CN116288449A - 基于源网荷储的绿色aem电解水制氢*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于源网荷储的绿色AEM电解水制氢***，包括光伏能源组件，所述光伏能源组件与太阳能电源控制器连接，所述太阳能电源控制器分别与蓄电池、AEM电解池电压调节器、第一泵和第二泵连接；所述AEM电解池电压调节器与AEM电解池的阴极和阳极连接，所述第一泵的进口与第一碱性电解液瓶的出液口连通，第一泵的出口与AEM电解池的阳极的进口连通，AEM电解池的阳极的出口与第一碱性电解液瓶的进液口连通，所述第二泵的进口与第二碱性电解液瓶的出液口连通，第二泵的出口与AEM电解池的阴极的进口连通，AEM电解池的阴极的出口与第二碱性电解液瓶的进液口连通，第一碱性电解液瓶的出气口、第二碱性电解液瓶的出气口均依次连接有气体干燥器和集气装置。
Description
技术领域
本发明属于光伏制氢技术领域，具体涉及一种基于源网荷储的绿色AEM电解水制氢***。
背景技术
光伏制氢主要利用光伏发电***产生的直流电直接向制氢站供电。与传统电站相比，光伏直流发电***减少了逆变器和升压过程。光伏发电***的主要设备和设施包括光伏模块、组合箱、支架、基础、接地装置等。光伏模块可根据氢气发电站的输入电压和电流要求进行串联和并联配置；从而提高***效率。目前，电解水制氢技术成熟，设备简单，操作管理方便，制氢纯度高，低温水电解槽(<100℃)主要有三条技术路线。
这三条技术路线分别是碱性电解槽(Alkaline water electrolyzer，AWE)、质子交换膜换膜电解槽(Proton exchange membrane water electrolyzer)和阴离子交换膜电解槽(Anion exchange membrane electrolyzer，AEMWE)。AWE作为一种成熟的技术，操作简便、成本低，已实现大规模商业化应用。然而，AWE存在电极与隔膜间隔较远，导致整个电解槽体积巨大，电解性能低(2.0V电压下电流密度仅有约300mA·cm-2)，无法满足工业应用需求。另外，AWE响应速度慢，无法与间断性可再生能源耦合。PEMWE与AWE相比具有启停速度快，能量利用效率高、气体纯度高、绿色环保、能耗低、无碱液、体积小、安全可靠、可与可再生能源结合等优势。但是，PEMWE电解过程中产生的强酸性环境对双极板及电极催化剂要求很高。只能使用贵金属催化剂(Pt作为阴极催化剂，IrO2作为阳极催化剂)。另外，质子交换膜价格昂贵，使得PEMWE的成本大幅上升，阻碍了PEMWE的大规模应用。AEMWE将AWE与PEMWE的优点结合起来，同时兼具PEMW的大电流密度和AWE的低成本等优点，可与可再生能源结合，在碱性介质中可以使用Ni、Co、Fe等非贵金属催化剂，阴离子交换膜与质子交换膜优点类似但价格便宜。AEMWE是目前最具前景的水电解技术。
因此，将光伏发电应用于AEMWE电解水制氢，是以后发展的一个热门研究课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于源网荷储的绿色AEM电解水制氢***，旨在利用光伏发电结合AEM电解槽制氢。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于源网荷储的绿色AEM电解水制氢***，包括光伏能源组件，所述光伏能源组件与太阳能电源控制器连接，所述太阳能电源控制器分别与蓄电池、AEM电解池电压调节器、第一泵和第二泵连接；所述AEM电解池电压调节器与AEM电解池的阴极和阳极连接，所述第一泵的进口与第一碱性电解液瓶的出液口连通，第一泵的出口与AEM电解池的阳极的进口连通，AEM电解池的阳极的出口与第一碱性电解液瓶的进液口连通，所述第二泵的进口与第二碱性电解液瓶的出液口连通，第二泵的出口与AEM电解池的阴极的进口连通，AEM电解池的阴极的出口与第二碱性电解液瓶的进液口连通，第一碱性电解液瓶的出气口、第二碱性电解液瓶的出气口均依次连接有气体干燥器和集气装置。
