CN112981437A - 一种水电解制氢系统及其气体纯度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水电解制氢系统及其气体纯度控制方法，该方法在水电解制氢系统处于预设功率运行状态时，通过降低水电解制氢系统的电解液流量，提高气体纯度，扩大其运行功率范围；并在电解液流量降低到预设流量下限时，通过降低系统压力来继续改善气体纯度，进一步继续扩大其运行功率范围。若该水电解制氢系统接收新能源供电，则能够增加新能源制氢能量的利用率，且无需提高新能源制氢容量配比，避免了新能源建设成本的增加及新能源能量高峰时的能量浪费。

Description

一种水电解制氢系统及其气体纯度控制方法

技术领域

本发明涉及水电解制氢技术领域，特别涉及一种水电解制氢系统及其气体纯度控制方法。

背景技术

传统的碱性水电解制氢系统，采用网电作为电解槽的直流输入电源；由于网电稳定，所以该制氢系统也通常处于压力稳定、碱液流量稳定、气体纯度稳定的状态下。具体的，传统的碱性水电解制氢系统，其电解槽负荷范围一般为50％～100％，在此范围内，其气体纯度通常满足规范要求。但当电解槽负荷范围在0％～50％时，气体纯度则达不到规范要求。

新兴的新能源碱性水电解制氢系统，比如光伏碱性水电解制氢系统，由于光伏能量具有波动性和间接性，且早晚或阴雨天的光伏能量范围低于光伏发电容量的50％；如果要保证制氢系统的气体纯度合格，光伏容量和制氢容量的配比要远高于1:1，这样会造成光伏系统建设成本的增加，且光伏能量在高峰时不能完全被制氢系统利用，存在弃光现象。所以现有的新能源碱性水电解制氢系统无法完全满足光伏制氢的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种水电解制氢系统及其气体纯度控制方法，以提高其运行功率范围、增加新能源制氢能量的利用率。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

本发明实施例第一方面提供了一种水电解制氢系统的气体纯度控制方法，包括：

判断所述水电解制氢系统是否处于预设功率运行状态；

若所述水电解制氢系统处于所述预设功率运行状态，则降低所述水电解制氢系统的电解液流量，直至所述水电解制氢系统的气体纯度满足预设要求，或者所述电解液流量下降到预设流量下限。

