1.本发明涉及制氢系统的技术领域，具体涉及一种新型可再生能源制氢系统。
背景技术：
2.氢能源是未来可以同时解决能源危机和环境污染问题的绿能源，是未来能源的发展趋势；通过风、光等可再生能源电解水制氢储能可以极大地提高电力系统安全稳定性，且几乎无污染排放，我国可再生能源制氢潜力巨大，已连续8年成为全球可再生能源最大投资国，风电、光伏等可再生能源装机容量均为世界第一，应用前景非常广阔。国家及地方政府正积极布局氢能发展战略，逐步完善氢能政策体系，尽快实现制氢关键技术和材料国产化。
3.我国目前的可再生能源制氢四种技术路线(碱性水电解(aew)、
质子交换膜水电解(pem)、阴离子交换膜水电解(aem)以及固体氧化物水电解(soe)) 中，阴离子交换膜水电解(aem)尚处于实验室阶段；碱性水电解(aew)制氢技术路线成熟，经济性较好，但存在单体制氢能力较小、电流密度小、占地面积大等问题；固体氧化物水电解(soec)制氢技术成熟度较差、投资成本高，处于小型示范阶段；质子交换膜水电解(pem)制氢电流密度高、效率高、电解槽体积小且运行灵活，但其在国内发展时间较短，设备功率和经济性还有待进一步突破，尤其是大规模制氢其需要有一个大的控制系统来进行实时检测与测量、数据通讯和传输，最主要的是制氢设备需要能够适应宽功率波动的高效低成本的制氢系统，才有可能实现大规模的制氢，但是目前的技术还无法实现。
技术实现要素：
4.针对现有技术中的不足，本发明提供一种新型可再生能源制氢系统，其能够宽范围调整制氢功率的大小，适应绿电的波动性和不确定性，且能够将绿电的波动性对制氢系统的影响降到零，提高制氢的电流密度和效率，同时保证较高的氢气纯度，降低制氢的运行成本，延长了电极使用寿命。
5.本发明提供了一种新型可再生能源制氢系统，包括：
6.蒸汽储热箱，
所述蒸汽储热箱内设有用于制取水蒸气的蒸汽发生器；
7.第一
等离子体装置，所述第一等离子体装置与所述蒸汽储热箱接通，所述水蒸气进入所述第一等离子体装置内，所述水蒸气被电离并生成粒子团；
8.第一质子交换装置，所述第一质子交换装置与所述第一等离子体装置接通，所述粒子团进入所述第一质子交换装置内，所述第一质子交换装置用于将粒子团中的h
+
筛选并电解生成h2；
9.第二等离子体装置，所述第二等离子体装置与所述第一质子交换装置接通，第一质子交换装置内的粒子团进入第二等离子体装置内，所述第二等离子体装置用于将粒子团中的oh-电离生产h
+
和0；
10.第二质子交换装置，所述第二质子交换装置与所述第二等离子体装置接通，所述
第二等离子体装置内的粒子团进入所述第二质子交换装置内，所述第二质子交换装置用于将粒子团中的h
+
筛选并电解生成h2。
11.作为本发明的进一步改进，所述第一等离子体装置包括均绝缘的第一筒体和第一端板，所述第一筒体的两端均密封固定有所述第一端板，所述第一筒体的内部为用于电离水蒸气的密封腔。
12.作为本发明的进一步改进，所述第一筒体的内部设有第一内电极，所述第一内电极的两端分别固定在对应端的第一端板上，所述第一筒体的外侧壁设有第一外电极，所述第一内电极和第一外电极分别与第一等离子体电源的两极电性连接。
13.作为本发明的进一步改进，所述第一筒体上设有冷凝水通道，所述冷凝水通道通过管道与凝水器的进口接通，所述凝水器的出口与所述蒸汽储热箱接通。
14.作为本发明的进一步改进，所述第一质子交换装置包括第一质子交换膜、分别设置在第一质子交换膜两端的第一质子扩散层和第一氢气储箱，所述第一质子扩散层与所述第一等离子体装置接通，所述第一氢气储箱内设有第一负极板，该第一负极板用于提供电子。
15.作为本发明的进一步改进，所述第二等离子体装置包括均绝缘的第二筒体和第二端板，所述第二筒体的两端均密封固定有所述第二端板，所述第二筒体的内部为用于电离粒子团的密封腔，该密封腔与第一质子交换装置的第一质子扩散层接通。
