CN215856359U - 一种独立式风力发电电解水制氢海上加氢站 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种独立式风力发电电解水制氢海上加氢站，包括依次连接的风力发电装置、综合能源监控管理系统、电解水制氢系统、氢气储存系统、加氢站供氢装置；电解水制氢系统包括PEM电解水制氢系统、AEL电解水制氢系统、氢气纯化器。通过风电为海上加氢站提供电力，通过综合能源监控管理系统转换为稳定的直流电和交流电后一部分用于电网供电，一部分用于电解水制氢。并通过采用PEM和AEL耦合式电解槽技术的电解水制氢系统，既能快速响应制氢，同时制氢量高，设备经济性好。制得的氢气既可以为海上氢燃料电池船只提供氢气源，又可以匹配高功率氢燃料电池发电系统为整个加氢站提供备用电能，以解决风力不能发电等极端情况。
Description
技术领域
本实用新型属于风力发电、电解水制氢、氢燃料电池发电、海上加氢站技术领域，尤其涉及一种独立式风力发电电解水制氢海上加氢站。
背景技术
海上风电资源发达，利用风电余电电制水制氢将风力发出的电直接通过电解水制氢设备将电能转化为氢气，通过电解水产生便于长期存储的氢气。风电制氢有效解决了大规模的弃风问题，不仅对综合能源系统中风电的消纳能力具有重要意义，也将解决海上移动用氢端的用氢问题。同时风电制氢有望加速海上风电进一步降低成本，进入平价上网时代。现如今，绿氢能源发展迅速，海事行业需要调整并提出绿色解决方案，以实现可持续的未来，氢燃料电池船将逐步取代传统柴油海运船只，氢船的续航一直是现阶段重点、难点之一，通过建立海上加氢站，为海上各氢燃料电池船只提供供氢服务，为实现远洋航行提供保障。
实用新型内容
针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的在于，提供一种独立式风力发电电解水制氢海上加氢站，可解决海上弃风浪费，海上氢船无加氢站的问题。
本实用新型进一步通过海水净化系统的设置，还可解决海上纯净水资源补给问题。通过海上加氢站的建设，构建以加氢站为中心的海上生态圈。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
本实用新型提供一种独立式风力发电电解水制氢海上加氢站，包括依次连接的风力发电装置、综合能源监控管理系统、电解水制氢系统、氢气储存系统、加氢站供氢装置；
所述电解水制氢系统包括PEM电解水制氢系统、AEL电解水制氢系统、氢气纯化器，所述PEM电解水制氢系统、AEL电解水制氢系统分别与氢气纯化器连接；氢气纯化器的输出端与氢气储存系统连接；
所述综合能源监控管理系统分别与PEM电解水制氢系统、AEL电解水制氢系统连接。
优选地，所述PEM电解水制氢系统包括PEM电解槽、第一氢气气水分离器、第一氧气气水分离器；所述PEM电解槽分别与第一氢气气水分离器、第一氧气气水分离器连接；
所述AEL电解水制氢系统包括AEL电解槽、第二氢气气水分离器、第二氧气气水分离器、氢气洗涤器、氧气洗涤器；所述AEL电解槽分别与第二氢气气水分离器、第二氧气气水分离器连接，所述氢气洗涤器与第二氢气气水分离器连接，氧气洗涤器与第二氧气气水分离器连接；
所述电解水制氢系统还包括氧气纯化器。
优选地，所述第一氢气气水分离器、氢气洗涤器分别与氢气纯化器连接；所述第一氧气气水分离器、氧气洗涤器分别与氧气纯化器连接。
优选地，所述氢气纯化器与氢气储存系统之间依次设置氢气缓冲装置、氢气压缩机；
所述氧气纯化器的输出端依次连接氧气缓冲装置、氧气压缩机和氧气储存系统。
优选地，所述独立式风力发电电解水制氢海上加氢站还包括海水淡化系统；所述海水淡化系统包括依次设置的海水净化器和去离子器；
所述去离子器分别与PEM电解水制氢系统中的PEM电解槽和AEL电解水制氢系统中的AEL电解槽连接。
