CN111826670B - 组合式碱液循环装置、碱性电解水制氢系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合式碱液循环装置、碱性电解水制氢系统及控制方法，组合式碱液循环装置用于碱性电解水制氢的碱液补给，包括碱液滤清器、补碱模块、组合式碱液循环模块和碱液循环控制器，碱液滤清器输入端分别连接碱性电解水制氢装置的气液分离器液体输出端以及补碱模块，碱液滤清器输出端通过组合式碱液循环模块连接至碱性电解水制氢装置的电解槽形成闭环循环系统，补碱模块和组合式碱液循环模块均连接至碱液循环控制器，组合式碱液循环模块包括多个具有不同碱液流量范围的碱液循环支路，碱液循环支路并联设置，工作时，至少1个碱液循环支路工作。与现有技术相比，本发明提高了碱性电解水宽功率波动下的适应性，提升了碱液循环系统的经济型。

Description

组合式碱液循环装置、碱性电解水制氢系统及控制方法

技术领域

本发明涉及碱性电解水制氢技术领域，尤其是涉及一种组合式碱液循环装置、碱性电解水制氢系统及控制方法。

背景技术

氢气的来源是目前氢能发展的重要议题，氢气目前仍作为工业用原料气体，在化工业有着丰富的应用，从来源来说，主要有三种成熟的技术路线；一是化石能源重整制氢；二是工业副产氢气；三是电解水制氢。电解水制氢中，目前最为成熟的技术路线是碱性电解水技术。现有的相关研究中没有考虑到在不同功率工作下碱性电解水制氢的碱液补给问题，缺乏从系统碱液循环入手的碱性电解水制氢设备的宽功率适应性适配，缺少碱性电解水制氢装置的组合式碱液循环系统及控制策略。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种组合式碱液循环装置、碱性电解水制氢系统及控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种组合式碱液循环装置，用于碱性电解水制氢的碱液补给，包括碱液滤清器、补碱模块、组合式碱液循环模块和碱液循环控制器，所述的碱液滤清器输入端分别连接碱性电解水制氢装置的气液分离器液体输出端以及补碱模块，所述的碱液滤清器输出端通过组合式碱液循环模块连接至碱性电解水制氢装置的电解槽形成闭环循环系统，所述的补碱模块和组合式碱液循环模块均连接至碱液循环控制器，所述的组合式碱液循环模块包括多个具有不同碱液流量范围的碱液循环支路，所述的碱液循环支路并联设置，工作过程中，至少1个碱液循环支路工作。

所述的补碱模块包括碱液箱和补碱泵，所述的碱液箱通过补碱泵连接至碱液滤清器，所述的补碱泵连接至碱液循环控制器。

所述的碱液循环支路包括碱液循环泵，所述的碱液循环泵输入端连接碱液滤清器，所述的碱液循环泵输出端通过碱液流量计连接至碱性电解水制氢装置的电解槽，所述的碱液循环泵和碱液流量计均连接至碱液循环控制器。

并联设置的碱液循环支路中的碱液循环泵的碱液流量范围配置成按照梯度化形式变化。

碱液循环泵的碱液流量范围具体配置为：

Q_{A1_max}＞Q_{A2_max}＞…＞Q_{An_max}，

Q_{A1_min}＞Q_{A2_min}＞…＞Q_{An_min}，

其中，Q_{A1_max}为第1个碱液循环支路中碱液循环泵的最大碱液流量，Q_{A2_max}为第2个碱液循环支路中碱液循环泵的最大碱液流量，Q_{An_max}为第n个碱液循环支路中碱液循环泵的最大碱液流量，Q_{A1_min}为第1个碱液循环支路中碱液循环泵的最小碱液流量，Q_{A2_min}为第2个碱液循环支路中碱液循环泵的最小碱液流量，Q_{An_min}为第n个碱液循环支路中碱液循环泵的最小碱液流量，n为碱液循环支路总个数。

