CN112899706A - 一种水电解制氢系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种水电解制氢系统及其控制方法。在该水电解制氢系统中，电解槽、气液分离单元、集成式换热器及循环泵通过电解液管路串联连接，形成电解液冷却循环回路，并且，集成式换热器利用散热介质直接对电解液冷却循环回路中的电解液进行散热，相较于现有技术中的散热方案而言，本申请提供的水电解制氢系统利用集成式换热器便可以直接对电解液进行散热，不再需要经过现有技术散热方案中复杂的中间过程，从而降温效果远好于现有技术散热方案，因此，使得本申请提供的水电解制氢系统的散热效率得到提高，所以解决了现有技术中散热方案的散热效率低下的问题。

Description

一种水电解制氢系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，特别是涉及一种水电解制氢系统及其控制方法。

背景技术

现阶段主要有碱性水电解ALK、质子交换膜水电解PEM和固体氧化物水电解SOE这三种制氢技术；目前，只有ALK和PEM两种水电解制氢技术实现商业化；在水电解制氢过程中，有大约20％～30％的能量被转换成热量，致使电解槽的槽温升高，而电解槽的槽温直接影响电解槽性能，因此热管理对水电解制氢系统至关重要。

图1为ALK制氢系统的散热方案，图2为PEM制氢系统的散热方案，虽然两者的具体流程明显不同，但实际散热原理基本相同，即利用电解液换热器冷却电解液，从而实现对电解槽的冷却。

但是，在上述两种散热方案中，两者对电解液的散热效率低下。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种水电解制氢系统及其控制方法，以解决现有技术中水电解制氢系统的散热效率低下的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

