CN111364052A - 一种宽功率电解水制氢系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽功率电解水制氢系统及方法，包括整流变压器、电解槽，所述整流变压器将将交流电转化为直流电后通入电解槽，还包括气液分离器、气体冷却器、气体捕滴器，所述整流变压器与波动性电源连接，所述气液分离器包括氢气分离器和氧气分离器，所述气体冷却器包括氢气冷却器和氧气冷却器，所述气体捕滴器包括氢气捕滴器和氧气捕滴器，所述电解槽的阴极电解液出液口与所述气液分离器的氢气分离器相互连通，所述电解槽的阳极电解液出液口与气液分离器的氧气分离器相互连通。本发明能够有效解决目前的电解水制氢系统功率可调范围有限，宽功率波动期间系统压力调节等响应能力不足的问题。

Description

一种宽功率电解水制氢系统及方法
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种宽功率电解水制氢系统。
背景技术
氢能是一种绿色、高效的二次能源，在交通、电力、燃料等领域具有广阔的应用前景。目前，氢气主要来源于煤制氢、天然气重整制氢等化石燃料制氢，然而化石燃料制氢存在污染严重、受限于资源禀赋等问题。随着风电、光伏等可再生能源的大规模发展，利用可再生能源电解水制氢为氢能提供了绿色、低碳、低成本、可持续的生产方式。
然而由于风电、光伏等电源的波动性，对电解水制氢系统的耐功率波动范围和系统控制提出了更高的要求。现有电解水制氢系统功率可调范围有限，宽功率波动期间系统压力调节等响应能力不足，并且低功率条件下气体纯度下降。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种宽功率电解水制氢系统及方法，用于解决波动性电源供电下的稳定电解制氢工作。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案为：
一种宽功率电解水制氢系统，包括整流变压器、电解槽、气液分离器、气体冷却器和气体捕滴器；
波动性电源通过整流变压器连接电解槽，用于向电解槽供电；
所述气液分离器包括氢气分离器和氧气分离器，所述气体冷却器包括氢气冷却器和氧气冷却器，所述气体捕滴器包括氢气捕滴器和氧气捕滴器，所述电解槽的阴极电解液出液口与所述气液分离器的氢气分离器相互连通，所述电解槽的阳极电解液出液口与气液分离器的氧气分离器相互连通，所述氢气分离器的出气口与所述氢气冷却器的进气口相互连通，所述氧气分离器的出气口与所述氧气冷却器的进气口相互连通，所述氢气冷却器的出气口与所述氢气捕滴器的进气口相互联通，所述氧气冷却器的出气口与所述氧气捕滴器的进气口相互联通。
进一步的，所述波动性电源包括风电或光伏。
进一步的，所述气液分离器的电解液残液出口通过电解液换热器与所述电解槽的输液口连通，用于电解液的循环利用。
进一步的，所述气液分离器的纯水补液口上设置补水装置。
进一步的，还包括循环冷却系统，所述循环冷却系统分别与所述气体冷却器和电解液换热器进行热交换。
进一步的，所述循环冷却系统为液体循环冷却系统或气体循环冷却系统。
进一步的，所述电解槽上设置有电解槽控制器，用于控制所述电解槽的运行电流、压力、温度、气体纯度、电解液流量、液位。
进一步的，所述电解槽为碱性水电解槽或固体聚合物电解槽。
进一步的，所述电解槽的数量为一个或多个，多个电解槽时采用并联模式。
一种宽功率电解水制氢方法，包括：