所述的碱液循环控制器配置成能根据补碱流量需求启动补碱模块工作以及根据碱液循环流量需求控制相应碱液循环支路工作的微处理器芯片。

一种碱性电解水制氢系统，包括碱性电解水制氢装置，所述的碱性电解水制氢装置包括电解槽和气液分离器，该系统还包括上述组合式碱液循环装置，所述的组合式碱液循环装置中的碱液滤清器输入端连接碱性电解水制氢装置的气液分离器液体输出端，组合式碱液循环装置中的组合式碱液循环模块连接至碱性电解水制氢装置的电解槽形成闭环循环系统。

所述的碱性电解水制氢装置还包括碱液循环换热器、冷却水箱和冷却水泵，所述的组合式碱液循环装置中的组合式碱液循环模块输出端通过碱液循环换热器连接至碱性电解水制氢装置的电解槽，所述的冷却水箱通过冷却水泵连接至碱液循环换热器形成循环换热回路。

一种碱性电解水制氢系统的控制方法，该方法用于对上述组合式碱液循环装置进行控制，该方法包括如下步骤：

(1)获取碱性电解水制氢装置的补碱流量需求和碱液循环流量需求；

(2)当有补碱需求时，启用补碱模块，根据计算得补碱流量需求补充碱液；

(3)根据碱液循环流量需求，首先判断组合式碱液循环模块是否已经有碱液循环流量数据，若有则执行步骤(4)，否则启用碱液流量范围最高的碱液循环支路；

(4)判断碱液循环流量需求是否在当前启动的碱液循环支路的碱液流量范围中，若是则保持当前碱液循环支路运行，否则执行步骤(5)；

(5)根据碱液循环流量需求选择相应的碱液循环支路运作。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明采用包含不同碱液流量范围的碱液循环泵组合式系统，可同时开启一个或者多个碱液循环泵，可以用较小流量的流量泵组合满足碱液循环需求，因此提高了碱性电解水宽功率波动下的适应性，提升了碱液循环系统的经济型，同时由于采用组合式碱液循环泵，对最大流量泵的流量需求降低，降低成本；

(2)采用了不同精确调控流量区间的碱液循环泵组合架构，能够在较宽的碱液流量区间内精确调控碱液流量，因此有助于碱性电解水制氢设备的精确热管理，可以避免在较低碱性电解水工作功率时过量碱液流量导致的热量损失，能够延长碱性电解水制氢设备的待机时间，提升碱性电解水制氢设备的全周期经济型。

(3)采用了基于当前流量与系统流量需求的碱液循环泵控制策略，因此能够保证更宽的精确流量调控区间，减少了流量区间不匹配带来的功率损耗，增强了碱性电解水制氢设备工作稳定性。

附图说明

图1为本发明碱性电解水制氢系统的结构示意图；

图2为本发明组合式碱液循环装置的结构框图；

图3为本发明组合式碱液循环装置的控制框图；

图4为本发明实施例中碱性电解水制氢设备功率示意图；

图5为本发明实施例中碱性电解水制氢设备碱液流量需求示意图；

图6为本发明实施例中碱性电解水制氢系统中组合式碱液循环装置调节过程示意图。

图中，1为电解槽，2为整流变压器，3为碱液循环换热器，4为冷却水箱，5为冷却水泵，6为氢气侧隔膜调节阀，7为氢气侧气液分离器，8为氢气纯化设备，9为氧气侧隔膜调节阀，10为氧气收集或后处理装置，11为氧气侧气液分离器，12为补碱泵，13为碱液滤清器，14为碱液循环泵，15为组合式碱液循环装置，16为碱液箱，17为碱液循环控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1、图2所示，一种组合式碱液循环装置，用于碱性电解水制氢的碱液补给，包括碱液滤清器13、补碱模块、组合式碱液循环模块和碱液循环控制器17，碱液滤清器13输入端分别连接碱性电解水制氢装置的气液分离器液体输出端以及补碱模块，碱液滤清器13输出端通过组合式碱液循环模块连接至碱性电解水制氢装置的电解槽1形成闭环循环系统，补碱模块和组合式碱液循环模块均连接至碱液循环控制器17，组合式碱液循环模块包括多个具有不同碱液流量范围的碱液循环支路，碱液循环支路并联设置，工作过程中，至少1个碱液循环支路工作。

