CN114108021A - 一种自热启动电解水制氢系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提出一种自热启动电解水制氢系统及其运行方法，包括通过管路依次首尾连接的电解槽、气液分离装置、电解液缓冲罐和循环泵，所述电解液缓冲罐上缠绕设置有加热管，还包括催化燃烧器，所述催化燃烧器的进气口通过管路和所述气液分离装置连接，所述催化燃烧器的底端还设有出气口，利用电解产生的粗氢或者存储的高纯氢，通过催化燃烧在冷启动过程中为装置提供热源，加热电解液，实现了电解水制氢系统的快速冷启动，有效缩短了制氢系统达到额定工况的时间；通过辅热实现电解液温度的快速提升，对于降低制氢能耗具有显著效果；在冷启动结束后，催化燃烧装置还可以用来处理未被作为产品收集、排空的氢气，具有显著的环保效益。
Description
技术领域
本申请涉及制氢设备技术领域，尤其涉及一种自热启动电解水制氢系统及其运行方法。
背景技术
氢气作为一种灵活、高效、零碳的能源载体，在助力加速脱碳进程和能源结构转型过程中扮演重要角色。氢气根据来源可分为以下几种：基于化石燃料制得的氢气属于灰色氢气；基于化石燃料并结合碳捕集、利用及储存技术制得的氢气属于蓝色氢气；基于可再生能源制得的氢气属于绿色氢气。随着风电、光伏等可再生电力的成本不断下降，基于可再生能源的电解水制氢工艺被视为最具发展前景的绿氢生产方式。
由于风力发电、光伏发电直接受天气影响，具有不可避免的间隙性和波动性。因此当电解水制氢与可再生能源发电进行耦合时，制氢过程将有别于传统的连续运行模式，出现不规律的停止和启动。电解槽是电解水制氢工中的核心装置，工作温度一般是70-90度左右，电解液是KOH溶液或纯水。电解槽冷启动时电解液为室温，电解液在没有加热辅助条件下升温很慢，启动后需要几个小时能达到额定运行温度。低温区间内电解液电阻大，导致电解制氢能耗高，制氢量也无法在短时间内提升至额定产量。
因此，本领域需要开发自热启动电解水制氢系统，解决电解槽冷启动慢、启动能耗高的技术难题。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的目的在于提出一种自热启动电解水制氢系统，通过在电解液缓冲罐外侧设置加热管，加热管和气液分离装置之间设置催化燃烧器，利用电解产生的粗氢或者存储的高纯氢，通过催化燃烧在冷启动过程中为装置提供热源，加热电解液，实现了电解水制氢系统的快速冷启动，有效缩短了制氢系统达到额定工况的时间；通过辅热实现电解液温度的快速提升，对于降低制氢能耗具有显著效果；在冷启动结束后，催化燃烧装置还可以用来处理未被作为产品收集、排空的氢气，具有显著的环保效益。
为达到上述目的，本申请提出的一种自热启动电解水制氢系统，包括通过管路依次首尾连接的电解槽、气液分离装置、电解液缓冲罐和循环泵，所述气液分离装置通过管路和氢气纯化装置连接，所述氢气纯化装置通过管路和氢气储罐连接，所述电解液缓冲罐上缠绕设置有加热管，还包括催化燃烧器，所述催化燃烧器的进气口通过管路和所述气液分离装置连接，所述催化燃烧器具有进风口，所述进风口通入的空气和所述进气口通入的粗氢在所述催化燃烧器内催化燃烧，所述催化燃烧器的底端还设有出气口，所述出气口用于输出高温气体，所述出气口通过管路分别与所述加热管的首尾两端连接。
进一步地，所述催化燃烧器的出气口与所述加热管连接的管路上设置有三通阀，所述三通阀的第一端通过管路和所述出气口连通，所述三通阀的第二端通过管路和所述加热管的进气口连通，所述三通阀的第三端通过管路和所述加热管的回气口的连通，其中，所述三通阀的第三端还连接有放空管路。
进一步地，所述氢气储罐用于存储经过所述氢气纯化装置纯化后的氢气，所述氢气储罐具有放气口，所述放气口通过管路和所述催化燃烧器的进气口连接，所述氢气储罐用于对所述催化燃烧器供应纯氢。
进一步地，所述进风口处设置有风机，所述进风口通入的空气和所述进气口通入的氢气体积流量比的范围为19:1～9:1，所述空气和氢气混合物在所述催化燃烧器中的体积空速的范围为5000～10000h-1。
进一步地，所述加热管为环形加热管，所述环形加热管螺旋缠绕在所述电解液缓冲罐的外表面。