优选的，判断所述水电解制氢系统是否处于预设功率运行状态，包括：

判断所述水电解制氢系统的输入功率是否低于预设功率下限，或者，所述气体纯度是否不满足所述预设要求；

若所述水电解制氢系统的输入功率低于所述预设功率下限，或者，所述气体纯度不满足所述预设要求，则判定所述水电解制氢系统处于所述预设功率运行状态。

优选的，所述水电解制氢系统的输入功率为：根据所述水电解制氢系统的输入电流和输入电压计算得到的；或者，根据其前级连接新能源发电系统的输出功率计算得到的。

优选的，降低所述水电解制氢系统的电解液流量，直至所述水电解制氢系统的气体纯度满足预设要求，或者所述电解液流量下降到预设流量下限，包括：

按照第一预设步长降低所述电解液流量；

判断所述气体纯度是否满足所述预设要求，或者，所述电解液流量是否下降到所述预设流量下限；

若所述气体纯度满足所述预设要求，或者，所述电解液流量下降到所述预设流量下限，则停止降低所述电解液流量；

若所述气体纯度不满足所述预设要求，并且，所述电解液流量未下降到所述预设流量下限，则返回所述按照第一预设步长降低所述电解液流量的步骤。

优选的，降低所述水电解制氢系统的电解液流量的同时，还包括：

控制所述水电解制氢系统中氧槽温小于槽温联锁值。

优选的，降低所述水电解制氢系统的电解液流量，直至所述电解液流量下降到预设流量下限之后，还包括：

若所述气体纯度仍然不满足所述预设要求，则降低所述水电解制氢系统的系统压力，直至所述气体纯度满足所述预设要求，或者所述系统压力下降到预设压力下限。

优选的，降低所述水电解制氢系统的系统压力，直至所述气体纯度满足所述预设要求，或者所述系统压力下降到预设压力下限，包括：

按照第二预设步长降低所述系统压力；

判断所述气体纯度是否满足所述预设要求，或者，所述系统压力是否下降到所述预设压力下限；

若所述气体纯度满足所述预设要求，或者，所述系统压力下降到所述预设压力下限，则停止降低所述系统压力；

若所述气体纯度不满足所述预设要求，并且，所述系统压力未下降到所述预设压力下限，则返回所述按照第二预设步长降低所述系统压力的步骤。

优选的，降低所述水电解制氢系统的系统压力的同时，还包括：

判断所述系统压力是否低于送气压力要求；

若所述系统压力低于所述送气压力要求，则增加所述水电解制氢系统的氢气输送压力；

若所述系统压力不低于所述送气压力要求，则不增加所述水电解制氢系统的氢气输送压力。

优选的，降低所述水电解制氢系统的系统压力，直至所述系统压力下降到预设压力下限之后，还包括：

若所述气体纯度仍然不满足所述预设要求，则控制所述水电解制氢系统前级的新能源发电系统停止输出，且所述水电解制氢系统的电解槽停机。

本发明另一方面还提供了一种水电解制氢系统，其控制器用于执行如上述部分所述的水电解制氢系统的气体纯度控制方法。

优选的，所述水电解制氢系统包括：所述控制器、电解槽、气液分离单元和气体分析仪；其中：

所述电解槽的输出端与所述气液分离单元的输入端相连；

所述气液分离单元的液体输出端通过相应的液体管道连接所述电解槽的液体回收端，且所述液体管道上设置有流量调节单元；

所述气体分析仪用于检测所述水电解制氢系统的气体纯度。

优选的，所述流量调节单元包括：变频器、循环泵和手动球阀；

所述气液分离单元的液体输出端通过第一液体管道连接所述循环泵的输入端；

所述循环泵的输出端通过第二液体管道连接所述电解槽的液体回收端，且所述第二液体管道上设置有电解液流量计和所述手动球阀；

所述电解液流量计用于检测所述水电解制氢系统的电解液流量，并发送至所述控制器；

所述变频器，用于根据所述控制器的控制，调节所述循环泵的转速，以改变所述电解液流量。

优选的，还包括：

设置于所述电解槽输入端的电流传感器和电压变送器，两者的输出端均与所述控制器相连，以使所述控制器获取并根据所述水电解制氢系统的输入电流和输入电压进而计算得到所述水电解制氢系统的输入功率，作为其判断所述水电解制氢系统是否处于预设功率运行状态的依据。

优选的，还包括：

设置于所述气液分离单元输入端的温度变送器，用于检测所述水电解制氢系统的氧槽温，并发送至所述控制器，以协助所述控制器控制所述氧槽温小于槽温联锁值。

优选的，所述电解槽的输入端连接新能源发电系统的输出端；

所述水电解制氢系统还包括：用于实现所述控制器与所述新能源发电系统之间通信连接的通讯主机。

优选的，还包括：压力调节单元；

所述气液分离单元的气体输出端通过所述压力调节单元进行气体输出；

所述压力调节单元用于调节自身输出气体的压力；

所述控制器还用于执行如另一部分所述的水电解制氢系统的气体纯度控制方法。

优选的，所述压力调节单元包括：薄膜调节阀；

所述气液分离单元的氧气输出管路中设置有氧气压力变送器，以检测所述水电解制氢系统的系统压力，并发送至所述控制器；

所述薄膜调节阀用于根据所述控制器的控制，调节所述系统压力。

优选的，所述压力调节单元还包括：缓冲罐、氢压机及旁通阀；

所述气液分离单元的氢气输出管路依次通过相应阀门和所述缓冲罐连接所述氢压机的输入端；

所述缓冲罐中设置有氢气压力变送器，以检测所述缓冲罐中的气体压力，并发送至所述控制器；

所述旁通阀并联连接于所述氢压机的两端，并受控于所述控制器。

本发明提供的水电解制氢系统的气体纯度控制方法，在水电解制氢系统处于预设功率运行状态时，降低水电解制氢系统的电解液流量，直至水电解制氢系统的气体纯度满足预设要求，或者电解液流量下降到预设流量下限。由于电解液流量越低，氢气在氢气气液分离器内分离越彻底、氧气在氧气气液分离器内气液分离越彻底，两者的纯度越好；因此，在水电解制氢系统处于预设功率运行状态时，通过降低水电解制氢系统的电解液流量，能够提高气体纯度，扩大其运行功率范围；若该水电解制氢系统接收新能源供电，则能够增加新能源制氢能量的利用率，且无需提高新能源制氢容量配比，避免了新能源建设成本的增加及新能源能量高峰时的能量浪费。

