一种具有余热梯级利用和氧气回收利用的制-储-用氢耦合系统及方法

本发明涉及氢能综合利用，尤其是涉及一种具有余热梯级利用和氧气回收利用的制-储-用氢耦合系统及方法。

背景技术：

1、随着全球能源转型加速和“双碳”目标的推进，氢能作为一种清洁、高效、可储存的二次能源，已成为未来能源体系的重要组成部分。根据国际能源署（iea）预测，到2030年全球绿氢年需求量将达到1600万吨，到2050年将占全球能源消费的10%以上。中国作为全球最大的氢能生产国和消费国，已将氢能纳入能源发展规划，预计到2025年可再生能源制氢量将达到10-20万吨/年。

2、当前，氢能产业链主要包括制氢、储氢、用氢三大环节，但各环节普遍存在独立运行、协同性差的问题。在制氢环节，低温质子交换膜水电解槽（lt-pemwe）因制氢纯度高、响应速度快，成为可再生能源制氢的主流技术，但其效率受限于析氧反应（oer）的高过电位，且需要维持质子交换膜的水合状态，通常需要外部电加热将进水预热至70℃左右，进一步增加了制氢电耗。在储氢环节，固态储氢因体积储氢密度高、安全性好，成为分布式氢能系统的理想选择，但储氢合金的放氢过程为强吸热反应，需要外部热源持续供热，传统方案依赖独立电加热装置，增加了系统能耗。在用氢环节，中高温质子交换膜燃料电池（ht-pemfc）因工作温度高（>100℃）、一氧化碳耐受性强、水热管理简单，在分布式发电、备用电源等领域具有广阔应用前景，但高温运行会导致阴极水蒸气蒸发稀释氧分压，加剧浓差极化，同时产生的大量中高温废热通常通过散热器直接排放，造成严重的能量浪费。

3、现有技术中，已有部分研究尝试将燃料电池与电解槽进行集成，如中国专利cn114583327a公开了一种燃料电池与电解槽耦合的氢能系统，利用燃料电池废热预热电解槽进水，但该系统未涉及固态储氢环节，且未对燃料电池阴极排气中的氧气进行回收利用。中国专利cn113981476a公开了一种固态储氢与燃料电池耦合的供能系统，利用燃料电池废热为固态储氢放氢提供热量，但该系统未集成制氢环节，无法实现氢能的自给自足。此外，现有集成系统大多采用固定工况运行模式，缺乏针对可再生能源波动和负载变化的动态调控能力，导致系统在变工况下能效大幅下降。

4、综上所述，现有氢能系统存在以下核心技术问题：1）各环节独立运行，能量流与物质流缺乏协同，整体能效低；2）燃料电池废热未得到梯级利用，固态储氢放氢依赖外部加热，电解槽制氢电耗高；3）燃料电池阴极富氧废气直接排放，造成物质资源浪费；4）系统动态适应性差，无法有效应对可再生能源波动和负载变化。因此，亟需开发一种具有余热梯级利用和氧气回收利用的制-储-用氢耦合系统及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有余热梯级利用和氧气回收利用的制-储-用氢耦合系统及方法，以解决现有技术中ht-pemfc高温运行因氧分压下降导致的性能衰减、系统废热未能高效利用、以及电解制氢能耗较高且与发电侧缺乏物质能量协同的问题。

2、本发明提供一种具有余热梯级利用和氧气回收利用的制-储-用氢耦合系统，一种具有余热梯级利用和氧气回收利用的制-储-用氢耦合系统，包括：中高温质子交换膜燃料电池单元，用于发电并产生中高温废热和富氧阴极排气；固态储氢装置，与所述中高温质子交换膜燃料电池单元热连接，用于利用所述中高温废热进行放氢；低温质子交换膜水电解槽单元，与所述固态储氢装置热连接，用于利用剩余废热进行电解制氢；热管理子系统，分别与所述中高温质子交换膜燃料电池单元、固态储氢装置和低温质子交换膜水电解槽单元热连接，用于将所述中高温废热依次输送至所述固态储氢装置和低温质子交换膜水电解槽单元，实现热能梯级利用；气体处理与循环子系统，分别与所述中高温质子交换膜燃料电池单元的阴极出口和所述低温质子交换膜水电解槽单元的阳极入口连接，用于处理所述富氧阴极排气并将处理后的富氧气体输送至所述低温质子交换膜水电解槽单元的阳极；中央控制系统，分别与所述热管理子系统和气体处理与循环子系统电连接，用于根据所述低温质子交换膜水电解槽单元的阳极工况动态调节富氧气体的供给参数，并协调热管理子系统的热流分配。

3、进一步，所述中高温质子交换膜燃料电池单元的工作温度为100-180℃，采用可在100℃以上稳定工作的质子交换膜及膜电极组件；所述固态储氢装置采用具有吸热放氢特性的储氢材料，放氢温度为60-120℃；所述固态储氢装置的氢气出口通过三通阀分别连接所述中高温质子交换膜燃料电池单元的阳极入口和所述低温质子交换膜水电解槽单元的保护气入口；所述低温质子交换膜水电解槽单元的工作温度为40-70℃，阳极进气的氧浓度为21-90%，压力为0.1-0.5mpa。

