CN113089022A - 一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于碱性电解水制氢技术领域，公开了一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统，包括碱性电解槽、阳极侧气液分离釜、阴极侧气液分离釜、阳极侧碱液循环泵、阴极侧碱液循环泵、阀门组及连接管道，可通过控制阀门组的开闭实现三种不同的碱液循环模式，即完全混合模式、部分混合模式、完全分离模式。本发明通过增设阀门组件实现碱性电解槽阳极侧和阴极侧电解液循环的解耦，可以根据需求控制阳极侧和阴极侧碱液混合的程度，并实现阳极侧和阴极侧碱液流量的分别、连续调节；本发明通过碱液循环模式的切换和碱液流量的自主调节，实现电解槽在不同负荷下和变负荷过程中的安全、稳定、高效运行，有利于利用碱性电解水制氢实现可再生能源的消纳。
Description
技术领域
本发明属于碱性电解水制氢技术领域，特别涉及一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统及其工作方法。
背景技术
当前，碱性电解水制氢是目前唯一能够实现大规模、长周期可再生能源电力存储的技术。碱性电解水制氢是一种成熟的技术手段。然而，传统的碱性电解槽对波动性电源输入的匹配性较差。当前，电解槽在运行过程中，阴极侧和阳极侧的电解液处于完全共混状态，在低负荷运行时，阳极侧和阴极侧气体掺混较严重，当气体混合物达到爆炸极限时容易造成严重事故。解决该问题的一种途径是提升隔膜的阻气性能，但这会导致成本的上升，并且往往伴随着隔膜电阻的提升和运行能耗的增加。
另外，目前的电解槽碱液循环系统采用固定流量，在变负荷运行条件下，产气量波动较大，气体容易在电极表面积聚，造成局部电阻增大，引起电解电压提升、温度增加，形成热点，造成能耗的增大、材料的加速损耗和操作安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统及其工作方法，在低成本的条件下解决了低负荷运行时，阳极侧和阴极侧气体掺混较严重的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统，包括碱性电解槽、阳极侧气液分离釜、阴极侧气液分离釜、阳极侧碱液循环泵、阴极侧碱液循环泵、阀门组及连接管道；阀门组包括第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门及第七阀门；
碱性电解槽的阳极电解液出口连接阳极侧气液分离釜的入口，阳极侧气液分离釜的出口连接阳极侧碱液循环泵的入口，阳极侧碱液循环泵的出口通过连接管道连接第一阀门和第二阀门，第一阀门通过连接管道连接第五阀门和第六阀门，第二阀门通过连接管道分别连接碱性电解槽的阳极电解液入口、第五阀门及第七阀门；
碱性电解槽的阴极电解液出口连接阴极侧气液分离釜的入口，阴极侧气液分离釜的出口连接阴极侧碱液循环泵的入口，阴极侧碱液循环泵的出口通过连接管道连接第三阀门和第四阀门的一端，第三阀门的另一端通过连接管道连接第五阀门和第六阀门，第四阀门的另一端通过连接管道分别连接碱性电解槽的阴极电解液入口、第六阀门和第七阀门；
碱性制氢电解槽的碱液循环系统包括三种碱液循环模式，分别为完全混合模式、部分混合模式和完全分离模式。
进一步，阳极侧碱液循环泵和阴极侧碱液循环泵均采用变频泵。
进一步，在完全混合模式下，第一阀门、第三阀门、第五阀门、第六阀门及第七阀门开启，第二阀门和第四阀门闭合；
在部分混合模式下，第一阀门、第三阀门、第五阀门及第六阀门闭合，第二阀门、第四阀门及第七阀门开启；
在完全分离模式下，第一阀门、第三阀门、第五阀门、第六阀门及第七阀门闭合，第二阀门及第四阀门开启。
进一步，在完全混合模式下，当阳极侧气体的氧中氢含量超过2％或阳极侧气体的氧中氢含量维持上升超过预设时间时，碱液循环模式从当前工作模式切换为部分混合模式或完全分离模式。
进一步，预设时间为5min。
进一步，在碱性电解槽中的阳极侧设有用于监测氧中氢含量的监测装置。
进一步，阀门组连接有上位机，上位机用于对阀门组的各阀门启闭进行控制。
进一步，上位机还与阳极侧碱液循环泵和阴极侧碱液循环泵连接，在外部电源输入功率波动的工况下，上位机用于改变碱液循环泵的流量。
进一步，上位机用于改变碱液循环泵的流量具体为：当外部电流增大时，碱液循环泵流量增大；当外部电流减小时，碱液循环泵流量减小。
本发明还公开了所述的碱性制氢电解槽的碱液循环系统的工作方法，根据碱性电解槽功率负荷的变化，通过阀门组切换碱液循环系统的工作模式，具体为：
在碱性电解槽以额定负荷运行时，碱液循环系统以完全混合模式工作；
