CN112899712B - 电解水制氢装置及制氢方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种电解水制氢装置及制氢方法，电解水制氢装置包括电解槽、氧分离器、氢分离器、循环泵、氧侧控制装置以及氢侧控制装置，氧分离器的容器大小不大于氢分离器的容器大小的一半，氧侧控制装置包括氧调节阀及连接至氧调节阀两端的旁通手动球阀，氢侧控制装置包括背压阀及连接至背压阀两端的第三旁通自动球阀，结合了电解水制氢制取氢气和氧气产量的差异重新设计分离器大小，满足控制同时节省成本；仅保留氧调节阀，氢调节阀由背压阀替代，并将氢侧的旁通手动球阀变为旁通自动球阀，减少了一路调节控制输出点，保证控制简单高效。
Description
技术领域
本发明涉及制氢的技术领域，尤其是涉及一种电解水制氢装置及制氢方法。
背景技术
电解水制氢法是通过对水电解槽中的电解液进行直流电电解，分别在阴极和阳极产生出含液氢气和氧气，而后分两路送往氢分离器和氧分离器进行重力分离，氢气和氧气向上送往用气点，而电解液向下，经回流汇集到循环泵中，再次被压送至电解槽中电解，如此往复生成氢气和氧气。在此过程中，需要保证氢分离器和氧分离器中的液位的平衡，避免气液互串而造成喷发危险，通常，液位的平衡是通过调节两个分离器中气体的压力实现的。
现有技术中，利用自动化仪表来控制氢分离器与氧分离器中的压力平衡，具体来说就是在两分离器的出口管路上分别设有调节阀，通过压力及差压变送器进行现场信号检测，采集的信号送到调节仪(或PLC系统)进行分析、比较和运算，计算出两分离器中的压差，然后发出信号去控制调节阀的开度大小，以调节气压，确保两者之间的压力平衡，使设备正常工作。
然而，上述单台电解装置产能有限，且整体成本较高。随着可再生能源制氢的发展趋势，需要更大规模的电解水制氢装备，研发一种新型的高效电解水制氢控制很有必要。一方面，在原有的经验基础上，研发出新型的控制流程，简单高效；另一方面，节省设备成本。这是电解水制氢设备发展的必然趋势。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种电解水制氢装置及制氢方法，结合了电解水制氢制取氢气和氧气产量的差异将氧分离器的容器大小设计为不大于氢分离器的容器大小的一半，满足控制同时节省成本；仅保留氧调节阀，氢调节阀由背压阀替代，并将氢侧的旁通手动球阀变为旁通自动球阀，减少了一路调节控制输出点，保证控制简单高效。
本发明提供了一种电解水制氢装置，包括：电解槽，该电解槽内采用电极电解电解液以产生氢气和氧气；氢分离器，通过氢气液管道与该电解槽连通，用于将该电解槽产生的氢气进行气液分离；氧分离器，通过氧气液管道与该电解槽连通，用于将该电解槽产生的氧气进行气液分离，其中该氧分离器的容器大小不大于该氢分离器的容器大小的一半；循环泵，分别与该氢分离器的氢侧回流管道和该氧分离器的氧侧回流管道连通，用于将该氢分离器和该氧分离器中的液体连通至该电解槽；氧侧控制装置，该氧分离器的出口经由该氧侧控制装置连通大气，该氧侧控制装置包括氧调节阀及连接至该氧调节阀两端的旁通手动球阀；以及氢侧控制装置，该氢分离器的出口经由该氢侧控制装置连接至氢储气罐，该氢侧控制装置包括背压阀及连接至该背压阀两端的第三旁通自动球阀。
较佳地，该氧分离器上设有氧液位变送器，该氢分离器上设有氢液位变送器，该氧调节阀由氢、氧液位差信号调节控制。
较佳地，该氧分离器上还设有氧压力变送器和氧差压变送器，该氢分离器上还设有氢差压变送器，该氢侧控制装置与该氢储气罐之间的管道上设有氢压力变送器。
较佳地，该氧差压变送器经由第一阀门连接至该氧分离器，该氧压力变送器经由第四阀门连接至该氧分离器，该氢差压变送器的两端分别经由第二阀门和第三阀门连接至该氢分离器，该氢压力变送器经由第五阀门连接至该管道。