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至图4为本发明实施例提供的一种水电解制氢系统的气体纯度控制方法的几种流程图；

图5为本发明实施例提供的一种水电解制氢系统的气体纯度控制方法的部分流程图；

图6-图8为本发明实施例提供的三种水电解制氢系统的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的水电解制氢系统的一种具体结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，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。

本发明提供一种水电解制氢系统的气体纯度控制方法，以提高其运行功率范围、增加新能源制氢能量的利用率。

请参见图1，该水电解制氢系统的气体纯度控制方法，包括：

S101、判断水电解制氢系统是否处于预设功率运行状态。

水电解制氢系统的电解槽负荷范围一般为50％～100％，此时其能够正常运行状态，其气体纯度通常满足规范要求。但当电解槽负荷范围在0％～50％时，气体纯度则达不到规范要求，此时说明其处于低功率运行状态，即预设功率运行状态。

也即，实际应用中，若检测到水电解制氢系统的输入功率低于其额定功率的50％时，或者，其气体纯度不满足预设要求时，即可判定其处于预设功率运行状态，则执行步骤S102。

S102、降低水电解制氢系统的电解液流量，直至水电解制氢系统的气体纯度满足预设要求，或者电解液流量下降到预设流量下限。

实际应用中，对于电解液流量的降低和气体纯度的判断，可以是周期性执行的，即每次降低一个步长，然后对气体纯度是否满足预设要求和电解液流量是否下降到预设流量下限进行判断；一定时长之后，完成一个周期，然后再次对电解液流量降低一个步长，并再次进行上述判断；周而复始，实现周期性执行；该周期的长度可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内；每个周期的步长可以相同，也可以不同，并不做具体限定。

或者，对于电解液流量的降低和气体纯度的判断，也可以是无间断持续性执行的，即连续降低电解液流量，然后对气体纯度是否满足预设要求和电解液流量是否下降到预设流量下限均进行实时判断。

不论采用何种方式降低水电解制氢系统的电解液流量，由于电解液流量越低，氢气在氢气气液分离器内分离越彻底、氧气在氧气气液分离器内气液分离越彻底，两者的纯度越好；因此，在该降低过程中，一旦检测到气体纯度满足预设要求，实际应用中可以具体是检测到氢气纯度满足相应要求，即可停止该降低过程，只要保证该水电解制氢系统能够输出纯度满足相应要求的氢气即可，以避免电解液流量过低。

实际应用中，可以根据制氢系统设计，确定电解液流量的最低限值和额定值，以该最低限值作为预设流量下限，确保电解液流量过低。

本实施例提供的水电解制氢系统的气体纯度控制方法，在水电解制氢系统处于预设功率运行状态时，通过降低水电解制氢系统的电解液流量，能够提高气体纯度，减少不合格气体的排放，并且扩大其运行功率范围；若该水电解制氢系统接收新能源供电，则能够增加新能源制氢能量的利用率，且无需提高新能源制氢容量配比，避免了新能源建设成本的增加及新能源能量高峰时的能量浪费。

在上一实施例的基础之上，优选的，参见图2，其步骤S101、判断水电解制氢系统是否处于预设功率运行状态，具体包括：

S201、判断水电解制氢系统的输入功率是否低于预设功率下限。

若水电解制氢系统的输入功率低于预设功率下限，则判定水电解制氢系统处于预设功率运行状态。

实际应用中，该水电解制氢系统的输入功率可以是根据水电解制氢系统的输入电流和输入电压计算得到的；此时要求该水电解制氢系统的输入端设置有相应的电流传感器和电压变送器。或者，该水电解制氢系统的输入功率也可以是根据其前级连接新能源发电系统的输出功率计算得到的，比如，该新能源发电系统的输出功率减去预设损耗；此处不做限定，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

该预设功率下限可以是水电解制氢系统的额定功率的50％，当然也可以是其他值，比如30％，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

