制淡单元制备的淡水出口与原料淡水存储供给单元的原料淡水进口块相连；负压海水制淡单元的加热淡水进口与循环淡水驳运单元出口相连；负压海水制淡单元的加热淡水出口与氢纯化冷却单元的冷却淡水进口相连，淡水存储供给单元的原料淡水出口分别与氢分离冷却单元的原料淡水进口和膨胀水箱单元的淡水进口相连，用于为氢分离冷却单元和膨胀水箱单元补充原料淡水。

6、进一步地，还包括膨胀水箱单元：膨胀水箱单元的淡水进口与原料淡水存储供给单元相连；膨胀水箱单元的淡水出口与循环淡水驳运单元进口前端的管路相连，其用于当闭式循环淡水经过长期运行有损耗时，向闭式循环淡水管路内补充适量淡水。

7、进一步地，所述氢分离冷却单元包括氢重力式分离冷却器、氢冷却器和氢气液分离器，氧分离冷却单元包括氧重力式分离冷却器、氧冷却器和氧气液分离器。

8、进一步地，所述负压海水制淡单元包括负压制淡装置、水质监测仪、盐度仪、温度仪、海水温控阀、盐水温控阀、冷凝器、真空泵和海水提升泵，所述负压制淡装置用于进行负压低温海水制淡，水质监测仪用于检测制备的淡水是否合格，合格则进入原料淡水箱，不合格则重回负压制淡装置继续制淡，盐度仪用于监测负压制淡装置的海水盐度，温度仪用来检测负压制淡装置的海水温度，真空泵由真空仪控制用来维持负压制淡装置的真空度，冷凝器用来冷凝水蒸气，以保护真空泵，海水提升泵就近抽取海水为负压制淡装置提供海水。

9、本发明还公开了一种适用于海上漂浮式风机的电解水制氢方法，包括如下步骤：

10、碱性电解槽单元内的原料淡水在海上漂浮式风机的直流电作用下分解成氢气和氧气；

11、碱性电解槽单元的氧气出口输送氧气和碱液至氧分离冷却单元内进行气液分离、冷却，去除碱液后的氧气可引至安全区域排空；碱性电解槽单元的氢气出口输送氢气和碱液至氢分离冷却单元内进行气液分离、冷却等去除碱液后，氢气和少量水进入氢纯化冷却单元，进一步进行纯化至氢含量为99.999％，然后氢供给至输送管线；

12、碱液过滤循环单元抽取氢分离冷却单元和氧分离冷却单元中的碱液，并经碱液冷却单元冷却后，最终输送至碱性电解槽单元，完成碱液的冷却及强制循环；

13、负压海水制淡单元将海水制备为淡水，负压海水制淡单元制备的淡水出口与原料淡水存储供给单元的原料淡水进口相连；利用闭式循环淡水依次吸收碱性电解水制氢中氢纯化冷却单元、氢分离冷却单元与氧分离冷却单元、碱液冷却单元中需冷却的介质热量，经循环淡水驳运单元进入负压海水制淡单元中对海水加热，实现海水负压低温制淡。

14、进一步地，当闭式循环淡水经过长期运行有损耗时，通过向闭式循环淡水管路内补充适量淡水，当膨胀水箱单元淡水不足时，控制阀门打开，由原料淡水存储供给单元补充淡水；负压海水制淡单元制备的淡水存储在原料淡水存储供给单元，并可向氢分离冷却单元补充淡水，进而为碱性电解水制氢供给原料淡水，同时也可向膨胀水箱单元补充淡水。

15、本发明具有以下优点：

16、1、本发明可就地利用海上漂浮式风机提供的风电和就近海水进行氢气制备。

17、2、本发明采用闭式循环淡水作为碱性电解水制氢中冷却单元的冷却介质，把吸收的热量进一步作为负压海水制淡单元中的海水淡化的热源，由此形成的淡水闭式循环进行热量循环传递，可实现能量的合理有效利用，降低电解水制氢能耗。

18、3、本发明通过利用碱性电解水制氢中冷却单元中的散热在负压海水制淡单元中，可实现低温海水淡化，并将合格的淡水作为电解水原料补充给碱性电解槽单元，实现淡水的自给自足。

19、4、本发明的淡水闭式循环中的冷却淡水从负压海水制淡单元出来后进入氢纯化冷却单元，然后分别同时进入氢纯化冷却单元和氧纯化冷却单元，然后汇成总管进入碱液冷却单元，最终经循环淡水驳运单元进入负压海水制淡单元，由此形成的淡水闭式循环，且淡水对管材及附件的材质要求较低，具有较好的经济性。

20、5、本发明通过碱性电解水制氢功能单元与负压海水制淡功能单元的耦合，实现了海水间接电解制氢，可在海上漂浮式风机上进行推广应用，形成风-电-氢-淡一站式设备系统，有利于加快海上绿氢制备技术前进的步伐。