耦合电化学电源和超级电容器的混合制氢系统及控制方法

1.本发明涉及制氢技术领域，尤其是涉及一种耦合电化学电源和超级电容器的混合制氢系统及控制方法。


背景技术：

2.新能源的大类主要分为太阳能，核能，氢能，风能等，其中氢能作为没有任何二次污染产物，最清洁的能源，有望成为未来主要能源之一。电解水制氢是目前最常用的制氢技术之一，其中碱水电解制氢技术相对成熟，已经实现了商业化。对于碱水电解制氢系统的电能来源，主要包括电网、可再生能源等，可再生能源能够实现本质低碳化，实现全产业链无碳生成。
3.可再生能源主要包括风电和太阳能电池等，但是这些可再生能源会受到气候环境的影响，具有间歇性和不稳定性，例如风向和风速的变化、太阳光角度和强度的变化等，因此进入电解系统的电流存在波动。根据电流的变化特点，典型的电流变化主要分为两大类，一类是电流存在稳定且大范围波动，导致产生的电流急剧变化，直接导致电解槽产氢能力的变化；一类是电流在一个小范围内振荡，导致电解槽系统工作状态存在瞬时的高频次波动，导致电解槽稳定性和使用寿命的下降。目前现有技术中还未有一种考虑可再生能源的上述特性来进行制氢的系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够保证电解制氢系统高效稳定工作、提高能源利用率、延长碱性电解槽和电化学电源的使用寿命的耦合电化学电源和超级电容器的混合制氢系统及控制方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.作为本发明的第一方面，提供一种耦合电化学电源和超级电容器的混合制氢系统，所述的混合制氢系统包括碱性电解制氢子系统、分流模块、超级电容器、电化学电源和发电子系统；所述的发电子系统接入分流模块；所述的超级电容器、电化学电源和碱性电解制氢子系统分别接入分流模块；所述的分流模块根据是否存在超过预设阈值的电流波动来将稳定电流输入碱性电解制氢子系统，将波动电流输入超级电容器，将高于碱性电解制氢子系统的电流输入超级电容器和电化学电源。
7.作为优选的技术方案，所述的碱性电解制氢子系统包括碱水电解制氢装置和碱性膜电解制氢装置；所述的碱水电解制氢装置和碱性膜电解制氢装置分别接入分流模块。
8.作为优选的技术方案，所述的碱水电解制氢装置包括碱水电解槽、碱液循环设备和气液分离设备；所述的碱液循环设备和气液分离设备分别接入碱水电解槽；所述的碱水电解槽由正负极、隔膜和端板组装而成。
9.作为优选的技术方案，所述的碱性膜电解制氢装置包括碱水电解槽、碱液循环设备和气液分离设备；所述的碱液循环设备和气液分离设备分别接入碱水电解槽；所述的碱
水电解槽由正负极、碱性膜和端板组装而成。
10.作为优选的技术方案，所述的碱水电解槽的数量为单个或多个。
11.作为优选的技术方案，所述的超级电容器具体为：高功率密度储能设备。
12.作为优选的技术方案，所述的超级电容器为双电层超级电容器、赝电容超级电容器或电池-电容混合型超级电容器。
13.作为优选的技术方案，所述的电化学电源具体为：通过电化学储能的高能量密度储能设备。
14.作为优选的技术方案，所述的电化学电源为铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、锂电池、钠离子电池、钠电池、双离子电池和水系电池。
15.作为本发明的第二方面，提供一种用于上述混合制氢系统的控制方法，所述的控制方法包括：
16.步骤1：发电子系统将可再生能源转换成直流电，并输入分流模块；
17.步骤2：分流模块检测发电子系统输出电流值；
18.若发电子系统的输出电流超过电解槽的额定电流，则将电流分流，对碱性电解制氢子系统分配100％工况所需的电流，将剩余电流输入电化学电源；
19.在对电化学电源充电时，若检测到电流存在超过预设阈值的高频电流波动，则将波动电流分流输入到超级电容器，将稳定电流分流输入到电化学电源；
20.若发电子系统的输出电流低于电解槽的额定电流，但高于电解槽的最低工作电流，则将发电子系统的输出电流输入到碱性电解制氢子系统，若电流存在超过预设阈值的高频电流波动，则将波动电流输入超级电容器，或者调用超级电容器为碱性电解制氢子系统供电，以弥补电流波动，对碱性电解制氢子系统进行稳定供电；
21.若发电子系统的输出电流低于电解槽最低工作电流，则将将发电子系统的输出电流输入到碱性电解制氢子系统，同时调用电化学电源系统同时对电解槽系统供电，若电流信号存在超过预设阈值的高频电流波动，则将波动电流输入到超级电容器或者调用超级电容器弥补电流波动，对碱性电解系统进行稳定供电。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
23.一、保证电解制氢系统高效稳定工作：本发明中的混合制氢系统及其控制方法在发电子系统在电流低于电解系统最低电流时，电化学电源和超级电容器能够作为电源为电解系统功能，保证电解系统的高效稳定工作；在电流段时间内低于电解系统额定电流时，电化学电源能够提供电能保证电解系统处于额定工况工作；同时采用超级电容器能够消除可再生能源发电高频次波动的特征，使输入电解槽和电化学电源的电流保持一个稳定的状态。
24.二、提高能源利用率：本发明中的混合制氢系统及其控制方法在电流高于电解系统额定电流时，电化学电源和超级电容器能够有效地储存电能，提高可再生能源发电产生电能的利用率。
25.三、延长碱性电解槽和电化学电源的使用寿命：本发明中的混合制氢系统及其控制方法采用超级电容器系统能够消除可再生能源发电高频次波动的特征，使输入电解槽和电化学电源的电流保持一个稳定的状态，显著提升碱性电解槽和电化学电源的使用寿命。
附图说明
26.图1为本发明实施例中混合制氢系统的结构示意图；
27.图2为本发明实施例中混合制氢系统的另一结构示意图。
具体实施方式
28.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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