风电或光伏作为电源经过整流变压器转换为可用于电解水的直流电，电解槽采用碱性电解水电解槽，总制氢规模为X Nm3/h，采用两个电解槽并联的模式，两个电解槽的制氢规模分别为X1 Nm3/H和X2 Nm3/H，其中X1≥X2；电解槽控制器根据风电或光伏的出力情况确定电解槽的出力情况：当需要产氢量大于X1 Nm3/h时，两个电解槽均运行，两个电解槽阴极流出的电解液汇入气液分离器的氢气分离器，氢气在氢气分离器中逸出后进入气体冷却器的氢气冷却器进行冷却，冷却后的氢气进入气体捕滴器的氢气捕滴器去除水汽，氢气捕滴器出口的氢气进行收集、纯化或利用；两个电解槽阳极流出的电解液汇入气液分离器的氧气分离器，氧气在氧气分离器中逸出后进入气体冷却器的氧气冷却器进行冷却，冷却后的氧气进入气体捕滴器的氧气捕滴器去除水汽，氧气捕滴器出口的氧气进行收集、纯化或利用；气液分离器中气体逸出后剩余的电解液循环经过电解液换热器进行降温，并循环回到电解槽。
一种宽功率电解水制氢方法，包括：
风电或光伏作为电源经过整流变压器转换为可用于电解水的直流电，电解槽采用碱性电解水电解槽，总制氢规模为1000Nm3/h，采用两个电解槽并联的模式，每个电解槽的制氢规模为500Nm3/h，每个电解槽的最低制氢能力为200Nm3/h，电解槽控制器根据风电或光伏的出力情况确定电解槽的出力情况：当需要产氢量达到1000Nm3/h时，两个电解槽均满功率运行，两个电解槽阴极流出的电解液汇入气液分离器的氢气分离器，氢气在氢气分离器中逸出后进入气体冷却器的氢气冷却器进行冷却，冷却后的氢气进入气体捕滴器的氢气捕滴器去除水汽，氢气捕滴器出口的氢气进行收集、纯化或利用；两个电解槽阳极流出的电解液汇入气液分离器的氧气分离器，氧气在氧气分离器中逸出后进入气体冷却器的氧气冷却器进行冷却，冷却后的氧气进入气体捕滴器的氧气捕滴器去除水汽，氧气捕滴器出口的氧气进行收集、纯化或利用；气液分离器中气体逸出后剩余的电解液循环经过电解液换热器进行降温，并循环回到电解槽。
一种宽功率电解水制氢方法，包括：
风电或光伏作为电源经过整流变压器转换为可用于电解水的直流电，电解槽采用碱性电解水电解槽，总制氢规模为X Nm3/h，采用两个电解槽并联的模式，两个电解槽的制氢规模分别为X1 Nm3/H和X2 Nm3/H，其中X1≥X2；电解槽控制器根据风电、光伏的出力情况确定电解槽的出力情况：当需要产氢量达到X3 Nm3/h时，X1≥X2≥X3；一个电解槽停止运行，另一个电解槽制氢出力X3 Nm3/h，停止运行的电解槽，电解液不再循环，同时，电解电流调为零，运行的电解槽中，阴极流出的电解液汇入气液分离器的氢气分离器，氢气在氢气分离器中逸出后进入气体冷却器的氢气冷却器进行冷却，冷却后的氢气进入气体捕滴器的氢气捕滴器去除水汽，氢气捕滴器出口的氢气进行收集、纯化或利用；运行的电解槽中，阳极流出的电解液汇入气液分离器的氧气分离器，氧气在氧气分离器中逸出后进入气体冷却器的氧气冷却器进行冷却，冷却后的氧气进入气体捕滴器的氧气捕滴器去除水汽，氧气捕滴器出口的氧气进行收集、纯化或利用，气液分离器中气体逸出后剩余的电解液循环经过电解液换热器进行降温，并循环回到电解槽。
一种宽功率电解水制氢方法，包括：
风电或光伏作为电源经过整流变压器转换为可用于电解水的直流电，电解槽采用碱性电解水电解槽，总制氢规模为1000Nm3/h，采用两个电解槽并联的模式，每个电解槽的制氢规模为500Nm3/h，每个电解槽的最低制氢能力为200Nm3/h，电解槽控制器根据风电、光伏的出力情况确定电解槽的出力情况：当需要产氢量达到200Nm3/h时，一个电解槽停止运行，另一个电解槽制氢出力200Nm3/h，停止运行的电解槽，电解液不再循环，同时，电解电流调为零，运行的电解槽中，阴极流出的电解液汇入气液分离器的氢气分离器，氢气在氢气分离器中逸出后进入气体冷却器的氢气冷却器进行冷却，冷却后的氢气进入气体捕滴器的氢气捕滴器去除水汽，氢气捕滴器出口的氢气进行收集、纯化或利用；运行的电解槽中，阳极流出的电解液汇入气液分离器的氧气分离器，氧气在氧气分离器中逸出后进入气体冷却器的氧气冷却器进行冷却，冷却后的氧气进入气体捕滴器的氧气捕滴器去除水汽，氧气捕滴器出口的氧气进行收集、纯化或利用，气液分离器中气体逸出后剩余的电解液循环经过电解液换热器进行降温，并循环回到电解槽。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过整流变压器将波动性电源调节为稳定的直流电源后，向电解槽供电，使得电解槽能够有效地利用可再生能源进行电解水制氢，降低了生产成本的同时，提高了工作效率，能够不间断的持续进行电解水制氢，而本发明包含的气液分离器、气体冷却器、气体捕滴器，能够对电解水产生的氢气和氧气分别进行冷却、干燥，最终得到高纯度的氢气和氧气。
