一种电解制氢余热利用系统的制作方法

1.本技术涉及电解制氢技术领域，尤其涉及一种电解制氢余热利用系统。


背景技术：

2.随着社会经济的发展，化石能源短缺和环境污染问题日益突出，能源转型势在必行。氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，是支撑能源转型变革、构建现代能源体系的重要载体。发展氢能是实现碳达峰碳中和的重要路径。在目前风电、光伏可再生能源的大规模发展的背景下，可再生能源电解水制氢受到了越来越多的广泛关注。但与化石能源制氢相比，可再生能源电解水制氢在生产运行成本与设备投资成本上仍然是相对昂贵的，其中电力成本占比最大，约为40％～60％。因此，降低电解水制氢过程中的系统能耗对于其工业化发展至关重要。
3.在电解水制氢过程中，由于电极、隔膜、电解液等部件存在一定的电阻，这些部件的电流热效应会使电解槽中的电解液温度不断升高，因此为了使电解槽的工作温度稳定在适当的范围内，从电解槽出来的电解液在经过气液分离器分离后需对其先进行冷却，之后方可回流至电解槽。目前，工业应用中尚未对这部分废热进行回收利用，进一步增大了电解水制氢系统的能量损失。


技术实现要素：

4.本技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
5.为此，本技术的目的在于提出一种电解制氢余热利用系统，通过设置热电发电系统将电解水制氢系统运行过程中产生的废热进行回收，用作热电发电系统中的供热来源，利用热电器件之间产生的温差进行热电转化，实现废热向电能的转化。本系统设计合理、使用简单、提高了能源利用效率，工作过程清洁无污染。
6.为达到上述目的，本技术提出的一种电解制氢余热利用系统，包括通过循环水管路首尾连接的电解制氢系统、循环冷却系统和热电发电系统，所述循环冷却系统的循环水通过所述循环水管路流经所述电解制氢系统进行换热，所述电解制氢系统内换热升温后的循环水流经所述热电发电系统进行供热发电，所述热电发电系统内的循环水通过循环水管路回流至所述循环冷却系统。
7.进一步地，所述电解制氢系统包括通过电解液管路首尾连接的电解槽、气液分离器和电解液换热器，所述电解槽通过电解液管路向所述气液分离器通入气液混合物，所述气液分离器通过电解液管路向所述电解液换热器通入分离后的碱液，所述循环水管路经过所述电解液换热器，所述碱液和所述循环水在所述电解液换热器内进行换热，所述电解液换热器内换热后的碱液回流至所述电解槽内。
8.进一步地，所述电解制氢系统还包括气体冷却器，所述气液分离器通过气体管路和所述气体冷却器连通，所述气液分离器通过气体管路向所述气体冷却器通入气体，所述循环水管路经过所述气体冷却器，所述循环水和所述气体在所述气体冷却器内进行换热。
9.进一步地，所述气体冷却器和电解液换热器为间壁式换热结构。
10.进一步地，所述电解槽为碱性电解槽或pem电解槽。
11.进一步地，所述电解液管路上和所述循环水管路上均设有温度计和调节阀。
12.进一步地，所述热电发电系统包括半导体温差发电器。
13.进一步地，所述热电发电系统的运行温度范围为30～300度。
14.进一步地，所述电解液换热器和所述电解槽之间的电解液管路上设置有循环泵。
15.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
16.本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
17.图1是本技术一实施例提出的一种电解制氢余热利用系统的结构示意图。
具体实施方式
18.下面详细描述本技术的实施例，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，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。相反，本技术的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
19.图1是本技术一实施例提出的一种电解制氢余热利用系统的结构示意图。
