CN114134527A - 一种多台电解槽的电解水制氢装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种多台电解槽的电解水制氢装置及方法，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、氢侧控制装置以及碱液流量控制系统，系统中设置多台电解槽，氧分离器设置一台分离器，氢分离器设置两台串联的与氧分离器容积相同的分离器，氧侧控制装置包括一大一小并联的氧调节阀、氧调节阀前的氧自动球阀及连接至氧调节阀和自动球阀两端的氧旁通手动球阀，氢侧控制装置包括一大一小并联氢调节阀。氢/氧侧控制装置分别设置一大一小两台调节阀可以保证单台电解槽低负荷运行时的调节精度，碱液控制系统每台流量计和自动调节阀对应一台电解槽，可自动控制每台电解槽碱路的开度调节。
Description
技术领域
本发明涉及制氢的技术领域，尤其是涉及一种多台电解槽的水电解制氢装置及方法。
背景技术
解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。
目前主要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。
现有技术中，由于电解槽单台产量有限，为了跟随其它可再生能源快速发展的趋势，需要更大规模的电解水制氢设备。一个电解槽对应一台制氢框架的现阶段制氢量太小，在大型项目中存在投资较高且后期运维管理比较麻烦等劣势。为了提升电解设备的产量，研发多台电解槽对应一台制氢框架是很有必要的。一方面提升了单套电解设备的产气量，另一方面，降低了设备的投入，并且能够适应可再生能源电能(风电/光电)波动状态状态下调节的需要，是大型电解水制氢设备的一种可行的方向。
然而，多台电解槽并联制氢，其工作的台数和负荷均是可变的，且变化范围很大，一般的氢分离器与氧分离器中的压力平衡系统在兼顾电解槽低负荷运行和电解槽正常运行时，虽然仍能对氢分离器与氧分离器中的液面进行平衡，但平衡的精度较低，对整个装置而言，增加了制氢过程中的危险性。为解决上述问题，有必要提供一种多台电解槽的水电解制氢装置及方法。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种多台电解槽的电解水制氢装置及方法，结合了电解水制氢制取氢气和氧气产量的不同将氧分离器的容器大小设计为一级分离，氧分离器设置为两级，两级分离器气路和碱路通过连通管连接，满足分离设备的分离效果的同时又降低了成本；氢侧与氧侧调节阀均设为一大一小的两路并联，可以根据电解槽运行的台数和电解槽的负荷切换使用，来保证调节阀的调节精度，每台电解槽碱路进口分别设置流量计和自动调节阀，根据每台电解槽的工作状态调整调节每台电解槽的碱液流量，使得每台电解槽都能达到最好的运行状态。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种多台电解槽的水电解制氢装置，包括：
电解槽，所述电解槽内采用电极电解电解液以产生氢气和氧气，此系统内设置两台及两台以上并联电解槽；
氢分离器，分为氢一级分离器和氢二级分离器，所述氢一级分离器通过氢气液管道与该电解槽连通，氢一级分离器氢气出口和氢二级分离器氢气进口相连通，氢一级分离器和氢二级分离器液相也通过连通管连接，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，所述氧分离器的容器与氢一级分离器大小相同；
循环泵，分别与氢二级分离器的回流管道和氧分离器的氧侧回流管道连通，所述循环泵用于将氢二级分离器和该氧分离器中的液体经流量计和调节型阀门分别接至各电解槽；
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，所述氧侧控制装置包括一大一小两台并联的小氧调节阀和大氧调节阀、调节阀前端的氧自动球阀及连接至小氧调节阀、大氧调节阀和氧自动球阀两端的氧旁通手动球阀，根据电解槽启动的台数和负荷切换使用调节阀；
