风光电源制氢装置及其制氢方法与流程

1.本发明涉及制氢技术领域，尤其涉及一种风光电源制氢装置及其制氢方法。


背景技术：

2.碱性电解槽技术成熟，成本较低，但在运行时受到自身特性的限制，无法实现负荷的大范围调节，一般碱性电解槽的负荷调节范围为50％-100％。负荷调节范围不足的一个原因在于碱性电解槽需要通过电流加热将槽体提升至工作温度(约85℃)，小电流时发热不足，不能保槽体工作温度稳定。风光可再生能源具有不稳定的特性和很大的电力输出波动范围，在用于电解制氢能源时，电解槽由于受到负荷范围调节的限制，很难做到对风光能源的准确跟随。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提出了一种风光电源制氢装置及其制氢方法，旨在解决现有电解槽由于受到负荷范围调节的限制，很难做到对风光能源的准确跟随的问题。
4.第一方面，本发明提供了一种风光电源制氢装置，包括：电解槽、氢气分离器、氧气分离器、阀门组件和管路组件，所述电解槽包括第一侧和第二侧，以及自所述第一侧串联至所述第二侧的多个电解模组；
5.所述管路组件包括第一管路、第二管路、第三管路和第四管路，所述阀门组件包括多个进液阀门和多个出口阀门，所述第一管路包括进液端和旁路端，多个所述进液阀门在所述第一管路自所述进液端至所述旁路端间隔设置，以将所述第一管路分隔形成多个进液管段，各所述进液管段分别与各所述电解模组的进口侧一一对应连通；
6.所述第二管路包括出口端和回路端，多个所述出口阀门在所述第二管路自所述出口端至所述回路端间隔设置，以将所述第二管路分隔形成多个出口管段，各所述出口管段分别与各所述电解模组的出口侧一一对应连通，各所述出口阀门能切断相邻两个所述出口管段之间的流通，并将所述出口端一侧的出口管段与所述第三管路连通，所述第三管路的出口端连通所述氢气分离器和所述氧气分离器，所述第四管路的一端连通所述氢气分离器的出口端和所述氧气分离器的出口端，另一端连通所述旁路端。
7.在其中一种实施例中，所述风光电源制氢装置还包括切换组件，处于所述第一侧的所述电解模组接通第一电极，处于所述第二侧的电解模组接通第二电极，所述切换组件包括多个切换开关，相邻两个所述电解模组之间设有所述切换开关，所述切换开关能切断相邻两个所述电解模组之间的电连接，并将所述第一侧的各所述电解模组与所述第二电极接通。
8.在其中一种实施例中，所述风光电源制氢装置还包括风光电源模组；
9.所述风光电源模组的正极接通所述第一电极，所述风光电源模组的负极接通所述第二电极；或者，所述风光电源模组的正极接通所述第二电极，所述风光电源模组的负极接通所述第一电极。
10.在其中一种实施例中，所述第二管路包括第二氢支路和第二氧支路，所述第三管路包括第三氢支路和第三氧支路，所述出口阀门包括出氢阀门和出氧阀门；
11.多个所述出氢阀门在所述第二氢支路间隔设置，以将所述第二氢支路分隔形成多个出氢管段，各所述出氢管段分别与各所述电解模组的出氢端口一一对应连通，各所述出氢阀门能切断相邻两个所述出氢管段之间的流通，并将所述出口端一侧的出氢管段与所述第三氢支路连通，所述第三氢支路的出口端连通所述氢气分离器；
12.多个所述出氧阀门在所述第二氧支路间隔设置，以将所述第二氧支路分隔形成多个出氧管段，各所述出氧管段分别与各所述电解模组的出氧端口一一对应连通，各所述出氧阀门能切断相邻两个所述出氧管段之间的流通，并将所述出口端一侧的出氧管段与所述第三氧支路连通，所述第三氧支路的出口端连通所述氧气分离器。
13.在其中一种实施例中，所述管路组件还包括进液支路和出口支路，每个所述电解模组包括多个电解室，各所述电解室的进液侧分别通过对应的所述进液支路与各所述进液管段相连通；
14.各所述电解室的出氢端口分别通过对应的所述出口支路与各所述出氢管段相连通，各所述电解室的出氧端口分别通过对应的所述出口支路与各所述出氧管段相连通。
15.在其中一种实施例中，所述电解槽还包括多个绝缘隔板，所述绝缘隔板设置于相邻两个所述电解模组之间；
16.所述电解模组包括依次串联的第一端单极板、n个双极板和第二端单极板，相邻两个极板之间围合形成一个电解室。
17.在其中一种实施例中，所述风光电源制氢装置还包括冷却器，所述阀门组件还包括循环切换阀，所述循环切换阀设于所述第二管路的回路端一侧，并能将所述第二管路与所述冷却器相连通。
