CN113430536A - 一种水电解制氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的水电解制氢系统，应用于制氢技术领域，该系统包括电解槽、氢气分离系统、氧气分离系统、回液管路、稳压罐和稳压气源，电解槽的氢侧出液口经氢气分离系统与回液管路的氢侧回液口连通，电解槽的氧侧出液口经氧气分离系统与回液管路的氧侧回液口连通，回液管路的出液口与电解槽的回液口连通，稳压气源经稳压罐与回液管路的压力调节端口连通且稳压罐内存储电解液和稳压气体，稳压气源用于调节稳压罐的压力，通过稳压罐和稳压气源可以调节制氢系统的电解液压力，可以将电解液压力维持在安全范围内，缩短泄压和升压所需时间，提高制氢效率，同时，泄压过程是通过调节稳压气体压力实现的，不需释放氢气，可避免氢气浪费。

Description

一种水电解制氢系统
技术领域
本发明涉及制氢技术领域，特别涉及一种水电解制氢系统。
背景技术
水电解制氢系统因其具有清洁无污染、制氢效率高等优点在近年来得到广泛应用，参见图1，图1是现有技术中水电解制氢系统的结构示意图，该制氢系统主要包括电解槽、氢气分离器、氢侧调节阀、氧气分离器以及氧侧调节阀等构成设备，其中，电解槽与制氢电源相连，利用制氢电源提供的电能进行氢气制备作业。
在实际应用中，制氢电源有多种选择，可以是交流电网，也可以是风能发电系统或光伏发电系统。发明人研究发现，在制氢电源选择风能发电系统或光伏发电系统等新能源制氢电源的情况下，由于新能源制氢电源的输出功率具有波动性，当新能源制氢电源的输出功率难以维持制氢系统工作时，制氢系统会停机，并通过释放系统内氢气的方式降低整个系统的电解液压力，当新能源制氢电源的输出功率足以支持制氢系统工作时，制氢系统需要重新开机，并重新建立制氢所需的电解液压力，频繁的泄压、升压不仅导致整个制氢系统制氢效率低下，而且还会造成氢气浪费。
发明内容
本发明提供一种水电解制氢系统，在系统停机时通过稳压罐和稳压气源维持系统压力，避免频繁的泄压、升压，提高制氢效率，而且泄压过程不需泄放系统内氢气，避免氢气浪费。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种水电解制氢系统，包括：电解槽、氢气分离系统、氧气分离系统、回液管路、稳压罐和稳压气源，其中，
所述电解槽的氢侧出液口经所述氢气分离系统与所述回液管路的氢侧回液口连通；
所述电解槽的氧侧出液口经所述氧气分离系统与所述回液管路的氧侧回液口连通；
所述回液管路的出液口与所述电解槽的回液口连通；
所述稳压气源经所述稳压罐与所述回液管路的压力调节端口连通；
所述稳压罐内存储电解液和稳压气体，所述稳压气源调节所述稳压罐的压力。
可选的，所述稳压罐设置有泄压阀。
可选的，所述氢气分离系统包括氢侧出液管路和氢气分离器，其中，
所述电解槽的氢侧出液口经所述氢侧出液管路与所述氢气分离器的第一进液口连通；
所述氢气分离器的出液口与所述回液管路的氢侧回液口连通；
所述氧气分离系统包括氧侧出液管路和氧气分离器，其中，
所述电解槽的氧侧出液口经所述氧侧出液管路与所述氧气分离器的第一进液口连通；
所述氧气分离器的出液口与所述回液管路的氧侧回液口连通。
可选的，本发明提供的水电解制氢系统还包括：通用补水管路，其中，
所述通用补水管路与所述稳压罐连通，且所述通用补水管路设置有补水控制阀。
可选的，本发明提供的水电解制氢系统还包括：氢侧补水管路和氧侧补水管路，其中，
所述氢侧补水管路与所述氢气分离器的第二进液口连通；
所述氧侧补水管路与所述氧气分离器的第二进液口连通。
可选的，本发明提供的水电解制氢系统还包括：电解液罐，其中，
所述电解液罐与所述回液管路连通；
所述电解液罐存储有预设容量的电解液。
可选的，所述回液管路中设置有电解液循环装置；
所述电解液循环装置促进所述水电解制氢系统内电解液的流动。
可选的，所述稳压罐包括具有预设耐压值的电解液罐。
可选的，本发明提供的水电解制氢系统还包括补液控制阀，其中，
所述电解液罐经所述补液控制阀与所述回液管路连通；