优选地，所述去离子器与AEL电解槽之间还设置有热处理器，所述热处理器的输入端还连接有碱液储罐。将去离子器流出的去离子水与碱液储罐流出的碱液进入热处理器后混合形成一定温度的碱液(如30％浓度的KOH溶液)后再进入AEL电解槽中。
优选地，所述综合能源监控管理系统与氢气储存系统、加氢站供氢装置、海水淡化系统连接；所述综合能源监控管理系统还与电网系统连接。
优选地，所述独立式风力发电电解水制氢海上加氢站还包括蓄电装置、氢燃料电池发电系统；
所述蓄电装置与综合能源监控管理系统连接；
所述氢燃料电池发电系统包括一个或多个氢燃料电池；所述氢燃料电池发电系统分别与氢气储存系统和综合能源监控管理系统连接。
优选地，所述综合能源监控管理系统包括变压器和交流转直流转换器。
优选地，所述氢气储存系统包括高压储氢罐、中低压储氢罐、固态储氢罐中的一种或多种；
所述PEM电解槽、AEL电解槽各为一个或多个；当PEM电解槽为多个时，通过并联或串联连接；当AEL电解槽为多个时，通过并联或串联连接。
优选地，所述风力发电装置为海上风力发电机组；
所述蓄电装置为锂电池蓄电装置。
本实用新型的海上风力发电机组可接受综合能源监控管理系统的命令，根据事先约定的控制策略自动调整和控制风电场每台机组的能量输出能力，从而最终实现风电场的有功、无功控制。综合能源监控管理系统需要保证风机的安全运行和制氢效益的最大化，主要由自动发电控制子系统和自动电压控制子系统组成来实现对整个风电场的调度及控制；
所述综合能源监控管理系统通过历史数据、实测数据等进行风电场的发电功率预测，配置风电资源监测功能，并配置风力发电功率预测功能；
所述综合能源监控管理系统根据风力发电功率预测系统的预测数据、风电机组的实时运行数据、制氢负荷特性，合理安排风电机组、制氢计划、储能充放电计划，可对海上风电的无功电压运行进行控制；
所述综合能源监控管理系统控制对电网系统输出电能；
所述综合能源监控管理系统通过内部控制变压器以及交流转直流转换器，将一部分风力发电装置发出的不稳定的直流电转换成稳压直流电储存在蓄电池储电系统中，用作备用电源。特别是在风电无法工作时，氢燃料电池发电系统以及氢气储存系统初始电均由该蓄电池储电系统储存电能，直至氢燃料电池发电系统正常工作，稳态发电至综合能源监控管理系统，再由综合能源监控管理系统分配对外输出电能，此时蓄电池储电系统无需对外输电，按控制要求存储电能，直至下一个突发事件发生为氢燃料电池发电系统及氢气储存系统提供电能；
所述综合能源监控管理系统通过内部控制变压器以及交流转直流转换器，将一部分风力发电装置发出的不稳定的直流电转换成直流380V电电解水制氢。
本实用新型通过电解水制氢系统制取氢气，经过分离、干燥、提纯等步骤产出纯度99.99％、压力3.0MPa的高纯氢气。经过氢气缓冲装置的缓冲作用，进一步通过氢气压缩机压缩氢气至氢气储存系统中储存。优选氢气储存系统为高压储氢罐，一般为站内70MPa高压氢气瓶以及附属阀门管件等设备；
所述氢气储存系统中的氢气主要作用是通过加氢站供氢装置对外提供氢气源，储氢量以550kg/d供应量储存氢气，该氢气既可以为海上氢燃料电池船只提供氢气源，又可以采用海上长管运输氢气船向内陆运输氢气，最大化经济效益；另一方面该氢气还可用于氢燃料电池发电系统，氢燃料电池发电系统通氢发电至综合能源监控管理系统集中分配管理，在特殊情况下为整个加氢站提供电能，起到高功率、大储能备用电源作用，以解决风电不能发电等极端情况。
本实用新型所述电解水制氢系统制备的氢气还可通过高压储氢、固态储氢、液态储氢方式，通过海运方式运输至内陆加氢站备用。
本实用新型所述氧气储存系统氧气可通过将氧气纯化器纯化后的氧气经过氧气压缩机压缩后储存，一方面用于对外提供氧气包，氧气瓶灌装服务或深海潜航器等耗氧设备，另一方面提供加氢站生态圈海洋养殖服务，使海上网箱养鱼处于富氧环境，充分利用氧气资源。
本实用新型所述综合能源监控管理系统还可为海水淡化系统提供电能，海水淡化系统能够自行处理海水内的有机物、无机质杂质等，最终制得纯净水，该纯净水既可以储存备用，用于海上纯水补给站；同时最主要为电解水制氢设备提供充足的纯净水资源，纯净水进入电解水制氢系统之前需要经过去离子器去除水中离子；