18.在其中一种实施例中，所述阀门组件还包括旁路循环阀，所述旁路循环阀设于所述第一管路的旁路端，并用于调整所述第四管路输入至所述旁路端的液体流量；
19.所述第四管路还与所述冷却器相连通。
20.第二方面，本发明还提供了一种风光电源制氢装置的制氢方法，所述制氢方法应用上述任一实施例的风光电源制氢装置，具体包括以下步骤：
21.关闭多个所述进液阀门中的一个，以将所述第一管路分隔形成第一主路和第一旁路，关闭对应的所述出口阀门，以将所述第二管路分隔形成第二主路和第二旁路，同时，将所述第一主路和所述第二主路对应的各所述电解模组设定为工作模组，将所述第一旁路和所述第二旁路对应的各所述电解模组设定为非工作模组；
22.电解液自所述第一管路的进液端进液，并通过第一主路进入所述工作模组中的各所述电解模组内，进而经过所述第二主路、所述第三管路输送至所述氢气分离器和所述氧气分离器；
23.所述氢气分离器和所述氧气分离器通过第四管路将所述电解液输送至所述旁路端，并使得所述电解液通过所述第一旁路进入所述非工作模组中的各所述电解模组内。
24.在其中一种实施例中，所述风光电源制氢装置还包括切换组件，处于所述第一侧的所述电解模组接通第一电极，处于所述第二侧的电解模组接通第二电极，所述切换组件包括多个切换开关，相邻两个所述电解模组之间设有所述切换开关，所述切换开关能切断
相邻两个所述电解模组之间的电连接，并将所述第一侧的各所述电解模组与所述第二电极接通；
25.所述制氢方法还包括以下步骤：
26.在操作所述切换组件中对应的所述切换开关后，延迟操作对应的所述进液阀门和出口阀门。
27.采用本发明实施例，具有如下有益效果：
28.采用本发明的风光电源制氢装置，电解槽包括第一侧和第二侧，以及自第一侧串联至第二侧的多个电解模组，通过控制全部或部分的电解模组制氢的工作状态，可以大范围调节负荷，从而难做到对风光能源的准确跟随。
29.进一步的，由于各进液管段分别与各电解模组的进口侧一一对应连通，各出口管段分别与各电解模组的出口侧一一对应连通，通过控制各进液阀门和各出口阀门的工作状态，可以调整管路系统的循环状态，关闭多个进液阀门中的一个，关闭对应的出口阀门，电解液还能通过第四管路输送至旁路端，并使得电解液在非工作的电解模组内循环，该电解液具有一定的温度值，从而保证电解模组内温度稳定，无需预热即可将非工作的电解模组重启，控制灵敏度高。
30.采用本发明的风光电源制氢装置的制氢方法，关闭多个进液阀门中的一个，以将第一管路分隔形成第一主路和第一旁路，关闭对应的出口阀门，以将第二管路分隔形成第二主路和第二旁路，同时，将第一主路和第二主路对应的各电解模组设定为工作模组，将第一旁路和第二旁路对应的各电解模组设定为非工作模组，通过控制全部或部分的电解模组制氢的工作状态，可以大范围调节负荷，从而难做到对风光能源的准确跟随。
31.进一步的，通过控制各进液阀门和各出口阀门的工作状态，可以调整管路系统的循环状态，氢气分离器和氧气分离器通过第四管路将电解液输送至旁路端，并使得电解液通过第一旁路进入非工作模组中的各电解模组内，使得电解液在非工作的电解模组内循环，该电解液具有一定的温度值，从而保证电解模组内温度稳定，无需预热即可将非工作的电解模组重启，控制灵敏度高。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.其中：
34.图1为一个实施例中风光电源制氢装置的电气结构示意图。
35.图2为一个实施例中风光电源制氢装置的气体/液体流动结构示意图。
36.图3为一个实施例中风光电源制氢装置的制氢方法流程图。
37.附图标号：100、电解槽；110、电解模组；120、第一侧；130、第二侧；140、绝缘隔板；210、氢气分离器；220、氧气分离器；310、第一管路；311、进液端；312、旁路端；320、第二管路；330、第三管路；340、第四管路；410、进液阀门；420、出口阀门；430、循环切换阀；440、旁路循环阀；510、切换开关；520、第一电极；530、第二电极；540、冷却器。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果所述特定姿态发生改变时，则所述方向性指示也相应地随之改变。