S202、判断水电解制氢系统的气体纯度是否不满足预设要求。

该气体纯度包括：氢气气液分离器的气体输出管路中的氢中氧纯度，以及，氧气气液分离器的气体输出管路中的氧中氢纯度。

该预设要求具体可以是：氢中氧纯度＞0.2％和氧中氢纯度＞1.5％中的至少一个。当然，两者的阈值也可以另取他值，此处仅为一种示例，并不仅限于此。

若水电解制氢系统的气体纯度不满足预设要求，则判定水电解制氢系统处于预设功率运行状态。

实际应用中，水电解制氢系统的输入功率低于预设功率下限后，气体纯度将会不满足预设要求，因此，通过检测器气体纯度也可以确定其是否处于预设功率运行状态。

值得说明的是，当判定水电解制氢系统的输入功率低于预设功率下限时，即使气体纯度满足预设要求，也将判定水电解制氢系统处于预设功率运行状态，进而执行步骤S102；也即水电解制氢系统的输入功率和气体纯度，两者任一项达到相应条件后，都将会导致电解液流量的降低，进而提高气体纯度，扩大水电解制氢系统的运行功率范围。

在上述实施例的基础之上，优选的，参见图3，其步骤S102、降低水电解制氢系统的电解液流量，直至水电解制氢系统的气体纯度满足预设要求，或者电解液流量下降到预设流量下限，包括：

S301、按照第一预设步长降低电解液流量。

该第一预设步长具体可以是电解液流量额定值的10％，但并不仅限于此，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

S302、判断气体纯度是否满足预设要求，或者，电解液流量是否下降到预设流量下限。

该气体纯度及其预设要求的具体内容可参见上述实施例，此处不再赘述。若降低电解液流量的一段时间之后，该气体纯度较为稳定且已满足预设要求，则无需再次降低电解液流量。

为了保证水电解制氢系统的安全运行，其电解液流量需要设置一定的最低限值，即该预设流量下限；当电解液流量下降到该预设流量下限时，则不能再对电解液流量进行进一步的降低处理。

也即，若气体纯度满足预设要求，或者，电解液流量下降到预设流量下限，则S303。

S303、停止降低电解液流量。

而若气体纯度不满足预设要求，并且，电解液流量未下降到预设流量下限，则返回步骤S301，再次执行一次电解液流量的降低及其后续判断过程，直至气体纯度满足预设要求，或者，电解液流量下降到预设流量下限。

另外，实际应用中，执行步骤S102中的降低水电解制氢系统的电解液流量的同时，还可以包括：控制水电解制氢系统中氧槽温小于槽温联锁值；以确保对于电解液流量的降低操作不会导致槽温连锁保护。

上一实施例中，执行多次步骤S301和S302之后，有可能气体纯度仍然不满足预设要求，而电解液流量已经下降到预设流量下限，说明此时再通过降低电解液流量已经无法改善气体纯度、扩大其运行功率范围，因此，本实施例提供了另外一种水电解制氢系统的气体纯度控制方法，在上述实施例的基础之上，如图4(以在图1的基础上为例进行展示)所示，当降低水电解制氢系统的电解液流量，直至电解液流量下降到预设流量下限之后，若气体纯度仍然不满足预设要求，则还包括：

S103、降低水电解制氢系统的系统压力，直至气体纯度满足预设要求，或者压力下降到预设压力下限。

对于水电解制氢系统而言，其系统压力和碱液流量对气体纯度的影响都很大。系统压力越低，氢气和氧气在电解槽内互相渗透越少，纯度越好；因此，在电解液流量的降低对于其气体纯度的改善已无贡献时，可以通过降低系统压力来继续改善气体纯度，进一步扩大其运行功率范围。

优选的，如图5所示，步骤S103、降低水电解制氢系统的系统压力，直至气体纯度满足预设要求，或者系统压力下降到预设压力下限，可以具体包括：

S401、按照第二预设步长降低系统压力。

该第二预设步长具体可以为0.2MPa，但并不仅限于此，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

S402、判断气体纯度是否满足预设要求，或者，系统压力是否下降到预设压力下限。

该气体纯度及其预设要求的具体内容可参见上述实施例，此处不再赘述。若降低系统压力的一段时间之后，该气体纯度较为稳定且已满足预设要求，则无需再次降低系统压力。

为了保证水电解制氢系统的安全运行，其系统压力也应当设置一定的最低限值，即该预设压力下限；当系统压力下降到该预设压力下限时，则不能再对系统压力进行进一步的降低处理。