(2)为了能够实现电解液的循环使用，进一步降低生产成本，气液分离器的电解液残液出口通过电解液换热器与所电解槽的输液口连通，而电解液换热器又能够将电解液由于电解反应产生的高温，进行热交换，继而使得电解液能够达到二次利用的调节。
(3)由于电解过程中会消耗水，因此，气液分离器的纯水补液口上设置补水装置，利用补水装置向气液分离器中补充纯水，继而保证设备的正常运行。
(4)为了使电解液换热器和气体冷却器能够快速降温，避免由于温度过高，影响设备运转，因此，本发明分别在气体冷却器和电解液换热器上连接循环冷却系统进行热交换。
(5)为了提高工作效率，降低设备维护难度，提高设备的可操作性，循环冷却系统的冷却介质采用液体或气体。
(6)为了实时控制并掌握电解槽的运行电流、压力、温度、气体纯度、电解液流量、液位情况，电解槽上设置有电解槽控制器。
(7)为了提高设备的工作效率，降低设备维护难度和运行成本，提高设备的可操作性，电解槽为碱性水电解槽或固体聚合物电解槽。
(8)本发明通过多电解槽并联、单电解槽独立控制的方式，拓宽了电解水制氢系统的功率运行区间，能够利用可再生能源等波动性电源进行电解制氢，并且通过多电解槽共用气液分离器、气体冷却器、气体捕滴器的方式，降低了制氢系统的复杂度和成本。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的原理图。
其中，1-整流变压器、2-电解槽、3-气液分离器、4-气体冷却器、5-气体捕滴器、6-电解液换热器、7-循环冷却系统、8-补水装置、9-电解槽控制器。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
如图1所示，一种宽功率电解水制氢系统，包括整流变压器1、电解槽2，整流变压器1将将交流电转化为直流电后通入电解槽2，还包括气液分离器3、气体冷却器4、气体捕滴器5，整流变压器1与波动性电源连接，波动性电源包括风电或光伏，气液分离器3包括氢气分离器和氧气分离器，气体冷却器4包括氢气冷却器和氧气冷却器，气体捕滴器5包括氢气捕滴器和氧气捕滴器，电解槽2的阴极电解液出液口与气液分离器3的氢气分离器相互连通，电解槽2的阳极电解液出液口与气液分离器3的氧气分离器相互连通，氢气分离器的出气口与氢气冷却器的进气口相互连通，氧气分离器的出气口与氧气冷却器的进气口相互连通，氢气冷却器的出气口与氢气捕滴器的进气口相互联通，氧气冷却器的出气口与氧气捕滴器的进气口相互联通，氢气捕滴器的出气口排出干燥的氢气，氧气捕滴器的出气口排出干燥的氧气，气液分离器3的电解液残液出口通过电解液换热器6与电解槽2的输液口连通，用于电解液的循环利用，气液分离器3的纯水补液口上设置补水装置8，本发明还包括循环冷却系统7，循环冷却系统7分别与气体冷却器4和电解液换热器6进行热交换，循环冷却系统7的冷却介质采用液体或气体，电解槽2上设置有电解槽控制器9，用于控制电解槽2的运行电流、压力、温度、气体纯度、电解液流量、液位，电解槽2为碱性水电解槽或固体聚合物电解槽，电解槽2的数量为一个或多个，多个电解槽时采用并联模式。
电解槽2为碱性水电解槽或固体聚合物电解槽中的一种；电解槽2的数量为一个或多个，多个电解槽时采用并联模式，每个电解槽可以独立运行；电解槽2采用并联模式时，共用一套气液分离器3、气体冷却器4、气体捕滴器5、电解液换热器6、循环冷却系统7、补水装置8、电解槽控制器9。