本申请第一方面提供一种水电解制氢系统，包括：电解槽、气液分离单元、集成式换热器和循环泵；其中：

所述电解槽、所述气液分离单元、所述集成式换热器及所述循环泵通过电解液管路串联连接，形成电解液冷却循环回路；

所述集成式换热器用于通过散热介质直接对所述电解液冷却循环回路中的电解液进行散热。

可选的，所述集成式换热器为空冷式换热器，用于通过外接空气直接对所述电解液冷却循环回路中的电解液进行散热。

可选的，所述空冷式换热器，包括：中空壳体以及设置于所述中空壳体内部的盘管、风机；其中：

所述盘管设置于所述中空壳体内部的中层空间；

所述风机设置于所述中空壳体的顶部，用于将外界空气注入所述中空壳体，并利用外界空气对所述盘管内流经的电解液进行一次换热。

可选的，所述空冷式换热器，还包括：液态水泵、水盘以及布水系统；其中：

所述水盘设置于所述中空壳体的底部，用于提供和回收液态水；

所述液态水泵用于将所述液态水抽至所述布水系统；

所述布水系统设置于所述中空壳体的上层空间，用于将所述液态水喷淋在所述盘管上，对所述盘管内的电解液进行二次换热。

可选的，所述集成式换热器采用集成框架机构，并且设置于所述电解槽、所述气液分离单元和所述循环泵中任一器件的上方。

可选的，所述电解槽、所述气液分离单元、所述集成式换热器及所述循环泵，按照预设顺序依次通过电解液管路串联连接。

可选的，所述预设顺序为：所述电解槽、所述集成式换热器、所述气液分离单元、所述循环泵；

或者，所述预设顺序为：所述电解槽、所述气液分离单元、所述集成式换热器、所述循环泵；

或者，所述预设顺序为：所述电解槽、所述气液分离单元、所述循环泵、所述集成式换热器。

可选的，所述气液分离单元包括：氧气-电解液分离器和氢气-电解液分离器；两者的输入端分别直接或间接与所述电解槽的相应输出端相连。

可选的，当所述集成式换热器设置于所述电解槽与所述气液分离单元之间时：

所述集成式换热器内部分别输送所述氧气-电解液分离器和所述氢气-电解液分离器的电解液；

或者，所述集成式换热器包括氧侧集成式换热器和氢侧集成式换热器两路，分别输送所述氧气-电解液分离器和所述氢气-电解液分离器的电解液；

或者，所述集成式换热器仅输送所述氧气-电解液分离器的电解液。

可选的，还包括：换热器旁路；其中：

所述换热器旁路与所述集成式换热器并联连接；

由所述集成式换热器和所述换热器旁路调节流入自身的电解液流量，使所述水电解制氢系统的散热量适应所述电解槽的输入功率变化。

可选的，所述循环泵用于根据所受控制，调节自身泵入所述电解槽的电解液流量，使所述水电解制氢系统的散热量进一步适应所述电解槽的输入功率变化；

所述集成式换热器用于根据所受控制，调节自身的散热量，使所述水电解制氢系统的散热量进一步适应所述电解槽的输入功率变化。

可选的，在所述集成式换热器的入口处或者出口处，设置有第一调节阀；

所述换热器旁路为设置有第二调节阀的电解液管路。

可选的，还包括：加热装置；其中：

所述加热装置设置于所述电解液冷却循环回路中，或者，所述换热器旁路中；

所述加热装置用于根据所受控制，调节自身的加热功率，使所述水电解制氢系统的散热量进一步适应所述电解槽的输入功率变化。

可选的，所述加热装置为蒸汽换热器、蒸汽伴热套管或者电伴热中的一种。

可选的，还包括：温度采集装置，用于采集所述电解槽的进口温度值或出口温度值。

可选的，还包括：散热控制器；其中：

所述集成式换热器和所述循环泵均受控于所述散热控制器；

当所述水电解制氢系统包括换热器旁路时，所述换热器旁路受控于所述散热控制器；

当所述水电解制氢系统包括加热装置时，所述加热装置受控于所述散热控制器；

当所述水电解制氢系统包括温度采集装置时，所述温度采集装置输出采集结果至所述散热控制器。

本申请另一方面提供一种水电解制氢系统的控制方法，用于控制如本申请上一方面任一项所述的水电解制氢系统的散热量，所述水电解制氢系统的控制方法，包括：

获取所述水电解制氢系统的工况指令；

在相应工况下，确定所述水电解制氢系统的电解液流量；

根据所述电解液流量以及所述水电解制氢系统中电解槽的任一端口的温度值，确定所述水电解制氢系统中集成式换热器和换热器旁路两条支路的参考流量，以及，所述两条支路之一的参考温度；

根据所述参考流量调节所述两条支路的流量，并根据所述参考温度调节所述两条支路之一的待交换热量。

可选的，所述在相应工况下，确定所述水电解制氢系统的电解液流量的步骤，包括：

当所述工况为正常运行或者冷启动时，根据所述电解槽的输入功率，确定所述水电解制氢系统的电解液流量；

当所述工况为热待机时，在所述电解槽的温度低于所述水电解制氢系统的运行温度后，确定泵入所述电解槽的电解液流量为最低流量值。

可选的，所述根据所述电解液流量以及所述水电解制氢系统中电解槽任一端口的温度值，确定所述水电解制氢系统中集成式换热器和换热器旁路两条支路的参考流量，以及，所述两条支路之一的参考温度的步骤，包括：

当所述工况为正常运行时，根据所述电解液流量和所述电解槽任一端口的温度值，确定所述集成式换热器所在支路的参考流量、所述换热器旁路所在支路的参考流量以及所述集成式换热器所在支路的参考温度；

当所述工况为冷启动或热待机时，确定所述集成式换热器所在支路的参考流量为零，根据所述电解液流量和所述电解槽任一端口的温度值，确定所述换热器旁路所在支路的参考流量和所述换热器旁路所在支路的参考温度。

可选的，所述根据所述参考流量调节所述两条支路的流量，并根据所述参考温度调节所述两条支路之一的待交换热量的步骤，包括：

当所述工况为正常运行时，根据所述集成式换热器所在支路的参考流量和所述换热器旁路所在支路的参考流量，分别调节这两条支路的流量，根据所述集成式换热器所在支路的参考温度调节自身的待交换热量；

当所述工况为冷启动或热待机时，关断所述集成式换热器所在支路，根据所述换热器旁路所在支路的参考流量调节自身的流量，根据所述换热器旁路所在支路的参考温度调节自身的待交换热量。

可选的，所述电解槽任一端口的温度值包括：所述电解槽进口温度值，或者，所述电解槽的出口温度值。

由上述技术方案可知，本发明提供了一种水电解制氢系统，在该水电解制氢系统中，电解槽、气液分离单元、集成式换热器及循环泵通过电解液管路串联连接，形成电解液冷却循环回路，并且，集成式换热器利用散热介质直接对电解液冷却循环回路中的电解液进行散热，相较于现有技术中的散热方案而言，本申请提供的水电解制氢系统利用集成式换热器便可以直接对电解液进行散热，不再需要经过现有技术散热方案中复杂的中间过程，从而降温效果远好于现有技术散热方案，因此，使得本申请提供的水电解制氢系统的散热效率得到提高，所以解决了现有技术中散热方案的散热效率低下的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为ALK制氢系统的散热方案的示意图；

图2为PEM制氢系统的散热方案的示意图；

图3-图7分别为本申请实施例提供的水电解制氢系统的五种实施方式的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的水电解制氢系统的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

ALK制氢系统的散热方案如图1所示，其具体结构包括：两个回路和中间的换热设备，其电解液为碱液；其中，右侧回路为碱液回路，其关键设备有电解槽01、气液分离单元02和碱液循环泵03；左侧回路为循环冷却水回路，其关键设备有冷却塔04、循环水泵05和调节阀06；中间换热设备为碱液换热器07。

其中，气液分离单元02包括氢气-碱液分离器和氧气-碱液分离器2套，相应的，电解槽01到气-液分离器之间的管路为2路管路。

PEM制氢系统的散热方案如图2所示，其散热原理与图1所示的类似，此处不再赘述。

对于大功率(大容量)水电解制氢系统，大约20％～30％的能量被转化为热量，所以对制氢系统的散热量和散热效率要求比较高；通常情况下，现有制氢系统散热方案通过电解液换热器将电解液热量传递给循环冷却水，通过冷却塔04冷却循环水的方式进行散热，中间环节复杂，散热效率低下。