在所述水电解制氢系统处于工作状态情况下，所述补液控制阀处于开通状态。
可选的，本发明提供的水电解制氢系统还包括：通用补水管路，其中，
所述通用补水管路与所述回液管路或所述电解液罐连通，且所述通用补水管路设置有补水控制阀。
可选的，本发明提供的水电解制氢系统还包括：氢侧补水管路和氧侧补水管路，其中，
所述氢侧补水管路与所述氢气分离系统相连；
所述氧侧补水管路与所述氧气分离系统相连。
可选的，所述氢侧出液管路设置有氢侧电解液控制阀；
所述氧侧出液管路设置有氧侧电解液控制阀。
可选的，本发明提供的水电解制氢系统还包括：氢气处理装置和氧气处理装置，其中，
所述氢气处理装置与所述氢气分离系统相连；
所述氧气处理装置与所述氧气分离系统相连。
可选的，本发明提供的水电解制氢系统还包括：制氢电源，其中，
所述制氢电源与所述电解槽相连。
可选的，所述制氢电源包括光伏发电系统和风能发电系统。
本发明提供的水电解制氢系统，包括电解槽、氢气分离系统、氧气分离系统、回液管路、稳压罐和稳压气源，电解槽的氢侧出液口经氢气分离系统与回液管路的氢侧回液口连通，电解槽的氧侧出液口经氧气分离系统与回液管路的氧侧回液口连通，回液管路的出液口与电解槽的回液口连通，形成完整的电解液流通路径，进一步的，稳压气源经稳压罐与回液管路的压力调节端口连通且稳压罐内存储电解液和稳压气体，稳压气源用于调节稳压罐的压力，进而调节系统压力。本发明提供的水电解制氢系统，通过稳压罐和稳压气源可以调节制氢系统的压力，可以将系统压力维持在安全范围内，缩短泄压和升压所需时间，提高制氢效率，同时，泄压过程是通过调节稳压罐内的稳压气体压力实现的，不需释放系统内氢气，可避免氢气浪费。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，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，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中一种水电解制氢系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种水电解制氢系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种水电解制氢系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的再一种水电解制氢系统的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的又一种水电解制氢系统的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种水电解制氢系统的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的另一种水电解制氢系统的结构示意图。
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。
参见图2，图2是本发明实施例提供的一种水电解制氢系统的结构示意图，本实施例提供的制氢系统包括：电解槽、氢气分离系统、氧气分离系统、回液管路、稳压罐和稳压气源，其中，
电解槽的氢侧出液口经氢气分离系统与所述回液管路的氢侧回液口连通。具体的，如图2所示，氢气分离系统包括氢侧出液管路和氢气分离器，在具体连接时，电解槽的氢侧出液口与氢侧出液管路的一端连通，氢侧出液管路的另一端与氢气分离器的第一进液口连通，氢气分离器的出液口作为氢气分离系统的输出口，与回液管路的氢侧回液口连通。
电解槽的氧侧出液口经氧气分离系统与回液管路的氧侧回液口连通。具体的，如图2所示，氧气分离系统包括氧侧出液管路和氧气分离器，在具体连接是，电解槽的氧侧出液口与氧侧出液管路的一端连通，氧侧出液管路的另一端与氧气分离器的第一进液口连通，氧气分离器的出液口作为氧气分离系统的输出口，与回液管路的氧侧回液口连通。
