CN109440127A - 一种具有自加热功能的spe纯水氢气发生器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有自加热功能的SPE纯水氢气发生器及控制方法，该装置以水箱温度信号(b)、水箱液面位置信号(c)、氢气压力信号(g)为控制依据，通过主控板(19)对加热装置(1)、第一电磁阀(3)、第二电磁阀(10)和补水泵(13)的控制，实现了SPE纯水氢气发生器的自加热功能。该装置成功解决了在低温情况下SPE电解槽内部因结冰而导致无法使用的难题，提高了其使用寿命，具有一定的应用前景。

Description

一种具有自加热功能的SPE纯水氢气发生器及控制方法
技术领域
本发明提供了一种具有自加热功能的SPE纯水氢气发生器及控制方法，具体涉及氢气发生器的加热控制方法以及运行方式，属于能源领域。
背景技术
随着化石能源的急剧消耗和环境污染的日益严重，发展可再生能源、走可持续发展道路已经成为各国学者研究的焦点。但由于太阳能、风能等可再生能源的间歇性和不易储存及运输等特点，需要一种高效清洁的能源载体作为可再生能源和用户之间的桥梁。氢能以其清洁，高效的特点被公认为未来最有潜力的能源载体。在目前的各种制氢技术中，利用可再生能源所产生的电能作为动力来电解水是最为成熟和最有潜力的技术，被视为通向氢经济的最佳途径。随着对氢能源研究日益深入广泛的开展，电解水技术也得到了迅猛的发展。目前已经发展了3种基于不同种类的电解槽，分别是碱性电解槽，聚合物薄膜电解槽以及固体氧化物电解槽，电解效率也从70％提高到90％。碱性电解槽因为碱液具有腐蚀性开始逐渐被限制使用，而固体氧化物电解槽虽然效率很高，但是其将近1000℃的工作温度也带来了材料和使用问题，因此聚合物薄膜电解槽应用更为广泛。
固体聚合物电解质电解水制氢技术，简称为SPE电解水制氢技术，其核心是SPE电解槽，它由膜一电极组件、集电器、框架和密封垫等组成。其中，膜一电极组件和集电器是电解槽的核心部件，决定着电解槽的使用性能。目前，能作为SPE电解水制氢技术中使用的膜主要有杜邦公司的Nafion膜、美国道氏化学公司Dow膜、加拿大Ballard Adraned材料等公司的膜产品，其中大部分为全氟磺酸膜。全氟磺酸膜为H+提供通道，在阴极以氢气的形式析出，又称为质子交换膜。用于电解槽中的唯一液体是去离子水，杜绝了对金属的腐蚀，但同时也对其制氢设备的使用环境带来了限制。由于电解槽中的液体只有去离子水，低温结冰后将会给质子交换膜带来不可修复的破坏，所以目前的SPE纯水氢气发生器只能在5℃以上的环境温度中工作，而随着电解水制氢的广泛应用，传统的氢气发生器已经不能满足使用要求。基于此，本发明提供了一种具有自加热功能的SPE纯水氢气发生器装置及控制方法。
发明内容
本发明目的是解决SPE纯水氢气发生器在全天候情况下的正常使用问题，满足在低温环境下的使用需求，提出了一种具有自加热功能的SPE纯水氢气发生器装置及控制方法。利用该装置可以有效解决SPE纯水氢气发生器的低温使用问题，提高了其使用寿命。
本发明采用如下技术方案：
加热装置(1)固定在水箱(2)中；水箱(2)与第一管路(4)、第一电磁阀(3)、循环泵(5)、第二管路(6)、电解槽(7)和第三管路(8)依次连接，组成水循环路；循环泵(5)与第二管路(6)之间由三通连接，另一路连接第四管路(9)；第二电磁阀(10)有两个进口和一个出口，分别连接第四管路(9)、补水管路(11)和第五管路(12)；补水泵(13)的进出口分别通过第五管路(12)和第六管路(14)与第二电磁阀(10)和水箱(2)连接；电解槽(7)通过第七管路(15)与氢水分离器(16)连接，氢水分离器(16)通过氢气出口管路(17)与大气相连接，并且在氢气出口管路(17)上设有压力变送器(18)；水箱(2)通过氧气出口管路(20)与大气相连接；主控板(19)接收水箱温度信号(b)、水箱液面位置信号(c)和氢气压力信号(g)，分别通过第一电路(a)、第二电路(d)、第三电路(e)和第四电路(f)来控制补水泵(13)、加热装置(1)、第一电磁阀(3)和第二电磁阀(10)工作。
一种具有自加热功能的SPE纯水氢气发生器的控制方法，其特征在于：