20.参见图1，一种电解制氢余热利用系统，包括通过循环水管路首尾连接的电解制氢系统1、循环冷却系统2和热电发电系统3，所述循环冷却系统2的循环水通过所述循环水管路流经所述电解制氢系统1进行换热，所述电解制氢系统1内换热升温后的循环水流经所述热电发电系统3进行供热发电，所述热电发电系统3内的循环水通过循环水管路回流至所述循环冷却系统2。
21.本实施例中，循环冷却系统2、气体冷却器7、电解液换热器6和热电发电系统3构成循环水循环回路，通过循环水的流动将电解制氢系统1的余热带到热电发电系统3内进行发电，提高了能源的利用效率。热电发电系统3的工作原理基于塞贝克效应，利用热电器件之间产生的温差将热能转化为电能形式的设备，热电发电系统3内的两种半导体的接合端置于高温，处于低温环境的另一端就可得到电动势，经过换热后升温后的循环水进入到热电发电系统中的高温端，在热电发电系统中由于存在温差而产生塞贝克效应，实现热能向电能的转化。产生的电能可以供应给电解槽进行电解水制氢，也可以通过蓄电池进行存储，作为产品出售。
22.可以理解地，循环冷却系统2的循环水通过循环水管路流经电解制氢系统1和热电发电系统3，只与其进行热量交换，循环冷却系统2作为独立的循环水循环回路系统，并不与电解制氢系统1及热电发电系统3进行物质交换，保证了循环水的循环利用，优选地，循环冷却系统包括循环冷却塔和与其连接循环水管路。循环冷却塔作为循环水的中转枢纽，用于进行存储以及补充循环水，通过循环水管路布散各处。
23.所述电解制氢系统1包括通过电解液管路首尾连接的电解槽4、气液分离器5和电解液换热器6，所述电解槽4通过电解液管路向所述气液分离器5通入气液混合物，所述气液分离器5通过电解液管路向所述电解液换热器6通入分离后的碱液，所述循环水管路经过所述电解液换热器6，所述碱液和所述循环水在所述电解液换热器6内进行换热，所述电解液换热器6内换热后的碱液回流至所述电解槽4内。
24.本实施例中，电解槽4、气液分离器5和电解液换热器6通过电解液管路连接，构成电解液循环回路，电解槽4中的气液混合物经过分离，气体通入气体冷却器5中，碱液回流至电解槽4中，减少碱液的消耗，在碱液回流过程中，通过循环水管路与其进行换热降温，避免碱液过热造成电解槽故障，换热后的循环水流经热电发电系统进行发电，电解制氢系统的废热得到充分利用。提高了系统的热量利用效率。
25.所述电解制氢系统1还包括气体冷却器7，所述气液分离器5通过气体管路和所述气体冷却器7连通，所述气液分离器5通过气体管路向所述气体冷却器7通入气体，所述循环水管路经过所述气体冷却器7，所述循环水和所述气体在所述气体冷却器7内进行换热。
26.本实施例中，经过气液分离后的气体还具有较高的温度，需要设置气体冷却器7对其进行冷却，以便于进行存储利用，本技术的循环水管路经过气体冷却器7，可以螺旋缠绕的形式布置于气体管路外侧对气体进行降温，具有较好的冷却效果，当然在其他实施例中，也可以以其他形式进行布置，本技术对此不作限制。
27.所述气体冷却器7和电解液换热器6为间壁式换热结构。即冷，热两流体被一层固体壁面(管或板)隔开，不相混合，通过间壁进行热交换。在进行热量的交换的同时避免了液体的混杂，保证了热交换的物质的独立性。
28.所述电解槽4为碱性电解槽或pem电解槽。采用以上类型的电解槽具有较高的电解效率，且应用普遍，设备容易购得。
29.所述电解液管路上和所述循环水管路上均设有温度计和调节阀。通过在电解液管路上和循环水管路上设置温度计实现对系统运行温度的监测，调节阀可以通过开度的大小调控管路里面液体的流量，进而实现温度的控制。
30.所述热电发电系统3的运行温度范围为30～300度。在此温度区间，热电发电系统具有较高的发电效率。
31.所述热电发电系统3包括半导体温差发电器。采用高热电优值的两种半导体热电材料可以将热能直接转换成为电能。体积小、寿命长，工作时无噪声，而且无须维护。热电发电系统还可以包括绝热保温层和散热部件，是为半导体热电器件提供工作温差的重要温场部件，它们是半导体热电器件正常高效工作的基础。
32.所述电解液换热器6和所述电解槽4之间的电解液管路上设置有循环泵。循环泵的设置可以提高碱液在碱液循环回路的流动速度，进而提升电解效率。
