一種應用清潔能源發電電解制氫注入燃氣管網的系統的製作方法

2023-05-29 22:43:56

本發明涉及電解制氫行業，尤其涉及利用清潔能源發電電解制氫並與燃氣管網混合的系統。

背景技術：

電解水制氫是一種高效、清潔的制氫技術，其制氫工藝簡單，產品純度高，氫氣、氧氣純度一般可達99.9％，是最有潛力的大規模製氫技術。特別是隨著目前清潔能源發電的日益增長，氫氣將成為電能存儲的理想載體。通過將清潔能源發電經過電解水制氫技術，將清潔能源產生的電能轉化為氫能進行儲存，並且根據實際需要，還可通過後續化工過程將氫能轉化為甲烷、甲醇及其他液態燃料等。

目前中國氫氣年產量已逾千萬噸規模，位居世界第一。工業規模的制氫方法主要包括甲烷蒸汽重整和電解水制氫，其中電解水制氫的產量約佔世界氫氣總產量4％。儘管甲烷蒸汽重整是目前最經濟的制氫方法，但其在生產過程中不僅消耗大量化石燃料，而且產生大量二氧化碳。電解水制氫工藝過程簡單，產品純度高，通過採用清潔能源作為能量來源，可現氫氣的高效、清潔、大規模製備，該技術也可以用於co2的減排和轉化，具有較為廣闊的發展前景。

目前的電解水制氫方法主要有三種：鹼性電解水制氫，固體聚合物電解水制氫，及高溫固體氧化物電解水制氫。鹼性電解水制氫是目前非常成熟的制氫方法，目前為止，工業上大規模的電解水制氫基本上都是採用鹼性電解制氫技術，該方法工藝過程簡單，易於操作。電解制氫的主要能耗為電能，每立方米氫氣電耗約為4.5～5.5kwh，電費佔整個電解制氫生產成本的80％左右。因此，電解水制氫技術特別適用於風力發電等清潔能源發電的能源載體。例如，現有技術利用高溫水蒸汽電解制氫，如申請號為201210370229.5的中國專利公開了一種風電高溫電解制氫系統和方法。所述系統包括：直流電源，將風力發電機組的交流電整流為第一電壓的直流電；交流電源，將風力發電機組的交流電變壓為第二電壓的交流電；高溫超熱水蒸氣製備單元，基於交流電源的交流電製備超熱水蒸氣；輔助儲熱單元，接收交流電源的交流電以儲存能量；高溫電解制氫單元，採用直流電源的直流電對高溫超熱水蒸氣製備單元製備的超熱水蒸氣進行電解制氫；換熱單元，在高溫電解制氫單元和輔助儲熱單元進行熱量交換，以使高溫電解制氫單元維持在穩定的溫度，其中，當交流電源輸出的交流電電壓顯著降低時，輔助儲熱單元將儲存的能量供應給高溫超熱水蒸氣製備單元，以使高溫超熱水蒸氣製備單元穩定地輸出超熱水蒸氣。該專利雖利用了風能，但其需要先利用電能生產高溫水蒸汽，使得其整個制氫系統的系統效率較低，不能適合大規模的氫能生產。

技術實現要素：

本發明提供了一種應用清潔能源發電電解制氫注入燃氣管網的系統，包括電網調度調峰控制雲平臺、清潔能源發電系統、高壓電網系統、電解水制氫系統、純淨水製備及補水系統、氫氣收集淨化及對外輸送系統，還包括電解池高溫蒸汽供應系統；

所述的清潔能源發電系統包括風力發電廠、光伏發電廠、水力發電廠、生物質發電廠、垃圾焚燒發電廠、核能發電廠、燃氣發電廠、清潔煤發電廠發電方式中的至少一種，以上發電可以單獨給電解水制氫系統供電，也可以兩兩組合，或者多個發電廠組合供電；

