一种基于电吸附脱盐技术的海上风电制氢系统及方法与流程

本发明属于氢能源领域，涉及一种基于电吸附脱盐技术的海上风电制氢系统及方法。

背景技术：

随着气候变化、全球变暖问题日益加重，世界各国都开始积极减少碳排放、降低化石能源使用比例，发展清洁、可再生能源。我国同样加快了能源结构转型的步伐，近年来以风电和光伏为主的可再生能源发电发展迅猛。由于陆上优质风电场的日益减少，中国的海上风电发展逐步进入“加速期”。然而迅猛发展的背后也会伴随着各国海上风电产业面临的同样窘境，滞后的电网建设速度无法满足迅速扩张的电力外送需求，最终将会导致大规模弃风、弃电现象的出现。通过改变外送并网的单一应用模式，通过海上风电与高载能产业直接耦合，将并网与储能结合能够有效解决上述难题。其中氢能具有清洁高效的特点，被认为是未来最有潜力的能源载体。海上风电制氢能够就地消纳弃风、弃电，平衡电网中电力供需关系，为海上风电发展提供了可行的思路。

目前商业化电解制氢技术包括碱性电解水制氢和质子交换膜电解水制氢，两种技术都需要以纯水作为电解原料。离岸海上风电场缺乏纯水供应，限制了电解制氢技术的应用。反渗透、电渗析等海水淡化能够就地生产纯水，但其高昂的设备投资和复杂的工艺流程将会大幅增加制氢成本，削弱氢储能的经济效益。直接电解海水制氢技术可以有效规避纯水供应难题，但海水中含有高浓的cl^-、mg²⁺、ca²⁺会导致严重的制氢设备腐蚀和效率衰减问题。电吸附技术能够在电场力的作用下将海水中的离子吸附分离出来，而得到浓度较低的产品水。处理过程对原水品质近乎没有要求，循环运行的稳定性好，在施加较低外加电压条件下就能实现低能耗海水脱盐。采用经电吸附脱盐后的稀释海水作为电解制氢的原料，能够有效解决上述直接电解海水制氢的技术问题。

目前风电制氢技术主要用于陆上风电厂弃风消纳，受限于纯水补给问题，针对海上风电场氢储能的制氢技术至今尚未见报道。因此，本领域需要开发一种基于电吸附脱盐技术的海上风电制氢系统和方法，将海水脱盐和电解制氢相结合实现可再生风电的离岸就地消纳。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于电吸附脱盐技术的海上风电制氢系统及方法，该系统及方法能够将海水脱盐与电解制氢相结合实现可再生风电的离岸就地消纳。

为达到上述目的，本发明所述的基于电吸附脱盐技术的海上风电制氢系统包括海上风力发电场、功率分配器、电网、ac/dc整流器、电解制氢装置、氢气分离器、氢气储罐、氧气分离器、氧气储罐、排水储罐、海水输入管道、电吸附脱盐装置及补水储罐；

海上风力发电场的输出端与功率分配器的输入端相连接，功率分配器的输出端与电网及ac/dc整流器的输入端相连接，ac/dc整流器的输出端与电解制氢装置的电源接口相连接，电解制氢装置的氢气出口经氢气分离器与氢气储罐相连通，电解制氢装置的氧气出口与氧气分离器的入口相连通，氧气分离器的氧气出口与氧气储罐相连通，氧气分离器的出水口与排水储罐的入口相连通，排水储罐的出口及海水输入管道与电吸附脱盐装置的入口相连通，电吸附脱盐装置的出口与补水储罐的入口相连通，补水储罐的出口与电解制氢装置的入口相连通。

还包括冷却器及循环泵，其中，循环泵的入口与氧气分离器的出水口相连通，循环泵的出口经冷却器与电解制氢装置的入水口相连通。

电解制氢装置为阴离子交换膜电解槽，电解制氢装置中的隔膜为包含季铵、咪唑或吡啶的oh^-选择性交换膜；电解制氢装置中的阳极及阴极以钛网、钛波纹板、泡沫镍或泡沫铜为基底，表面引入活性涂层；阴极、隔膜及阳极紧密接触形成零间距电解槽结构。

电吸附脱盐装置内的电极为板状或毡状，电极的表面铺覆聚四氟乙烯网布，电极的材质为活性炭、碳纤维及碳纳米管中的一种或者几种复合而成。

本发明所述的基于电吸附脱盐技术的海上风电制氢方法包括以下步骤：

海上风力发电场实时发电，当海上风力发电场产生的电量小于等于电网的调度电量时，海上风力发电场输出的电经功率分配器全部输送给电网，当海上风力发电场产生的电量大于电网的调度电量时，海上风力发电场产生的电在满足电网调度的前提下，将多余的电经功率分配器及ac/dc整流器输送给电解制氢装置中，电解制氢装置电解水产生氢气和氧气，其中，氢气进入到储氢系统中储存，氢气进入到氢气分离器中进行分离，其中，分离出来的氧气进入到氧气储罐中，分离出来的水进入到排水储罐中，海水输入管道输出的海水及排水储罐输出的水汇流后进入到电解制氢装置中进行电解脱盐处理，电解脱盐处理后的稀释海水进入到补水储罐中，补水储罐输出的稀释海水进入到电解制氢装置中。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于电吸附脱盐技术的海上风电制氢系统及方法在具体操作时，海上风力发电场产生的电量在满足电网调度的前提下，将多余的电经ac/dc整流器输送给电解制氢装置中，通过电解制氢装置电解水产生氢气和氧气，实现可再生风电的离岸就地消纳，解决海上风电场弃风、弃电的消纳问题。另外，海水输入管道输出的海水进入到电解制氢装置中进行电解脱盐处理，电解脱盐处理后的稀释海水进入到电解制氢装置中，实现海水脱盐与电解制氢相结合，避免传统电解制氢对纯水的依赖，节省传统制氢工艺中海水淡化部分的投资，极大降低海上风电制氢项目的固定投资。另外，需要说明的是，本发明采用电吸附脱盐技术，降低制氢系统内海水中cl^-浓度，有利于抑制催化剂及极板的腐蚀，延长制氢系统使用寿命，同时有效去除海水中的ca²⁺及mg²⁺，防止硬度离子在电极表面沉积，能够显著降低制氢能耗和成本。

