【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及可再生能源水电解制氢，尤其涉及到一种用于pem制氢的低能耗补水结构、等压制氢系统及方法。
技术介绍
1、绿氢作为一种绿色二次能源，其大规模应用可以实现零碳排放，推动现有能源系统向更新型、更优化的方向转型。通过大规模可再生能源发电制取绿氢，不仅有助于解决我国 “弃风、弃光”等现象，又能解决新能源消纳及并网稳定性问题，实现环境可持续发展。pem（质子交换膜）水电解制氢是水电解制氢技术路径之一，具有工作电流密度大（＞1 a/cm2），总体效率更高（74%~87%），氢气体积分数更高（>99.99%），产气压力更高（3-4 mpa），动态响应速度更快，能适应可再生能源发电的波动性等特点，被认为是极具发展前景的水电解制氢技术。
2、目前国内生产的pem电解堆单堆产氢量基本都在50-100nm³/h左右，为了适应可再生能源制氢需求，单堆产量需要进一步提升，国外单堆产氢量已达1000nm³/h。然而现在主流的pem（质子交换膜）系统多为差压形式，但差压式系统也同样存在一些难以避免的问题，其一就是膜电极质子膜强度有限，厚度也受国内外材料供应影响，差压对质子膜质量要求高，对pem电堆结构要求高，对装配要求高，目前主流产品最大差压均为3mpa左右。较之差压系统，等压系统可以有效的降低质子膜强度和pem电堆结构要求，使电堆耐用性增强。而小产能的制氢bop对纯水消耗量低，只需要使用隔膜泵补充纯水就可以了。但是对大产能的bop（balance of plant）系统而言，隔膜泵或者柱塞泵补水很难能满足使用要求。并联隔膜泵或
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于pem制氢的低能耗补水结构。
2、为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：
3、一种用于pem制氢的低能耗补水结构，包括常压的纯水储水箱、变压的纯水补水罐、中、高压的纯水循环罐；
4、所述纯水储水箱设于纯水循环罐上方，且纯水储水箱与自来水管之间连接有纯水机；
5、所述纯水补水罐设于纯水储水箱和纯水循环罐之间，且纯水补水罐分别通过管道与纯水储水箱和纯水循环罐连接，并纯水补水罐设有排气泄压组件；
6、纯水补水罐与纯水储水箱之间的管道上设有第一补水阀门；
7、纯水补水罐与纯水循环罐之间的管道上设有第二补水阀门以及均压组件；
8、所述纯水循环罐与pem电堆连接，为pem电堆补水，并接收pem电堆所提供的氧气，且纯水循环罐设有氧气调节阀。
9、本技术方案中，纯水储水箱空间位置高于纯水补水罐，而纯水补水罐高于纯水循环水罐，靠重力即可进行补水，没有额外的泵送动力，另外，又巧妙地利用需要排空氧气产生的压力，因而可大大节约纯水循环罐补水的能耗，为制备绿氢增加经济性，进一步降低等压制氢系统的结构难度和成本。
10、进一步地，本专利技术另外提供一种等压制氢系统，其包括上述的用于pem制氢的低能耗补水结构和pem电堆；
11、所述纯水循环罐和pem电堆之间设有为pem电堆补水的管道和为纯水循环罐供氧气的管道；
12、为pem电堆补水的管道上设有循环泵和过滤器；
13、为纯水循环罐供氧气的管道上设有换热器。
14、进一步地，所述pem电堆设有氮气吹扫入口；
15、所述纯水储水箱设有氧中氢传感器。
16、进一步地，还包括有氢气一级气水分离罐、氢气二级气水分离罐、第一去离子树脂罐；
17、所述氢气一级气水分离罐通过管道与pem电堆的氢气出口连通；
18、所述氢气二级气水分离罐连接于氢气一级气水分离罐和第一去离子树脂罐之间；
19、所述第一去离子树脂罐与纯水储水箱连接。
20、进一步地，还包括有第二去离子树脂罐、去离子水回水阀门、去离子支路限流垫片、去离子循环开关阀；
21、所述纯水循环罐和纯水储水箱之间设有回水管道；
22、从纯水循环罐往纯水储水箱方向，去离子循环开关阀、去离子支路限流垫片、第二去离子树脂罐、去离子水回水阀门依次设置于所述回水管道上。
23、进一步地，本专利技术另外提供一种等压制氢方法，采用上述的等压制氢系统实现，其包括：
24、循环泵运转，将纯水循环水罐的纯水泵送，依次通过过滤器、pem电堆、换热器重新回到纯水循环罐子进行气水分离，待循环泵启动完成，且无信号异常故障，启动电解电源，给pem电堆加电；
25、pem电堆制得氢气、氧气的过程中通过低能耗补水结构进行补水，而补水过程中控制氢侧和氧侧压力平衡，两侧差压不得高于设定值，直至系统氢侧和氧侧压力达到额定压力。
26、进一步地，通过低能耗补水结构进行补水的过程包括：
27、当纯水循环罐满水工作时，通过调节排气泄压组件将纯水补水罐泄放为常压，在重力的作用下，纯水储水箱内的纯水流入纯水补水罐内并补满纯水补水罐，过程中，纯水机则根据纯水储水箱的液位对纯水储水箱进行补水；