所述的電解水制氫系統包括鹼性水溶液電解制氫裝置、固體聚合物電解制氫裝置、高溫固體氧化物電解制氫裝置中的至少一種。

優選的是，所述高壓電網系統包括一個或多個關口電錶、高壓電網、電網下電開關和逆變器。

上述任一方案優選的是，所述電網調度調峰控制雲平臺包括電網調度中心和調峰制氫集控中心，所述調峰制氫集控中心設置在清潔能源發電廠內。

上述任一方案優選的是，所述電網調度中心通過上網電量使用情況進行實時調度，將調度信號傳輸給調峰制氫集控中心，調峰制氫集控中心下達電網調峰指令，通過控制所述電網下電開關進行電網調峰，電解水制氫系統的供電量由調峰制氫集控中心控制。

上述任一方案優選的是，所述清潔能源發電系統中的發電廠的供電方式包括通過逆變器將電流轉換為直流電給電解制氫系統供電，或者發電廠所發電量直接給電解制氫系統供電。

上述任一方案優選的是，所述清潔能源發電系統中的發電廠的供電方式還包括將發電廠發電量輸送到高壓電網，高壓電網的高壓三相交流電經過逆變器轉換為直流電，再給電解制氫系統供電。

上述任一方案優選的是，所述電解池高溫蒸汽供應系統包括主蒸汽旁路、電過熱器、高溫蒸汽輸送管道，所述電過熱器蒸汽入口與主蒸汽旁路連接，所述電過熱器蒸汽出口與高溫蒸汽輸送管道入口連接。

上述任一方案優選的是，所述主蒸汽旁路與高溫主蒸汽管路連接，所述高溫主蒸汽管路中的蒸汽來自生物質發電廠、垃圾焚燒發電廠、核能發電廠、燃氣發電廠、清潔煤發電廠中的至少一種。

上述任一方案優選的是，所述高溫固體氧化物電解制氫裝置的高溫蒸汽入口與所述高溫蒸汽輸送管道出口連接，所述主蒸汽旁路內的高溫蒸汽溫度在500℃左右，高溫蒸汽進入電高溫過熱器，經過電高溫過熱器過熱到800℃以上。

上述任一方案優選的是，所述的鹼性電解水制氫裝置由若干個單體電解槽組成，每個電解槽由陰極、陽極、隔膜及電解液構成。

上述任一方案優選的是，所述電解液包括氫氧化鉀溶液，濃度為20wt%～30wt%。

上述任一方案優選的是，所述隔膜組成成分包括石棉。

上述任一方案優選的是，所述陰極、陽極組成成分包括金屬合金，包括所述金屬合金包括raneynickel（雷尼鎳）、ni-mo合金，用於分解水，產生氫和氧。

上述任一方案優選的是，所述固體聚合物電解制氫（spe）裝置由若干個單體電解槽組成。

上述任一方案優選的是，所述固體聚合物電解制氫裝置電解槽以固體聚合物膜為電解質，電解循環中沒有鹼液流失、腐蝕等問題。

上述任一方案優選的是，所述高溫固體氧化物電解制氫（soec）裝置由若干個單體電解池組成。

上述任一方案優選的是，所述高溫固體氧化物電解制氫裝置工作溫度為800～950℃。一次能源系統輸出電能和高溫熱能至高溫固體氧化物電解制氫裝置，在電能和高溫熱能的共同作用下，將水蒸氣電解生成氫氣和氧氣。

上述任一方案優選的是，所述的純淨水製備及補水系統包括自來水系統、純淨水製備裝置、補水泵和送水管路。

上述任一方案優選的是，所述自來水系統流出的水進入純淨水製備裝置，再經補水泵加壓，通過送水管道進入電解水制氫系統。

上述任一方案優選的是，所述送水管路出口分別與鹼性水溶液電解制氫裝置進水口、固體聚合物電解制氫裝置進水口、高溫固體氧化物電解制氫裝置進水口連接。

上述任一方案優選的是，所述的氫氣收集淨化及對外輸運系統包括氫氣洗滌罐、氫氣脫水罐、氫氣緩衝罐、摻混裝置、氫氣壓縮和撬裝系統、燃料電池發電系統。

上述任一方案優選的是，所述氫氣洗滌罐出口連接氫氣脫水罐入口，氫氣脫水罐入口連接氫氣緩衝罐出口，氫氣緩衝罐出口分別與摻混裝置、氫氣壓縮和撬裝系統、燃料電池發電系統中的至少一種連接。