33.电解槽4中水分解产生的氢气和氧气在电解液的夹带下进入气液分离器5，经过分离后的氢气和氧气进入气体冷却器7后排出管道；而分离后的电解液则经过电解液换热器6，之后泵回到电解槽4中；循环冷却系统2的循环水先后经过气体冷却器7和电解液换热器6，实现对氢气、氧气和电解液的冷却，同时循环水的温度升高；之后循环水进入到热电发电系统3中的高温端，在热电发电系统中由于存在温差而产生塞贝克效应，实现热能向电能的转化。
34.需要说明的是，在本技术的描述中，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。此外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
35.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
36.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
37.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种电解制氢余热利用系统，其特征在于，包括通过循环水管路首尾连接的电解制氢系统、循环冷却系统和热电发电系统，所述循环冷却系统的循环水通过所述循环水管路流经所述电解制氢系统进行换热，所述电解制氢系统内换热升温后的循环水流经所述热电发电系统进行供热发电，所述热电发电系统内的循环水通过循环水管路回流至所述循环冷却系统。2.如权利要求1所述的电解制氢余热利用系统，其特征在于，所述电解制氢系统包括通过电解液管路首尾连接的电解槽、气液分离器和电解液换热器，所述电解槽通过电解液管路向所述气液分离器通入气液混合物，所述气液分离器通过电解液管路向所述电解液换热器通入分离后的碱液，所述循环水管路经过所述电解液换热器，所述碱液和所述循环水在所述电解液换热器内进行换热，所述电解液换热器内换热后的碱液回流至所述电解槽内。3.如权利要求2所述的电解制氢余热利用系统，其特征在于，所述电解制氢系统还包括气体冷却器，所述气液分离器通过气体管路和所述气体冷却器连通，所述气液分离器通过气体管路向所述气体冷却器通入气体，所述循环水管路经过所述气体冷却器，所述循环水和所述气体在所述气体冷却器内进行换热。4.如权利要求3所述的电解制氢余热利用系统，其特征在于，所述气体冷却器和电解液换热器为间壁式换热结构。5.如权利要求2所述的电解制氢余热利用系统，其特征在于，所述电解槽为碱性电解槽或pem电解槽。6.如权利要求2所述的电解制氢余热利用系统，其特征在于，所述电解液管路上和所述循环水管路上均设有温度计和调节阀。7.如权利要求1所述的电解制氢余热利用系统，其特征在于，所述热电发电系统包括半导体温差发电器。8.如权利要求1所述的电解制氢余热利用系统，其特征在于，所述热电发电系统的运行温度范围为30～300度。9.如权利要求2所述的电解制氢余热利用系统，其特征在于，所述电解液换热器和所述电解槽之间的电解液管路上设置有循环泵。

技术总结
本申请提出一种电解制氢余热利用系统，包括通过循环水管路首尾连接的电解制氢系统、循环冷却系统和热电发电系统，所述循环冷却系统的循环水通过所述循环水管路流经所述电解制氢系统进行换热，所述电解制氢系统内换热升温后的循环水流经所述热电发电系统进行供热发电，所述热电发电系统内的循环水通过循环水管路回流至所述循环冷却系统，通过设置热电发电系统将电解水制氢系统运行过程中产生的废热进行回收，用作热电发电系统中的供热来源，利用热电器件之间产生的温差进行热电转化，实现废热向电能的转化。本系统设计合理、使用简单、提高了能源利用效率，工作过程清洁无污染。工作过程清洁无污染。工作过程清洁无污染。


技术研发人员：刘丽萍 王金意 任志博 王凡 王韬 郭海礁 王鹏杰 余智勇 张畅 徐显明 潘龙
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技术研发日：2021.12.24
技术公布日：2022/3/8