为解决现有技术中水电解制氢系统的散热效率低下的问题，本申请实施例提供一种水电解制氢系统，其具体结构可参见图4，具体包括：电解槽01、气液分离单元02、集成式换热器30和循环泵50。

电解槽01、气液分离单元02、集成式换热器30及循环泵50通过电解液管路串联连接，形成电解液冷却循环回路。

需要说明的是，当水电解制氢系统为ALK制氢系统时，电解液为碱液，电解液冷却循环回路即为碱液循环回路；当水电解制氢系统为PEM制氢系统时，电解液为去离子水，电解液冷却循环回路即为去离子水循环回路。

而集成式换热器30通过散热介质直接对电解液冷却循环回路中的电解液进行散热。

由此可知，本申请提供的水电解制氢系统利用集成式换热器30便可以直接对电解液进行换热，不再需要经过现有技术散热方案中复杂的中间过程，降温效果远好于现有技术散热方案，因此，使得本申请提供的水电解制氢系统的散热效率得到提高，所以解决了现有技术中散热方案的散热效率低下的问题。

优选的，集成式换热器30采用集成框架机构，所以集成式换热器30可以设置于电解槽01、气液分离单元02或者循环泵50中任一器件的上方，从而可以减少该水电解制氢系统的占地面积；在实际应用中，包括但不限于上述实施方式，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。

可选的，集成式换热器30可以为空冷式换热器，即可以通过外接空气直接对电解液冷却循环回路中的电解液进行散热，在实际应用中，包括但不限于此实施方式，可视具体情况而定，只要不通过冷水机进行间接换热、而是通过散热介质进行直接散热的方案，均在本申请的保护范围内。

需要说明的是，在水电解制氢系统中，还设置有：过滤器70，以过滤电解液冷却循环回路中电解液内的杂质，其中，过滤器70可以设置于气液分离单元02与电解槽01之间，也可以设置于气液分离单元02与循环泵50之间，还可以设置于循环泵50与电解槽01之间，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内；优选过滤器70设置于循环泵50的前端(参见图3、图4、图5、图6和图7)，以提高对电解液的过滤效果，保护循环泵50。

本申请另一实施例提供一种空冷式换热器，其具体结构如图3所示，包括：中空壳体31以及设置于中空壳体31内部的盘管32和风机M。

盘管32设置于中空壳体31内部的中层空间；风机M设置于中空壳体31的顶部，将外界空气注入中空壳体31，并利用外界空气对盘管32内流经的电解液进行一次换热。

在现有技术中，换热器先通过冷却水与流经自身的电解液进行换热，之后再将换热后的冷却水回流至冷却塔04，与外接空气进行换热，即换热器以冷却水为换热媒介，间接将电解液与外界空气进行换热，并最终完成对电解液的冷却；与此相比，空冷式换热器利用外接空气直接对流经盘管32的电解液进行换热，省去了冷却水作为换热媒介的过程，从而使得自身的散热效率得到提高。

另外，本实施例还提供空冷式换热器的另一种实施方式，其具体结构如图4所示，在上述实施方式的基础上，还包括：液态水泵33、水盘34以及布水系统35。

其中，水盘34设置于中空壳体31的底部，布水系统35设置于中空壳体31的上层空间；液态水泵33设置于水盘34和布水系统35之间，将水盘34提供的液态水抽至布水系统35，然后布水系统35将液态水喷淋在盘管32上，并在旁管的外壁上形成稳定的水膜，与流经盘管32的电解液进行二次换热；最后，盘管32上的液态水又落回至水盘34，由水盘34回收，并再次提供给液态水泵33。

如此一来，空冷式换热器还可以利用液态水对流经自身的电解液进行换热，另外，在风机M不断将外界空气注入中空壳体31的过程中，水盘34中的液态水以及盘管32上的液态水也会与外接空气进行换热，从而起到对液态水的冷却，即实现了电解液与外接空气的间接散热，所以使得空冷式换热器的散热效率进一步提高。

在实际应用中，为适应不同的特定工况，电解槽01、气液分离单元02、集成式换热器30及循环泵50可以按照预设顺序依次通过电解液管路串联连接。

可选的，预设顺序可以为：电解槽01、集成式换热器30、气液分离单元02、循环泵50(如图3所示)；可以为：电解槽01、气液分离单元02、集成式换热器30、循环泵50(如图4所示)；还可以为：电解槽01、气液分离单元02、循环泵50、集成式换热器30(未进行图示)；在实际应用中，包括但不限于上述三种预设顺序的实施方式，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。

需要说明的是，当水电解制氢系统为小型制氢系统时，优选预设顺序为：电解槽01、集成式换热器30、气液分离单元02、循环泵50，虽然采用该预设顺序会使水电解制氢系统增加一套集成式换热器30，但是却可以使得气液分离单元02的温度更低、分离效果更好、出口气体更低、气体中的含水量更低；当水电解制氢系统为ALK制氢系统时，优选预设顺序为：电解槽01、气液分离单元02、集成式换热器30、循环泵50，或者，电解槽01、气液分离单元02、循环泵50、集成式换热器30，采用此预设顺序使得水电解制氢系统只需要一套集成式换热器30，从而使得水电解制氢系统的整体成本降低。