上述任一方案優選的是，所述摻混裝置與現有燃氣管網連接。

上述任一方案優選的是，所述燃氣管網摻混裝置的氫氣摻混比例小於20%。

上述任一方案優選的是，所述氫氣壓縮和灌裝系統包括氫氣瓶和/或撬裝罐車，壓縮後的氫氣可以灌裝入高壓撬裝罐車，或者壓縮灌裝入氫氣瓶，都可用於對外出售。

上述任一方案優選的是，所述的燃料電池發電系統包括大型燃料電池發電廠或車載燃料電池。

上述任一方案優選的是，所述大型燃料電池發電廠利用氫氣作為燃料產生電能。

上述任一方案優選的是，所述車載燃料電池用於以氫能為燃料的電池汽車。

本發明通過電網調度調峰控制雲平臺對電網用電進行實時智能調控，通過利用大型風電、光伏等清潔能源電能來電解制氫，可以全年四季解決棄風、棄光、棄水、棄核等棄用清潔能源發電問題，為電網提供寶貴的調峰負荷，同時，生產的氫能可以方便的存儲和運輸，也可以直接混入現有天然氣管網或直接對外銷售，增加可再生能源發電廠的經營效益。

附圖說明

圖1為按照本發明的應用清潔能源發電電解制氫注入燃氣管網的系統的一優選實施例的示意圖。

圖示說明：

1-風力發電廠，2-光伏發電廠，3-水力發電廠，4-生物質發電廠，5-垃圾焚燒發電廠，6-核能發電廠，7-燃氣發電廠，8-清潔煤發電廠，9-關口電錶，10-高壓電網，11-主蒸汽旁路，12-電網下電開關，13-調峰制氫集控中心，14-電網調度中心，15-電網調度調峰控制雲平臺，16-逆變器，17-高溫蒸汽輸送管道，18-鹼性水溶液電解制氫裝置，19-固體聚合物電解制氫裝置，20-高溫固體氧化物電解制氫裝置，21-氫氣洗滌罐，22-氫氣脫水罐，23-氫氣緩衝罐，24-摻混裝置，25-氫氣壓縮和撬裝系統，26-燃料電池發電系統，27-現有燃氣管網，28-自來水系統，29-純淨水製備裝置，30-補水泵，31-送水管路。

具體實施方式

為了更進一步了解本發明的發明內容，下面將結合具體實施例對本發明作更為詳細的描述，實施例只對本發明具有示例性作用，而不具有任何限制性的作用；任何本領域技術人員在本發明的基礎上作出的非實質性修改，都應屬於本發明保護的範圍。

實施例1

如圖1所示，一種應用清潔能源發電電解制氫注入燃氣管網的系統，包括電網調度調峰控制雲平臺15、清潔能源發電系統、高壓電網10系統、電解水制氫系統、純淨水製備及補水系統、氫氣收集淨化及對外輸送系統，還包括電解池高溫蒸汽供應系統；所述的清潔能源發電系統包括風力發電廠21、光伏發電廠、水力發電廠3、生物質發電廠4、垃圾焚燒發電廠5、核能發電廠6、燃氣發電廠7、清潔煤發電廠8；所述的電解水制氫系統包括鹼性水溶液電解制氫裝置18、固體聚合物電解制氫裝置19、高溫固體氧化物電解制氫裝置20。

在本實施例中，所述高壓電網10系統包括一個或多個關口電錶9、高壓電網10、電網下電開關12和逆變器16。

在本實施例中，所述電網調度調峰控制雲平臺15包括電網調度中心14和調峰制氫集控中心13，所述調峰制氫集控中心13設置在清潔能源發電廠內。

在本實施例中，所述電網調度中心14通過上網電量使用情況進行實時調度，將調度信號傳輸給調峰制氫集控中心13，調峰制氫集控中心13下達電網調峰指令，通過控制所述電網下電開關12進行電網調峰，電解水制氫系統的供電量由調峰制氫集控中心13控制。

