CN113846340B - 一种氢能管理*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢能管理***，针对现有的制氢***供电单一及供氢调节范围小的问题，通过供电控制装置以可再生能源为主，储能电力和常规电力(天然气电、煤电)作为电源，可灵活调节供电方式，然后结合对氢气量的需求，并考虑三种主流电解槽的优缺点，通过供氢控制装置对AEL、PEM和SPE三种槽进行了灵活组合，在启动初期、小流量时用PEM，具有瞬时供氢能力，氢气需求增加，电解槽切换时，AEL和PEM同时运行，有外在余热时，启动SPE，降低电耗等多种模式，可以实现对任意电力和热力(光伏电、风电、储能电、天然气电、煤电、余热)的接入，氢气的随要随供，氢气量可大可小(全量程调节)，同时可做到制氢***电耗最低。
Description
技术领域
本发明属于绿氢制备能源管理的技术领域，尤其涉及一种氢能管理***。
背景技术
在人类的发展历程中，煤炭、石油、天然气等化石能源为人类文明的进步做出了卓越的贡献,未来的几十年内化石能源对人类社会的发展依然起着举足轻重的作用。然而，随着经济和人口的快速发展,化石能源的过度开发及利用率低等因素己造成世界范围内的能源危机，并严重地破坏了生态平衡，尤其是在技术相对落后的不发达国家或者发展中国家，环境污染给人们生活带来的危害日益突出，因此，开发新型能源，研制清洁高效的能量转换策略已成为人类生存发展的必然选择。
作为一种清洁的可再生能源，氢气被公认为是能源供应的最终选择。一种可再生能源制氢和储氢***及其控制方法(申请号：CN202010512413.3)提供了一种可再生能源制氢和储氢***及其控制方法，该***包括可再生能源发电子***、水电解制氢子***、伴热子***和有机物储氢子***，其中，伴热子***连接在有机物储氢子***和水电解制氢子***之间，通过伴热子***将有机物储氢子***生成加氢有机物时产生的部分热量转移至水电解制氢子***为水电解制氢装置加热。该方案利用将氢与有机物反应时产生的热量为水电解制氢装置进行加热，保证其内的液体在寒冷季节不会冻凝、结晶，在保障***安全的同时，减少下次开机时间，从而提高水电解制氢装置的生产效率。同时，将加氢有机物的部分热量用来加热水电解制氢装置，降低了为加氢有机物降温所需的冷却水用量，提高了***的能量利用率。
目前风电、光伏发电等技术已经成熟，但是发电端的波动性和用电端要求的稳定性一直很难解决，而在水电解制氢端以往的技术均是以氢气作为原料生产配置的小型固定产氢量的碱性电解槽，这种槽存在产能有限、电耗高、出氢量可调节范围小等问题，综上，随着社会对绿氢需求的增加，需要对以往的技术进行优化来满足要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种氢能管理***，实现对任意电力和热力(光伏电、风电、储能电、天然气电、煤电、余热)的接入，氢气的随要随供，氢气量可大可小(全量程调节)，同时降低***电耗。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种氢能管理***，用于制氢设备，包括：
供电控制装置，被配置为接入可再生能源、储能电、天然气电、煤电中的任意一种电源，并根据不同工作时间段，对任意电源进行组合，输出稳定的功率至制氢设备；
供氢控制装置，被配置为接入AEL、PEM、SPE中任意一种电解槽，并根据制氢设备对氢气产量的需求及产氢效率的要求，对任意电解槽进行组合，控制目标电解槽运行，实现氢气输出量的全量程调节。
根据本发明一实施例，所述供电控制装置包括第一供电模块、第二供电模块及第三供电模块；
所述第一供电模块以储能电为主，用于光照微弱时段的制氢设备供电；
所述第二供电模块以可再生能源为主，用于光照充足时段的制氢设备供电；
所述第三供电模块以天然气电或煤电为主，用于所述第一供电模块及所述第二供电模块中断时段的制氢设备供电。
根据本发明一实施例，所述供氢控制装置包括AEL电解模块、PEM电解模块、SPE电解模块及控制模块；