一种自热启动电解水制氢系统的运行方法，应用于所述的自热启动电解水制氢系统，包括如下步骤：将来自气液分离装置的粗氢或来自氢气储罐的纯氢由进气口进入催化燃烧器，使其与来自风机的空气在所述催化燃烧器内混合催化燃烧产生高温气体；将所述高温气体经三通阀进入加热管为碱液缓冲罐加热；当电解液升温至额定温度后，将所述高温气体经三通阀进入放空管路，所述催化燃烧器作为消氢装置，停止加热电解液。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请一实施例提出的一种自热启动电解水制氢系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
图1是本申请一实施例提出的一种自热启动电解水制氢系统的结构示意图。
参见图1，一种自热启动电解水制氢系统，包括通过管路依次首尾连接的电解槽1、气液分离装置2和电解液缓冲罐9，在本实施例中，所述电解槽1内部包括阴极、阳极、隔膜及电解液。所述电解液包括氢氧化钾溶液，浓度为20wt％～30wt％。所述隔膜为耐高温、耐碱的多孔有机膜。所述阴极、阳极组成成分包括金属合金，包括所述金属合金包括雷尼镍、Ni-Mo合金，用于分解水，产生氢和氧。所述气液分离装置2可以为气液分离罐，电解液缓冲罐9设置在气液分离装置2和电解槽1之间，一方面用于对气液分离装置2内气液分离后获得的电解液进行收集，另一方面将所获得的电解液再次回流进行电解槽1，实现电解液的循环工作。所述电解液缓冲罐9上缠绕设置有加热管10，还包括催化燃烧器6，所述催化燃烧器6的进气口通过管路和所述气液分离装置2连接，所述催化燃烧器6具有进风口，所述进风口通入的空气和所述进气口通入的粗氢在所述催化燃烧器6内催化燃烧，所述催化燃烧器6的底端还设有出气口，所述出气口用于输出高温气体，所述出气口通过管路分别与所述加热管10的首尾两端连接，催化燃烧器6利用气液分离装置产出的粗氢和空气进行燃烧产生高温气体，高温气体通入加热管内对电解液缓冲罐9内的回收电解液进行加热，然后加热后的电解液回流进电解槽1中，从而提高了电解槽1内的电解液的温度，降低制氢能耗。
所述催化燃烧器6的出气口与所述加热管10连接的管路上设置有三通阀8，所述三通阀8的第一端通过管路和所述出气口连通，所述三通阀8的第二端通过管路和所述加热管10的进气口连通，所述三通阀8的第三端通过管路和所述加热管10的回气口的连通，其中，所述三通阀8的第三端还连接有放空管路。本实施例中，催化燃烧器6产生的高温气体在加热管10循环流动，进而对电解液缓冲罐9内的电解液进行快速升温，并且三通阀8还连接有放空管路，用来对废气进行排放，或者在电解液升温至额定温度后，三通阀8调节至放空状态，催化燃烧器6作为消氢装置，不再用于加热电解液。
所述电解液缓冲罐9和所述电解槽1之间的管路上设置有循环泵3，通过循环泵3的设置提高电解液缓冲罐9内的电解液回流到电解槽1的效率，使得电解槽内的电解液充足，保证电解效率。
一种自热启动电解水制氢系统还包括氢气纯化装置4，所述氢气纯化装置4通过管路和所述气液分离装置2连接，经过气液分离装置2过滤后的粗氢通过氢气纯化装置4提纯，制成纯氢，从而更加方便储存和使用，本实施例中，纯化方式可以为变压吸附、变温吸附、膜分离法和金属氢化物法中的一种或几种，相应地，气体纯化系统可以为变压吸附制氢装置、低温吸附法制氢工业装置、膜分离法制氢装置和用金属氢化物提取超纯氢装置其中一种或几种。本申请在此不作限制。纯化后的氢气可用于质子交换膜燃料电池发电系统、固体氧化物燃料电池发电系统、熔融碳酸盐燃料电池发电系统、磷酸燃料电池发电系统中的一种或几种。
一种自热启动电解水制氢系统还包括氢气储罐5，所述氢气储罐5通过管路和所述氢气纯化装置4连接，所述氢气储罐5用于存储经过所述氢气纯化装置4纯化后的氢气。在本申请的一些优选实施方式中，所述氢气储罐5采用内胆为铝合金或高密度聚乙烯的全缠绕碳纤维复合材料储罐，进一步，所述氢气储罐外壳上还加装有氢气泄漏检测系统，所述氢气泄漏检测系统包括压力及温度传感器。以及时对氢气的存储状态进行监控，保证氢气安全存放。
所述氢气储罐5具有放气口，所述放气口通过管路和所述催化燃烧器6的进气口连接，所述氢气储罐5用于对所述催化燃烧器6供应纯氢，在气液分离装置2内的粗氢供应不足时，可以使用氢气储罐内的纯氢进行供氢，将其补充通入催化燃烧器6，迅速提高加热管的温度。
所述进风口处设置有风机7，所述进风口通入的空气和所述进气口通入的氢气体积流量比的范围为19:1～9:1，所述空气和氢气混合物在所述催化燃烧器中的体积空速的范围为5000～10000h-1。通过风机的工作，提高进风口的进风量，进而提高催化燃烧器内的燃烧效率。通过对进风口的风量和进气口的氢气流量的比例控制，使得进入催化燃烧器内的空气和氢气具有最大的燃烧效率。