通常情况下，气液分离单元02包括：液体输出端相连通的氧气-电解液分离器和氢气-电解液分离器，氧气-电解液分离器用于将氧气O₂从电解液中分离出来，氢气-电解液分离器用于将氢气H₂从电解液中分离出来，两者的输入端分别直接或间接与电解槽01的相应输出端相连。

具体而言，当预设顺序为：电解槽01、气液分离单元02、集成式换热器30、循环泵50，或者，预设顺序为：电解槽01、气液分离单元02、循环泵50、集成式换热器30时，即当集成式换热器30设置于气液分离单元02与循环泵50之间，或者设置于循环泵50与电解槽01之间时，气液分离单元02与电解槽01之间的连接关系，具体为：氧气-电解液分离器的输入端与电解槽01的第一输出端相连，氢气-电解液分离器的输入端与电解槽01的第二输出端相连。

当预设顺序为：电解槽01、集成式换热器30、气液分离单元02、循环泵50时，即当集成式换热器30设置于电解槽01与气液分离单元02之间时，气液分离单元02与电解槽01之间的连接关系，可以为：集成式换热器30内部分别输送氧气-电解液分离器和氢气-电解液分离器的电解液；也可以为：集成式换热器30中的氧侧集成式换热器和氢侧集成式换热器这两路，分别输送给氧气-电解液分离器和氢气-电解液分离器的电解液。

需要注意的是，当气液分离单元02与电解槽01之间还设置有其他器件时，其他器件连接关系均与上述集成式换热器30的连接关系相同，例如，当过滤器70设置于气液分离单元02与电解槽01之间时，气液分离单元02与电解槽01之间的氧路和氢路应分别设置过滤器70，分别用于过滤氧气-电解液分离器和氢气-电解液分离器的电解液。

当预设顺序为：电解槽01、集成式换热器30、气液分离单元02、循环泵50时，若电解槽01为PEM电解槽，则气液分离单元02与电解槽01之间的连接关系，具体为：集成式换热器30仅输送氧气-电解液分离器的电解液。

上述仅为气液分离单元02的一种实施方式下，气液分离单元02与电解槽01之间的三种连接方式，在实际应用中，不排除在气液分离单元02的该实施方式下，气液分离单元02与电解槽01之间的其他连接方式，并且，也不排除气液分离单元02的其他实施方式，此处不做具体限定，可是具体情况而定，均在本申请的保护范围内。

图1所示的散热方案适用于稳定功率制氢，即当电解槽01在稳定功率下，发热量稳定，所需要的散热量基本稳定，当外界环境温度发生变化时，通过调节阀06可以调节循环冷却水的流量以实现稳定散热。但当电解槽01变功率输入时，电解槽01的发热量随功率的变化而变化，为保持电解槽01的温度稳定，则需要要求散热量也随功率的变化而变化，因此，对循环冷却水回路的调节能力具有较高要求；例如，电解槽01有效输入功率按20％～100％考虑，则循环冷却水额调节范围为20％～100％，甚至达到0％～100％，显然，如图1所示的散热方案中的散热调节能力明显不足。

在图2所示的散热方案中，电解槽变功率输入时，电解槽的发热量随功率输入的变化而变化，为保持电解槽的温度稳定，则要求阳极散热器的散热量也随之变化，但显然图2所示的散热方案的散热调节能力也明显不足。

为解决此问题，本申请另一实施例提供水电解制氢系统的另一种实施方式，其具体结构可参见图5，在上述实施例的基础上，还包括：换热器旁路40。

换热器旁路40与集成式换热器30并联连接，集成式换热器30和换热器旁路40可以调节流入自身的电解液流量，其中，集成式换热器30会对流入自身的电解液进行冷却，而不会对流入换热器旁路40的电解液进行冷却，所以通过上述调节使得该水电解制氢系统的散热量适应电解槽01的输入功率变化，即使得该水电解制氢系统的散热量可以跟随电解槽01的输入功率的变化而变化。

相较于现有技术中的散热方案而言，在该水电解制氢系统的实施方式中，增加了流入集成式换热器30和换热器旁路40中的电解液流量，以及，泵入电解槽01的电解液流量和集成式换热器30的散热量等这些用于散热调节的调节量，因此本申请提供的水电解制氢系统的散热调节能力增强。

进一步而言，循环泵50通过根据所受控制，调节自身泵入电解槽01的电解液流量，也可以使该水电解制氢系统的散热量进一步适应随电解槽01的输入功率变化；并且，集成式换热器30通过根据所受控制，调节自身的散热量，也可以使该水电解制氢系统的散热量进一步适应随电解槽01的输入功率变化。

可选的，为了实现对流入集成式换热器30的电解液流量的调节，可以在集成式换热器30的入口处设置第一调节阀81(如图5所示)，也可以在集成式换热器30的出口处设置第一调节阀81(未进行图示)，在实际应用中，包括但不限于上述两种实施方式，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。