也即，若气体纯度满足预设要求，或者，系统压力下降到预设压力下限，则执行步骤S403。

S403、停止降低系统压力。

若气体纯度不满足预设要求，并且，系统压力未下降到预设压力下限，则返回步骤S401，再次执行一次系统压力的降低及其后续判断过程，直至气体纯度满足预设要求，或者，系统压力下降到预设压力下限。

另外，实际应用中，由于系统压力的下降，会导致送气压力下降，有可能会使氢气的输送受到影响，因此，在执行步骤S103中的降低水电解制氢系统的系统压力的同时，如图4所示，该气体纯度控制方法还可以包括：

S501、判断系统压力是否低于送气压力要求。

若系统压力低于送气压力要求，则执行步骤S502。若系统压力不低于送气压力要求，则执行步骤S503。

S502、增加水电解制氢系统的氢气输送压力。

S503、不增加水电解制氢系统的氢气输送压力。

实际应用中，可以通过缓冲罐和氢压机来稳定和提高水电解制氢系统的氢气输送压力。而如果不需要增加水电解制氢系统的氢气输送压力，则可以停运压缩机，通过其旁通管道输送氢气。

另外，通过执行步骤S103，在降低水电解制氢系统的系统压力，直至系统压力下降到预设压力下限之后，也即，当电解液流量降低到最低限值，系统压力也降低到最低限值时，如图4所示，若气体纯度仍然不满足预设要求，甚至氧中氢纯度≥2％，则该气体纯度控制方法还包括：

S104、控制水电解制氢系统前级的新能源发电系统停止输出，且水电解制氢系统的电解槽停机。

具体的，执行该气体纯度控制方法的水电解制氢系统的控制器，可以发送指令给通讯主机，以关闭制氢电源，即该水电解制氢系统前级的新能源发电系统，比如光伏发电系统或者风力发电系统；然后，水电解制氢系统的电解槽停机，保证系统安全。

本发明另一实施例还提供了一种水电解制氢系统，其控制器用于执行如图1-图3任一项所示的水电解制氢系统的气体纯度控制方法。该方法的具体过程及原理参见上述实施例即可，不再一一赘述。

如图6所示，该水电解制氢系统可以具体包括：控制器101、电解槽102、气液分离单元103和气体分析仪104；图6中，粗实线表示液体传输路径，粗虚线表示气体传输路径，细虚线表示信号线。

电解槽102的输出端与气液分离单元103的输入端相连；气液分离单元103的液体输出端通过相应的液体管道连接电解槽102的液体回收端，且液体管道上设置有流量调节单元105。

气体分析仪104用于检测水电解制氢系统的气体纯度。

控制器101具体可以是可编程逻辑控制器PLC，能够执行上述气体纯度控制方法即可，也可采用其他形式的处理器及其存储器，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

优选的，该流量调节单元105具体包括图9中所示的：变频器、循环泵P和手动球阀V1；其中：

气液分离单元103的液体输出端通过第一液体管道连接循环泵P的输入端；循环泵P的输出端通过第二液体管道连接电解槽102的液体回收端，且第二液体管道上设置有电解液流量计F和手动球阀V1；电解液流量计F用于检测水电解制氢系统的电解液流量，并发送至控制器101(如图9中所示的PLC)；变频器，用于根据控制器101的控制，调节循环泵P的转速，以改变电解液流量。

实际应用中，该气液分离单元103具体包括：氢气气液分离器(如图9中所示的H2气液分离器)和氧气气液分离器(如图9中所示的O2气液分离器)；电解槽102的两个输出端分别与氧气气液分离器的输入端和氢气气液分离器的输入端相连，且氧气气液分离器的液体输出端和氢气气液分离器的液体输出端，分别通过相应的第一液体管道连接循环泵P的输入端。

并且，该气体分析仪104具体可以包括图9中所示的氢中氧分析仪AT1和氧中氢分析仪AT2；其中，氢中氧分析仪AT1用于检测氢气气液分离器的气体输出管路中的氢中氧纯度，并发送至控制器101；氧中氢分析仪AT2用于检测氧气气液分离器的气体输出管路中的氧中氢纯度，并发送至控制器101。该氢中氧纯度和氧中氢纯度共同作为水电解制氢系统的气体纯度，以作为氢气纯度的确定依据。