较佳地，该电解水制氢装置还包括：第一旁通自动球阀，该氢分离器顶部的出口经由该第一旁通自动球阀连接至该氢侧控制装置；以及第二旁通自动球阀，该氧分离器顶部的出口经由该第二旁通自动球阀连接至该氧侧控制装置。
较佳地，该氢分离器的氢出气口连接第一三通阀的进口，该第一三通阀的一路出口经氢气阻火器连通大气，该第一三通阀的另一路出口连接至该氢储气罐；该氧分离器的氧出气口连接第二三通阀的进口，该第二三通阀的一路出口连通大气。
本发明还提出了一种电解水制氢方法，利用上述的装置进行制氢，其中产气量调节范围为20％～135％，液位波动误差不大于5cm，压力波动误差不大于0.1MPa。
较佳地，该背压阀预设设置压力，该装置具有储罐压力，当该储罐压力低于该设置压力时，该装置根据该设置压力运行；当该储罐压力高于该设置压力时，该装置根据该储罐压力运行。
较佳地，于正常泄压时，打开该第三旁通自动球阀运行。
较佳地，当检测到该氧分离器的液位高于该氢分离器的液位时，则控制关闭该氧调节阀；当检测到该氧分离器的液位低于该氢分离器的液位时，则控制打开该氧调节阀。
与现有技术相比，本发明的电解水制氢装置包括电解槽、氧分离器、氢分离器、循环泵、氧侧控制装置以及氢侧控制装置，氧分离器的容器大小不大于氢分离器的容器大小的一半，氧侧控制装置包括氧调节阀及连接至氧调节阀两端的旁通手动球阀，氢侧控制装置包括背压阀及连接至背压阀两端的第三旁通自动球阀，结合了电解水制氢制取氢气和氧气产量的差异重新设计分离器大小，满足控制同时节省成本；仅保留氧调节阀，氢调节阀由背压阀替代，并将氢侧的旁通手动球阀变为旁通自动球阀，减少了一路调节控制输出点，保证控制简单高效。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请进一步说明。
图1为本发明一种实施例的电解水制氢控制工艺流程图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本申请做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
请参考图1所示，图1为本发明一种实施例的电解水制氢控制工艺流程图。本发明的电解水制氢装置包括电解槽10、氧分离器11、氢分离器12、循环泵13、氧侧控制装置以及氢侧控制装置。电解槽10内采用电极电解电解液以产生氢气和氧气，其中电解液可以是纯水、或者以KOH或NaOH碱液等。氧分离器11和氢分离器12分别通过氧气液管道和氢气液管道与电解槽10连通，其中氧分离器11用于将电解槽10产生的氧气进行气液分离，氢分离器12用于将电解槽10产生的氢气进行气液分离，其中氧分离器11的容器体积大小不大于氢分离器12的容器体积大小的一半，例如，氧分离器11的容器体积是氢分离器12的容器体积大小的一半。循环泵13分别与氢分离器12底部的氢侧回流管道和氧分离器11底部的氧侧回流管道连通，用于将氢分离器12和氧分离器11中的液体连通至电解槽10进行循环再利用。具体而言，电解槽10产生的氢、氧气与电解液在循环泵13的外力作用下从电解槽10出来分别到对应的氢分离器12、氧分离器11内，通过气、液自重的物理特性进行分离。氧分离器11顶部的出口经由氧侧控制装置连通大气，氢分离器12顶部的出口经由氢侧控制装置连接至氢储气罐14，氧侧控制装置包括氧调节阀16及连接至氧调节阀16两端的旁通手动球阀17，氢侧控制装置包括背压阀18及连接至背压阀18两端的第三旁通自动球阀19。
本发明中，根据电解水制氢制取一份氢气时，由于氧气产气量是氢气的1/2，因此通过减小氧分离器11的容器体积，解决了同时都是憋压情况下，不通过任何控制调节能够保证氧气压力不会低于氢气压力，则通过氢、氧液位差信号控制氧调节阀是可行的。结合该特点，氧分离器11采用小于(或等于)氢分离器12一半的容器体积大小，满足控制同时节省成本。再者，将现有技术中氢侧和氧侧分别设置调节阀变为仅保留氧调节阀16，氢调节阀由背压阀18替代，并将氢侧的旁通手动球阀变为旁通自动球阀，如此，保留的氧调节阀16由液位差信号调节控制，减少了一路调节控制输出点，保证控制简单高效。