可选的，为了实现对流入换热器旁路40的电解液流量的调节，可以在换热器旁路40中设置第二调节阀82(如图5所示)；在实际应用中，包括但不限于上述两种实施方式，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。

另外，在该水电解制氢系统中，还可以设置有：温度采集装置，以对电解槽01的进口温度值或出口温度值进行采集，作为水电解制氢系统散热量调节的依据之一。

在如图1所示的散热方案中，当ALK制氢系统中的电解槽01的发热量小于自身的散热量时，比如，电解槽01工作在弱功率区及待机模式，即该水电解制氢系统处于热待机工况，或者，该水电解制氢系统处于冷启动工况，要对碱液进行加热以维持电解槽01的温度，实现电解槽01的快速动态响应。

其中，冷启动工况，即为水电解制氢系统启动后、可以正常运行前的工作状况；热待机工况，即为水电解制氢系统始终使自身电解槽01处于可以发生反应的工作状况。

在如图2所示的散热方案中，当PEM制氢系统冷启动时，特别是在较低温度启动时(比如0℃左右)，仅依靠电解槽将去离子水从0℃左右加热到60℃左右的工作温度，需要几十分钟，冷启动速度慢。

为解决上述问题，本申请另一实施例提供水电解制氢系统的另一实施方式，其具体结构如图6所示，在上述实施例的基础上，还包括：加热装置90。

可选的，加热装置90可以设置于电解液冷却循环回路上，即换热器旁路40之外的其他电解液管路，比如，循环泵50与电解槽01之间的电解液管路；加热装置90还可以设置于换热器旁路40上；在实际应用中，包括但不限于上述两种设置方式，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内；其中，优选加热装置90设置于换热器旁路40上，如图6所示，如此一来，可以通过换热器30和加热装置90分别对换热器30所在支路和换热器旁路40所在支路进行降温和升温。

当水电解制氢系统处于冷启动工况时，加热装置90可以根据所受控制调节自身的加热功率，使电解槽01的温度快速提升至运行范围，当水电解制氢系统处于待机工况时，加热装置90根据所受控制调节自身的加热功率，使电解槽01的温度维持在运行范围内。

可选的，加热装置90可以为蒸汽换热器，即通过蒸汽加热电解液；也可以为蒸汽伴热套管，即通过蒸汽先加热管路，进而加热电解液；还可以为电伴热，即通过防爆伴热带加热管路，进而加热电解液；在实际应用中，包括但不限于上述实施方式，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。

需要说明的是，增加加热装置90后，当电解槽01的发热量小于该水电解制氢系统的散热量时，加热装置90可以对电解液进行加热，以实现电解液和电解槽01温度的稳定以及电解槽01的快速动态响应。

在图1所示的散热方案中，当冷却塔04和循环水泵05全厂共用时，冷却塔04和循环水泵05始终处于额定功率运行状态，能耗大；当电解槽01运行在弱功率工况时，碱液流量比较低，循环冷却水回路的散热量仍然较大，从而使得返回电解槽01的碱液温度偏低，即碱液进出电解槽01的温差比较大，进而使得电解槽01运行效率差、温差应力大；由此可知，图1所示的散热方案存在自动化程度较低问题。

为解决上述问题，本申请另一实施例提供水电解制氢系统另一种实施方式，其具体结构如图7所示，在上述实施例的基础上，还包括：散热控制器60。

其中，集成式换热器30和循环泵50均受控于散热控制器60，即：散热控制器60可以根据预设程序，对集成式换热器30的散热量和泵入电解槽01的电解液流量进行自动调节，以实现该水电解制氢系统的散热量对电解槽01输入功率变化的适应。

并且，当水电解制氢系统包括换热器旁路40时，换热器旁路40也受控于散热控制器60，即：散热控制器60还可以根据预设程序，对流入集成式换热器30的电解液流量和流入换热器旁路40的电解液流量进行自动调节，以实现该水电解制氢系统的散热量对电解槽01输入功率变化的进一步适应。

当水电解制氢系统包括加热装置90时，加热装置90受控于散热控制器60，即散热控制器60也可以根据预设程序，对加热装置90的加热功率进行自动调节，以实现该水电解制氢系统的散热量对电解槽01输入功率变化的进一步适应。

另外，当水电解制氢系统包括温度采集装置时，温度采集装置输出采集结果至散热控制器60，即散热控制器60可以通过该温度采集装置实现对于电解槽01的进口温度值或出口温度值的采集，作为散热控制器60对该水电解制氢系统的散热量进行调节的依据之一。

需要说明的是，通过在该水电解制氢系统中设置散热控制器60，实现了对水电解制氢系统的散热量的自动调节，从而使得该水电解制氢系统的自动化程度得到提高。

可选的，散热控制器60可以独立设置，也可以集成在上级控制器中，即系统控制器，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内；另外，当散热控制器60独立设置时，散热控制器60与系统控制器通信连接，获取上级系统的工况指令，以此来调节水电解制氢系统的散热量。