补碱模块包括碱液箱16和补碱泵12，碱液箱16通过补碱泵12连接至碱液滤清器13，补碱泵12连接至碱液循环控制器17。

碱液循环支路包括碱液循环泵14，碱液循环泵14输入端连接碱液滤清器13，碱液循环泵14输出端通过碱液流量计连接至碱性电解水制氢装置的电解槽1，碱液循环泵14和碱液流量计均连接至碱液循环控制器17。

并联设置的碱液循环支路中的碱液循环泵14的碱液流量范围配置成按照梯度化形式变化。

碱液循环泵14的碱液流量范围具体配置为：

Q_{A1_max}＞Q_{A2_max}＞…＞Q_{An_max}，

Q_{A1_min}＞Q_{A2_min}＞…＞Q_{An_min}，

其中，Q_{A1_max}为第1个碱液循环支路中碱液循环泵14的最大碱液流量，Q_{A2_max}为第2个碱液循环支路中碱液循环泵14的最大碱液流量，Q_{An_max}为第n个碱液循环支路中碱液循环泵14的最大碱液流量，Q_{A1_min}为第1个碱液循环支路中碱液循环泵14的最小碱液流量，Q_{A2_min}为第2个碱液循环支路中碱液循环泵14的最小碱液流量，Q_{An_min}为第n个碱液循环支路中碱液循环泵14的最小碱液流量，n为碱液循环支路总个数，碱液流量的单位为l/h。由此，组合式碱液循环模块的流量范围为：Q_{An_min}～Q_{A1_max}+Q_{A2_max}+…+Q_{An_max}。

相较于采用同等技术水平的碱液循环泵14，如果其能够精确控制流量的最大碱液流量为Q_max，且Q_max＝Q_{A1_max}，则一定有其能够精确控制的最小流量Q_min，且其最小流量小于组合式碱液循环模块的最小调节流量，Q_min＞Q_{An_min}。因此可见，本发明中的组合式碱液循环系统能够极大的拓宽碱性电解水制氢系统碱液循环的精确流量调控范围，从而扩大了碱性电解水制氢系统的气体产生速率范围与工作功率区间。

碱液循环控制器17配置成能根据补碱流量需求启动补碱模块工作以及根据碱液循环流量需求控制相应碱液循环支路工作的微处理器芯片。

一种碱性电解水制氢系统，包括碱性电解水制氢装置，碱性电解水制氢装置包括电解槽1和气液分离器，该系统还包括上述组合式碱液循环装置，组合式碱液循环装置中的碱液滤清器13输入端连接碱性电解水制氢装置的气液分离器液体输出端，组合式碱液循环装置中的组合式碱液循环模块连接至碱性电解水制氢装置的电解槽1形成闭环循环系统。

碱性电解水制氢装置还包括碱液循环换热器3、冷却水箱4和冷却水泵5，组合式碱液循环装置中的组合式碱液循环模块输出端通过碱液循环换热器3连接至碱性电解水制氢装置的电解槽1，冷却水箱4通过冷却水泵5连接至碱液循环换热器3形成循环换热回路。在冷却回路中，冷却水箱4中的冷却液经过冷却水泵5进入到碱液循环换热器3中对碱液进行降温，并控制碱液的出口温度，使碱液在进入电解水制氢设备时温度固定。同时，对于碱液循环来说，碱液循环泵14出口的碱液进入碱液循环换热器3中进行冷却，再进入电解槽1中。