所述控制模块用于响应于氢气产量的需求，根据所述AEL电解模块、所述PEM电解模块及所述SPE电解模块的出氢量的调节范围，选取满足氢气产量需求的最优的电解模块或电解模块的组合，进行制氢。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明一实施例中的氢能管理***，针对现有的制氢***供电单一及供氢调节范围小的问题，通过供电控制装置以可再生能源为主，储能电力和常规电力(天然气电、煤电)作为电源，可灵活调节供电方式，然后结合对氢气量的需求，并考虑三种主流电解槽的优缺点，通过供氢控制装置对AEL、PEM和SPE三种槽进行了灵活组合，在启动初期、小流量时用PEM，具有瞬时供氢能力，氢气需求增加，电解槽切换时，AEL和PEM同时运行，有外在余热时，启动SPE，降低电耗等多种模式，可以实现对任意电力和热力(光伏电、风电、储能电、天然气电、煤电、余热)的接入，氢气的随要随供，氢气量可大可小(全量程调节)，同时可做到制氢***电耗最低。
附图说明
图1为本发明一实施例中的氢能管理***的构思示意图；
图2为本发明一实施例中的氢能管理***的框图；
图3为本发明一实施例中的光伏发电功率随时间变化示意图；
图4为本发明一实施例中的AEL、PEM组合供氢调节示意图。
附图标记说明：
1：储能电；2：光伏电；3：风电；4：天然气电；5：煤电；100：供电控制装置；101：第一供电模块；102：第二供电模块；103：第三供电模块；200：供氢控制装置；201：控制模块；202：AEL电解模块；203：PEM电解模块；204：SPE电解模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种氢能管理***作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
本实施例针对现有的制氢***供电单一及供氢调节范围小的问题，提供了一种氢能管理***，用于制氢设备，实现对任意电力和热力(光伏电、风电、储能电、天然气电、煤电、余热)的接入，氢气的随要随供，氢气量可大可小(全量程调节)，同时降低***电耗。
目前的电力，包括不稳定的电力：光伏电、风电、生物质发电等，相对稳定的电力包括煤电、天然气发电和核电等。以往对这些电力的应用都是单独的，随着技术的发展，特别是可再生能源的发展，稳定的电网电力和不稳定的新能源电力结合使用的场景越来越多，目前的常规用电设备只能适应电源稳定的场景，不稳定的新能源电力只有结合储能才能使用，但是由于储能的容量有限，导致可再生能源电力大量浪费。
另外，能源的输出端，如，绿氢的使用面临用量的波动，需要供氢***能具有一定的调节功能；目前由电转氢的***主要是由电解槽完成，需要有技术手段实现电解槽的可调节。
请参看图1，本实施例中的氢能管理***依托源网荷储的架构，构建以可再生能源为主，储能电力和常规电力(天然气电、煤电)作为应急电源的“源”端，该源端负荷可灵活调节，然后结合“荷”端对氢气量的需求，并考虑三种主流电解槽的优缺点，对AEL、PEM和SPE三种槽进行了灵活组合，在启动初期、小流量时用PEM，具有瞬时供氢能力，氢气需求增加，电解槽切换时，AEL和PEM同时运行，有外在余热时，启动SPE，降低电耗等多种模式。通过以上设计，当将该氢能管理***应用到现有的水电解槽制氢***时，可以实现对任意电力和热力(光伏电、风电、储能电、天然气电、煤电、余热)的接入，氢气的随要随供，氢气量可大可小(全量程调节)，同时可做到***电耗最低。
上述构思具体表现为一种氢能管理***，请参看图2，该氢能管理***包括供电控制装置100和供氢控制装置200；其中，供电控制装置100被配置为接入可再生能源、储能电、天然气电、煤电中的任意一种电源，并根据不同工作时间段，对任意电源进行组合，输出稳定的功率至制氢设备；供氢控制装置200被配置为接入AEL、PEM、SPE中任意一种电解槽，并根据制氢设备对氢气产量的需求及产氢效率的要求，对任意电解槽进行组合，控制目标电解槽运行，实现氢气输出量的全量程调节。
具体的，供电控制装置100包括第一供电模块101、第二供电模块102及第三供电模块103，其中，第一供电模块101以储能电为主，用于光照微弱时段的制氢设备供电。请参看图1，该第一供电模块可以包含储能电1、光伏电2及风电3，在光照微弱时段，如凌晨和早上，光伏电2的发电功率较低，请参看图3。风电3也可能处于发电功率较低时段，因此，电能的供应主要以储能电1为主，供电控制装置100可切换至该第一供电模块101对制氢设备进行供电。该储能电1可以是锂电池，也可以是SOFC(固体氧化物燃料电池)，或其他储能电。