16.作为本发明的进一步改进，所述第二筒体的内部设有第二内电极，所述第二内电极的两端分别固定在对应端的第二端板上，所述第二筒体的外侧壁设有第二外电极，所述第二内电极和第二外电极分别与第二等离子体电源的两极电性连接。
17.作为本发明的进一步改进，所述第二质子交换装置包括第二质子交换膜、分别设置在第二质子交换膜两端的第二质子扩散层和第二氢气储箱，所述第二质子扩散层与所述第二等离子体装置接通，所述第二氢气储箱内设有第二负极板，该第二负极板用于提供电子。
18.作为本发明的进一步改进，所述制氢系统还包括负高压电源，所述负高压电源的一极接地以获取电子，所述负高压电源的另一极分别与第一负极板和第二负极板电性连接，以将获取的电子分别输送至第一负极板和第二负极板上。
19.作为本发明的进一步改进，所述第二质子扩散层上还接通有氧气贮存器。
20.本发明的有益效果：
21.本发明是一种新型可再生能源制氢系统，首先，通过调节水蒸汽的流量和等离子体装置的功率，以适应绿电的特征波动曲线，结合谷电和日常用电，确保系统稳定运行，可以宽范围调整制氢功率的大小；其次，用蒸汽储热箱将波动的电能转化为蒸汽或热水进行储能，需要时释放，可以将绿电的波动性对制氢系统的影响降到零；再者，利用双重等离子体装置和质子交换装置进行氢离子过滤，纯度高，结合大功率负极板提供强电场力，提高制氢的电流密度和效率的同时保证较高的氢气纯度；最后，利用负高压电源从大地中抽取自由电子并向负极板发射电子，为氢离子生成氢气提供低成本电子，同时可以替代电解电源，制氢耗电大大降低，延长了电极使用寿命，无需催化剂电离，质子交换装置寿命延长。
附图说明
22.图1为本发明一种新型可再生能源制氢系统的平面结构示意图；
23.图中标号说明：
24.10、第一等离子体装置；11、第一筒体；12、第一端板；13、第一内电极； 14、第一外电极；15、第一等离子体电源；16、冷凝水通道；17、凝水器；18、蒸汽储热箱；20、第一质子交换装置；21、第一质子扩散层；22、第一质子交换膜；23、第一氢气储箱；24、第一负极板；30、第二等离子体装置；31、第二筒体；32、第二端板；33、第二内电极；34、第二外电极；35、第二等离子体电源；40、第二质子交换装置；41、第二质子交换膜；42、第二质子扩散层； 43、氧气贮存器；44、第二氢气储箱；45、第二负极板；50、负高压电源。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
26.参照图1所示，本发明一种新型可再生能源制氢系统的一实施例；
27.一种新型可再生能源制氢系统，包括：
28.蒸汽储热箱18，所述蒸汽储热箱18内设有用于制取水蒸气的蒸汽发生器；蒸汽储热箱18的主要动力来源是电能，蒸汽发生器通过电能制取低温水蒸气，且可以调节水蒸气的流量和温度，蒸汽储热箱18是整个系统中能耗最高的部分，可以使用可再生能源(太阳能、风能等)发电及低谷电存蓄蒸汽或热水，内置蒸汽发生器，随时提供蒸汽，也就是说，用蒸汽储热箱18将波动的电能转化为蒸汽或热水进行储能，需要时释放，可以将绿电的波动性对制氢系统的影响降到零；
29.第一等离子体装置10，所述第一等离子体装置10与所述蒸汽储热箱18接通，所述水蒸气进入所述第一等离子体装置10内，所述水蒸气被电离并生成粒子团；具体来说，水蒸气进入第一等离子体装置10内被电离为h
+
和oh-，也就是氢离子和氢氧根离子。
30.第一质子交换装置20，所述第一质子交换装置20与所述第一等离子体装置10接通，所述粒子团进入所述第一质子交换装置20内，所述第一质子交换装置20用于将粒子团中的h
+
筛选并电解生成h2，也就是氧气。