40.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个所述特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
41.请参阅图1和图2，一实施例的风光电源制氢装置包括电解槽100、氢气分离器210、氧气分离器220、阀门组件和管路组件，电解槽100包括第一侧120和第二侧130，以及自第一侧120串联至第二侧130的多个电解模组110，通过控制全部或部分的电解模组110制氢的工作状态，可以大范围调节负荷，从而难做到对风光能源的准确跟随。
42.在本实施例中，管路组件包括第一管路310、第二管路320、第三管路330和第四管路340，阀门组件包括多个进液阀门410和多个出口阀门420，第一管路310包括进液端311和旁路端312，多个进液阀门410在第一管路310自进液端311至旁路端312间隔设置，以将第一管路310分隔形成多个进液管段，各进液管段分别与各电解模组110的进口侧一一对应连通，从而使得各进液管段分别能够向对应的电解模组110的进口侧进液。
43.在本实施例中，第二管路320包括出口端和回路端，多个出口阀门420在第二管路320自出口端至回路端间隔设置，以将第二管路320分隔形成多个出口管段，各出口管段分别与各电解模组110的出口侧一一对应连通，从而使得各出口管段分别能够向对应的电解模组110的出口侧出液。
44.各出口阀门420能切断相邻两个出口管段之间的流通，并将出口端一侧的出口管段与第三管路330连通，第三管路330的出口端连通氢气分离器210和氧气分离器220，第四管路340的一端连通氢气分离器210的出口端和氧气分离器220的出口端，另一端连通旁路端312。
45.可以理解的是，通过控制各进液阀门410和各出口阀门420的工作状态，可以调整管路系统的循环状态，关闭多个进液阀门410中的一个，关闭对应的出口阀门420，电解液还能通过第四管路340输送至旁路端312，并使得电解液在非工作的电解模组110内循环，该电解液具有一定的温度值，从而保证电解模组110内温度稳定，无需预热即可将非工作的电解模组110重启，控制灵敏度高。
46.在本实施例中，由于电解液还能通过第四管路340输送至旁路端312，并使得电解液在非工作的电解模组110内循环，实现旁路循环，在不工作的电解模组110循环热电解液，保持电解模组110的电解室整体温度较稳定，能够在需要时快速启动电解模组110，并达到
稳定工作状态，在负荷调节速度、负荷调节范围上取得显著的改善，提高了电解槽100直接消纳风光电能的能力，特别是对于碱性电解槽100具有更好的改善作用。
47.在一实施例中，请参阅图1，风光电源制氢装置还包括切换组件，处于第一侧120的电解模组110接通第一电极520，处于第二侧130的电解模组110接通第二电极530，切换组件包括多个切换开关510，相邻两个电解模组110之间设有切换开关510，切换开关510能切断相邻两个电解模组110之间的电连接，并将第一侧120的各电解模组110与第二电极530接通，从而通过改变各切换开关510的切换状态，可以控制全部或部分电解模组110通电工作。
48.进一步的，风光电源制氢装置还包括风光电源模组，风光电源模组的正极接通第一电极520，风光电源模组的负极接通第二电极530，以为电解槽100供电。本实施例的风光电源制氢装置特别适用于分布式的风光电源制氢。
49.当然，在其他实施例中，风光电源模组的正极还能接通第二电极530，风光电源模组的负极还能接通第一电极520。
50.在一实施例中，第二管路320包括第二氢支路和第二氧支路，第三管路330包括第三氢支路和第三氧支路，出口阀门420包括出氢阀门和出氧阀门；多个出氢阀门在第二氢支路间隔设置，以将第二氢支路分隔形成多个出氢管段，各出氢管段分别与各电解模组110的出氢端口一一对应连通，各出氢阀门能切断相邻两个出氢管段之间的流通，并将出口端一侧的出氢管段与第三氢支路连通，第三氢支路的出口端连通氢气分离器210。