这里的光照微弱时段，也可以是傍晚，在傍晚时段，光伏电2的发电功率也较低，电能的供应主要以储能电1和风电3为主，供电控制装置100可切换至该第一供电模块101对制氢设备进行供电。
第二供电模块102以可再生能源为主，用于光照充足时段的制氢设备供电。请参看图1，第二供电模块102可以包含光伏电2和风电3，在光照充足时段，如上午至下午的时段，光伏的发电功率增加，如图3所示，电能的供应主要由光伏电2为主，供电控制装置100可切换至该第二供电模块102对制氢设备进行供电。这里的可再生能源，除了光伏电及风电外，还可以是生物能、水能等。
第三供电模块103以天然气电或煤电为主，用于在第一供电模块及第二供电模块中断时段的制氢设备供电。该第三供电模块103可以包含天然气电4和煤电5，用于极端情况下的电力应急。这里的极端情况是指第一供电模块及第二供电模块均无法工作(即中断)的情况。在这种情况下，供电控制装置100切换至该第三供电模块103对制氢设备进行供电，维持制氢设备的正常工作。
根据上述描述，可以理解，该供电控制装置100具有根据工作时段，切换相应的供电模块的功能。在实际应用中，该供电控制装置可采用PLC实现，也可采用FPGA实现。其中，涉及的模块切换，可采用继电器或多路选择器实现。
本实施例中的供氢控制装置200包括控制模块201、AEL电解模块202、PEM电解模块203、SPE电解模块204，该控制模块201用于响应于氢气产量的需求，根据AEL电解模块202、PEM电解模块203及SPE电解模块204的出氢量的调节范围，选取满足氢气产量需求的最优的电解模块或电解模块的组合，进行制氢。
碱性水电解制氢(AEL)是现有工艺中应用最广泛的一种。在高浓度氢氧化钾溶液中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应。在阴极，水分子在阴极分解成氢离子(H+)和氢氧离子(OH-)，氢离子与来自阴极的电子结合形成氢气，氢氧离子则到达阳极，生成氧气和水。为了确保分隔开反应产物，避免其重新结合引起***，在电解槽的阳极与阴极之间需设置一层隔膜。为了让气体通过，AEL采用多孔结构的隔膜，因而限制了设备在受压条件下的操作。
区别于碱性水电解制氢，PEM质子交换膜水电解制氢选用具有良好化学稳定性、质子传导性、气体分离性的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代石棉膜，能有效阻止电子传递，提高电解槽安全性。PEM水电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等。其中扩散层、催化层与质子交换膜组成膜电极，是整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所，膜电极特性与结构直接影响PEM水电解槽的性能和寿命。
与AEL制氢相比，PEM水电解制氢工作电流密度更高(＞1A/cm2)，总体效率更高(74％～87％)，氢气体积分数更高(>99.99％)，产气压力更高(3～4MPa)，动态响应速度更快，能适应可再生能源发电的波动性。
固体聚合物电解质(SPE)电解水制氢技术的核心是固体聚合物电解质电解槽，它是由膜电极组件、集电器、框架和密封垫等组成的。其中，膜电极组件和集电器是电解槽的核心部件，决定着电解槽的使用性能。SPE电解水反应时，去离子水被供到膜电极组件上，在阳极侧反应析出氧气、氢离子和电子。电子通过外电路传递到阴极，氢离子以水合的形式(H+·XH20)通过膜到阴极。在阴极，氢离子和电子重新结合形成氢气，同时，部分水也带到了阴极。
SPE电解水制氢与传统的碱性电解水制氢相比的主要优点是：在给定电流密度下效率高(可达90％)，因而能耗小、成本低；电流密度最高可达3A/cm2，小室电压2.0V，因而在相同产气量下，体积小、重量轻；由于电解质是链式聚合物、性能稳定，无腐蚀性液体存在，因而安全可靠、维修量小、使用寿命长；电解质为非透气性隔膜，能承受较大的压差，从而简化了压差控制，启动和停机迅速；去离子水既是反应剂又是冷却剂，省去了冷却***，减少了装置的体积和重量；由于没有游离碱液体存在，减少了对设备的腐蚀，产气纯度高，不含碱雾，经过简单分离后，可直接应用。