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后端设备，所述氢侧控制装置包括一大一小两台并联的小氢调节阀和大氢调节阀、调节阀前端的氢自动球阀及连接至小氢调节阀、大氢调节阀和氢自动球阀两端的氢旁通手动球阀，根据电解槽启动的台数和负荷切换使用调节阀；
碱液流量控制系统，碱液循环泵出口分为若干路，每路设置一台带远传的碱液流量计和自动调节阀，分别连接至每台电解槽进碱口。
优选的，所述系统内设置两台及两台以上并联电解槽，每台电解槽进碱路和气碱液出口均为并联。
优选的，所述氧分离器上设有远传的氧液位变送器，氢二级分离器上设有远传的氢液位变送器和氢差压变送器，该氧侧控制装置根据两侧液位差调节。
优选的，所述氧分离器上设置有远传的氧压力变送器和氧差压变送器，氧侧控制装置根据氧压力变送器压力值调节。
优选的，所述氧液位变送器和氢液位变送器通过根部阀或阀组连接至氧分离器和氢二级分离器。
优选的，所述氧分离器的出口连接至氧侧控制装置，氧侧控制装置出口连接至自动氧三通阀，所述氧三通阀的一路出口连接至大气，所述氧三通阀的另一路出口连接至后端设备。
优选的，所述氢二级分离器的出口连接至氢侧控制装置，氢侧控制装置出口连接至自动氢三通阀，所述氢三通阀的一路出口连接有氢阻火器，氢三通阀通过氢阻火器连接至大气，所述氢三通阀的另一路出口连接至后端设备。
优选的，所述氧分离器和氢二级分离器碱液汇集至碱液循环泵，碱液循环泵出口通过碱液流量控制系统接至每台电解槽。
优选的，所述碱液流量控制系统每路设置一台碱液流量计和自动调节阀。
一种采用上述多台电解槽的水电解制氢装置的制氢方法，所述制氢方法包括以下步骤：
第一步：启动电解槽对碱液进行电解，电解槽中产生氢气和氧气；
第二步：循环泵启动，将氧分离器和氢二级分离器中的碱液抽取汇集，重新注入电解槽中，氧分离器和氢二级分离器压强减小，电解槽中产生氧气和氢气顺势分别进入氧分离器和氢二级分离器中；
第三步：根据电解槽启用台数和负荷，选择小氢调节阀、大氢调节阀、小氧调节阀和大氧调节阀的开关，只启用单台电解槽或电解槽低负荷运行，关闭大氢调节阀和大氧调节阀，采用小氢调节阀和小氧调节阀，正常启用多台电解槽，关闭小氢调节阀和小氧调节阀，采用大氢调节阀和大氧调节阀；
第四步：对从氢三通阀和氧三通阀排出的氢气和氧气进行收集；
其中制氢过程中，根据每台电解槽的工作情况自动选择合适的流量，并根据流量计反馈的信号，调节阀门开度，使流量达到设定值或自动选定值；
所述制氢方法同时使用多台电解槽或只启动一台电解槽，电解槽负荷在10％至120％之间，位波动误差不大于5cm，压力波动误差不大于0.1MPa。
与现有技术相比，本发明提供了一种多台电解槽的水电解制氢装置及方法，具备以下有益效果：
1、通过设置多台电解槽、氧分离器、氢分离器和循环泵，解决了单台电解槽产量有限的问题，一方面提升了单套电解设备的产气量，另一方面，降低了设备的投入；碱液循环泵出口至每台电解槽的管路上均设置一台碱液流量计和自动调节阀，从而能根据每台电解槽的运作情况，控制回流进电解槽的碱液的流速；
2、通过设置氧侧控制装置以及氢侧控制装置，氢分离器设两台串联的氢分离器，氧分离器仅设置一台容积接近氢一级分离器的分离器，氧侧控制装置包括一大一小两台并联的氧调节阀，氢侧控制装置包括一大一小两台并联的氢调节阀，这种氧侧控制装置以及氢侧控制装置可以根据多台电解槽的负荷情况，有针对的选择调节阀进行调整，能够保证调整的精确性，进而使得在多台电解槽各种运作下，都能保证氧分离器和氢分离器中液面差维持在合理范围，避免液差过大，导致氧气和氢气混合，同时，本这种还结合了电解水制氢制取氢气和氧气产量的差异，氢分离器设置两级分离氧分离器仅设置一级，满足分离效果的同时也节省了成本。
附图说明
图1为本发明一种实施例的电解水制氢控制工艺流程图；