在电解水制氢系统工作时，交流供电通过整流变压器2变为直流电进入电解槽1，电解槽1是系统的核心，碱液中的水在这里被电解成为氢气和氧气分别在电极表面析出，氢气与氧气的体积比大致为2：1，并进入氢、氧气液出口管，进入气液分离器。在气液分离器中，从电解槽1中流出的氢气、氧气与碱液地混合物分别流入氢气侧气液分离器7和氧气侧气液分离器11中，在经过上午氢气洗涤冷却器洗涤冷却之后，在重力的作用下气液分离，氢气与氧气逐渐从碱液中分离溢出，分别通过氢气侧隔膜调节阀6、氧气侧隔膜调节阀9排出，氢气经过氢气纯化设备8后加压或储存，氧气进入氧气收集或后处理装置10。

电解水制氢系统能耗较高，在正常工作时需要进行冷却散热。在冷却模块中，储存在冷却水箱4中的冷却去离子水由冷却水泵5，进入电解槽1中，保持制氢模块温度处于工作范围，在流出电解水制氢模块后，冷却水经过碱液循环换热器3进行冷却，进入冷却水箱4中。

组合式碱液循环装置需要将去除气体后的碱液清除机械杂质后重新泵入电解水装置中。组合式碱液循环装置受碱液循环控制器17控制，气液分离器排出的碱循环泵管理液，在经过碱液滤清器13除去固体杂质后，由碱液循环泵14泵入电解槽1中，形成碱液闭环系统。同时，由于电解水制氢不断消耗水，需要从碱液箱16中将配置好的电解液通过补给泵给碱液循环中增加碱液。

如图3所示，一种碱性电解水制氢系统的控制方法，该方法用于对上述组合式碱液循环装置进行控制，该方法包括如下步骤：

(1)获取碱性电解水制氢装置的补碱流量需求和碱液循环流量需求；

(2)当有补碱需求时，启用补碱模块，根据计算得补碱流量需求补充碱液；

(3)根据碱液循环流量需求，首先判断组合式碱液循环模块是否已经有碱液循环流量数据，若有则执行步骤(4)，否则启用碱液流量范围最高的碱液循环支路；

(4)判断碱液循环流量需求是否在当前启动的碱液循环支路的碱液流量范围中，若是则保持当前碱液循环支路运行，否则执行步骤(5)；

(5)根据碱液循环流量需求选择相应的碱液循环支路运作，具体地：碱液循环流量需求低于当前碱液循环支路的碱液流量范围下限时，降低一级碱液循环支路；在碱液循环流量需求高于当前碱液循环支路的碱液流量范围上限时，提升一级碱液循环泵14；

(6)确定好需要运行的碱液循环支路后，微处理器芯片启用对应碱液循环支路的碱液循环泵14，在将碱液输送至碱性电解水制氢设备之前，首先经过碱液流量计，得到的实际碱液流量数据与计算得碱液循环泵14流量需求发送给碱液循环泵14流量控制模块，由其精确控制当前启用的碱液循环泵14的碱液流量。

本实施例设置了一种碱性电解水制氢系统，其中组合式碱液循环装置设置4条碱液循环支路，第1碱液循环泵的流量范围为300～400l/h，第2碱液循环泵的流量范围为200～300l/h，第3碱液循环泵的流量范围为100～200l/h，第4碱液循环泵的流量范围为5～100l/h，由此组合式碱液循环装置的碱液流量范围为50～400l/h，由此，该装置能够精确控制的流量区间远大于同等技术水平的单一碱液循环泵。

参照图4，碱性电解水制氢设备的工作功率随时间不断变化，因此可以计算得碱液循环设备不同时刻下相应的碱液流量需求如图5所示。

图6为碱性电解水制氢系统中组合式碱液循环装置调节过程：

在t＝0h时刻之前，碱性电解水制氢设备所需的碱液流量稳定在340l/h，因此组合式碱液循环系统启用第1碱液循环泵，碱液循环泵能够精确控制压力的流量区间为300～400l/h，因此保持启用第1碱液循环泵。