1.当使用氢气发生器时，主控板(19)接收到水箱温度信号(b)并进行判断。当水箱温度T<Ta时，Ta为氢气发生器制氢效率达到70％以上时所需温度(SPE电解水制氢效率最高可达74％-79％)，主控板(19)通过第二电路(d)控制加热装置(1)工作。
2.当水箱温度T≥Ta时，主控板(19)控制第一电磁阀(3)开启，同时控制第二电磁阀(10)使第四管路(9)和第五管路(12)断开，补水管路(11)和第五管路(12)连通。主控板(19)接收水箱液面位置信号(c)，当液面位置h<ha时，ha处于水箱(2)高度20％-30％之间(当水箱液面位置低于20％时，则会导致制氢效率的下降)，主控板(19)控制补水泵(13)工作；当h≥hb时，hb处于水箱(2)高度70％-80％之间(液面位置处于水箱(2)高度的70％-80％时，有利于内部循环)，主控板(19)控制补水泵(13)停止工作，并开始制取氢气。
3.当氢气压力P<Pa时，Pa为氢气发生器可输出的最高氢气压力值的90％(设定工作压力应在最高输出压力的90％-95％之间，预留出安全区间)，氢气发生器一直正常工作。主控板(19)根据水箱温度信号(b)实时监控水箱温度T并且维持在Ta附近，上下波动范围为3-5℃(防止加热装置(1)的频繁启动)。当氢气压力P≥Pa时，氢气发生器停止制取氢气。主控板(19)控制第一电磁阀(3)关闭，同时控制第二电磁阀(10)使第四管路(9)和第五管路(12)连通，并控制补水泵(13)工作，将电解槽(7)和水循环管路中的电解液全部抽回到水箱(2)中，之后主控板(19)控制第二电磁阀(10)使第四管路(9)和第五管路(12)断开。
本装置解决了SPE纯水氢气发生器在低温情况下无法正常使用的问题，延长了其使用寿命，使其满足了全天候的使用要求，具有一定的应用前景。
附图说明
图1本发明的系统结构图
图中编号定义：
1、加热装置2、水箱3、第一电磁阀4、第一管路5、循环泵6、第二管路7、电解槽8、第三管路9、第四管路10、第二电磁阀11、补水管路12、第五管路13、补水泵14、第六管路15、第七管路16、氢水分离器17、氢气出口管路18、压力变送器19、主控板20、氧气出口管路a、第一电路b、水箱温度信号c、水箱液面位置信号d、第二电路e、第三电路f、第四电路g、氢气压力信号
具体实施方式:
为了使本发明装置的运行和控制过程更加清楚，下面将结合附图对本发明装置中的运行和控制方法进行更为清楚、完整的描述。
本发明包括：
加热装置(1)固定在水箱(2)中；水箱(2)与第一管路(4)、第一电磁阀(3)、循环泵(5)、第二管路(6)、电解槽(7)和第三管路(8)依次连接，组成水循环路；循环泵(5)与第二管路(6)之间由三通连接，另一路连接第四管路(9)；第二电磁阀(10)有两个进口和一个出口，分别连接第四管路(9)、补水管路(11)和第五管路(12)；补水泵(13)的进出口分别通过第五管路(12)和第六管路(14)与第二电磁阀(10)和水箱(2)连接；电解槽(7)通过第七管路(15)与氢水分离器(16)连接，氢水分离器通过氢气出口管路(17)与大气相连接，并且在氢气出口管路(17)上设有压力变送器(18)；水箱(2)通过氧气出口管路(20)与大气相连接；主控板(19)接收水箱温度信号(b)、水箱液面位置信号(c)和氢气压力信号(g)，分别通过第一电路(a)、第二电路(d)、第三电路(e)和第四电路(f)来控制补水泵(13)、加热装置(1)、第一电磁阀(3)和第二电磁阀(10)工作。
1.当使用氢气发生器时，主控板(19)接收到水箱温度信号(b)并对水箱(2)内的电解液状态进行判断。当水箱温度T<40℃时(SPE纯水氢气发生器的效率达到70％以上时温度区间为35℃—45℃)，主控板(19)通过第二电路(d)控制加热装置(1)工作，使其加热到设定的温度值(40℃)。
2.当水箱温度T≥40℃时，主控板(19)通过第三电路(e)控制第二电磁阀(3)开启，同时通过第四电路(f)控制第二电磁阀(10)使第四管路(9)和第五管路(12)断开，补水管路(11)和第五管路(12)连通，此时氢气发生器的内部水循环路连通。主控板(19)接收水箱液面位置信号(c)，当液面位置h<25％时(当水箱液面位置低于25％时，则会导致制氢效率的下降)，主控板(19)通过第一电路(a)控制补水泵(13)工作，电解液通过补水管路(11)进入补水泵(13)，然后被送入水箱(2)中；当h≥60％时(液面位置处于水箱(2)高度的50％-70％时，有利于内部循环)，补水泵(13)停止工作，并开始制取氢气。