1、电解槽；2、氧分离器；3、氢一级分离器；4、氢二级分离器；5、循环泵；6、流量计；7、自动调节阀；8、氧差压变送器；9、氧压力变送器；10、氢差压变送器；11、氧液位变送器；12、氢液位变送器；13、氧自动球阀；14、氧旁通手动球阀；15、小氧调节阀；16、大氧调节阀；17、氧三通阀；18、氢旁通手动球阀；19、氢自动球阀；20、小氢调节阀；21、大氢调节阀；22、氢三通阀；23、氢阻火器。
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多台电解槽1、氧分离器2、氢一级分离器3、氢二级分离器4、循环泵5、氧侧控制装置、氢侧控制装置以及碱液流量控制系统。每台电解槽1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2和氢一级分离器3分别通过氧气液管道和氢气液管道与电解槽1连通，其中氧分离器2用于将电解槽1产生的氧气进行气液分离，氢一级分离器3用于将电解槽1产生的氢气进行初步气液分离，分离后氢气进入氢二级分离器4进行二级气液分离，氢一级分离器3和氢二级分离器4通过气路联通管和液路联通管连接。其中氧分离器2的容器体积接近氢一级分离器3，例如，氧分离器2的容器体积是氢一级分离器3的容器体积大小相同。循环泵5分别与氢二级分离器4底部的氢侧回流管道和氧分离器2底部的氧侧回流管道连通，用于将氢二级分离器4和氧分离器2中的液体经碱液流量调节系统分别进入各电解槽1进行循环再利用，碱液流量调节系统包含碱液流量计6和自动调节阀7。具体而言，电解槽1产生的氢、氧气与电解液在循环泵5的外力作用下从电解槽1出来分别到对应的氢一级分离器3、氧分离器2内，通过气、液自重的物理特性进行分离。在进入氧分离器2顶部的出口经由氧侧控制装置连通后端设备或大气，氢二级分离器4顶部的出口经由氢侧控制装置连接至后端设备或大气，氧侧控制装置包括大氧调节阀16、小氧调节阀15、氧自动球阀13、氧旁通手动球阀14，氢侧控制装置包括大氢调节阀21、小氢调节阀20、氢自动球阀19、氢旁通手动球阀18。
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，因此氢气设置两级分离，氧气设置一级分离，氧分离器2与氢一级分离器3容积相近，在保证氢分离效果的同时又减小了氧分离器2的成本。再者，将现有技术中氢侧和氧侧分别设置调节阀变为都设置为一大(大氧调节阀16、大氢调节阀21)和一小(小氧调节阀15、小氢调节阀20)，在只启动一台电解槽1的低负荷状态下，关闭大氧调节阀16和大氢调节阀21，采用小氧调节阀15和小氢调节阀20控制系统压力，可以在单台电解槽1运行或其它低负荷的情况下保证调节精度，同时碱泵出口每台电解槽1设置流量调节和监控装置，可使每台电解都满足自身运行工况下的最佳碱液流量。
于本实施例中，氧分离器2上设有氧液位变送器11、氧压力变送器9和氧差压变送器8，氢二级分离器4上设有氢液位变送器12和氢差压变送器10。其中，大氢调节阀21和小氢调节阀20由氢、氧液位差信号调节控制，当检测到氧分离器2的液位高于氢二级分离器4的液位时，则控制增大大氢调节阀21和小氢调节阀20开度，氢二级分离器4中的氢气能更快的从大氢调节阀21和小氢调节阀20处排出，氢二级分离器4中的氢气压强减小，氧分离器2中氧气的压强不变，因此氧分离器2中氧气会将氧分离器2中的液体压入氢二级分离器4中，从而使得氧分离器2和氢二级分离器4的液位差减小；当检测到氧分离器2的液位低于氢二级分离器4的液位时，则控制减小大氢调节阀21和小氢调节阀20 的开度，氢二级分离器4中的氢气能更慢的从大氢调节阀21和小氢调节阀20 处排出，氢二级分离器4中的氢气压强增大，氧分离器2中氧气的压强不变，因此氢二级分离器4中氢气会将氢二级分离器4中的液体压入氧分离器2中，从而使得氧分离器2和氢二级分离器4的液位差减小。
氧自动球阀13和氢自动球阀19根据系统压力要求关闭或打开。
氧三通阀17和氢三通阀22根据纯度测量等其它信号调整至放空或接至后端设备。