所述PEM电解槽是质子交换膜电解槽，该电解槽电解效率高，一键启动，5分钟产生合格氢气，无需人工值守，关机后即可停止产氢，0～200Nm3/h氢气产能,0～100％全范围可调，氢气纯度≥99.9995，制氢压力0～3MPa,初始投资费用高，运行费用低等特点，适用于加氢站内快速响应制氢，可根据加氢站供氢情况，快速在线制备氢气，随时储氢；进一步的加氢站可根据规模由一套或多套PEM电解槽串并联耦合形式提高氢气产能；
所述AEL电解槽是碱液水电解槽，氢气纯度≥99.9，该电解槽制氢量大0～1000Nm3/h，制氢压力0～3MPa,制氢调节能力从30～100％调节，设备价格低，但是响应慢，电耗高，冷启动需要1～2小时，AEL电解水制氢的制氢量较高，是加氢站制氢的主要力量；
本实用新型的电解水制氢系统为PEM和AEL电解水制氢耦合系统，是耦合PEM电解槽和AEL电解槽两种电解槽的技术特点，既能快速响应随时制氢，1分钟之内制氢，制氢调节能力从0～100％任意调节，又能高产氢量制氢0～1000Nm3/h，匹配氢气储存系统，使电能以氢能形式长期储存，可随时匹配氢燃料电池发电系统发电,两种电解槽可以多槽串、并联组成；加氢站对外输出氢气可根据实际供应情况，多模块耦合PEM和AEL电解水制氢模块，调整两种电解槽的串并联设备数量，满足供应需求。弃风发电功率较高的情况下，可利用低成本弃风电，电解水制氢，输送内陆，加氢站经济效益最大化，能源利用最优化；
所述综合能源监控管理系统根据电解槽特性，调节输出电流、电压为PEM电解槽电解提供电能，电解槽阴极产生的混合气进入第一氢气气水分离器分离水汽，进一步进入氢气纯化器纯化至氢气纯度99.99％以上，经过纯化后的氢气经过氢气缓冲装置稳定流量、压力，进一步通过压缩机压缩增压至氢气储存系统储存；电解槽阳极产生的混合气入第一氧气气水分离器分离水汽，进一步进入氧气纯化器，经过纯化后的氧气储存在氧气缓冲装置，进一步通过压缩机压缩增压至氧气储存系统储存。
本实用新型所述综合能源监控管理系统根据电解槽特性，调节输出电流、电压为AEL电解槽电解提供电能，电解槽阴极产生混合气进入第二氢气气水分离器分离水汽，进一步进入氢气洗涤器洗涤携带碱液，进一步进入氢气纯化器纯化至氢气纯度99.99％以上，经过纯化后的氢气经过氢气缓冲装置稳定流量、压力，进一步通过压缩机压缩增压至高压储氢罐储存；电解槽阳极产生混合气入第二氧气气水分离器分离水汽，进一步进入氢气洗涤器洗涤携带碱液，进一步进入氧气纯化器，经过纯化后的氧气储存在氧气缓冲装置，进一步通过氧气压缩机压缩增压至氧气储存系统储存。
与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
1、本实用新型通过风力发电装置为海上加氢站提供电力，将风力发电装置形成的不稳定电流进行转换成稳定的直流电和交流电后，一方面用于电网系统输出；另一方面用于电解水制氢，将电能转化成氢能、再通过储存的氢能可随时提供稳定可靠的电能。
2、本实用新型的电解水制氢系统通过耦合PEM和AEL电解槽技术，即同时设置PEM电解水制氢系统和AEL电解水制氢系统进行电解水制氢，综合了单独PEM电解水制氢设备昂贵、产氢量低但启停快和单独AEL碱液电解水制氢设备反应时间慢、启停时间长、产氢量大的特点，取长补短，耦合两种电解技术，既能快速响应制氢，同时制氢量高，设备经济性好。
3、本实用新型进一步通过蓄电装置，将风力发电装置的剩余电力储存，用于特殊情况系统启动备用电源；且进一步通过海水淡化系统处理海水，既能为电解水制氢提供重要的水资源，同时淡化海水可以为加氢站提供淡化水资源，可实现加氢站与水资源补给站并存，增加加氢站职能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征目的和优点将会变得更明显：
图1为本实用新型的独立式风力发电电解水制氢海上加氢站结构示意图；