进一步的，回液管路的出液口与电解槽的回液口连通。基于电解槽、氢气分离系统、氧气分离系统和回液管路的上述连接，即可形成电解液的完整的循环路径，其中，由电解槽氢侧流出的电解液中还有氢气，经氢气分离器分离后得到氢气，并经相应的氢气输出管路输出；相应的，由电解槽氧侧流出的电解液中还有氧气，经氧气分离器分离后得到氧气，并经相应的氧气输出管路输出。如图2所示，氢气输出管路中设置有氢侧调节阀，氧气输出管路中设置有氧侧调节阀，通过氢侧调节阀和氧侧调节阀的配合，可以实现整个制氢系统内电解液压力的平衡，至于氢侧调节阀和氧侧调节阀的具体控制过程，可结合现有技术实现，此处不再展开。
可选的，为了在制氢过程中加速、促进电解液的循环，回液管路中还设置有电解液循环装置，通过该循环装置带动制氢系统内电解液的流动。在实际应用中，电解液循环装置可以选用循环泵实现，当然，也可以选用其他能够促进、带动电解液循环的其他装置，在不超出本发明核心思想范围的前提下，同样属于本发明保护的范围内。
在本实施例中，稳压气源与稳压罐连通，稳压罐进一步与回液管路的压力调节端口连通。稳压气源可以向稳压罐内补充稳压气体，进而增大稳压罐的压力，相应的，稳压气源还可以吸收稳压罐内的稳压气体，进而降低稳压罐的压力。需要说明的是，本实施例以及后续实施例中述及的压力调节端口是指氢气分离器和氧气分离器的液相连通管路与稳压罐的相连通的端口，该压力调节端口可以设置于氢气分离器和氧气分离器的液相连通管路的任意位置。稳压罐内存储有一定量的电解液(电解液容量的多少，与稳压罐的压力相关)，由于稳压罐与回液管路是连通的，因此，稳压罐内的电解液与整个电解液流通路径中电解液的压力是一致的，通过稳压气源调节稳压罐的压力，即可实现调节电解液流通路径中的电解液压力。
可选的，稳压罐中存储的稳压气体，优选惰性气体，比如氮气，当然，也可以选择氢气、氧气等气体。
综上所述，本发明实施例提供的水电解制氢系统，能够通过稳压罐和稳压气源调节制氢系统的电解液压力，将电解液压力维持在安全范围内，在需要降低系统压力时，通过降低稳压罐的压力来降低整个系统的压力，在需要升高系统压力时，通过稳压气源增大稳压罐的压力，便可升高整个系统的电解液压力，并且，关键在于，在系统停机时，可以将系统压力控制在预设的范围内，缩短泄压和升压所需时间，提高制氢效率，同时，泄压过程是通过调节稳压气体压力实现的，不需像现有技术一样调节氢侧调节阀和氧侧调节阀，避免释放氢气，造成氢气浪费。
进一步的，由于通过稳压罐和稳压气源即可调节制氢系统氢侧和氧侧的压力平衡，可以有效减少氢侧调节阀和氧侧调节阀的动作频次，在减缓二者寿命损失的同时提高制氢系统的运行效率。
可选的，参见图3，图3是本发明实施例提供的另一种水电解制氢系统的结构示意图，在图2所示实施例的基础上，本实施例提供的制氢系统中，稳压罐还设置有泄压阀，当制氢系统失控、或者其他原因造成短时间内系统压力过大时，泄压阀可以作为最后一道安全防线，可以及时释放系统内电解液的压力，确保整个制氢系统的安全。
进一步的，本实施例提供的制氢系统还包括通用补水管路，该通用补水管路与稳压罐连通，且设置有补水控制阀，通用补水管路的另一端与水箱相连，通过补水控制阀可以控制通用补水管路的开启和关闭，当补水控制阀处于开启状态时，即可向稳压罐，进而向整个电解制氢系统内补充电解制氢过程中消耗的水。
采用通用补水管路的补水方式，可以避免单独对氢侧或氧侧进行补水时造成的液位波动，减少氢侧调节阀和氧侧调节阀的动作频次，有助于提高阀门的使用寿命。
对于制氢系统中水的补充，还可以通过图4所示实施例提供的方式实现。具体的，在图2所示实施例的基础上，本实施例提供的水电解制氢系统包括氢侧补水管路和氧侧补水管路，其中，
氢侧补水管路与氢气分离器的第二进液口连通，可以通过氢侧补水管路向氢气分离器，进而向氢气分离系统内补充水。氧侧补水管路与氧气分离器的第二进液口连通，通过氧侧补水管路可以向氧气分离器，进而向氧气分离系统内补充水。如图4所示，氢侧补水管路和氧侧补水管路中分别设置有对应的控制阀，可以控制相应管路的开启和关闭。