在本實施例中，所述清潔能源發電系統中的發電廠的供電方式包括通過逆變器16將電流轉換為直流電給電解制氫系統供電，例如生物質發電廠4、垃圾焚燒發電廠5、核能發電廠6等交流發電廠發出的交流電經過逆變器16轉成直流電後再給電解制氫裝置供電；或者發電廠所發電量直接給電解制氫系統供電，例如光伏發電廠發出的直流電直接供給鹼性水溶液電解制氫裝置18來制氫。

在本實施例中，所述清潔能源發電系統中的發電廠的供電方式還包括將發電廠發電量輸送到高壓電網10，高壓電網10的高壓三相交流電經過逆變器16轉換為直流電，再給電解制氫系統供電。

在本實施例中，所述電解池高溫蒸汽供應系統包括主蒸汽旁路11、電過熱器、高溫蒸汽輸送管道17，所述電過熱器蒸汽入口與主蒸汽旁路11連接，所述電過熱器蒸汽出口與高溫蒸汽輸送管道17入口連接。

在本實施例中，所述主蒸汽旁路11與高溫主蒸汽管路連接，所述高溫主蒸汽管路中的蒸汽來自生物質發電廠4、垃圾焚燒發電廠5、核能發電廠6、燃氣發電廠7和清潔煤發電廠8，各電廠主蒸汽旁路11交匯於同一蒸汽運輸管道，將蒸汽輸送給電過熱器。

在本實施例中，所述高溫固體氧化物電解制氫裝置20的高溫蒸汽入口與所述高溫蒸汽輸送管道17出口連接，所述主蒸汽旁路11內的高溫蒸汽溫度在500℃左右，高溫蒸汽進入電高溫過熱器，經過電高溫過熱器過熱到800℃以上。

在本實施例中，所述的鹼性電解水制氫裝置由若干個單體電解槽組成，每個電解槽由陰極、陽極、隔膜及電解液構成。

在本實施例中，優選的電解液為氫氧化鉀溶液，濃度為30wt%。

在本實施例中，所述隔膜組成成分包括石棉。

在本實施例中，所述陰極、陽極組成成分包括金屬合金，包括所述金屬合金包括雷尼鎳、ni-mo合金，用於分解水，產生氫和氧。

在本實施例中，所述固體聚合物電解制氫裝置19由若干個單體電解槽組成。

在本實施例中，所述電解槽以固體聚合物膜為電解質。

在本實施例中，所述高溫固體氧化物電解制氫裝置20由若干個單體電解池組成。

在本實施例中，所述高溫固體氧化物電解制氫裝置20工作溫度為800℃。

在本實施例中，一次能源系統輸出電能和高溫熱能至高溫固體氧化物電解制氫裝置20，在電能和高溫熱能的共同作用下，將水蒸氣電解生成氫氣和氧氣。

在本實施例中，所述的純淨水製備及補水系統包括自來水系統28、純淨水製備裝置29、補水泵30和送水管路31。

在本實施例中，所述自來水系統28流出的水進入純淨水製備裝置29，再經補水泵30加壓，通過送水管道進入電解水制氫系統。

在本實施例中，所述的氫氣收集淨化及對外輸運系統包括氫氣洗滌罐21、氫氣脫水罐22、氫氣緩衝罐23、燃氣管網摻混裝置24、氫氣壓縮和撬裝系統25和燃料電池發電系統26。

在本實施例中，所述燃氣管網摻混裝置24與現有燃氣管網27連接。

在本實施例中，所述燃氣管網摻混裝置24的氫氣摻混比例為15%。

在本實施例中，所述氫氣壓縮和灌裝系統包括氫氣瓶和/或撬裝罐車，壓縮後的氫氣可以灌裝入高壓撬裝罐車，或者壓縮灌裝入氫氣瓶，都可用於對外出售。

在本實施例中，所述的燃料電池發電系統26包括大型燃料電池發電廠或車載燃料電池。

在本實施例中，所述大型燃料電池發電廠利用氫氣作為燃料產生電能。

在本實施例中，所述車載燃料電池用於以氫能為燃料的電池汽車。

通過利用大型風電、光伏或光熱發電廠產出的清潔能源電能來電解制氫，可以全年四季解決棄風、棄光問題，為電網提供寶貴的調峰負荷，同時，生產的氫能可以方便的存儲和運輸，也可以直接混入城市天然氣管網或直接對外銷售，增加可再生能源發電廠的經營效益。