上述仅为该水电解制氢系统对集成式换热器30、换热器旁路40、循环泵50、加热装置90以及温度采集装置的一种优选控制方式，即通过散热控制器60对其进行控制，在实际应用中，包括但不限于此控制方式，比如，手动控制集成式换热器30、换热器旁路40、循环泵50和加热装置90的动作，或者采用其他远程控制器来实现上述散热控制器60的功能，此处不做具体限定限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。

本申请另一实施例提供一种水电解制氢系统的控制方法，用于控制上述实施例提供的水电解制氢系统的散热量，该水电解制氢系统的控制方法的具体流程，如图8所示，具体包括以下步骤：

S110、获取水电解制氢系统的工况指令。

在步骤S110中，水电解制氢系统的工况指令由水电解制氢系统的控制器根据系统自身实际工况下发，即工况指令可以表征水电解制氢系统需要进入的各种工况，比如，冷启动工况、热待机工况、正常运行工况。

S120、在相应工况下，确定水电解制氢系统的电解液流量。

其中，水电解制氢系统的电解液流量即为循环泵泵入电解槽中的电解液流量。

当工况为正常运行或者冷启动时，根据电解槽的输入功率，确定水电解制氢系统的电解液流量。

需要说明的是，当工况为正常运行时，根据电解槽的输入功率，确定水电解制氢系统的电解液流量，是为了确保电解液将电解槽产生的热量带出、维持电解槽温度，另外，电解液的流量还应确保气液分离器的分离效果，以保证气体纯度；当工况为冷启动时，根据电解槽的输入功率，确定水电解制氢系统的电解液流量，是为了在保持电解槽温度均匀的前提下加快电解槽的冷启动速度。

当工况为热待机时，在电解槽的温度低于水电解制氢系统的运行温度后，确定泵入电解槽的电解液流量为预设流量值。

需要说明的是，在电解槽的温度低于水电解制氢系统的运行温度后，确定泵入电解槽的电解液流量为预设流量值，是为了降低水电解制氢系统维持热待机工况的成本。

优选的，预设流量值为完成电解液循环过程的最低流量值，此时该水电解制氢系统维持热待机状态的成本最低。

S130、根据水电解制氢系统的电解液流量以及水电解制氢系统中电解槽任一端口的温度值，确定水电解制氢系统中集成式换热器和换热器旁路两条支路的参考流量，以及，两条支路之一的参考温度。

需要说明的是，集成式换热器所在支路的参考流量，即为需要进行冷却的电解液流量，换热器旁路所在支路的参考流量即为不需要进行冷却的电解液流量，或者，需要进行加热的电解液流量。

当工况为正常运行时，根据水电解制氢系统的电解液流量和电解槽任一端口的温度值，确定集成式换热器所在支路的参考流量、换热器旁路所在支路的参考流量以及集成式换热器所在支路的参考温度。

需要说明的是，由于此时水电解制氢系统处于正常运行工况，所以此时水电解制氢系统发热严重，电解液温度升高，为不影响自身的正常运行，需要对电解液进行冷却，因此，需要确定集成式换热器所在支路的参考流量、换热器旁路所在支路的参考流量以及集成式换热器所在支路的参考温度，以确定参考对电解液的冷却程度。

当工况为冷启动或热待机时，确定集成式换热器所在支路的参考流量为零，根据水电解制氢系统的电解液流量和电解槽任一端口的温度值，确定换热器旁路所在支路的参考流量和换热器旁路所在支路的参考温度。

需要说明的是，冷启动工况，即为水电解制氢系统启动机后、可以正常运行前的工作状况；热待机工况，即为水电解制氢系统始终使自身电解槽处于可以发生反应的工作状况；由此可知，当水电解制氢系统处于冷启动或热待机工况时，水电解制氢系统需要对电解液加热，以使电解槽的温度达到运行温度范围，或者，以维持电解槽的温度在运行范围内，因此，需要确定集成式换热器所在支路的参考流量为零，以不对电解液进行冷却，需要确定换热器旁路所在支路的参考流量和换热器旁路所在支路的参考温度，以确定对电解液的加热程度。

需要注意的是，确定集成式换热器所在支路的参考流量为零后，会默认集成式换热器停止工作，即散热量为零，以降低水电解制氢系统的运行成本，所以此时不再需要确定集成式换热器所在支路的参考温度。

可选的，电解槽任一端口的温度值可以为电解槽进口温度值，也可以为电解槽的出口温度值，此处不做具体限定，视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。

S140、根据参考流量调节两条支路的流量，并根据参考温度调节两条支路之一的待交换热量。

当工况为正常运行时，根据集成式换热器所在支路的参考流量和换热器旁路所在支路的参考流量，分别调节这两条支路的流量，根据集成式换热器所在支路的参考温度调节自身的待交换热量。

当工况为冷启动或热待机时，关断集成式换热器所在支路，根据换热器旁路所在支路的参考流量调节自身的流量，根据换热器旁路所在支路的参考温度调节自身的待交换热量。

需要说明的是，当工况为正常运行时，调节集成式换热器所在支路的待交换热量，即通过调节集成式换热器的散热量实现，具体调节方式已在上述实施例中进行说明，此处不再赘述；当工况为冷启动或热待机时，调节换热器旁路所在支路的待交换量，即通过调节加热装置的输出功率实现，具体调节方式已在上述实施例中进行说明，此处不再赘述。