31.第二等离子体装置30，所述第二等离子体装置30与所述第一质子交换装置20接通，第一质子交换装置20内的粒子团进入第二等离子体装置30内，所述第二等离子体装置30用于将粒子团中的oh-电离生产h
+
和0，也就是氢离子和氧原子。
32.第二质子交换装置40，所述第二质子交换装置40与所述第二等离子体装置30接通，所述第二等离子体装置30内的粒子团进入所述第二质子交换装置 40内，所述第二质子交换装置40用于将粒子团中的h
+
筛选并电解生成h2，利用双重等离子体装置和质子交换装置进行氢离子过滤，纯度高，结合大功率负极板提供强电场力，提高制氢的电流密度和效率的同时保证较高的氢气纯度。
33.在一具体实施例中，所述第一等离子体装置10包括均绝缘的第一筒体11 和第一端板12，所述第一筒体11的两端均密封固定有所述第一端板12，所述第一筒体11的内部为用于电离水蒸气的密封腔，所述第一筒体11的内部设有第一内电极13，第一内电极13为螺纹丝管，所述第一内电极13的两端分别固定在对应端的第一端板12上，所述第一筒体11的
外侧壁设有第一外电极14，该第一外电极14为盘绕在第一筒体11外壁上的镍铬片线圈，所述第一内电极 13和第一外电极14分别与第一等离子体电源15的两极电性连接。
34.所述第一等离子体电源15为交流高压电源，两个电极接通电源后会在绝缘的第一筒体11内产生高频、高压电场，水蒸气进入绝缘的第一筒体11内后在交流电场震荡的作用下会被电离为等离子体态，也就形成所述粒子团，主要包括h
+
、e-和oh-，也就是氢离子、电子和氢氧根离子，等离子化过程中由于两个电极之间并未产生电流，只是产生了能量密度极高的强磁场力，所以耗电功率非常小，利用强磁场力将水分子很轻易的分解为粒子团，大大提高了水电解的电能使用效率、降低了水电解的能耗。
35.在一具体实施例中，所述第一筒体11上设有冷凝水通道16，所述冷凝水通道16通过管道与凝水器17的进口接通，所述凝水器17的出口与所述蒸汽储热箱18接通，凝水器17将第一等离子体装置10中未电离的冷凝水和水蒸气收集、冷凝并输送到蒸汽储热箱18的蒸汽发生器中，通过调节水蒸汽的流量和等离子体装置的功率，以适应绿电的特征波动曲线，结合谷电和日常用电，确保系统稳定运行，可以宽范围调整制氢功率的大小，同时，用蒸汽储热箱18将波动的电能转化为蒸汽或热水进行储能，需要时释放，可以将绿电的波动性对制氢系统的影响降到零。
36.在一具体实施例中，所述第一质子交换装置20包括第一质子交换膜22、分别设置在第一质子交换膜22两端的第一质子扩散层21和第一氢气储箱23，所述第一质子扩散层21与所述第一等离子体装置10接通，所述第一氢气储箱23内设有第一负极板24，该第一负极板24用于提供电子，具有来说，水蒸气进入第一等离子体装置10中被电离成高能粒子团，粒子团成分主要为h
+
、e-和oh-，该高能粒子团进入第一质子交换装置20中，h
+
穿越第一质子交换膜22 并被第一负极板24吸引，h
+
从第一负极板24上获取电子后生成h2，剩余的高能粒子团(主要成分为e-、oh-)再进入第二等离子体装置30中。
37.在一具体实施例中，所述第二等离子体装置30包括均绝缘的第二筒体31 和第二端板32，所述第二筒体31的两端均密封固定有所述第二端板32，所述第二筒体31的内部为用于电离粒子团的密封腔，该密封腔与第一质子交换装置 20的第一质子扩散层21接通；所述第二筒体31的内部设有第二内电极33，第二内电极33为螺纹丝管，所述第二内电极33的两端分别固定在对应端的第二端板32上，所述第二筒体31的外侧壁设有第二外电极34，该第二外电极34 为盘绕在第二筒体31外壁上的镍铬片线圈，所述第二内电极33和第二外电极 34分别与第二等离子体电源35的两极电性连接。