本实施例中，大氢调节阀21和大氧调节阀16根据装置的所有电解槽1全部满载启动的产气量大小、压力大小及运行要求进行选取，小氧调节阀15和小氢调节阀20根据大氢调节阀21和大氧调节阀16可以调节的范围、单台电解槽1 最低负荷运行的情况的产气量、压力大小及运行要求选取。正常多台电解槽1 同时运行时，大氢调节阀21和大氧调节阀16工作，小氧调节阀15和小氢调节阀20关闭，当单台电解槽1工作或其它低负荷状态下工作时，大氢调节阀21 和大氧调节阀16关闭，小氧调节阀15和小氢调节阀20工作；保证设备压力和氢氧侧液位差的调节精度。
于本发明实施例中，电解水制氢装置还包括氢自动球阀19和氧自动球阀13，氢二级分离器4顶部的出口经由氢自动球阀19连接至氢侧控制装置，氧分离器 2顶部的出口经由氧自动球阀13连接至氧侧控制装置。氢自动球阀19和氧自动球阀13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。
电解槽工作时根据电流负荷，自动或手动设置一流量值，通过流量计6监测实际流量，若流量值高于设定值，则控制自动调节阀7调小开度，若流量值低于设定值，则控制自动调节阀7调大开度。随着电解槽负荷不断变化，设定值也不断变化，通过流量计6监控实现自动调节阀7动态调节，以适应波动电源制氢的要求。
本发明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10％～120％，液位波动误差不大于5cm，压力波动误差不大于0.1MPa。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1、氧分离器2、氢一级分离器3、氢二级分离器4、循环泵5、氧侧控制装置、氢侧控制装置以及碱液流量调节装置，氧分离器2与氢一级分离器3容积相近，氧侧控制装置包括氧调节阀15/16、氧调节阀前的氧自动球阀13、连接至氧调节阀15/16和氧自动球阀13 两端的氧旁通手动球阀14，氢侧控制装置包括氢调节阀20/21、氢调节阀前的氢自动球阀19、连接至氢调节阀20/21和氢自动球阀19两端的氢旁通手动球阀18，结合了电解水制氢制取氢气和氧气产量的差异，氧分离器2设置一级分离器，氢分离器设置两级分离，满足分离效果的同时节省成本；同时每台电解槽1的进碱口都设置了单独的流量计6与自动调节阀7，使各种负荷小碱液流量都处于最佳流量范围。
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 (10)
1.一种多台电解槽的水电解制氢装置，其特征在于，包括：
电解槽(1)，所述电解槽(1)内采用电极电解电解液以产生氢气和氧气，此系统内设置两台及两台以上并联电解槽(1)；
氢分离器，分为氢一级分离器(3)和氢二级分离器(4)，所述氢一级分离器(3)通过氢气液管道与该电解槽(1)连通，氢一级分离器(3)氢气出口和氢二级分离器(4)氢气进口相连通，氢一级分离器(3)和氢二级分离器(4)液相也通过连通管连接，用于将该电解槽(1)产生的氢气进行气液分离；
氧分离器(2)，通过氧气液管道与该电解槽(1)连通，用于将该电解槽(1)产生的氧气进行气液分离，所述氧分离器(2)的容器与氢一级分离器(3)大小相同；
循环泵(5)，分别与氢二级分离器(4)的回流管道和氧分离器(2)的氧侧回流管道连通，所述循环泵(5)用于将氢二级分离器(4)和该氧分离器(2)中的液体经流量计(6)和调节型阀门分别接至各电解槽(1)；
氧侧控制装置，该氧分离器(2)的出口经由该氧侧控制装置连通大气，所述氧侧控制装置包括一大一小两台并联的小氧调节阀(15)和大氧调节阀(16)、调节阀前端的氧自动球阀(13)及连接至小氧调节阀(15)、大氧调节阀(16)和氧自动球阀(13)两端的氧旁通手动球阀(14)，根据电解槽(1)启动的台数和负荷切换使用调节阀；