附图说明

图1为本发明的原理图。

其中，1为海上风力发电场、2为功率分配器、3为电网、4为ac/dc整流器、5为电解制氢装置、6为氢气分离器、7为氢气储罐、8为氧气分离器、9为氧气储罐、10为循环泵、11为冷却器、12为排水储罐、13为电吸附脱盐装置、14为补水储罐。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的基于电吸附脱盐技术的海上风电制氢系统包括海上风力发电场1、功率分配器2、电网3、ac/dc整流器4、电解制氢装置5、氢气分离器6、氢气储罐7、氧气分离器8、氧气储罐9、排水储罐12、海水输入管道、电吸附脱盐装置13及补水储罐14；海上风力发电场1的输出端与功率分配器2的输入端相连接，功率分配器2的输出端与电网3及ac/dc整流器4的输入端相连接，ac/dc整流器4的输出端与电解制氢装置5的电源接口相连接，电解制氢装置5的氢气出口经氢气分离器6与氢气储罐7相连通，电解制氢装置5的氧气出口与氧气分离器8的入口相连通，氧气分离器8的氧气出口与氧气储罐9相连通，氧气分离器8的出水口与排水储罐12的入口相连通，排水储罐12的出口及海水输入管道与电吸附脱盐装置13的入口相连通，电吸附脱盐装置13的出口与补水储罐14的入口相连通，补水储罐14的出口与电解制氢装置5的入口相连通。

本发明还包括冷却器11及循环泵10，其中，循环泵10的入口与氧气分离器8的出水口相连通，循环泵10的出口经冷却器11与电解制氢装置5的入水口相连通。

本发明所述的基于电吸附脱盐技术的海上风电制氢方法包括以下步骤：

海上风力发电场1实时发电，当海上风力发电场1产生的电量小于等于电网3的调度电量时，海上风力发电场1输出的电经功率分配器2全部输送给电网3，当海上风力发电场1产生的电量大于电网3的调度电量时，海上风力发电场1产生的电在满足电网3调度的前提下，将多余的电经功率分配器2及ac/dc整流器4输送给电解制氢装置5中，电解制氢装置5电解水产生氢气和氧气，其中，氢气进入到储氢系统中储存，氢气进入到氢气分离器6中进行分离，其中，分离出来的氧气进入到氧气储罐9中，分离出来的水进入到排水储罐12中，海水输入管道输出的海水及排水储罐12输出的水汇流后进入到电解制氢装置5中进行电解脱盐处理，电解脱盐处理后的稀释海水进入到补水储罐14中，补水储罐14输出的稀释海水进入到电解制氢装置5中。

电吸附脱盐装置13对海水进行脱盐处理，获得的稀释海水储存于补水储罐14中，作为电解制氢装置5的原料水源，系统根据循环海水的电导率自动控制海水补充量及排放量，当通过电解槽的循环海水电导率高于设定值时，开始向系统外排水至排水储罐12中，然后将稀释海水由补水储罐14补充进入系统中；当通过电解槽的循环海水电导率低于设定值时，停止补水。

电解制氢装置5为阴离子交换膜电解槽，电解制氢装置5中的隔膜为包含季铵、咪唑及吡啶的oh^-选择性交换膜；电解制氢装置5中的阳极及阴极以钛网、钛波纹板、泡沫镍或泡沫铜为基底，表面引入活性涂层；阴极、隔膜及阳极紧密接触形成零间距电解槽结构。

电吸附脱盐装置13内的电极为板状或毡状，电极的表面铺覆聚四氟乙烯网布，电极的材质为活性炭、碳纤维及碳纳米管中的一种或者几种复合而成。电极表面铺覆聚四氟乙烯网布，增加海水的湍动程度，促进离子在电极表面双电层内聚集，海水流过阴极板与阳极板之间，cl^-在电场作用下聚集在阳极表面，na⁺、mg²⁺及ca²⁺聚集在阴极表面，实现海水脱盐，获得离子浓度和电导率显著降低的稀释海水，海水中的cl^-浓度降低，有利于电解槽防腐；mg²⁺、ca²⁺浓度降低，有利于抑制电极表面沉淀物的生成，提高电解效率。

电吸附脱盐装置13运行期间具有两种工作状态：即吸附脱盐及脱附排污；当去除率高于设定值时，装置保持吸附脱盐的工作状态；当去除率低于设定值时，停止向电极供电，进行脱附排污；脱附排污时间为固定值，排污完成后继续为极板通电，电吸附脱盐装置13恢复至吸附脱盐的工作状态。