优选的，为了实现水电解制氢系统输入功率的计算，该水电解制氢系统还包括：

设置于电解槽102输入端的电流传感器A和电压变送器V，两者的输出端均与控制器101相连，以使控制器101获取并根据水电解制氢系统的输入电流和输入电压进而计算得到水电解制氢系统的输入功率，作为其判断水电解制氢系统是否处于预设功率运行状态的依据。

优选的，该水电解制氢系统还可以包括：温度变送器T；其设置于气液分离单元103的输入端，具体是设置于氧气气液分离器的输入端，用于检测水电解制氢系统的氧槽温，并发送至控制器101，以协助控制器101控制氧槽温小于槽温联锁值。

实际应用中，参见图7，该电解槽102的输入端连接的制氢电源可以是新能源发电系统的输出端；而该新能源发电系统可以是光伏发电系统或者风力发电系统。图7中的细实线表示电力连接线缆。该水电解制氢系统还包括：用于实现控制器101与新能源发电系统之间通信连接的通讯主机106。

更为优选的，参见图8，该水电解制氢系统还可以包括：压力调节单元107；此时，气液分离单元103的气体输出端通过压力调节单元107进行气体输出；压力调节单元107用于调节自身输出气体的压力；控制器101还用于执行如图4或图5所示的水电解制氢系统的气体纯度控制方法。该方法的具体过程及原理参见上述实施例即可，不再一一赘述。

优选的，该压力调节单元107包括图9中所示的：薄膜调节阀PV；此时，气液分离单元103的氧气输出管路中设置有氧气压力变送器PT1，以检测水电解制氢系统的系统压力，并发送至控制器101；薄膜调节阀PV用于根据控制器101的控制，调节系统压力，具体是调节氧气气液分离器的气体输出管路的气体传送压力。

优选的，该压力调节单元107还包括图9中所示的：缓冲罐601、氢压机602及旁通阀V2；此时，气液分离单元103的氢气输出管路依次通过相应阀门LV和缓冲罐601连接氢压机602的输入端；缓冲罐601中设置有氢气压力变送器PT2，以检测缓冲罐601中的气体压力，并发送至控制器101；旁通阀V2并联连接于氢压机602的两端，并受控于控制器101。

结合图9，该水电解制氢系统，以碱液水电解制氢系统为例，其具体工作原理为：

根据制氢系统设计，首先确定碱液流量最低限值和额定值，以及系统压力额定值和最低限值。

PLC实时监测水电解制氢系统的输入功率，也即电解槽输入功率，以及，氢中氧分析仪AT1、氧中氢分析仪AT2实时检测的氢气和氧气的纯度，并发送信息给PLC；当电解槽输入功率低于50％或者氢中氧纯度＞0.2％、氧中氢纯度＞1.5％时，执行降低碱液流量的PLC逻辑程序。PLC根据碱液流量计F的反馈信息，经过精密的逻辑运算，发送控制信息给变频器，降低碱液循环泵P的转速，实现降低碱液流量。

碱液流量每次减少额定值的10％，稳定一段时间后，检测氢中氧、氧中氢的纯度是否满足要求。如果气体纯度仍然不合格，重复上述控制逻辑，继续减小碱液流量，直到气体纯度达到要求；在降低碱液流量时，要确保氧槽温T＜槽温联锁值。

另外，当PLC监测到电解槽输入功率低于50％时，即使氢中氧、氧中氢的纯度满足要求，碱液流量也降低额定值的10％，稳定一段时间后，检测氢中氧、氧中氢的纯度，如果满足要求，则碱液流量不再降低。

如果当碱液流量降低到最低限值时，气体纯度仍无法满足要求，则执行降低制氢系统压力的PLC逻辑程序。

PLC根据压力变送器PT1的反馈信息，经过精密的逻辑运算，发送控制信息给薄膜调节阀PV的控制端，增加薄膜调节阀PV的开度，以降低制氢系统压力。系统压力每次减少0.2MPa，稳定一段时间后，检测氢中氧、氧中氢的纯度是否满足要求。如果气体纯度仍然不合格，重复上述控制逻辑，继续降低系统压力，直到气体纯度达到要求。