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后端设备，所述氢侧控制装置包括一大一小两台并联的小氢调节阀(20)和大氢调节阀(21)、调节阀前端的氢自动球阀(19)及连接至小氢调节阀(20)、大氢调节阀(21)和氢自动球阀(19)两端的氢旁通手动球阀(18)，根据电解槽(1)启动的台数和负荷切换使用调节阀；
碱液流量控制系统，碱液循环泵(5)出口分为若干路，每路设置一台带远传的碱液流量计(6)和自动调节阀(7)，分别连接至每台电解槽(1)进碱口。
2.根据权利要求1所述的多台电解槽的水电解制氢装置，其特征在于，所述系统内设置两台及两台以上并联电解槽(1)，每台电解槽(1)进碱路和气碱液出口均为并联。
3.根据权利要求1所述的多台电解槽的水电解制氢装置，其特征在于，所述氧分离器(2)上设有远传的氧液位变送器(11)，氢二级分离器(4)上设有远传的氢液位变送器(12)和氢差压变送器(10)，该氧侧控制装置根据两侧液位差调节。
4.根据权利要求1所述的多台电解槽的水电解制氢装置，其特征在于，所述氧分离器(2)上设置有远传的氧压力变送器(9)和氧差压变送器(8)，氧侧控制装置根据氧压力变送器(9)压力值调节。
5.根据权利要求3所述的多台电解槽的水电解制氢装置，其特征在于，所述氧液位变送器(11)和氢液位变送器(12)通过根部阀或阀组连接至氧分离器(2)和氢二级分离器(4)。
6.根据权利要求1所述的多台电解槽的水电解制氢装置，其特征在于，所述氧分离器(2)的出口连接至氧侧控制装置，氧侧控制装置出口连接至自动氧三通阀(17)，所述氧三通阀(17)的一路出口连接至大气，所述氧三通阀(17)的另一路出口连接至后端设备。
7.根据权利要求1所述的多台电解槽的水电解制氢装置，其特征在于，所述氢二级分离器(4)的出口连接至氢侧控制装置，氢侧控制装置出口连接至自动氢三通阀(22)，所述氢三通阀(22)的一路出口连接有氢阻火器(23)，氢三通阀(22)通过氢阻火器(23)连接至大气，所述氢三通阀(22)的另一路出口连接至后端设备。
8.根据权利要求1所述的多台电解槽的水电解制氢装置，其特征在于，所述氧分离器(2)和氢二级分离器(4)碱液汇集至碱液循环泵(5)，碱液循环泵(5)出口通过碱液流量控制系统接至每台电解槽(1)。
9.根据权利要求1所述的多台电解槽的水电解制氢装置，其特征在于，所述碱液流量控制系统每路设置一台碱液流量计(6)和自动调节阀(7)。
10.一种根据权利要求1-9任意一项所述的多台电解槽的水电解制氢装置的制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：启动电解槽(1)对碱液进行电解，电解槽(1)中产生氢气和氧气；
第二步：循环泵(5)启动，将氧分离器(2)和氢二级分离器(4)中的碱液抽取汇集，重新注入电解槽(1)中，氧分离器(2)和氢二级分离器(4)压强减小，电解槽(1)中产生氧气和氢气顺势分别进入氧分离器(2)和氢二级分离器(4)中；
第三步：根据电解槽(1)启用台数和负荷，选择小氢调节阀(20)、大氢调节阀(21)、小氧调节阀(15)和大氧调节阀(16)的开关，只启用单台电解槽(1)或电解槽(1)低负荷运行，关闭大氢调节阀(21)和大氧调节阀(16)，采用小氢调节阀(20)和小氧调节阀(15)，正常启用多台电解槽(1)，关闭小氢调节阀(20)和小氧调节阀(15)，采用大氢调节阀(21)和大氧调节阀(16)；
第四步：对从氢三通阀(22)和氧三通阀(17)排出的氢气和氧气进行收集；
其中制氢过程中，根据每台电解槽(1)的工作情况自动选择合适的流量，并根据流量计(6)反馈的信号，调节阀门开度，使流量达到设定值或自动选定值；
所述制氢方法同时使用多台电解槽(1)或只启动一台电解槽(1)，电解槽(1)负荷在10％至120％之间，位波动误差不大于5cm，压力波动误差不大于0.1MPa。
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