实施例1
本发明在运行时，风电或光伏作为电源经过整流变压器1转换为可用于电解水的直流电，电解槽2采用碱性电解水电解槽，总制氢规模为1000Nm3/h，采用两个电解槽并联的模式，每个电解槽的制氢规模为500Nm3/h，每个电解槽的最低制氢能力为200Nm3/h，电解槽控制器9根据风电或光伏的出力情况确定电解槽的出力情况：当需要产氢量达到1000Nm3/h时，两个电解槽2均满功率运行，两个电解槽2阴极流出的电解液汇入气液分离器3的氢气分离器，氢气在氢气分离器中逸出后进入气体冷却器4的氢气冷却器进行冷却，冷却后的氢气进入气体捕滴器5的氢气捕滴器去除水汽，氢气捕滴器出口的氢气可进行收集、纯化或利用。两个电解槽2阳极流出的电解液汇入气液分离器3的氧气分离器，氧气在氧气分离器中逸出后进入气体冷却器4的氧气冷却器进行冷却，冷却后的氧气进入气体捕滴器5的氧气捕滴器去除水汽，氧气捕滴器出口的氧气可进行收集、纯化或利用。气液分离器3中气体逸出后剩余的电解液循环经过电解液换热器6进行降温，并循环回到电解槽2。循环冷却系统7采用水作为冷却介质，冷却介质通入电解液换热器6和气体冷却器3，分别对电解液和气体进行降温。电解过程中会消耗水，补水装置8向气液分离器3中补充纯水。
实施例2
如图1所示，风电或光伏作为电源经过整流变压器1转换为可用于电解水的直流电，电解槽2采用碱性电解水电解槽，总制氢规模为1000Nm3/h，采用两个电解槽并联的模式，每个电解槽的制氢规模为500Nm3/h，每个电解槽的最低制氢能力为200Nm3/h，电解槽控制器9根据风电、光伏的出力情况确定电解槽的出力情况：当需要产氢量达到200Nm3/h时，一个电解槽2停止运行，另一个电解槽2制氢出力200Nm3/h，停止运行的电解槽2，电解液不再循环，同时，电解电流调为零，运行的电解槽2中，阴极流出的电解液汇入气液分离器3的氢气分离器，氢气在氢气分离器中逸出后进入气体冷却器4的氢气冷却器进行冷却，冷却后的氢气进入气体捕滴器5的氢气捕滴器去除水汽，氢气捕滴器出口的氢气可进行收集、纯化或利用。运行的电解槽2中，阳极流出的电解液汇入气液分离器3的氧气分离器，氧气在氧气分离器中逸出后进入气体冷却器4的氧气冷却器进行冷却，冷却后的氧气进入气体捕滴器5的氧气捕滴器去除水汽，氧气捕滴器出口的氧气可进行收集、纯化或利用，气液分离器3中气体逸出后剩余的电解液循环经过电解液换热器6进行降温，并循环回到电解槽2，循环冷却系统7采用水作为冷却介质，冷却介质通入电解液换热器6和气体冷却器3，分别对电解液和气体进行降温。电解过程中会消耗水，补水装置8向气液分离器3中补充纯水。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种宽功率电解水制氢系统，其特征在于：包括整流变压器(1)、电解槽(2)、气液分离器(3)、气体冷却器(4)和气体捕滴器(5)；
波动性电源通过整流变压器(1)连接电解槽(2)，用于向电解槽(2)供电；
所述气液分离器(3)包括氢气分离器和氧气分离器，所述气体冷却器(4)包括氢气冷却器和氧气冷却器，所述气体捕滴器(5)包括氢气捕滴器和氧气捕滴器，所述电解槽(2)的阴极电解液出液口与所述气液分离器(3)的氢气分离器相互连通，所述电解槽(2)的阳极电解液出液口与气液分离器(3)的氧气分离器相互连通，所述氢气分离器的出气口与所述氢气冷却器的进气口相互连通，所述氧气分离器的出气口与所述氧气冷却器的进气口相互连通，所述氢气冷却器的出气口与所述氢气捕滴器的进气口相互联通，所述氧气冷却器的出气口与所述氧气捕滴器的进气口相互联通。
2.根据权利要求1所述的一种宽功率电解水制氢系统，其特征在于：所述波动性电源包括风电或光伏。