3.当氢气压力P<30bar时(此数值应根据氢气发生器的最高输出压力值进行设定，处在最高输出压力的90％-95％范围内)，氢气发生器一直正常工作。同时，主控板(19)根据水箱温度信号(b)实时监控水箱温度T并且维持在40℃附近，上下波动范围为5℃(上下波动范围为3-5℃，防止加热装置(1)的频繁启动)。当氢气压力P≥30bar时，氢气发生器停止制取氢气。主控板(19)通过第三电路(e)控制第一电磁阀(3)关闭，即关闭氢气发生器的内部水循环路，同时通过第四电路(f)控制第二电磁阀(10)使第四管路(9)和第五管路(12)连通，补水管路(11)和第五管路(12)断开，即关闭补水管路。然后主控板(19)通过第三电路(e)控制补水泵(13)工作，将电解槽(7)和氢气发生器内部管路中的电解液全部抽回到水箱(2)中。最后，主控板(19)通过第四电路(f)控制第二电磁阀(10)使第四管路(9)和第五管路(12)断开。
4.待下次使用氢气发生器时，重复步骤1-3即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种具有自加热功能的SPE纯水氢气发生器，其特征在于包括：
加热装置(1)固定在水箱(2)中；水箱(2)与第一管路(4)、第一电磁阀(3)、循环泵(5)、第二管路(6)、电解槽(7)和第三管路(8)依次连接，组成水循环路；循环泵(5)与第二管路(6)之间由三通连接，另一路连接第四管路(9)；第二电磁阀(10)有两个进口和一个出口，分别连接第四管路(9)、补水管路(11)和第五管路(12)；补水泵(13)的进出口分别通过第五管路(12)和第六管路(14)与第二电磁阀(10)和水箱(2)连接；电解槽(7)通过第七管路(15)与氢水分离器(16)连接，氢水分离器(16)通过氢气出口管路(17)与大气相连接，并且在氢气出口管路(17)上设有压力变送器(18)；水箱(2)通过氧气出口管路(20)与大气相连接；主控板(19)接收水箱温度信号(b)、水箱液面位置信号(c)和氢气压力信号(g)，分别通过第一电路(a)、第二电路(d)、第三电路(e)和第四电路(f)来控制补水泵(13)、加热装置(1)、第一电磁阀(3)和第二电磁阀(10)工作。
2.控制如权利要求1所述的一种具有自加热功能的SPE纯水氢气发生器的方法，其特征在于：
i.当使用氢气发生器时，主控板(19)接收到水箱温度信号(b)并进行判断；当水箱温度T<Ta时，Ta为氢气发生器制氢效率达到70％以上时所需温度，主控板(19)通过第二电路(d)控制加热装置(1)工作；
ii.当水箱温度T≥Ta时，主控板(19)控制第一电磁阀(3)开启，同时控制第二电磁阀(10)使第四管路(9)和第五管路(12)断开，补水管路(11)和第五管路(12)连通；主控板(19)接收水箱液面位置信号(c)，当液面位置h<ha时，ha处于水箱(2)高度20％-30％之间的一个值，主控板(19)控制补水泵(13)工作；当h≥hb时，hb处于水箱(2)高度70％-80％之间的一个值，主控板(19)控制补水泵(13)停止工作，并开始制取氢气；
当氢气压力P<Pa时，Pa处于氢气发生器可输出的最高氢气压力值的90％-95％之间，氢气发生器一直正常工作；主控板(19)根据水箱温度信号(b)实时监控水箱温度T并且维持在Ta附近，上下波动范围为3-5℃；当氢气压力P≥Pa时，氢气发生器停止制取氢气；主控板(19)控制第一电磁阀(3)关闭，同时控制第二电磁阀(10)使第四管路(9)和第五管路(12)连通，并控制补水泵(13)工作，将电解槽(7)和水循环管路中的电解液全部抽回到水箱(2)中，之后主控板(19)控制第二电磁阀(10)使第四管路(9)和第五管路(12)断开。
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