51.多个出氧阀门在第二氧支路间隔设置，以将第二氧支路分隔形成多个出氧管段，各出氧管段分别与各电解模组110的出氧端口一一对应连通，各出氧阀门能切断相邻两个出氧管段之间的流通，并将出口端一侧的出氧管段与第三氧支路连通，第三氧支路的出口端连通氧气分离器220。具体的，氢气分离器210和氧气分离器220均为气液分离器。
52.可以理解的是，由于电解槽100的出口侧包括两个端口，分别为出氢端口和出氧端口，出氢端口输出氢气、电解液的混合物，出氧端口输出氧气、电解液的混合物，因而为了提取氢气，需要配置二套管路系统，从而分别与氢气分离器210和氧气分离器220相连通，图2中为结构简练，仅画出一套管路系统以供示意。
53.进一步的，管路组件还包括进液支路和出口支路，每个电解模组110包括多个电解室，各电解室的进液侧分别通过对应的进液支路与各进液管段相连通；各电解室的出氢端口分别通过对应的出口支路与各出氢管段相连通，各电解室的出氧端口分别通过对应的出口支路与各出氧管段相连通。通过调整每个电解模组110中各电解室的数量，可以调整负荷调节的精度范围。
54.具体的，请参阅图1和图2，电解槽100还包括多个绝缘隔板140，绝缘隔板140设置于相邻两个电解模组110之间；电解模组110包括依次串联的第一端单极板、n个双极板和第二端单极板，相邻两个极板之间围合形成一个电解室，从而使得电解槽100中各电解小室串联，本实施例装置能灵活调节工作的电解小室数量，在低负荷时关闭一部分电解小室，能实现电解槽100整体在更低的负荷下稳定运行。
55.通过绝缘隔板140的设置，可以将多个电解室组合形成独立的电解模组110，在每个电解模组110中无需在设置额外的绝缘隔板140，从而节省了绝缘隔板140的设置数量，从而利于电解槽100的小型化。
56.在一实施例中，请参阅图2，风光电源制氢装置还包括冷却器540，阀门组件还包括
循环切换阀430，循环切换阀430设于第二管路320的回路端一侧，并能将第二管路320与冷却器540相连通，在部分电解模组110工作时，可以调整循环切换阀430至冷却器540，从而将非工作状态输出的电解液输送向冷却器540，完成循环。
57.具体的，阀门组件还包括旁路循环阀440，旁路循环阀440设于第一管路310的旁路端312，并用于调整第四管路340输入至旁路端312的液体流量；第四管路340还与冷却器540相连通，从而完成循环。
58.请参阅图1至图3，一实施例风光电源制氢装置的制氢方法，该制氢方法应用上述任一实施例的风光电源制氢装置，具体包括以下步骤：
59.s620、关闭多个进液阀门410中的一个，以将第一管路310分隔形成第一主路和第一旁路，关闭对应的出口阀门420，以将第二管路320分隔形成第二主路和第二旁路，同时，将第一主路和第二主路对应的各电解模组110设定为工作模组，将第一旁路和第二旁路对应的各电解模组110设定为非工作模组。
60.s640、电解液自第一管路310的进液端311进液，并通过第一主路进入工作模组中的各电解模组110内，进而经过第二主路、第三管路330输送至氢气分离器210和氧气分离器220。
61.s660、氢气分离器210和氧气分离器220通过第四管路340将电解液输送至旁路端312，并使得电解液通过第一旁路进入非工作模组中的各电解模组110内。
62.可以理解的是，由于第一主路和第二主路对应的各电解模组110设定为工作模组，将第一旁路和第二旁路对应的各电解模组110设定为非工作模组，通过控制全部或部分的电解模组110制氢的工作状态，可以大范围调节负荷，从而难做到对风光能源的准确跟随。
63.进一步的，通过控制各进液阀门410和各出口阀门420的工作状态，可以调整管路系统的循环状态，氢气分离器210和氧气分离器220通过第四管路340将电解液输送至旁路端312，并使得电解液通过第一旁路进入非工作模组中的各电解模组110内，使得电解液在非工作的电解模组110内循环，该电解液具有一定的温度值，从而保证电解模组110内温度稳定，无需预热即可将非工作的电解模组110重启，控制灵敏度高。
64.在一实施例中，制氢方法还包括以下步骤：在操作切换组件中对应的切换开关510后，延迟操作对应的进液阀门410和出口阀门420，从而促使第一主路的电解液还能向非工作状态的电解模组110输送一部分，以保证该部分电解模组110内的温度平稳。