于本实施例中，氧分离器11上设有氧液位变送器20、氧压力变送器21和氧差压变送器22，氢分离器12上设有氢液位变送器23和氢差压变送器24，氢侧控制装置与氢储气罐14之间的管道上设有氢压力变送器25。其中，上述的氧调节阀16由氢、氧液位差信号调节控制，当检测到氧分离器11的液位高于氢分离器12的液位时，则控制关闭氧调节阀16；当检测到氧分离器11的液位低于氢分离器12的液位时，则控制打开氧调节阀16。
进一步地，氧差压变送器22和氧压力变送器21分别经由第一阀门26和第四阀门29连接至氧分离器11，氢差压变送器24的两端分别经由第二阀门27和第三阀门28连接至氢分离器12，氢压力变送器25经由第五阀门30连接至管道。于本实施例中，第一阀门26、第二阀门27、第三阀门28和第四阀门29均为流量控制阀门。
本实施例中，背压阀18根据装置的产气量大小、压力大小及运行要求进行选取，背压阀18根据装置的运行预设设置压力，装置具有储罐压力。正常氢气送罐时，根据储罐压力进行运行，当储罐压力低于设置压力时，装置根据设置压力运行；当储罐压力高于设置压力时，装置根据储罐压力运行，此时背压阀18完全打开。于正常停车泄压时，打开第三旁通自动球阀19运行。
于本发明实施例中，电解水制氢装置还包括第一旁通自动球阀31和第二旁通自动球阀32，氢分离器12顶部的出口经由第一旁通自动球阀31连接至氢侧控制装置，氧分离器11顶部的出口经由第二旁通自动球阀32连接至氧侧控制装置。第一旁通自动球阀31和第二旁通自动球阀32作为两台保压阀，是为了保障整套装置的安全性，当氢氧液位差大小安全值时，则可通过控制保压阀进行开关操作。并且系统的氧压力与氢压力都设置了各自的报警联锁值以保证整个压力系统的正常运行。
进一步地，氢分离器12的氢出气口120连接第一三通阀33的进口，第一三通阀33的一路出口经氢气阻火器15连通大气，第一三通阀33的另一路出口连接至氢储气罐14。相比而言，氧分离器11的氧出气口110连接第二三通阀34的进口，第二三通阀34的一路出口连通大气直接排空，另一路出口并无限制，当然可以任意连接其他收集装置进行收集再利用，本发明对比不作限制。示例性地，第一三通阀33和第二三通阀34可为气动三通球阀。
本发明还提出一种电解水制氢方法，利用上述的电解水制氢装置进行制氢，其中产气量调节范围为20％～135％，液位波动误差不大于5cm，压力波动误差不大于0.1MPa。上述的氧调节阀16由氢、氧液位差信号调节控制，当检测到氧分离器11的液位高于氢分离器12的液位时，则控制关闭氧调节阀16；当检测到氧分离器11的液位低于氢分离器12的液位时，则控制打开氧调节阀16。背压阀18根据装置的产气量大小、压力大小及运行要求进行选取，背压阀18根据装置的运行预设设置压力，装置具有储罐压力。正常氢气送罐时，根据储罐压力进行运行，当储罐压力低于设置压力时，装置根据设置压力运行；当储罐压力高于设置压力时，装置根据储罐压力运行，此时背压阀18完全打开。于正常停车泄压时，打开第三旁通自动球阀19运行。其他详细原理已在前述电解水制氢装置介绍，在此不再赘述。
综上所述，本发明的电解水制氢装置包括电解槽10、氧分离器11、氢分离器12、循环泵13、氧侧控制装置以及氢侧控制装置，氧分离器11的容器大小不大于氢分离器12的容器大小的一半，氧侧控制装置包括氧调节阀16及连接至氧调节阀16两端的旁通手动球阀17，氢侧控制装置包括背压阀18及连接至背压阀18两端的第三旁通自动球阀19，结合了电解水制氢制取氢气和氧气产量的差异重新设计分离器大小，满足控制同时节省成本；仅保留氧调节阀16，氢调节阀由背压阀18替代，并将氢侧的旁通手动球阀变为旁通自动球阀，减少了一路调节控制输出点，保证控制简单高效。