本发明的技术方案，还具有以下特点：
作为本发明技术方案的进一步改进，所述第一碱性电解液瓶的出气口、第二碱性电解液瓶的出气口连接有压力表。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述气体干燥器与集齐装置之间设置有气体流量计。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述太阳能电源控制器连接有泵转速调节器；所述泵转速调节器与第一泵和第二泵连接。
本发明的有益效果是：本发明在光伏发电以及AEM电解槽制氢基础上，提出一种基于源网荷储的绿色AEM电解水制氢***，产氢所需能源均来自清洁无污染的太阳能，并最终将太阳能转化为氢能；其所需所有能量均来自太阳能光伏组件转换的太阳能，是一套清洁、绿色产氢***，并且符合源网荷储的基本理念；该***所用的电解水产氢装置为AEM电解池，该AEM电解池产氢电流密度大，产生的氢气纯度高，非常适合与输出电能变化的可再生能源相结合现场制备氢气，因此本***使用AEM电解池与光伏组件结合，绿色制氢；第一泵和第二泵均为直流泵，不需要逆变器等设备供电，且泵的转速调节方便，实用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明的一种基于源网荷储的绿色AEM电解水制氢***的原理图。
图中：1.光伏能源组件，2.太阳能电源控制器，3.泵转速调节器，4.第二泵，5.第二碱性电解液瓶，6.AEM电解池，7.AEM电解池电压调节器，8.蓄电池，9.第一泵，10.第一碱性电解液瓶，11.压力表，12.气体干燥器，13.气体流量计，14.集气装置。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的一种基于源网荷储的绿色AEM电解水制氢***，包括光伏能源组件1，光伏能源组件1与太阳能电源控制器2连接，太阳能电源控制器2分别与蓄电池8、AEM电解池电压调节器7和泵转速调节器3，泵转速调节器3与第一泵9和第二泵4连接；AEM电解池电压调节器7与AEM电解池6的阴极和阳极连接，第一泵9的进口与第一碱性电解液瓶10的出液口连通，第一泵9的出口与AEM电解池6的阳极的进口连通，AEM电解池6的阳极的出口与第一碱性电解液瓶10的进液口连通，第二泵4的进口与第二碱性电解液瓶5的出液口连通，第二泵5的出口与AEM电解池6的阴极的进口连通，AEM电解池6的阴极的出口与第二碱性电解液瓶5的进液口连通，第一碱性电解液瓶10的出气口、第二碱性电解液瓶5的出气口均依次连接有压力表11、气体干燥器12、气体流量计13和集气装置14。
基于源网荷储的绿色AEM电解水制氢***通过太阳能光伏组件产生电能，通过太阳能控制器将电能合理分配给负载以及蓄电池。在负载端，AEM电解池电压调节器7输出用户设定的电压用于AEM电解池6电解水产氢，泵功率调节器3输出用户设定的电压调节第一泵9、第二泵4的转速，以满足碱性电解液的循环利用。AEM电解池6产生的氢气以及氧气通过气体干燥回收装置进行干燥以及回收。基于源网荷储的绿色AEM电解水制氢***中，太阳能光伏组件1提供电量为源；从太阳能光伏组件1产生的电量输出到蓄电池8以及负荷，整个小范围供电网络为网；AEM电解池6、第一泵9、第二泵4作为该套***的负载为荷；蓄电池8存的电量以及产氢中储存的化学能为储，该***与源网荷储的概念完全契合。
太阳能电源控制器2将太阳能光伏组件1输出电量提供给AEM电解池6、第一泵9、第二泵4以及蓄电池8，并根据输出电量的大小选择供给对象。蓄电池8储存太阳能光伏组件1所输出电量，以满足AEM电解池6、第一泵9、第二泵4所消耗功率前提下，储存多余电量，太阳能光伏组件1所输出电量不能满足AEM电解池6、第一泵9、第二泵4所消耗功率时，向AEM电解池6、第一泵9、第二泵4补充电量。AEM电解池电压调节器7通过数字调节并输出用户设定的AEM电解池6所需电压以及电流。泵转速调节器3通过数字调节并输出用户设定电压值，调节第一泵9、第二泵4的转速。AEM电解池6主要包括阳极以及阴极两片电极，中间通过阴离子交换膜隔开。第一碱性电解液9内填充有碱性电解液：满足AEM电解池6的阳极片所需电解液并回收电解液和氧气。第二碱性电解液4内填充有碱性电解液：满足AEM电解池6的阴极片所需电解液并回收电解液和氢气；气体干燥回收装置：实现氢气和氧气的干燥并读取氢气和氧气的生成速率，收集氢气和氧气。第一泵9将碱性电解液输送到AEM电解池6的阳极端；第二泵4将碱性电解液输送到AEM电解池6的阴极端。