所述气液分离装置2还连接有氧气输出管道，氧气输出管道外连氧气处理设备，方便对氢气和氧气分别进行处理利用。
所述加热管10为环形加热管，所述环形加热管螺旋缠绕在所述电解液缓冲罐9的外表面，从而可以和电解液缓冲罐充分换热，提高加热效率。
一种自热启动电解水制氢系统的运行方法，应用于所述的自热启动电解水制氢系统，包括如下步骤：将来自气液分离装置的粗氢或来自氢气储罐的纯氢由进气口进入催化燃烧器，使其与来自风机的空气在所述催化燃烧器内混合催化燃烧产生高温气体；将所述高温气体经三通阀进入加热管为碱液缓冲罐加热；当电解液升温至额定温度后，将所述高温气体经三通阀进入放空管路，所述催化燃烧器作为消氢装置，停止加热电解液。利用电解产生的粗氢或者存储的高纯氢，通过催化燃烧在冷启动过程中为装置提供热源，加热电解液，实现了电解水制氢系统的快速冷启动，有效缩短了制氢系统达到额定工况的时间；通过辅热实现电解液温度的快速提升，对于降低制氢能耗具有显著效果；在冷启动结束后，催化燃烧装置还可以用来处理未被作为产品收集、排空的氢气，具有显著的环保效益。
参照附图1，电解液进入电解槽1电解产生氢气和氧气，气液混合物离开电解槽1进入气液分离装置2；气液分离后获得电解液进入电解液缓冲罐9，经循环泵3返回至电解槽1形成电解质循环回路；气液分离后获得的粗氧进入氧气处理工段，额定工况下获得的粗氢进入氢气纯化装置4，获得高纯氢存储在氢气储罐5中；冷启动阶段粗氢进入催化燃烧器6，与来自风机7的空气混合后催化燃烧产生高温气体；高温气体经三通阀8进入环形加热管10为碱液缓冲罐9加热；如需增大加热量氢气储罐5中的高纯氢气可以作为补充通入催化燃烧器6。电解液升温至额定温度后，三通阀8调节至放空，催化燃烧器6作为消氢装置，不再用于加热电解液。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种自热启动电解水制氢系统，其特征在于，包括通过管路依次首尾连接的电解槽、气液分离装置、电解液缓冲罐和循环泵，所述气液分离装置通过管路和氢气纯化装置连接，所述氢气纯化装置通过管路和氢气储罐连接，所述电解液缓冲罐上缠绕设置有加热管，还包括催化燃烧器，所述催化燃烧器的进气口通过管路和所述气液分离装置连接，所述催化燃烧器具有进风口，所述进风口通入的空气和所述进气口通入的粗氢在所述催化燃烧器内催化燃烧，所述催化燃烧器的底端还设有出气口，所述出气口用于输出高温气体，所述出气口通过管路分别与所述加热管的首尾两端连接。
2.如权利要求1所述的自热启动电解水制氢系统，其特征在于，所述催化燃烧器的出气口与所述加热管连接的管路上设置有三通阀，所述三通阀的第一端通过管路和所述出气口连通，所述三通阀的第二端通过管路和所述加热管的进气口连通，所述三通阀的第三端通过管路和所述加热管的回气口的连通，其中，所述三通阀的第三端还连接有放空管路。
3.如权利要求1所述的自热启动电解水制氢系统，其特征在于，所述氢气储罐用于存储经过所述氢气纯化装置纯化后的氢气，所述氢气储罐具有放气口，所述放气口通过管路和所述催化燃烧器的进气口连接，所述氢气储罐用于对所述催化燃烧器供应纯氢。
4.如权利要求1所述的自热启动电解水制氢系统，其特征在于，所述进风口处设置有风机，所述进风口通入的空气和所述进气口通入的氢气体积流量比的范围为19:1～9:1，所述空气和氢气混合物在所述催化燃烧器中的体积空速的范围为5000～10000h-1。
5.如权利要求1所述的自热启动电解水制氢系统，其特征在于，所述加热管为环形加热管，所述环形加热管螺旋缠绕在所述电解液缓冲罐的外表面。
6.一种自热启动电解水制氢系统的运行方法，应用于如权利要求1-5中任一权利要求所述的自热启动电解水制氢系统，其特征在于，包括如下步骤：将来自气液分离装置的粗氢或来自氢气储罐的纯氢由进气口进入催化燃烧器，使其与来自风机的空气在所述催化燃烧器内混合催化燃烧产生高温气体；将所述高温气体经三通阀进入加热管为碱液缓冲罐加热；当电解液升温至额定温度后，将所述高温气体经三通阀进入放空管路，所述催化燃烧器作为消氢装置，停止加热电解液。
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