38.所述第二等离子体电源35为交流高压电源，两个电极接通电源后会在绝缘的第二筒体31内产生高频、高压电场，粒子团中的oh-进入绝缘的第二筒体31 内后在交流电场震荡的作用下会被电离为等离子体态，具体来说就是oh-被电离成h
+
、e-、o，也就是氢离子、电子和氧原子，等离子化过程中由于两个电极之间并未产生电流，只是产生了能量密度极高的强磁场力，所以耗电功率非常小，利用强磁场力将水分子很轻易的分解为粒子团，大大提高了水电解的电能使用效率、降低了水电解的能耗。
39.在一具体实施例中，所述第二质子交换装置40包括第二质子交换膜41、分别设置在第二质子交换膜41两端的第二质子扩散层42和第二氢气储箱44，所述第二质子扩散层42与所述第二等离子体装置30接通，所述第二氢气储箱 44内设有第二负极板45，该第二负极板45用于提供电子，所述第二质子扩散层42上还接通有氧气贮存器43，氧气贮存器43用于
贮存氧气且其内部设有金属炉胆，可以释放电子，具体来说，所述第二等离子体装置30中电离形成的高能粒子团(成分主要为h
+
、e-和o)进入第二质子交换装置40中，h
+
穿越第二质子交换膜41并被第二负极板45吸引，h
+
从第二负极板45上获取电子后生成 h2，剩余的氧原子和自由电子进入氧气贮存器43中释放电子后得到纯氧。
40.在一具体实施例中，所述制氢系统还包括负高压电源50，其具备电子发射器的功能，即所述负高压电源50的一极接地以获取电子，所述负高压电源50 的另一极分别与第一负极板24和第二负极板45电性连接，以将获取的电子分别输送至第一负极板24和第二负极板45上，也就是说，负高压电源50的一电极接地并抽取自由电子并源源不断的向负极板输送自由电子，为氢离子提供电子的同时也为氢离子穿越质子交换膜提供动力，由于负高压电源50电耗比较低，所以系统运行时电解电耗低，延长了电极使用寿命，无需催化剂电离，质子交换装置寿命延长。
41.本发明与pem电解水制氢相比，在使用同等电力的条件下(可再生能源发电或者工商业用电)，本发明制氢可以降低电耗30％-60％，同时制氢功率和纯度也会提高，可以宽范围调节制氢功率，几乎不受绿电波动性的影响，现有pem 制氢技术为了使用绿电额外配置电池或电容器储能，本系统只需配置低成本蒸汽储热箱即可，系统投资降低30％以上。
42.本发明在使用时：
43.首先，蒸汽储热箱18内制取的水蒸气导入第一等离子体装置10内，即水蒸气进入绝缘的第一筒体11内后在交流电场震荡的作用下会被电离为等离子体态，也就形成所述粒子团，主要包括h
+
、e-和oh-，第一等离子体装置10内未电离的冷凝水和水蒸气被凝水器17收集、冷凝并输送到蒸汽储热箱18的蒸汽发生器中；
44.其次，第一等离子体装置10内的粒子团(成分主要为h
+
、e-和oh-)进入第一质子交换装置20中，即h
+
穿越第一质子交换膜22并被第一负极板24吸引， h
+
从第一负极板24上获取电子后生成h2，剩余的粒子团(主要成分为e-、oh-) 再进入第二等离子体装置30中；
45.再者，剩余的粒子团(主要成分为e-、oh-)再进入第二等离子体装置30 后，剩余粒子团中的oh-进入绝缘的第二筒体31内后在交流电场震荡的作用下会被电离为等离子体态，具体来说就是oh-被电离成h
+
、e-、o，也就是氢离子、电子和氧原子；
46.最后，所述第二等离子体装置30中的粒子团(成分主要为h
+
、e-和o)进入第二质子交换装置40中，即h
+
穿越第二质子交换膜41并被第二负极板45 吸引，h
+
从第二负极板45上获取电子后生成h2，剩余的氧原子和自由电子进入氧气贮存器43中释放电子后得到纯氧。
47.以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