28、纯水补水罐补满后，关闭第一补水阀门，调节排气泄压组件，关闭排气泄压，打开均压连通管路支路电磁阀，将纯水循环罐内的氧气输送至纯水补水罐内，使得纯水补水罐充压至与纯水循环罐相同的压力，并通过调节氧气调节阀往纯水循环罐外部输出氧气来维持氢气侧和氧气侧的压力平衡；
29、当纯水循环罐液位低至补水需求时，同时打开均压连通管路球阀和第二补水阀门，靠重力将纯水补水罐内的纯水补至纯水循环水罐内，直至补满纯水循环水罐后，关闭第二补水阀门、均压连通管路支路电磁阀以及均压连通管路球阀；
30、开启纯水补水罐的泄压电磁阀进行泄压，待纯水补水罐泄压至常压后，打开排气阀门以及第一补水阀门，进行下一轮补水循环。
31、进一步地，循环泵运转之前，通过氮气吹扫入口往系统内吹扫氮气，吹扫氮气完成后，通过氧中氢传感器检测系统内的氧中氢浓度，若氧中氢浓度在许用范围内，则循环泵运转，否则继续往系统内吹扫氮气，直至氧中氢浓度在许用范围内。
32、进一步地，从pem电堆生成的氢气为带有水气的氢气，该带有水气的氢气从氢气出口到达氢气一级气水分离罐后，分离出液态水与氢气，而分离出的液态水再经过氢气二级气水分离罐，减压析出氢气后再经过第一去离子树脂罐净化后回到纯水储水箱，达到节约水资源的目的。
33、进一步地，当纯水循环罐内纯水离子浓度高时，通过补水或/和向纯水储水箱回水，从而降低纯水循环罐内纯水离子浓度；
34、而向纯水储水箱回水时，去离子水回水阀门、去离子支路限流垫片、去离子循环开关阀配合开关回水管道以及纯水限流，从而通过第二去离子树脂罐来完成纯水置换，维持纯水循环罐内纯水的离子浓度在设定值。
35、与现有技术相比，本技术方案原本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于PEM制氢的低能耗补水结构，其特征在于，包括常压的纯水储水箱、变压的纯水补水罐、中、高压的纯水循环罐；
2.一种等压制氢系统，其特征在于，包括权利要求1所述的用于PEM制氢的低能耗补水结构和PEM电堆；
3.根据权利要求2所述的一种等压制氢系统，其特征在于，所述PEM电堆设有氮气吹扫入口；
4.根据权利要求2所述的一种等压制氢系统，其特征在于，还包括有氢气一级气水分离罐、氢气二级气水分离罐、第一去离子树脂罐；
5.根据权利要求2所述的一种等压制氢系统，其特征在于，还包括有第二去离子树脂罐、去离子水回水阀门、去离子支路限流垫片、去离子循环开关阀；
6.一种等压制氢方法，其特征在于，采用权利要求2所述的等压制氢系统实现，其包括：
7.根据权利要求6所述的一种等压制氢方法，其特征在于，均压组件包括均压连通管路支路电磁阀和均压连通管路球阀，该均压连通管路支路电磁阀和均压连通管路球阀并联；排气泄压组件包括排气阀门和泄压电磁阀，该排气阀门和泄压电磁阀均与通向外部的管道连通；
8.根据权利要求6所述
9.根据权利要求6所述的一种等压制氢方法，其特征在于，等压制氢系统还包括有氢气一级气水分离罐、氢气二级气水分离罐、第一去离子树脂罐；所述氢气一级气水分离罐通过管道与PEM电堆的氢气出口连通；所述氢气二级气水分离罐连接于氢气一级气水分离罐和第一去离子树脂罐之间；所述第一去离子树脂罐与纯水储水箱连接；
10.根据权利要求6所述的一种等压制氢方法，其特征在于，等压制氢系统还包括有第二去离子树脂罐、去离子水回水阀门、去离子支路限流垫片、去离子循环开关阀；所述纯水循环罐和纯水储水箱之间设有回水管道；从纯水循环罐往纯水储水箱方向，去离子循环开关阀、去离子支路限流垫片、第二去离子树脂罐、去离子水回水阀门依次设置于所述回水管道上；
...【技术特征摘要】
1.一种用于pem制氢的低能耗补水结构，其特征在于，包括常压的纯水储水箱、变压的纯水补水罐、中、高压的纯水循环罐；
2.一种等压制氢系统，其特征在于，包括权利要求1所述的用于pem制氢的低能耗补水结构和pem电堆；
3.根据权利要求2所述的一种等压制氢系统，其特征在于，所述pem电堆设有氮气吹扫入口；
4.根据权利要求2所述的一种等压制氢系统，其特征在于，还包括有氢气一级气水分离罐、氢气二级气水分离罐、第一去离子树脂罐；
5.根据权利要求2所述的一种等压制氢系统，其特征在于，还包括有第二去离子树脂罐、去离子水回水阀门、去离子支路限流垫片、去离子循环开关阀；
6.一种等压制氢方法，其特征在于，采用权利要求2所述的等压制氢系统实现，其包括：
7.根据权利要求6所述的一种等压制氢方法，其特征在于，均压组件包括均压连通管路支路电磁阀和均压连通管路球阀，该均压连通管路支路电磁阀和均压连通管路球阀并...
【专利技术属性】
技术研发人员：张进秋，张泰基，郑宇洋，陈先畅，陈汉忠，
申请(专利权)人：明阳智慧能源集团股份公司，
类型：发明
国别省市：
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