65.在一更具体的实施例中，将各电解模组110自第一侧120至第二侧130编号为1至n，各电解模组110同切换开关510的连接回路完成电解模组110串联与直连负极之间的电气连接切换，连接回路编号为1、2、3、
……
、n-1。
66.电解槽100工作时，电解液通过第一管路310进入各个电解模组110的电解室，并在电解模组110的电解室出口汇聚至氢侧和氧侧的第二管路320，在各个电解模组110之间的第一管路310和第二管路320上分别设置有进液阀门410和出口阀门420，并分别编号为第1进液阀/第1出口阀、第2进液阀/第2出口阀
……
第n-1进液阀/第n-1出口阀。其中，进液阀门410为截止阀，出口阀门420为三通换向阀，出口阀门420可以将电解模组110的电解室的出口流体方向在第二管路320和第三管路330之间切换，第二管路320和第三管路330均连通氢气分离器210和氧气分离器220。在本实施例中，旁路循环阀440可选为调节阀，以调节旁路循环的流量，即第四管路340输送向旁路端312的流量。
67.正常工作状态下，所有电解模组110之间的切换开关510均切换至将各个电解模组110形成电气串联，所有电解模组110的进液阀门410均为开启状态，出口阀门420均连接至第二管路320，循环切换阀430连接至氢气分离器210和氧气分离器220，旁路循环阀440关闭。
68.当需要逐步关闭电解槽100的部分电解模组110时，应按n、n-1、
……
、1的顺序依次关闭电解模组110，开启时，应按照相反的顺序进行。每个电解模组110关闭时，先切断其电气连接，再切换电解液循环；开启时先切换电解液，再加电压开始电解。
69.例如，关闭电解模组n的操作步骤为：
70.s710、将电解槽100直流电源的电压调节至与n-1个电解模组运行时所需的电压，将第n-1号切换开关510切换至连接电源负极。
71.s720、完成电源切换，延迟1s-10s后，切换第n-1出口阀至第四管路340，切断第n-1进液阀。
72.s730、循环切换阀430切换至第四管路340以通往冷却器540，开启旁路循环阀440。
73.此时，电解模组n停止工作，同时，部分热电解液在从气液分离器出口后通过旁路循环流过电解模组n，保持电解模组n温度，便于电解模组n在需要时快速启动。
74.关闭电解模组n-1的操作步骤为：
75.s740、将电解槽100直流电源的电压调节至与n-2个电解模组运行时所需的电压，将第n-2号切换开关510切换至连接电源负极。
76.s750、完成电源切换，延迟1s-10s后，切换第n-2出口阀至第四管路340，切断第n-2进液阀。
77.s760、切断第n-2进液阀，打开第n-1出口阀。
78.s770、必要时通过旁路循环阀440调节旁路循环的流量。
79.此时，电解模组n、n-1均停止工作，同时，部分热电解液在从气液分离器出口后通过旁路循环流过电解模组n、n-1，保持电解模组n、n-1温度，便于电解模组n、n-1在需要时快速启动。
80.启动电解模组n-1的操作步骤为：
81.s810、切换第n-2出口阀至连接第二管路320，第n-1出口阀至连接第三管路330。
82.s820、打开第n-2进液阀阀，切断第n-1进液阀。
83.s830、将电解槽100直流电源的电压调节至与n-1个电解模组运行时所需的电压，将第n-2号切换开关510切换至串联n-1电解模组。
84.s840、必要时，通过旁路循环阀440调节旁路循环的流量。
85.此时，电解模组n-1开始工作，由于通过电解液旁路循环保持温度，电解模组n可以迅速进入正常工作状态。
86.启动电解模组n的操作步骤为：
87.s850、循环切换阀430切换至通往气液分离器，切换第n-1出口阀至连接第二管路320。
88.s860、关闭旁路循环阀440，打开第n-1进液阀。
89.s870、将电解槽100直流电源的电压调节至与n个电解模组运行时所需的电压，将第n-1号切换开关510切换至串联n电解模组。
90.此时，电解模组n开始工作，由于通过电解液旁路循环保持温度，电解模组n可以迅速进入正常工作状态。
91.以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。