在碱性电解槽功率负荷较低时，碱液循环系统以完全分离模式工作或以完全分离模式-部分混合模式-完全分离模式切换工作；或完全分离模式-完全混合模式-完全分离模式切换工作；其中部分混合模式和完全混合模式的时间较短，以阳极侧气体的氧中氢含量不超过2％为界限。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统，通过增设阀门组件实现碱性电解槽阳极侧和阴极侧电解液循环的解耦，可以根据需求控制阳极侧和阴极侧碱液混合的程度，并实现阳极侧和阴极侧碱液流量的分别、连续调节；在电解槽以额定负荷运行时，可以采取完全混合模式的碱液循环；在电解槽低负荷运行时，可以通过完全分离模式的碱液循环，减少阳极侧和阴极侧碱液的气体混合，提高运行安全性。
进一步，碱液循环泵采用变频泵，可实现连续调节，使碱液流量调节能够作为主动适应产气量波动的手段；在电解槽变负荷运行时，可以通过碱液流量的主动调节，适应产气量的变化，减少气体在电极表面的积累，避免电解槽超压。具体地，在电流增加时，碱液流量可随之增加，带走电极表面的气体；在电流减少时，碱液流量可随之减少，匹配低负荷下产气量较低的工况。
本发明还公开了所述碱液循环系统的工作方法，通过碱液循环模式的切换和碱液流量的自主调节，实现电解槽在不同负荷下和变负荷过程中的安全、稳定、高效运行，有利于利用碱性电解水制氢实现可再生能源的消纳。
附图说明
图1为本发明的一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统的结构示意图。
其中，1为碱性电解槽，2为阳极侧气液分离釜，3为阴极侧气液分离釜，4为阳极侧碱液循环泵，5为阴极侧碱液循环泵，6为第一阀门，7为第二阀门，8为第三阀门，9为第四阀门，10为第五阀门，11为第六阀门，12为第七阀门。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，本发明公开的一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统，包括碱性电解槽1、阳极侧气液分离釜2、阴极侧气液分离釜3、阳极侧碱液循环泵4、阴极侧碱液循环泵5、阀门组及连接管道。阀门组包括第一阀门6、第二阀门7、第三阀门8、第四阀门9、第五阀门10、第六阀门11及第七阀门12。
所述阳极侧气液分离釜2的入口连接碱性电解槽1的阳极电解液出口，所述阳极侧气液分离釜2的液体出口连接阳极侧碱液循环泵4的入口，阳极侧碱液循环泵4的出口通过连接管道连接第一阀门6、第二阀门7，第一阀门6通过连接管道连接第五阀门10、第六阀门11，第二阀门7通过连接管道连接碱性电解槽1的阳极电解液入口，第二阀门7通过连接管道连接第五阀门10、第七阀门12；所述阴极侧气液分离釜3的入口连接碱性电解槽1的阴极电解液出口，所述阴极侧气液分离釜3的的液体出口连接阴极侧碱液循环泵5的入口，阴极侧碱液循环泵5的出口通过连接管道连接第三阀门8、第四阀门9，第三阀门8通过连接管道连接第五阀门10、第六阀门11，第四阀门9通过连接管道连接碱性电解槽1的阴极电解液入口，第四阀门9通过连接管道连接第六阀门11、第七阀门12。
可通过控制阀门组的开闭实现三种不同的碱液循环模式，即完全混合模式、部分混合模式、完全分离模式。
在完全混合模式下，第一阀门6、第三阀门8、第五阀门10、第六阀门11及第七阀门12开启，第二阀门7和第四阀门9闭合。
在部分混合模式下，第一阀门6、第三阀门8、第五阀门10及第六阀门11闭合，第二阀门7、第四阀门9及第七阀门12开启。
在完全分离模式下，第一阀门6、第三阀门8、第五阀门10、第六阀门11及第七阀门12闭合，第二阀门7及第四阀门9开启。在工作过程中，阴极侧和阳极侧系统压力相同。
更优地，系统内阀门的开闭和碱液循环泵流量可通过上位机实时控制。可以根据电解槽功率负荷的变化，通过上位机控制碱液循环系统的工作模式。
在电解槽功率负荷低时，产品气体纯度较差，采用完全分离模式可减少阴极侧和阳极侧由于碱液共混造成的气体掺混，防止氧中氢含量过高造成危险。在额定功率下，采用混合模式，膜和电极的浸润条件较好，有利于提高电解效率。
具体的，在电解槽功率负荷较低时，系统以完全分离模式工作。
在电解槽功率负荷较低时，系统还可以以完全分离模式-部分混合模式-完全分离模式；或完全分离模式-完全混合模式-完全分离模式切换工作，其中部分混合模式和完全混合模式的时间较短，以阳极侧气体的氧中氢含量不超过2％为限。通过部分混合和完全混合模式的切换，可在系统能效与气体混合程度之间取得平衡。
还可以根据阳极侧气体的氧中氢含量变化，通过上位机自动切换碱液循环模式，例如，在完全混合模式下，阳极侧气体的氧中氢含量维持上升超过5分钟时，上位机控制碱液循环模式从当前工作模式切换为部分混合模式或完全分离模式。
更优地，所述阳极侧碱液循环泵4和阴极侧碱液循环泵5为变频泵，其流量可单独、连续调节。可以在外部电源输入功率波动的工况下，自主改变碱液循环泵的流量，当外部电流增大时，碱液循环泵流量增大，当外部电流减小时，碱液循环泵流量减小，维持系统电压不产生大的波动。