图2为本实用新型的独立式风力发电电解水制氢海上加氢站的电水解制氢系统结构示意图；
图3为本实用新型的独立式风力发电电解水制氢海上加氢站综合能源监控管理示意图；
图中，1-风力发电装置；2-综合能源监控管理系统；3-电解水制氢系统；301-PEM电解槽；302-第一氢气气水分离器；303-第一氧气气水分离器；304-AEL电解槽；305-第二氢气气水分离器；306-氢气洗涤器；307-第二氧气气水分离器；308-氧气洗涤器；309-氢气纯化器；310-氧气纯化器；4-氢气缓冲装置；5-氢气压缩机；6-氢气储存系统；7-加氢站供氢装置；8-氧气缓冲装置；9-氧气压缩机；10-氧气储存系统；11-蓄电装置；12-氢燃料电池发电系统；13-电网系统。
具体实施方式
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
下面将参考附图并结合具体实施例来详细说明本实用新型。需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。
实施例1
以风电弃电发电功率为2MW，充分利用海上固定平台，如海上钻井平台或固定式风电塔架等建立风电、电解水制氢、储存、运输、应用一体化生态系统为例进行设计。如按照2MW弃风发电匹配电解水制氢系统，具体包括PEM电解槽15Nm3/h+AEL碱液电解槽150Nm3/h的PEM电解制氢系统和AEL电解制氢系统，日发电时间约为20h，日产氢293Kg氢气和2360Kg氧气。
本实用新型具体提供了一种独立式风力发电电解水制氢海上加氢站，如图1-图3所示，包括依次连接的风力发电装置1、综合能源监控管理系统2、电解水制氢系统3、氢气储存系统6、加氢站供氢装置7；
所述电解水制氢系统3包括PEM电解水制氢系统、AEL电解水制氢系统、氢气纯化器309，所述PEM电解水制氢系统、AEL电解水制氢系统分别与氢气纯化器309连接；氢气纯化器309的输出端与氢气储存系统6连接；
所述综合能源监控管理系统3分别与PEM电解水制氢系统、AEL电解水制氢系统连接。
所述PEM电解水制氢系统包括PEM电解槽301、第一氢气气水分离器302、第一氧气气水分离器303；所述PEM电解槽301分别与第一氢气气水分离器302、第一氧气气水分离器303连接；
所述AEL电解水制氢系统包括AEL电解槽304、第二氢气气水分离器305、第二氧气气水分离器307、氢气洗涤器306、氧气洗涤器308；所述AEL电解槽304分别与第二氢气气水分离器305、第二氧气气水分离器307连接，所述氢气洗涤器306与第二氢气气水分离器305连接，氧气洗涤器308与第二氧气气水分离器307连接；
所述电解水制氢系统还包括氧气纯化器310。
所述第一氢气气水分离器302、氢气洗涤器306分别与氢气纯化器309连接；所述第一氧气气水分离器303、氧气洗涤器308分别与氧气纯化器310连接。
所述氢气纯化器309与氢气储存系统6之间依次设置氢气缓冲装置4、氢气压缩机5；
所述氧气纯化器310的输出端依次连接氧气缓冲装置8、氧气压缩机9和氧气储存系统10。
所述独立式风力发电电解水制氢海上加氢站还包括海水淡化系统；所述海水淡化系统包括依次设置的海水净化器和去离子器；
所述去离子器分别与PEM电解水制氢系统中的PEM电解槽301和AEL电解水制氢系统中的AEL电解槽304连接。
所述去离子器与AEL电解槽304之间还设置有热处理器，所述热处理器的输入端还连接有碱液储罐。将去离子器流出的去离子水与碱液储罐流出的碱液进入热处理器后混合形成一定温度的碱液(如30％浓度的KOH溶液)后再进入AEL电解槽304中。
所述综合能源监控管理系统2与氢气储存系统6、加氢站供氢装置7、海水淡化系统连接；所述综合能源监控管理系统2还与电网系统3连接。
所述独立式风力发电电解水制氢海上加氢站还包括蓄电装置11、氢燃料电池发电系统12；
所述蓄电装置11与综合能源监控管理系统2连接；