进一步的，本实施例提供的水电解制氢系统还包括：电解液罐，该电解液罐与回液管路连通，并在连通路径上设置有相应的控制阀门，电解液罐存储有预设容量的电解液，可以在制氢过程中补充电解液。
需要说明的是，在上述任一实施例中，均可以设置本实施例提供的电解液罐，具体的连接方式可以参照本实施例实现，此处不再展开。
本实施例提供的水电解制氢系统，补水管路采用两路分别进行，具体的补水控制过程可以参照现有技术实现。
在实际应用中，上述各个实施例述及的稳压罐可以基于电解液罐实现，即电解液罐同时具备稳压和存储电解液的功能，可以想到的是，由于需要承受一定的电解液压力，因此，需要选用具备预设耐压值的电解液罐作为稳压罐。至于预设耐压值的选取，需要结合制氢系统的具体情况，实际制氢过程中的电解液压力范围选取，本发明对于电解液罐的耐压值的具体取值不做限定。
可选的，电解液罐经补液控制阀与回液管路相连，在水电解制氢系统处于工作状态的情况下，补液控制阀将处于开通状态。如图5所示，为了保证电解液罐内电解液的有效循环流通，还可以在电解液罐和回液管路之间设置另一连通路径，并通过阀3控制连通情况。
可选的，在本实施例中，还包括通用补水管路，该通用补水管路与回液管路连通，当然，还可以和电解液罐相连通，并且通用补水管路中设置有补水控制阀，通过补水控制阀可以对水电解制氢系统的补水过程进行控制。
综上所述，本实施例提供的水电解制氢系统，基于稳压罐选用具有预设耐压值的电解液罐实现，电解液罐同时具有存储电解液和平衡系统压力的作用，可以减少增设稳压罐的费用，在一定程度上降低水电解制氢系统的整体成本。
进一步的，制氢系统还可以采用如图6所示的补水方式，即将图5所示的通用补水管路替换为氢侧补水管路和氧侧补水管路，其中，氢侧补水管路与氢气分离系统相连，具体与氢气分离器相连，氧侧补水管路与氧气分离系统相连，具体与氧气分离器相连。至于氢侧补水管路和氧侧补水管路的具体控制过程，可以结合现有技术实现，此处不再赘述。
可选的，参见图7，图7是本发明实施例提供的另一种水电解制氢系统的结构示意图，在上述任一实施例的基础上(以图6所示实施例为例)，本实施例提供的制氢系统的氢侧出液管路还设置有氢侧电解液控制阀，通过氢侧电解液控制阀可以控制氢侧电解液的流动，相应的，氧侧出液管路则设置有氧侧电解液控制阀，通过氧侧控制阀可以控制氧侧电解液的流动。
进一步的，本实施例提供的制氢系统还包括与电解槽相连的制氢电源。在实际应用中，该制氢电源可以选用光伏发电系统和风能发电系统中的至少一种实现。当然，可以直接将交流电网作为制氢电源。
可选的，在上述任一实施例提供的制氢系统中，还可以进一步包括氢气处理装置和氧气处理装置，其中，氢气处理装置与氢气分离系统相连，氧气处理装置与氧气分离系统相连。通过稳压气体处理装置可以进一步对相应的稳压气体进行处理，以便于运输和存储。
可以想到的是，对于上述任一实施例提供的水电解制氢系统，在系统开机运行后，可按照现有技术将制氢系统的压力、温度均达到运行工况，并开始制氢。而当制氢电源的输出功率发生波动时，如果输出功率过低无法满足制氢系统的正常运行，例如现有碱性制氢系统的运行功率范围为30％及以上，使制氢系统进入热待机运行模式，所述热待机运行模式是指制氢系统的压力和温度维持在工作状态，例如，当制氢系统的工作压力为1.6MPa时，热待机运行模式时，制氢系统的工作压力始终维持在1.6MPa附近。由于稳压罐的存在，当氢侧或氧侧压力略有变化(降低)时，增大稳压罐内的压力，使得稳压罐内的电解液迅速补充，从而维持氢侧/氧侧压力平衡，而不用调节氢侧/氧侧调节阀，以免造成不必要氢气消耗和系统压力的进一步降低。
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。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，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核心思想或范围的情况下，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 (15)