如果当碱液流量降低到最低限值，系统压力也降低到最低限值时，气体纯度仍无法满足要求时，且氧中氢≥2％，则发送指令给通讯主机，关闭制氢电源，电解槽停机，保证系统安全。

另外，由于系统压力下降，导致送气压力下降，根据缓冲罐的氢气压力变送器PT2和系统压力变送器也即氧气压力变送器PT1的信息反馈，PLC启动氢压机，增加稳定氢气输送压力。如果氧气压力变送器PT1的数值满足要求，则停运压缩机，自动打开旁通阀V2输送氢气。

由上述原理可以得到，本实施例提供的该水电解制氢系统，实时在线检测氢气氧气的纯度和制氢电源能量，当电解槽输入功率低于50％或者气体纯度不满足要求时，PLC先是自动降低制氢系统的碱液流量，提高氢气氧气的纯度；当碱液流量降低到最低限值，气体纯度仍然无法满足要求时，PLC再自动降低制氢系统压力，继续提高氢气氧气的纯度，以保证气体纯度满足要求。进而，该水电解制氢系统能够提高电解槽在低负载范围0～50％区间氢气和氧气的纯度，充分利用新能源能量制氢，减少不合格氢气排空浪费，避免新能源能量的浪费；同时降低新能源容量和制氢容量的配比，减少新能源发电系统的建设成本。并且，通过增加氢气压缩系统，还能够在需要的时候，维持、稳定和提高系统氢气的供给压力的稳定。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

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发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (18)

1.一种水电解制氢系统的气体纯度控制方法，其特征在于，包括：

判断所述水电解制氢系统是否处于预设功率运行状态；

若所述水电解制氢系统处于所述预设功率运行状态，则降低所述水电解制氢系统的电解液流量，直至所述水电解制氢系统的气体纯度满足预设要求，或者所述电解液流量下降到预设流量下限。

2.根据权利要求1所述的水电解制氢系统的气体纯度控制方法，其特征在于，判断所述水电解制氢系统是否处于预设功率运行状态，包括：

判断所述水电解制氢系统的输入功率是否低于预设功率下限，或者，所述气体纯度是否不满足所述预设要求；

若所述水电解制氢系统的输入功率低于所述预设功率下限，或者，所述气体纯度不满足所述预设要求，则判定所述水电解制氢系统处于所述预设功率运行状态。

3.根据权利要求2所述的水电解制氢系统的气体纯度控制方法，其特征在于，所述水电解制氢系统的输入功率为：根据所述水电解制氢系统的输入电流和输入电压计算得到的；或者，根据其前级连接新能源发电系统的输出功率计算得到的。

4.根据权利要求1所述的水电解制氢系统的气体纯度控制方法，其特征在于，降低所述水电解制氢系统的电解液流量，直至所述水电解制氢系统的气体纯度满足预设要求，或者所述电解液流量下降到预设流量下限，包括：

按照第一预设步长降低所述电解液流量；

判断所述气体纯度是否满足所述预设要求，或者，所述电解液流量是否下降到所述预设流量下限；

若所述气体纯度满足所述预设要求，或者，所述电解液流量下降到所述预设流量下限，则停止降低所述电解液流量；

若所述气体纯度不满足所述预设要求，并且，所述电解液流量未下降到所述预设流量下限，则返回所述按照第一预设步长降低所述电解液流量的步骤。

5.根据权利要求1所述的水电解制氢系统的气体纯度控制方法，其特征在于，降低所述水电解制氢系统的电解液流量的同时，还包括：

控制所述水电解制氢系统中氧槽温小于槽温联锁值。

6.根据权利要求1-5任一项所述的水电解制氢系统的气体纯度控制方法，其特征在于，降低所述水电解制氢系统的电解液流量，直至所述电解液流量下降到预设流量下限之后，还包括：

若所述气体纯度仍然不满足所述预设要求，则降低所述水电解制氢系统的系统压力，直至所述气体纯度满足所述预设要求，或者所述系统压力下降到预设压力下限。

7.根据权利要求6所述的水电解制氢系统的气体纯度控制方法，其特征在于，降低所述水电解制氢系统的系统压力，直至所述气体纯度满足所述预设要求，或者所述系统压力下降到预设压力下限，包括：