4、进一步，所述热管理子系统包括第一换热器、第二换热器、循环泵和温控阀；所述第一换热器用于将所述中高温质子交换膜燃料电池单元的热量传递给所述固态储氢装置，所述第二换热器用于将剩余热量传递给所述低温质子交换膜水电解槽单元的进水。

5、进一步，所述气体处理与循环子系统包括冷凝器、气液分离器、压缩机和混合阀；所述冷凝器用于冷凝所述富氧阴极排气中的水蒸气，所述气液分离器用于分离冷凝水和气体，所述混合阀用于调节循环富氧气流与新鲜空气或纯氧的混合比例。

6、进一步，所述中央控制系统内置基于"氧-热耦合"多物理场模型的优化算法；所述阳极工况包括阳极过电位和氧浓度，当所述阳极过电位升高超过预设阈值时，所述中央控制系统指令所述气体处理与循环子系统提高循环富氧气流的比例或流量。

7、进一步，所述耦合系统还包括海水淡化预处理单元，所述海水淡化预处理单元的入口连接所述气液分离器的冷凝水出口和外部水源入口，出口连接所述低温质子交换膜水电解槽单元的进水口；所述海水淡化预处理单元利用所述中高温废热作为热源。

8、进一步，所述耦合系统还包括纯氧储罐，所述纯氧储罐的出口通过电磁阀连接所述气体处理与循环子系统的混合阀入口，用于在循环富氧气流不足时补充纯氧。

9、本发明还提供了一种具有余热梯级利用和氧气回收利用的制-储-用氢耦合方法，包括以下步骤：s1：利用中高温质子交换膜燃料电池发电，产生中高温废热和富氧阴极排气；s2：将所述中高温废热的第一部分输送至固态储氢装置，为放氢过程提供热量；s3：将所述中高温废热的第二部分输送至低温质子交换膜水电解槽，为进水预热或保温；s4：处理所述富氧阴极排气，得到富氧气体；s5：将所述富氧气体输送至所述低温质子交换膜水电解槽的阳极；s6：根据所述低温质子交换膜水电解槽的阳极工况，动态调节富氧气体的供给参数，并协调热流分配。

10、其中，步骤s1中所述中高温质子交换膜燃料电池的工作温度为100-180℃，所述富氧阴极排气包含水蒸气、未反应氧气和氮气；步骤s2中所述第一部分废热的温度为100-120℃，所述固态储氢装置的放氢温度为60-120℃，释放的纯氢可返回中高温质子交换膜燃料电池阳极或作为低温质子交换膜水电解槽的保护气；步骤s3中所述第二部分废热的温度为60-100℃，所述低温质子交换膜水电解槽的工作温度维持在40-70℃；步骤s4中所述富氧阴极排气的处理过程包括冷凝除水、气液分离和调压，回收的冷凝水可用于电解槽补水或外供；步骤s5中所述富氧气体的氧浓度为21-90%，压力为0.1-0.5mpa；步骤s6中所述阳极工况包括阳极过电位和氧浓度，当阳极过电位升高超过预设阈值时，提高循环富氧气流的比例或流量；当循环富氧气流无法满足需求时，补充纯氧。

11、与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

12、其一，本发明实现了ht-pemfc（120-140℃）→固态储氢（60-100℃）→lt-pemwe（60-80℃）的热能逐级匹配利用，相比独立运行的系统，本发明可使系统整体能源效率提升约10-15%，lt-pemwe制氢电耗降低8-12%，大幅减少了系统对外部能源的依赖。

13、其二，本发明将ht-pemfc阴极富氧废气转化为lt-pemwe的阳极气源，通过动态调节富氧气体比例，可将lt-pemwe阳极氧分压提升至常压下的1.5-2倍，有效降低析氧反应过电位0.03-0.05v。同时，富氧气体的通入能够增强阳极侧的气体扰动，缓解高电流密度下的氧传质限制，使lt-pemwe在120%额定负载下仍能保持稳定运行，提升了系统的制氢能力和变工况适应性。

14、其三，本发明实现了系统内水和氧的循环利用，ht-pemfc阴极排气中的冷凝水回收率≥95%，从而满足lt-pemwe的补水需求，无需外部补充淡水；回收的氧气可替代30-50%的新鲜空气，减少了空气压缩机的能耗，此外，系统还集成化设计简化了水、热、氧管理子系统，降低了设备投资和运行维护的成本。

15、其四，本发明中，将固态储氢装置作为氢缓冲单元，可实现氢流的灵活调配；中央控制系统的动态调控机制使系统能够适应可再生能源波动、负载变化等复杂工况，从而适用于分布式能源站、可再生能源制氢基地、加氢站等多种应用场景。