在t＝1～4h之间，碱性电解水设备需求的碱液流量逐渐下降，下降至300l/h，碱液流量在第1碱液循环泵调节区间内，等于第1碱液循环泵流量下限300l/h，因此仍然启用第1碱液循环泵。

在t＝5h，碱性电解水设备需求的碱液流量逐渐下降至290l/h，碱液流量不在第1碱液循环泵调节区间内，小于第1碱液循环泵流量下限300l/h，需要降低一级碱液循环泵，因此启用第2碱液循环泵。

在t＝8～10h之间，碱性电解水设备需求的碱液流量逐渐下降至210l/h，碱液流量在第2碱液循环泵调节区间内，大于第2碱液循环泵流量下限200l/h，因此仍然启用第2碱液循环泵。

在t＝11h，碱性电解水制氢设备的碱液流量需求逐渐下降至190l/h，组合式碱液循环系统目前启用第2碱液循环泵，第2碱液循环泵能够精确控制碱液的流量区间为200～300l/h，碱液流量不在碱液循环泵调节区间内，需要降低一级碱液循环泵，因此启用第3碱液循环泵。

在t＝12～13h，碱性电解水制氢设备的碱液流量需求逐渐下降至110l/h，组合式碱液循环系统已启用第3碱液循环泵，第3碱液循环泵能够精确控制碱液流量的区间为100～200l/h，碱液流量需求在第3碱液循环泵的调节区间内，因此仍然启用第3碱液循环泵。

在t＝14h时，碱性电解水制氢设备的碱液流量需求下降至70l/h，组合式碱液循环系统已启用第3碱液循环泵，第3碱液循环泵能够精确控制碱液流量的区间为100～200l/h，碱液流量需求小于第3碱液循环泵的调节区间的下限，需要降低一级碱液循环泵，因此需要启用第4碱液循环泵。

在t＝14～15h，碱性电解水制氢设备的碱液流量需求保持在70l/h，组合式碱液循环系统已启用第4碱液循环泵，第4碱液循环泵能够精确控制碱液流量的区间为50～100l/h，碱液流量需求在第4碱液循环泵的调节区间内，因此仍然启用第4碱液循环泵。

在t＝16～18h，碱性电解水制氢设备的碱液流量上升并保持在100l/h，组合式碱液循环系统已启用第4碱液循环泵，第4碱液循环泵能够精确控制碱液流量的区间为50～100l/h，碱液流量需求在第4碱液循环泵的调节区间内，等于其上限，因此仍然启用第4碱液循环泵。

在t＝19h时，碱性电解水制氢设备的碱液流量上升至120l/h，组合式碱液循环系统已启用第4碱液循环泵，第4碱液循环泵能够精确控制碱液流量的区间为50～100l/h，碱液流量需求不在第4碱液循环泵的调节区间内，大于其上限，需要提升一级碱液循环泵，因此需要启用第3碱液循环泵。

在t＝19～20h，碱性电解水制氢设备的碱液流量保持在120l/h，组合式碱液循环系统已启用第3碱液循环泵，第3碱液循环泵能够精确控制碱液流量的区间为100～200l/h，碱液流量需求在第3碱液循环泵的调节区间内，因此仍然启用第3碱液循环泵。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (5)

1.一种组合式碱液循环装置，其特征在于，用于碱性电解水制氢的碱液补给，包括碱液滤清器(13)、补碱模块、组合式碱液循环模块和碱液循环控制器(17)，所述的碱液滤清器(13)输入端分别连接碱性电解水制氢装置的气液分离器液体输出端以及补碱模块，所述的碱液滤清器(13)输出端通过组合式碱液循环模块连接至碱性电解水制氢装置的电解槽(1)形成闭环循环系统，所述的补碱模块和组合式碱液循环模块均连接至碱液循环控制器(17)，所述的组合式碱液循环模块包括多个具有不同碱液流量范围的碱液循环支路，所述的碱液循环支路并联设置，工作过程中，至少1个碱液循环支路工作；