按照第二预设步长降低所述系统压力；

判断所述气体纯度是否满足所述预设要求，或者，所述系统压力是否下降到所述预设压力下限；

若所述气体纯度满足所述预设要求，或者，所述系统压力下降到所述预设压力下限，则停止降低所述系统压力；

若所述气体纯度不满足所述预设要求，并且，所述系统压力未下降到所述预设压力下限，则返回所述按照第二预设步长降低所述系统压力的步骤。

8.根据权利要求6所述的水电解制氢系统的气体纯度控制方法，其特征在于，降低所述水电解制氢系统的系统压力的同时，还包括：

判断所述系统压力是否低于送气压力要求；

若所述系统压力低于所述送气压力要求，则增加所述水电解制氢系统的氢气输送压力；

若所述系统压力不低于所述送气压力要求，则不增加所述水电解制氢系统的氢气输送压力。

9.根据权利要求6所述的水电解制氢系统的气体纯度控制方法，其特征在于，降低所述水电解制氢系统的系统压力，直至所述系统压力下降到预设压力下限之后，还包括：

若所述气体纯度仍然不满足所述预设要求，则控制所述水电解制氢系统前级的新能源发电系统停止输出，且所述水电解制氢系统的电解槽停机。

10.一种水电解制氢系统，其特征在于，其控制器用于执行如权利要求1-5任一项所述的水电解制氢系统的气体纯度控制方法。

11.根据权利要求10所述的水电解制氢系统，其特征在于，包括：所述控制器、电解槽、气液分离单元和气体分析仪；其中：

所述电解槽的输出端与所述气液分离单元的输入端相连；

所述气液分离单元的液体输出端通过相应的液体管道连接所述电解槽的液体回收端，且所述液体管道上设置有流量调节单元；

所述气体分析仪用于检测所述水电解制氢系统的气体纯度。

12.根据权利要求11所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述流量调节单元包括：变频器、循环泵和手动球阀；

所述气液分离单元的液体输出端通过第一液体管道连接所述循环泵的输入端；

所述循环泵的输出端通过第二液体管道连接所述电解槽的液体回收端，且所述第二液体管道上设置有电解液流量计和所述手动球阀；

所述电解液流量计用于检测所述水电解制氢系统的电解液流量，并发送至所述控制器；

所述变频器，用于根据所述控制器的控制，调节所述循环泵的转速，以改变所述电解液流量。

13.根据权利要求11所述的水电解制氢系统，其特征在于，还包括：

设置于所述电解槽输入端的电流传感器和电压变送器，两者的输出端均与所述控制器相连，以使所述控制器获取并根据所述水电解制氢系统的输入电流和输入电压进而计算得到所述水电解制氢系统的输入功率，作为其判断所述水电解制氢系统是否处于预设功率运行状态的依据。

14.根据权利要求11所述的水电解制氢系统，其特征在于，还包括：

设置于所述气液分离单元输入端的温度变送器，用于检测所述水电解制氢系统的氧槽温，并发送至所述控制器，以协助所述控制器控制所述氧槽温小于槽温联锁值。

15.根据权利要求11所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述电解槽的输入端连接新能源发电系统的输出端；

所述水电解制氢系统还包括：用于实现所述控制器与所述新能源发电系统之间通信连接的通讯主机。

16.根据权利要求11-15任一项所述的水电解制氢系统，其特征在于，还包括：压力调节单元；

所述气液分离单元的气体输出端通过所述压力调节单元进行气体输出；

所述压力调节单元用于调节自身输出气体的压力；

所述控制器还用于执行如权利要求6-9任一项所述的水电解制氢系统的气体纯度控制方法。

17.根据权利要求16所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述压力调节单元包括：薄膜调节阀；

所述气液分离单元的氧气输出管路中设置有氧气压力变送器，以检测所述水电解制氢系统的系统压力，并发送至所述控制器；

所述薄膜调节阀用于根据所述控制器的控制，调节所述系统压力。

18.根据权利要求17所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述压力调节单元还包括：缓冲罐、氢压机及旁通阀；

所述气液分离单元的氢气输出管路依次通过相应阀门和所述缓冲罐连接所述氢压机的输入端；

所述缓冲罐中设置有氢气压力变送器，以检测所述缓冲罐中的气体压力，并发送至所述控制器；

所述旁通阀并联连接于所述氢压机的两端，并受控于所述控制器。

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