根据太阳光强度，太阳能光伏组件1所输出电量有三条线路。
线路1：
太阳光充足情况下，太阳能光伏组件1输出电量通过太阳能控制器2首先将电量输入到AEM电解池电压调节器7入端，通过AEM电解池电压调节器7出端输出设定电压以及电流，进一步将能量提供给AEM电解池6用于电解水；第二条线路为太阳能光伏组件1输出电量通过太阳能控制器2将电量输入到泵转速调节器3，泵转速调节器3输出设定电压供给第一泵9、第二泵4，实现将碱性电解液输送到AEM电解池6的阳极输入端以及阴极输入端；第三条线路为太阳能光伏组件1输出电量通过太阳能控制器7将AEM电解池6以及第一泵9、第二泵4所消耗的剩余电量输入到蓄电池中，储存起来。
线路2：
太阳光光照稍弱情况下，太阳能光伏组件1输出的电量等于AEM电解池6所需电量以及第一泵9、第二泵4所需电量总和时，太阳能光伏组件1所输出电量有两条线路，第一条太阳能光伏组件1输出电量通过太阳能电源控制器2首先将电量输入到AEM电解池电压调节器7入端，通过AEM电解池电压调节器7出端输出设定电压以及电流，进一步将能量提供给AEM电解池6用于电解水；第二条线路为太阳能光伏组件1输出电量通过太阳能控制器2将电量输入到泵转速调节器3，泵转速调节器3输出设定电压供给第一泵9、第二泵4，实现将碱性电解液输送到AEM电解池阳极输入端以及阴极输入端。
线路3：
太阳光光照不足情况下，太阳能光伏组件1输出的电量小于AEM电解池6所需电量以及第一泵9、第二泵4所需电量总和时，首先由太阳能光伏组件1通过太阳能控制器2供电，电量不足部分由蓄电池8通过太阳能控制器2将之前所储存电量输入给AEM电解池电压调节器7以及泵转速调节器3，进一步输送给AEM电解池6以及第一泵9、第二泵4。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于源网荷储的绿色AEM电解水制氢***，其特征在于，包括光伏能源组件(1)，所述光伏能源组件(1)与太阳能电源控制器(2)连接，所述太阳能电源控制器(2)分别与蓄电池(8)、AEM电解池电压调节器(7)、第一泵(9)和第二泵(4)连接；所述AEM电解池电压调节器(7)与AEM电解池(6)的阴极和阳极连接，所述第一泵(9)的进口与第一碱性电解液瓶(10)的出液口连通，第一泵(9)的出口与AEM电解池(6)的阳极的进口连通，AEM电解池(6)的阳极的出口与第一碱性电解液瓶(10)的进液口连通，所述第二泵(4)的进口与第二碱性电解液瓶(5)的出液口连通，第二泵(5)的出口与AEM电解池(6)的阴极的进口连通，AEM电解池(6)的阴极的出口与第二碱性电解液瓶(5)的进液口连通，第一碱性电解液瓶(10)的出气口、第二碱性电解液瓶(5)的出气口均依次连接有气体干燥器(12)和集气装置(14)。
2.根据权利要求1所述的基于源网荷储的绿色AEM电解水制氢***，其特征在于，所述第一碱性电解液瓶(10)的出气口、第二碱性电解液瓶(5)的出气口连接有压力表(11)。
3.根据权利要求1所述的基于源网荷储的绿色AEM电解水制氢***，其特征在于，所述气体干燥器(12)与集齐装置(14)之间设置有气体流量计(13)。
4.根据权利要求1所述的基于源网荷储的绿色AEM电解水制氢***，其特征在于，所述太阳能电源控制器(2)连接有泵转速调节器(3)；所述泵转速调节器(3)与第一泵(9)和第二泵(4)连接。
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