29.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”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技术和简化描述，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技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
30.图1和图2是本技术实施例中提供的一种耦合电化学电源和超级电容器的混合制氢系统的结构示意图，包括：碱性电解制氢子系统1、分流模块2、超级电容器3、发电子系统4和电化学电源5。发电子系统4接入分流模块2，超级电容器3、电化学电源5和碱性电解制氢子系统1分别接入分流模块2，分流模块2根据是否存在超过预设阈值的电流波动来将稳定电流输入碱性电解制氢子系统1，将波动电流输入超级电容器3。
31.具体的，碱性电解制氢子系统1包括碱水电解制氢装置和碱性膜电解制氢装置，碱水电解制氢装置和碱性膜电解制氢装置分别接入分流模块。
32.可选的，碱水电解制氢装置包括碱水电解槽、碱液循环设备和气液分离设备，碱液循环设备和气液分离设备分别接入碱水电解槽，碱水电解槽由正负极、隔膜和端板组装而成。常见的产氢能力包括但不限于200nm3/h，500nm3/h，800nm3/h，1000nm3/h，1500nm3/h，3000nm3/h等。
33.可选的，碱性膜电解制氢装置包括碱水电解槽、碱液循环设备和气液分离设备，碱液循环设备和气液分离设备分别接入碱水电解槽，碱水电解槽由正负极、碱性膜和端板组装而成。常见的产氢能力包括但不限于50nm3/h，100nm3/h，200nm3/h，500nm3/h等。
34.可选的，碱水电解槽的数量为单个或多个。
35.具体的，超级电容器具体为：高功率密度储能设备，可以选用双电层超级电容器、赝电容超级电容器或电池-电容混合型超级电容器。
36.具体的，电化学电源具体为：通过电化学储能的高能量密度储能设备，可以选用铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、锂电池、钠离子电池、钠电池、双离子电池和水系电池。
37.以上是关于系统实施例的介绍，以下通过方法实施例，对本发明所述方案进行进
一步说明。
38.一种用上述混合制氢系统的控制方法，包括：
39.步骤1：发电子系统将可再生能源转换成直流电，并输入分流模块；
40.步骤2：分流模块检测发电子系统输出电流值；
41.若发电子系统的输出电流超过电解槽的额定电流，则将电流分流，对碱性电解制氢子系统分配100％工况所需的电流，将剩余电流输入电化学电源；
42.在对电化学电源充电时，若检测到电流存在超过预设阈值的高频电流波动，则将波动电流分流输入到超级电容器，将稳定电流分流输入到电化学电源；
43.若发电子系统的输出电流低于电解槽的额定电流，但高于电解槽的最低工作电流，则将发电子系统的输出电流输入到碱性电解制氢子系统，若电流存在超过预设阈值的高频电流波动，则将波动电流输入超级电容器，或者调用超级电容器为碱性电解制氢子系统供电，以弥补电流波动，对碱性电解制氢子系统进行稳定供电；
44.若发电子系统的输出电流低于电解槽最低工作电流，则将将发电子系统的输出电流输入到碱性电解制氢子系统，同时调用电化学电源系统同时对电解槽系统供电，若电流信号存在超过预设阈值的高频电流波动，则将波动电流输入到超级电容器或者调用超级电容器弥补电流波动，对碱性电解系统进行稳定供电。
45.下面提供三个应用例来验证本实施例所提混合制氢系统及其控制方法的有效性：
46.一、针对可再生能源发电产生的电流密度具有间歇性和不稳定性的特点，提出一种耦合碱性电解系统，电化学电源和超级电容器的混合制氢系统，碱性电解系统为碱水电解系统，额定功率为5mw，产氢效率为1000nm3/h，额定电流为6000a；电化学电源为锂离子电池，额定功率为2mw；超级电容器为双电层电容器，额定功率为0.5mw。当可再生能源发电端电流输入为8000a，瞬时电流波动正负100a，通过电流分配，6000a稳定电流用于电解系统产氢，2000a对锂离子电池充电，过程中利用超级电容器高频次充放电消纳可再生能源发生瞬时电流波动。
47.二、针对可再生能源发电产生的电流密度具有间歇性和不稳定性的特点，提出一种耦合碱性电解系统，电化学电源和超级电容器的混合制氢系统，碱性电解系统为碱水电解系统，额定功率为5mw，产氢效率为1000nm3/h，额定电流为6000a；电化学电源为锂离子电池，额定功率为2mw；超级电容器为双电层电容器，额定功率为0.5mw。当可再生能源发电端电流输入为4000a，瞬时电流波动正负100a，通过电流分配，电解系统产氢的工作输入电流稳定在5000a，其中1000a电流由锂离子电池提供，过程中利用超级电容器高频次充放电消纳可再生能源发生瞬时电流波动。
48.三、针对可再生能源发电产生的电流密度具有间歇性和不稳定性的特点，提出一种耦合碱性电解系统，电化学电源和超级电容器的混合制氢系统，碱性电解系统为碱水电解系统，额定功率为5mw，产氢效率为1000nm3/h，额定电流为6000a；电化学电源为锂离子电池，额定功率为2mw；超级电容器为双电层电容器，额定功率为0.5mw。当可再生能源发电端电流输入为1000a，瞬时电流波动正负50a，通过电流分配，电解系统产氢的工作输入电流稳定在1200a(最低工作电流)，其中200a电流由锂离子电池提供，过程中利用超级电容器高频次充放电消纳可再生能源发生瞬时电流波动。
49.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何
熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。