實施例2

實施例2與實施例1相似，所不同的是，本實施例中優選的電解水制氫系統包括多個鹼性水溶液電解制氫裝置18，所述的鹼性水溶液電解制氫裝置18包括氫氧分離電解槽、氫氣氣水分離罐、氫系統加鹼罐、氧氣氣水分離罐、氧系統加鹼罐、電解液管路、氫氣洗滌罐21及脫水罐、氧氣洗滌罐。所述氫氧分離電解槽由陰極、陽極、隔膜及電解液構成。電解槽以碳纖維材料和泡沫金屬網作為基底和電極材料，如碳布、碳紙、泡沫鎳等，得到穩定的三維立體納米結構以提高其催化效率，且碳纖維或泡沫鎳直接作為陰極用於催化制氫，形成特殊的無粘合劑電極。

實施例3

實施例3與實施例1相似，所不同的是，本實施例中優選的電解水制氫系統包括多個高溫固體氧化物電解制氫裝置20，水蒸汽由包括主蒸汽旁路11、電過熱器、高溫蒸汽輸送管道17的高溫蒸汽供應系統供應。所述的高溫固體氧化物電解制氫裝置20包括高溫固體氧化物氫氧分離電解槽、氫氣洗滌罐21及脫水罐、氧氣洗滌罐。高溫固體氧化物氫氧分離電解槽為平板式的soec電解槽，內部中間為緻密的電解質層，兩邊為多孔的氫電極和氧電極，電解質層主要作用是隔開氧氣和燃料氣體，並且傳導氧離子或質子。電解質緻密且具有高的離子電導率。電極一般為多孔結構,以利於氣體的擴散和傳輸。此外，平板式soec還設置密封材料，多個單體電解池組成電堆還設置連接體材料。所述電解池高溫蒸汽供應系統包括主蒸汽旁路11、電過熱器、高溫蒸汽輸送管道17，所述電過熱器蒸汽入口與主蒸汽旁路11連接，所述電過熱器蒸汽出口與高溫蒸汽輸送管道17入口連接，主蒸汽經過高溫電過熱器加熱到800度以上再引入電解槽電解制氫。

實施例4

實施例4與實施例1相似，所不同的是，本實施例中優選的電力的來源為風力發電廠21的直流發電量直接給電解制氫裝置供應電壓合適的直流電，或經過電網降壓和逆變器16轉成直流電給電解槽供電，風電廠與電解制氫系統的業主籤署供電合同。

實施例5

實施例5與實施例1相似，所不同的是，本實施例中優選的電力的來源為光伏發電廠的直流發電量直接給電解制氫裝置供應電壓合適的直流電，或經過電網降壓和逆變器16轉成直流電給電解槽供電，光伏發電廠與電解制氫系統的業主籤署供電合同。

實施例6

實施例6與實施例1相似，所不同的是，本實施例中優選的電力的來源為水力發電廠3和清潔煤發電廠8，水力發電廠3的直流發電量直接給電解制氫裝置供應電壓合適的直流電，或經過電網降壓和逆變器16轉成直流電給電解槽供電，風電廠與電解制氫系統的業主籤署供電合同。清潔煤發電廠8所發電量輸送到高壓電網10，經過電網降壓和逆變器16轉成直流電給電解槽供電。同時，清潔煤發電廠8汽輪機中的蒸汽，經過主蒸汽旁路11、電過熱器、高溫蒸汽輸送管道17輸送到高溫固體氧化物電解水制氫裝置中。所述電過熱器蒸汽入口與主蒸汽旁路11連接，所述電過熱器蒸汽出口與高溫蒸汽輸送管道17入口連接，主蒸汽經過高溫電過熱器從500~600℃加熱到800度以上再引入電解槽電解制氫。

儘管具體地參考其優選實施例來示出並描述了本發明，但本領域的技術人員可以理解，可以作出形式和細節上的各種改變而不脫離所附權利要求書中所述的本發明的範圍。以上結合本發明的具體實施例做了詳細描述，但並非是對本發明的限制。凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改，均仍屬於本發明技術方案的範圍。