3.根据权利要求1所述的一种宽功率电解水制氢系统，其特征在于：所述气液分离器(3)的电解液残液出口通过电解液换热器(6)与所述电解槽(2)的输液口连通，用于电解液的循环利用。
4.根据权利要求1或3所述的一种宽功率电解水制氢系统，其特征在于：所述气液分离器(3)的纯水补液口上设置补水装置(8)。
5.根据权利要求3所述的一种宽功率电解水制氢系统，其特征在于：还包括循环冷却系统(7)，所述循环冷却系统(7)分别与所述气体冷却器(4)和电解液换热器(6)进行热交换。
6.根据权利要求5所述的一种宽功率电解水制氢系统，其特征在于：所述循环冷却系统(7)为液体循环冷却系统或气体循环冷却系统。
7.根据权利要求1所述的一种宽功率电解水制氢系统，其特征在于：所述电解槽(2)上设置有电解槽控制器(9)，用于控制所述电解槽(2)的运行电流、压力、温度、气体纯度、电解液流量、液位。
8.根据权利要求1或2或3或5或6或7所述的一种宽功率电解水制氢系统，其特征在于：所述电解槽(2)的数量为一个或多个，多个电解槽时采用并联模式。
9.一种宽功率电解水制氢方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种宽功率电解水制氢系统，包括：
风电或光伏作为电源经过整流变压器(1)转换为可用于电解水的直流电，电解槽(2)采用碱性电解水电解槽，总制氢规模为X Nm3/h，采用两个电解槽并联的模式，两个电解槽的制氢规模分别为X1 Nm3/H和X2 Nm3/H，其中X1≥X2；电解槽控制器(9)根据风电或光伏的出力情况确定电解槽的出力情况：当需要产氢量大于X1 Nm3/h时，两个电解槽(2)均运行，两个电解槽(2)阴极流出的电解液汇入气液分离器(3)的氢气分离器，氢气在氢气分离器中逸出后进入气体冷却器(4)的氢气冷却器进行冷却，冷却后的氢气进入气体捕滴器(5)的氢气捕滴器去除水汽，氢气捕滴器出口的氢气进行收集、纯化或利用；两个电解槽(2)阳极流出的电解液汇入气液分离器(3)的氧气分离器，氧气在氧气分离器中逸出后进入气体冷却器(4)的氧气冷却器进行冷却，冷却后的氧气进入气体捕滴器(5)的氧气捕滴器去除水汽，氧气捕滴器出口的氧气进行收集、纯化或利用；气液分离器(3)中气体逸出后剩余的电解液循环经过电解液换热器(6)进行降温，并循环回到电解槽(2)。
10.一种宽功率电解水制氢方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种宽功率电解水制氢系统，包括：
风电或光伏作为电源经过整流变压器(1)转换为可用于电解水的直流电，电解槽(2)采用碱性电解水电解槽，总制氢规模为X Nm3/h，采用两个电解槽并联的模式，两个电解槽的制氢规模分别为X1 Nm3/H和X2 Nm3/H，其中X1≥X2；电解槽控制器(9)根据风电、光伏的出力情况确定电解槽的出力情况：当需要产氢量达到X3 Nm3/h时，X1≥X2≥X3；一个电解槽(2)停止运行，另一个电解槽(2)制氢出力X3 Nm3/h，停止运行的电解槽(2)，电解液不再循环，同时，电解电流调为零，运行的电解槽(2)中，阴极流出的电解液汇入气液分离器(3)的氢气分离器，氢气在氢气分离器中逸出后进入气体冷却器(4)的氢气冷却器进行冷却，冷却后的氢气进入气体捕滴器(5)的氢气捕滴器去除水汽，氢气捕滴器出口的氢气进行收集、纯化或利用；运行的电解槽(2)中，阳极流出的电解液汇入气液分离器(3)的氧气分离器，氧气在氧气分离器中逸出后进入气体冷却器(4)的氧气冷却器进行冷却，冷却后的氧气进入气体捕滴器(5)的氧气捕滴器去除水汽，氧气捕滴器出口的氧气进行收集、纯化或利用，气液分离器(3)中气体逸出后剩余的电解液循环经过电解液换热器(6)进行降温，并循环回到电解槽(2)。
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