所述氢燃料电池发电系统12包括一个或多个氢燃料电池；所述氢燃料电池发电系统12分别与氢气储存系统6和综合能源监控管理系统2连接。
所述综合能源监控管理系统2包括变压器和交流转直流转换器。
所述氢气储存系统6包括高压储氢罐、中低压储氢罐、固态储氢罐中的一种或多种；本实施例中选用高压储氢罐。
所述PEM电解槽301、AEL电解槽304各为一个或多个；当PEM电解槽301为多个时，通过并联或串联连接；当AEL电解槽304为多个时，通过并联或串联连接。
所述风力发电装置1为海上风力发电机组；
所述蓄电装置11为锂电池蓄电装置。
以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种独立式风力发电电解水制氢海上加氢站，其特征在于，包括依次连接的风力发电装置、综合能源监控管理系统、电解水制氢系统、氢气储存系统、加氢站供氢装置；
所述电解水制氢系统包括PEM电解水制氢系统、AEL电解水制氢系统、氢气纯化器，所述PEM电解水制氢系统、AEL电解水制氢系统分别与氢气纯化器连接；氢气纯化器的输出端与氢气储存系统连接；
所述综合能源监控管理系统分别与PEM电解水制氢系统、AEL电解水制氢系统连接。
2.根据权利要求1所述的独立式风力发电电解水制氢海上加氢站，其特征在于，所述PEM电解水制氢系统包括PEM电解槽、第一氢气气水分离器、第一氧气气水分离器；所述PEM电解槽分别与第一氢气气水分离器、第一氧气气水分离器连接；
所述AEL电解水制氢系统包括AEL电解槽、第二氢气气水分离器、第二氧气气水分离器、氢气洗涤器、氧气洗涤器；所述AEL电解槽分别与第二氢气气水分离器、第二氧气气水分离器连接，所述氢气洗涤器与第二氢气气水分离器连接，氧气洗涤器与第二氧气气水分离器连接；
所述电解水制氢系统还包括氧气纯化器。
3.根据权利要求2所述的独立式风力发电电解水制氢海上加氢站，其特征在于，所述第一氢气气水分离器、氢气洗涤器分别与氢气纯化器连接；所述第一氧气气水分离器、氧气洗涤器分别与氧气纯化器连接。
4.根据权利要求3所述的独立式风力发电电解水制氢海上加氢站，其特征在于，所述氢气纯化器与氢气储存系统之间依次设置氢气缓冲装置、氢气压缩机；
所述氧气纯化器的输出端依次连接氧气缓冲装置、氧气压缩机和氧气储存系统。
5.根据权利要求1或2所述的独立式风力发电电解水制氢海上加氢站，其特征在于，所述独立式风力发电电解水制氢海上加氢站还包括海水淡化系统；所述海水淡化系统包括依次设置的海水净化器和去离子器；
所述去离子器分别与PEM电解水制氢系统中的PEM电解槽和AEL电解水制氢系统中的AEL电解槽连接。
6.根据权利要求5所述的独立式风力发电电解水制氢海上加氢站，其特征在于，所述去离子器与AEL电解槽之间还设置有热处理器，所述热处理器的输入端还连接有碱液储罐。
7.根据权利要求1所述的独立式风力发电电解水制氢海上加氢站，其特征在于，所述综合能源监控管理系统与氢气储存系统、加氢站供氢装置、海水淡化系统连接；所述综合能源监控管理系统还与电网系统连接。
8.根据权利要求1所述的独立式风力发电电解水制氢海上加氢站，其特征在于，所述独立式风力发电电解水制氢海上加氢站还包括蓄电装置、氢燃料电池发电系统；
所述蓄电装置与综合能源监控管理系统连接；
所述氢燃料电池发电系统包括一个或多个氢燃料电池；所述氢燃料电池发电系统分别与氢气储存系统和综合能源监控管理系统连接。
9.根据权利要求1所述的独立式风力发电电解水制氢海上加氢站，其特征在于，所述综合能源监控管理系统包括变压器和交流转直流转换器。
10.根据权利要求2所述的独立式风力发电电解水制氢海上加氢站，其特征在于，所述氢气储存系统包括高压储氢罐、中低压储氢罐、固态储氢罐中的一种或多种；
所述PEM电解槽、AEL电解槽各为一个或多个；当PEM电解槽为多个时，通过并联或串联连接；当AEL电解槽为多个时，通过并联或串联连接。
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