技术特征：
1.一种新型可再生能源制氢系统，其特征在于，包括：蒸汽储热箱，所述蒸汽储热箱内设有用于制取水蒸气的蒸汽发生器；第一等离子体装置，所述第一等离子体装置与所述蒸汽储热箱接通，所述水蒸气进入所述第一等离子体装置内，所述水蒸气被电离并生成粒子团；第一质子交换装置，所述第一质子交换装置与所述第一等离子体装置接通，所述粒子团进入所述第一质子交换装置内，所述第一质子交换装置用于将粒子团中的h
+
筛选并电解生成h2；第二等离子体装置，所述第二等离子体装置与所述第一质子交换装置接通，第一质子交换装置内的粒子团进入第二等离子体装置内，所述第二等离子体装置用于将粒子团中的oh-电离生产h
+
和0；第二质子交换装置，所述第二质子交换装置与所述第二等离子体装置接通，所述第二等离子体装置内的粒子团进入所述第二质子交换装置内，所述第二质子交换装置用于将粒子团中的h
+
筛选并电解生成h2。2.如权利要求1所述的一种新型可再生能源制氢系统，其特征在于，所述第一等离子体装置包括均绝缘的第一筒体和第一端板，所述第一筒体的两端均密封固定有所述第一端板，所述第一筒体的内部为用于电离水蒸气的密封腔。3.如权利要求2所述的一种新型可再生能源制氢系统，其特征在于，所述第一筒体的内部设有第一内电极，所述第一内电极的两端分别固定在对应端的第一端板上，所述第一筒体的外侧壁设有第一外电极，所述第一内电极和第一外电极分别与第一等离子体电源的两极电性连接。4.如权利要求2所述的一种新型可再生能源制氢系统，其特征在于，所述第一筒体上设有冷凝水通道，所述冷凝水通道通过管道与凝水器的进口接通，所述凝水器的出口与所述蒸汽储热箱接通。5.如权利要求1所述的一种新型可再生能源制氢系统，其特征在于，所述第一质子交换装置包括第一质子交换膜、分别设置在第一质子交换膜两端的第一质子扩散层和第一氢气储箱，所述第一质子扩散层与所述第一等离子体装置接通，所述第一氢气储箱内设有第一负极板，该第一负极板用于提供电子。6.如权利要求5所述的一种新型可再生能源制氢系统，其特征在于，所述第二等离子体装置包括均绝缘的第二筒体和第二端板，所述第二筒体的两端均密封固定有所述第二端板，所述第二筒体的内部为用于电离粒子团的密封腔，该密封腔与第一质子交换装置的第一质子扩散层接通。7.如权利要求6所述的一种新型可再生能源制氢系统，其特征在于，所述第二筒体的内部设有第二内电极，所述第二内电极的两端分别固定在对应端的第二端板上，所述第二筒体的外侧壁设有第二外电极，所述第二内电极和第二外电极分别与第二等离子体电源的两极电性连接。8.如权利要求5所述的一种新型可再生能源制氢系统，其特征在于，所述第二质子交换装置包括第二质子交换膜、分别设置在第二质子交换膜两端的第二质子扩散层和第二氢气储箱，所述第二质子扩散层与所述第二等离子体装置接通，所述第二氢气储箱内设有第二负极板，该第二负极板用于提供电子。
9.如权利要求8所述的一种新型可再生能源制氢系统，其特征在于，所述制氢系统还包括负高压电源，所述负高压电源的一极接地以获取电子，所述负高压电源的另一极分别与第一负极板和第二负极板电性连接，以将获取的电子分别输送至第一负极板和第二负极板上。10.如权利要求8所述的一种新型可再生能源制氢系统，其特征在于，所述第二质子扩散层上还接通有氧气贮存器。
技术总结
本发明公开了一种新型可再生能源制氢系统，包括：依次接通的蒸汽储热箱、第一等离子体装置、第一质子交换装置、第二等离子体装置和第二质子交换装置，本发明通过蒸汽储热箱将谷电或者绿电力以蒸汽或热水的形式储存起来，为制氢提供原材料，水蒸气进入第一等离子体装置被电离为H
技术研发人员：
王永忠
受保护的技术使用者：
常熟亨通新能源产业研究院有限公司
技术研发日：
2022.04.20
技术公布日：
2022/8/5