所述的补碱模块包括碱液箱(16)和补碱泵(12)，所述的碱液箱(16)通过补碱泵(12)连接至碱液滤清器(13)，所述的补碱泵(12)连接至碱液循环控制器(17)；

并联设置的碱液循环支路中的碱液循环泵(14)的碱液流量范围配置成按照梯度化形式变化；

碱液循环泵(14)的碱液流量范围具体配置为：

Q_{A1_max}＞Q_{A2_max}＞…＞Q_{An_max}，

Q_{A1_min}＞Q_{A2_min}＞…＞Q_{An_min}，

其中，Q_{A1_max}为第1个碱液循环支路中碱液循环泵(14)的最大碱液流量，Q_{A2_max}为第2个碱液循环支路中碱液循环泵(14)的最大碱液流量，Q_{An_max}为第n个碱液循环支路中碱液循环泵(14)的最大碱液流量，Q_{A1_min}为第1个碱液循环支路中碱液循环泵(14)的最小碱液流量，Q_{A2_min}为第2个碱液循环支路中碱液循环泵(14)的最小碱液流量，Q_{An_min}为第n个碱液循环支路中碱液循环泵(14)的最小碱液流量，n为碱液循环支路总个数；

所述的碱液循环支路包括碱液循环泵(14)，所述的碱液循环泵(14)输入端连接碱液滤清器(13)，所述的碱液循环泵(14)输出端通过碱液流量计连接至碱性电解水制氢装置的电解槽(1)，所述的碱液循环泵(14)和碱液流量计均连接至碱液循环控制器(17)。

2.根据权利要求1所述的一种组合式碱液循环装置，其特征在于，所述的碱液循环控制器(17)配置成能根据补碱流量需求启动补碱模块工作以及根据碱液循环流量需求控制相应碱液循环支路工作的微处理器芯片。

3.一种碱性电解水制氢系统，包括碱性电解水制氢装置，所述的碱性电解水制氢装置包括电解槽(1)和气液分离器，其特征在于，该系统还包括如权利要求1～2任意一项所述的组合式碱液循环装置，所述的组合式碱液循环装置中的碱液滤清器(13)输入端连接碱性电解水制氢装置的气液分离器液体输出端，组合式碱液循环装置中的组合式碱液循环模块连接至碱性电解水制氢装置的电解槽(1)形成闭环循环系统。

4.根据权利要求3所述的一种碱性电解水制氢系统，其特征在于，所述的碱性电解水制氢装置还包括碱液循环换热器(3)、冷却水箱(4)和冷却水泵(5)，所述的组合式碱液循环装置中的组合式碱液循环模块输出端通过碱液循环换热器(3)连接至碱性电解水制氢装置的电解槽(1)，所述的冷却水箱(4)通过冷却水泵(5)连接至碱液循环换热器(3)形成循环换热回路。

5.一种碱性电解水制氢系统的控制方法，其特征在于，该方法用于对权利要求1～2的任意一项所述的组合式碱液循环装置进行控制，该方法包括如下步骤：

(1)获取碱性电解水制氢装置的补碱流量需求和碱液循环流量需求；

(2)当有补碱需求时，启用补碱模块，根据计算得补碱流量需求补充碱液；

(3)根据碱液循环流量需求，首先判断组合式碱液循环模块是否已经有碱液循环流量数据，若有则执行步骤(4)，否则启用碱液流量范围最高的碱液循环支路；

(4)判断碱液循环流量需求是否在当前启动的碱液循环支路的碱液流量范围中，若是则保持当前碱液循环支路运行，否则执行步骤(5)；

(5)根据碱液循环流量需求选择相应的碱液循环支路运作。

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