本申请从使用目的上，效能上，进步及新颖性等观点进行阐述，其设置有的实用进步性，已符合专利法所强调的功能增进及使用要件，本申请以上的说明及附图，仅为本申请的较佳实施例而已，并非以此局限本申请，因此，凡一切与本申请构造，装置，特征等近似、雷同的，即凡依本申请专利申请范围所作的等同替换或修饰等，皆应属本申请的专利申请保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种电解水制氢装置，其特征在于，包括：
电解槽，该电解槽内采用电极电解电解液以产生氢气和氧气；
氢分离器，通过氢气液管道与该电解槽连通，用于将该电解槽产生的氢气进行气液分离；
氧分离器，通过氧气液管道与该电解槽连通，用于将该电解槽产生的氧气进行气液分离，其中该氧分离器的容器大小不大于该氢分离器的容器大小的一半；
循环泵，分别与该氢分离器的氢侧回流管道和该氧分离器的氧侧回流管道连通，用于将该氢分离器和该氧分离器中的液体连通至该电解槽；
氧侧控制装置，该氧分离器的出口经由该氧侧控制装置连通大气，该氧侧控制装置包括氧调节阀及连接至该氧调节阀两端的旁通手动球阀；以及
氢侧控制装置，该氢分离器的出口经由该氢侧控制装置连接至氢储气罐，该氢侧控制装置包括背压阀及连接至该背压阀两端的第三旁通自动球阀；
该氧分离器上设有氧液位变送器，该氢分离器上设有氢液位变送器，该氧调节阀由氢、氧液位差信号调节控制。
2.如权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于，该氧分离器上还设有氧压力变送器和氧差压变送器，该氢分离器上还设有氢差压变送器，该氢侧控制装置与该氢储气罐之间的管道上设有氢压力变送器。
3.如权利要求2所述的电解水制氢装置，其特征在于，该氧差压变送器经由第一阀门连接至该氧分离器，该氧压力变送器经由第四阀门连接至该氧分离器，该氢差压变送器的两端分别经由第二阀门和第三阀门连接至该氢分离器，该氢压力变送器经由第五阀门连接至该管道。
4.如权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于，该电解水制氢装置还包括：
第一旁通自动球阀，该氢分离器顶部的出口经由该第一旁通自动球阀连接至该氢侧控制装置；以及
第二旁通自动球阀，该氧分离器顶部的出口经由该第二旁通自动球阀连接至该氧侧控制装置。
5.如权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于，该氢分离器的氢出气口连接第一三通阀的进口，该第一三通阀的一路出口经氢气阻火器连通大气，该第一三通阀的另一路出口连接至该氢储气罐；该氧分离器的氧出气口连接第二三通阀的进口，该第二三通阀的一路出口连通大气。
6.一种电解水制氢方法，其特征在于，利用权利要求1-5任意一项的装置进行制氢，其中产气量调节范围为20％～135％，液位波动误差不大于5cm，压力波动误差不大于0.1MPa。
7.如权利要求6所述的电解水制氢方法，其特征在于，该背压阀预设设置压力，该装置具有储罐压力，当该储罐压力低于该设置压力时，该装置根据该设置压力运行；当该储罐压力高于该设置压力时，该装置根据该储罐压力运行。
8.如权利要求6所述的电解水制氢方法，其特征在于，于正常泄压时，打开该第三旁通自动球阀运行。
9.如权利要求6所述的电解水制氢方法，其特征在于，当检测到该氧分离器的液位高于该氢分离器的液位时，则控制关闭该氧调节阀；当检测到该氧分离器的液位低于该氢分离器的液位时，则控制打开该氧调节阀。
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