本实施例中的供氢控制装置200根据上述多种电解槽的特性，选取满足氢气产量需求的最优的电解模块或电解模块的组合，进行制氢。
具体的，假设氢气产量需求为1000Nm3/h，AEL电解模块202的调节范围为50～100％，PEM电解模块203的调节范围为5～100％。控制模块根据上述条件，计算得出：
AEL电解模块202可以在500～1000Nm3/h间进行调节，PEM电解模块203可以在5～1000Nm3/h间进行调节。
如此，配置一个500Nm3/h的PEM电解模块203，就可以实现全量程调节。考虑到能耗及价格因素，可选择配置一个500Nm3/h的AEL电解模块202，按50～100％的调节范围，可以实现250～1000Nm3/h的调节；再配置一个250Nm3/h的PEM电解模块203就可以实现全量程调节。AEL电解模块202与PEM电解模块203进行组合全量程的氢气输出，请参看图4。
再根据产氢率要求，可在制氢设备启动初期、小流量时，采用PEM电解模块203制氢，具有瞬时供氢能力；当氢气需求增加时，控制模块可切换电解槽，AEL电解模块202和PEM电解模块203同时运行；当产生外在余热时，控制模块可切换至SPE电解模块204制氢，降低电耗。
根据上述描述，可以理解，该供氢控制装置200具有根据产氢量需求及各电解模块的特性，计算并优化能耗，切换相应的电解模块的功能。在实际应用中，该供氢控制装置200可采用PLC实现，也可采用FPGA实现。其中，涉及的模块切换，可采用继电器或多路选择器实现。
综上，本实施例中的氢能管理***，针对现有的制氢***供电单一及供氢调节范围小的问题，通过供电控制装置以可再生能源为主，储能电力和常规电力(天然气电、煤电)作为电源，可灵活调节供电方式，然后结合对氢气量的需求，并考虑三种主流电解槽的优缺点，通过供氢控制装置对AEL、PEM和SPE三种槽进行了灵活组合，在启动初期、小流量时用PEM，具有瞬时供氢能力，氢气需求增加，电解槽切换时，AEL和PEM同时运行，有外在余热时，启动SPE，降低电耗等多种模式，可以实现对任意电力和热力(光伏电、风电、储能电、天然气电、煤电、余热)的接入，氢气的随要随供，氢气量可大可小(全量程调节)，同时可做到制氢***电耗最低。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。
Claims (3)
1.一种氢能管理***，用于制氢设备，其特征在于，包括：
供电控制装置，被配置为接入可再生能源、储能电、天然气电、煤电中的任意一种电源，并根据不同工作时间段，对任意电源进行组合，输出稳定的功率至制氢设备；所述可再生能源包括光伏电、风电，所述储能电为电池；
供氢控制装置，被配置为接入AEL、PEM、SPE中任意一种电解槽，并根据制氢设备对氢气产量的需求及产氢效率的要求，对任意电解槽进行组合，控制目标电解槽运行，实现氢气输出量的全量程调节；
在光照微弱时段，所述供电控制装置采用储能电对制氢设备进行供电；
在光照充足时段，所述供电控制装置采用可再生能源对制氢设备进行供电；
当储能电与可再生能源供电中断时，所述供电控制装置采用天然气电或煤电对制氢设备进行供电；
在供氢初始阶段，所述供氢控制装置采用PEM电解槽制氢，瞬间供氢；
在氢气需求增加阶段，所述供氢控制装置采用PEM电解槽和AEL电解槽同时制氢；
在制氢设备产生余热后，所述供氢控制装置利用余热，采用SPE电解槽制氢，降低电耗。
2.如权利要求1所述的氢能管理***，其特征在于，所述供电控制装置包括第一供电模块、第二供电模块及第三供电模块；
所述第一供电模块以储能电为主，用于光照微弱时段的制氢设备供电；
所述第二供电模块以可再生能源为主，用于光照充足时段的制氢设备供电；
所述第三供电模块以天然气电或煤电为主，用于所述第一供电模块及所述第二供电模块中断时段的制氢设备供电。
3.如权利要求1所述的氢能管理***，其特征在于，所述供氢控制装置包括AEL电解模块、PEM电解模块、SPE电解模块及控制模块；
所述控制模块用于响应于氢气产量的需求，根据所述AEL电解模块、所述PEM电解模块及所述SPE电解模块的出氢量的调节范围，选取满足氢气产量需求的最优的电解模块或电解模块的组合，进行制氢。
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