另外，需要说明的是，该水电解制氢系统关于散热量的最终调整标准为：使电解槽的温度在运行温度范围内；其中，电解槽的运行温度范围，即为：电解槽中所进行的反应的最适温度范围，也即，在该温度范围内，电解槽中的反应速度较快，生成氢气的速率最快，以及，使电解槽的进出口温度之差在15℃之内，最优为10℃最内。

以图6所示的水电解制氢系统为例，该水电解制氢系统的控制方法，具体为：

获取水电解制氢系统的工况指令，当工况指令表征水电解制氢系统正常运行时，先根据电解槽的输入功率，确定循环泵泵入电解槽的电解液流量，然后，再根据泵入电解槽的电解液流量和电解槽进出口的温度值，确定集成式换热器所在支路的参考流量、换热器旁路所在支路的参考流量以及集成式换热器所在支路的参考温度，最后，根据集成式换热器所在支路的参考流量和换热器旁路所在支路的参考流量，通过调节第一控制阀和第二控制阀的开度，分别调节这两条支路的流量，从而实现对电解液温度的快速、高效的调节，并将电解槽的温度维持在运行温度范围。

当工况指令表征水电解制氢系统需要进入冷启动工况时，先根据电解槽的输入功率，确定循环泵泵入电解槽的电解液流量，然后，再确定集成式换热器所在支路的参考流量为零，并根据泵入电解槽的电解液流量和电解槽进出口的温度值，确定换热器旁路所在支路的参考流量和换热器旁路所在支路的参考温度，最后，通过关闭第一调节阀实现对集成式换热器所在支路的关断，通过关闭集成式换热器使自身停止工作，根据换热器旁路所在支路的参考流量，通过调节第二调节阀的开度来调节自身流量，根据换热器旁路所在支路的参考温度，通过调节加热装置来调节自身的待交换热量，从而将电解槽的温度快速提升至运行温度范围，使得该水电解制氢系统的冷启动时间加快。

当工况指令表征水电解制氢系统需要进入热待机工况时，先在电解槽的温度低于水电解制氢系统的运行温度后，确定循环泵泵入电解槽的电解液流量为最低流量值，然后，再确定集成式换热器所在支路的参考流量为零，并根据泵入电解槽的电解液流量和电解槽进出口的温度值，确定换热器旁路所在支路的参考流量和换热器旁路所在支路的参考温度，最后，通过关闭第一调节阀实现对集成式换热器所在支路的关断，通过关闭集成式换热器使自身停止工作，根据换热器旁路所在支路的参考流量，通过调节第二调节阀的开度来调节自身流量，根据换热器旁路所在支路的参考温度，通过调节加热装置来调节自身的待交换热量，从而将电解槽的温度维持在运行温度范围，以在间歇、变功率运行工况下，提高制氢系统的整体效率。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (21)

1.一种水电解制氢系统，其特征在于，包括：电解槽、气液分离单元、集成式换热器和循环泵；其中：

所述电解槽、所述气液分离单元、所述集成式换热器及所述循环泵通过电解液管路串联连接，形成电解液冷却循环回路；

所述集成式换热器用于通过散热介质直接对所述电解液冷却循环回路中的电解液进行散热。

2.根据权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述集成式换热器为空冷式换热器，用于通过外接空气直接对所述电解液冷却循环回路中的电解液进行散热。

3.根据权利要求2所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述空冷式换热器，包括：中空壳体以及设置于所述中空壳体内部的盘管、风机；其中：

所述盘管设置于所述中空壳体内部的中层空间；

所述风机设置于所述中空壳体的顶部，用于将外界空气注入所述中空壳体，并利用外界空气对所述盘管内流经的电解液进行一次换热。

4.根据权利要求3所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述空冷式换热器，还包括：液态水泵、水盘以及布水系统；其中：

所述水盘设置于所述中空壳体的底部，用于提供和回收液态水；

所述液态水泵用于将所述液态水抽至所述布水系统；

所述布水系统设置于所述中空壳体的上层空间，用于将所述液态水喷淋在所述盘管上，对所述盘管内的电解液进行二次换热。

5.根据权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述集成式换热器采用集成框架机构，并且设置于所述电解槽、所述气液分离单元和所述循环泵中任一器件的上方。

6.根据权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述电解槽、所述气液分离单元、所述集成式换热器及所述循环泵，按照预设顺序依次通过电解液管路串联连接。

7.根据权利要求6所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述预设顺序为：所述电解槽、所述集成式换热器、所述气液分离单元、所述循环泵；

或者，所述预设顺序为：所述电解槽、所述气液分离单元、所述集成式换热器、所述循环泵；

或者，所述预设顺序为：所述电解槽、所述气液分离单元、所述循环泵、所述集成式换热器。

8.根据权利要求7所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述气液分离单元包括：氧气-电解液分离器和氢气-电解液分离器；两者的输入端分别直接或间接与所述电解槽的相应输出端相连。