Claims (10)
1.一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统，其特征在于，包括碱性电解槽(1)、阳极侧气液分离釜(2)、阴极侧气液分离釜(3)、阳极侧碱液循环泵(4)、阴极侧碱液循环泵(5)、阀门组及连接管道；阀门组包括第一阀门(6)、第二阀门(7)、第三阀门(8)、第四阀门(9)、第五阀门(10)、第六阀门(11)及第七阀门(12)；
碱性电解槽(1)的阳极电解液出口连接阳极侧气液分离釜(2)的入口，阳极侧气液分离釜(2)的出口连接阳极侧碱液循环泵(4)的入口，阳极侧碱液循环泵(4)的出口通过连接管道连接第一阀门(6)和第二阀门(7)，第一阀门(6)通过连接管道连接第五阀门(10)和第六阀门(11)，第二阀门(7)通过连接管道分别连接碱性电解槽(1)的阳极电解液入口、第五阀门(10)及第七阀门(12)；
碱性电解槽(1)的阴极电解液出口连接阴极侧气液分离釜(3)的入口，阴极侧气液分离釜(3)的出口连接阴极侧碱液循环泵(5)的入口，阴极侧碱液循环泵(5)的出口通过连接管道连接第三阀门(8)和第四阀门(9)的一端，第三阀门(8)的另一端通过连接管道连接第五阀门(10)和第六阀门(11)，第四阀门(9)的另一端通过连接管道分别连接碱性电解槽(1)的阴极电解液入口、第六阀门(11)和第七阀门(12)；
所述碱液循环系统包括三种碱液循环模式，分别为完全混合模式、部分混合模式和完全分离模式。
2.根据权利要求1所述的一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统，其特征在于，阳极侧碱液循环泵(4)和阴极侧碱液循环泵(5)均采用变频泵。
3.根据权利要求1所述的一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统，其特征在于，在完全混合模式下，第一阀门(6)、第三阀门(8)、第五阀门(10)、第六阀门(11)及第七阀门(12)开启，第二阀门(7)和第四阀门(9)闭合；
在部分混合模式下，第一阀门(6)、第三阀门(8)、第五阀门(10)及第六阀门(11)闭合，第二阀门(7)、第四阀门(9)及第七阀门(12)开启；
在完全分离模式下，第一阀门(6)、第三阀门(8)、第五阀门(10)、第六阀门(11)及第七阀门(12)闭合，第二阀门(7)及第四阀门(9)开启。
4.根据权利要求3所述的一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统，其特征在于，在完全混合模式下，当阳极侧气体的氧中氢含量超过2％或阳极侧气体的氧中氢含量维持上升超过预设时间时，碱液循环模式从当前工作模式切换为部分混合模式或完全分离模式。
5.根据权利要求4所述的一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统，其特征在于，预设时间为5min。
6.根据权利要求1所述的一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统，其特征在于，在碱性电解槽(1)中的阳极侧设有用于监测氧中氢含量的监测装置。
7.根据权利要求1所述的一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统，其特征在于，阀门组连接有上位机，上位机用于对阀门组的各阀门启闭进行控制。
8.根据权利要求7所述的一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统，其特征在于，上位机还与阳极侧碱液循环泵(4)和阴极侧碱液循环泵(5)连接，在外部电源输入功率波动的工况下，上位机用于改变碱液循环泵的流量。
9.根据权利要求8所述的一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统，其特征在于，上位机用于改变碱液循环泵的流量具体为：当外部电流增大时，碱液循环泵流量增大；当外部电流减小时，碱液循环泵流量减小。
10.权利要求1～9任意一项所述的碱性制氢电解槽的碱液循环系统的工作方法，其特征在于，根据碱性电解槽(1)功率负荷的变化，通过阀门组切换碱液循环系统的工作模式，具体为：
在碱性电解槽(1)以额定负荷运行时，碱液循环系统以完全混合模式工作；
在碱性电解槽(1)功率负荷较低时，碱液循环系统以完全分离模式工作或以完全分离模式-部分混合模式-完全分离模式切换工作；或完全分离模式-完全混合模式-完全分离模式切换工作；其中部分混合模式和完全混合模式的时间较短，以阳极侧气体的氧中氢含量不超过2％为界限。
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