1.一种水电解制氢系统，其特征在于，包括：电解槽、氢气分离系统、氧气分离系统、回液管路、稳压罐和稳压气源，其中，
所述电解槽的氢侧出液口经所述氢气分离系统与所述回液管路的氢侧回液口连通；
所述电解槽的氧侧出液口经所述氧气分离系统与所述回液管路的氧侧回液口连通；
所述回液管路的出液口与所述电解槽的回液口连通；
所述稳压气源经所述稳压罐与所述回液管路的压力调节端口连通；
所述稳压罐内存储电解液和稳压气体，所述稳压气源调节所述稳压罐的压力。
2.根据权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述稳压罐设置有泄压阀。
3.根据权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述氢气分离系统包括氢侧出液管路和氢气分离器，其中，
所述电解槽的氢侧出液口经所述氢侧出液管路与所述氢气分离器的第一进液口连通；
所述氢气分离器的出液口与所述回液管路的氢侧回液口连通；
所述氧气分离系统包括氧侧出液管路和氧气分离器，其中，
所述电解槽的氧侧出液口经所述氧侧出液管路与所述氧气分离器的第一进液口连通；
所述氧气分离器的出液口与所述回液管路的氧侧回液口连通。
4.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：通用补水管路，其中，
所述通用补水管路与所述稳压罐连通，且所述通用补水管路设置有补水控制阀。
5.根据权利要求3所述的水电解制氢系统，其特征在于，还包括：氢侧补水管路和氧侧补水管路，其中，
所述氢侧补水管路与所述氢气分离器的第二进液口连通；
所述氧侧补水管路与所述氧气分离器的第二进液口连通。
6.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：电解液罐，其中，
所述电解液罐与所述回液管路连通；
所述电解液罐存储有预设容量的电解液。
7.根据权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述回液管路中设置有电解液循环装置；
所述电解液循环装置促进所述水电解制氢系统内电解液的流动。
8.根据权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述稳压罐包括具有预设耐压值的电解液罐。
9.根据权利要求8所述的水电解制氢系统，其特征在于，还包括补液控制阀，其中，
所述电解液罐经所述补液控制阀与所述回液管路连通；
在所述水电解制氢系统处于工作状态情况下，所述补液控制阀处于开通状态。
10.根据权利要求8所述的水电解制氢系统，其特征在于，还包括：通用补水管路，其中，
所述通用补水管路与所述回液管路或所述电解液罐连通，且所述通用补水管路设置有补水控制阀。
11.根据权利要求8所述的水电解制氢系统，其特征在于，还包括：氢侧补水管路和氧侧补水管路，其中，
所述氢侧补水管路与所述氢气分离系统相连；
所述氧侧补水管路与所述氧气分离系统相连。
12.根据权利要求3所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述氢侧出液管路设置有氢侧电解液控制阀；
所述氧侧出液管路设置有氧侧电解液控制阀。
13.根据权利要求1-12任一项所述的水电解制氢系统，其特征在于，还包括氢气处理装置和氧气处理装置，其中，
所述氢气处理装置与所述氢气分离系统相连；
所述氧气处理装置与所述氧气分离系统相连。
14.根据权利要求1-12任一项所述的水电解制氢系统，其特征在于，还包括：制氢电源，其中，
所述制氢电源与所述电解槽相连。
15.根据权利要求1-12任一项所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述制氢电源包括光伏发电系统和风能发电系统。
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