9.根据权利要求8所述的水电解制氢系统，其特征在于，当所述集成式换热器设置于所述电解槽与所述气液分离单元之间时：

所述集成式换热器内部分别输送所述氧气-电解液分离器和所述氢气-电解液分离器的电解液；

或者，所述集成式换热器包括氧侧集成式换热器和氢侧集成式换热器两路，分别输送所述氧气-电解液分离器和所述氢气-电解液分离器的电解液；

或者，所述集成式换热器仅输送所述氧气-电解液分离器的电解液。

10.根据权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，还包括：换热器旁路；其中：

所述换热器旁路与所述集成式换热器并联连接；

由所述集成式换热器和所述换热器旁路调节流入自身的电解液流量，使所述水电解制氢系统的散热量适应所述电解槽的输入功率变化。

11.根据权利要求10所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述循环泵用于根据所受控制，调节自身泵入所述电解槽的电解液流量，使所述水电解制氢系统的散热量进一步适应所述电解槽的输入功率变化；

所述集成式换热器用于根据所受控制，调节自身的散热量，使所述水电解制氢系统的散热量进一步适应所述电解槽的输入功率变化。

12.根据权利要求10所述的水电解制氢系统，其特征在于，在所述集成式换热器的入口处或者出口处，设置有第一调节阀；

所述换热器旁路为设置有第二调节阀的电解液管路。

13.根据权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，还包括：加热装置；其中：

所述加热装置设置于所述电解液冷却循环回路中，或者，所述换热器旁路中；

所述加热装置用于根据所受控制，调节自身的加热功率，使所述水电解制氢系统的散热量进一步适应所述电解槽的输入功率变化。

14.根据权利要求13所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述加热装置为蒸汽换热器、蒸汽伴热套管或者电伴热中的一种。

15.根据权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，还包括：温度采集装置，用于采集所述电解槽的进口温度值或出口温度值。

16.根据权利要求1-15任一项所述的水电解制氢系统，其特征在于，还包括：散热控制器；其中：

所述集成式换热器和所述循环泵均受控于所述散热控制器；

当所述水电解制氢系统包括换热器旁路时，所述换热器旁路受控于所述散热控制器；

当所述水电解制氢系统包括加热装置时，所述加热装置受控于所述散热控制器；

当所述水电解制氢系统包括温度采集装置时，所述温度采集装置输出采集结果至所述散热控制器。

17.一种水电解制氢系统的控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1-16任一项所述的水电解制氢系统的散热量，所述水电解制氢系统的控制方法，包括：

获取所述水电解制氢系统的工况指令；

在相应工况下，确定所述水电解制氢系统的电解液流量；

根据所述电解液流量以及所述水电解制氢系统中电解槽的任一端口的温度值，确定所述水电解制氢系统中集成式换热器和换热器旁路两条支路的参考流量，以及，所述两条支路之一的参考温度；

根据所述参考流量调节所述两条支路的流量，并根据所述参考温度调节所述两条支路之一的待交换热量。

18.根据权利要求17所述的水电解制氢系统的控制方法，其特征在于，所述在相应工况下，确定所述水电解制氢系统的电解液流量的步骤，包括：

当所述工况为正常运行或者冷启动时，根据所述电解槽的输入功率，确定所述水电解制氢系统的电解液流量；

当所述工况为热待机时，在所述电解槽的温度低于所述水电解制氢系统的运行温度后，确定泵入所述电解槽的电解液流量为最低流量值。

19.根据权利要求17所述的水电解制氢系统的控制方法，其特征在于，所述根据所述电解液流量以及所述水电解制氢系统中电解槽任一端口的温度值，确定所述水电解制氢系统中集成式换热器和换热器旁路两条支路的参考流量，以及，所述两条支路之一的参考温度的步骤，包括：

当所述工况为正常运行时，根据所述电解液流量和所述电解槽任一端口的温度值，确定所述集成式换热器所在支路的参考流量、所述换热器旁路所在支路的参考流量以及所述集成式换热器所在支路的参考温度；

当所述工况为冷启动或热待机时，确定所述集成式换热器所在支路的参考流量为零，根据所述电解液流量和所述电解槽任一端口的温度值，确定所述换热器旁路所在支路的参考流量和所述换热器旁路所在支路的参考温度。

20.根据权利要求19所述的水电解制氢系统的控制方法，其特征在于，所述根据所述参考流量调节所述两条支路的流量，并根据所述参考温度调节所述两条支路之一的待交换热量的步骤，包括：

当所述工况为正常运行时，根据所述集成式换热器所在支路的参考流量和所述换热器旁路所在支路的参考流量，分别调节这两条支路的流量，根据所述集成式换热器所在支路的参考温度调节自身的待交换热量；

当所述工况为冷启动或热待机时，关断所述集成式换热器所在支路，根据所述换热器旁路所在支路的参考流量调节自身的流量，根据所述换热器旁路所在支路的参考温度调节自身的待交换热量。

21.根据权利要求17-20任一项所述的水电解制氢系统的控制方法，其特征在于，所述电解槽任一端口的温度值包括：所述电解槽进口温度值，或者，所述电解槽的出口温度值。

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