CN114182295B - 一种电解水制氢系统自动氮气置换装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种电解水制氢系统自动氮气置换装置及方法，包括通过管路依次首尾连接的电解槽、第三阀门和氧分离器形成的第一循环回路，还包括氢分离器，所述氢分离器通过管路与所述第三阀门和所述电解槽依次首尾连接形成第二循环回路，所述氧分离器和所述氢分离器通过管路相互连接，且所述氧分离器和所述氢分离器连接的管路上依次设置有第四阀门和第五阀门，所述第四阀门和所述第五阀门之间管路上外连有氮气储罐，通过外连氮气储罐和对各阀门开合控制，使得电解制氢系统能够在风力发电和光伏发电供应不足时自动对制氢系统进行氮气置换，切换到安全状态，降低了制氢过程对运行维护人员数量的需求，降低了制氢成本。

Description

一种电解水制氢系统自动氮气置换装置及方法

技术领域

本申请涉及电解制氢技术技术领域，尤其涉及一种电解水制氢系统自动氮气置换装置及方法。

背景技术

采用风力发电、光伏发电等可再生能源产生的电能作为电源，通过电解水制取的氢气具有低碳特性，因此被称为“绿氢”。“绿氢”作为电能向化学能转化的载体可以应用于交通、化工、钢铁等多个领域，因此在构建以可再生能源为核心的新型能源体系过程中具有重要的作用。然而，目前氢气供应仍以化石能源制取的“灰氢”为主，电解水制氢仅应用于一些特种行业，占比较低。与可再生能源发电耦合的电解水制氢技术尚处于示范阶段，技术路线尚不成熟。

风电、光伏为代表的可再生能源发电技术最大的特点就是波动、间歇性和难以预测性。因此以可再生能源发电作为电源，电解制氢设备会因为供电不足而无法运行，制氢过程由传统的连续运行变为间歇运行。当制氢设备停机后，氢气、氧气会停留在设备内部，随着停机时间延长气体会穿过电解槽隔膜，形成氢氧混合物，甚至达到爆炸极限，产生安全隐患。

因此需要开发电解水制氢系统自动氮气置换装置及方法，满足可再生能源电解水制氢过程中的间歇操作需求。

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电解水制氢系统自动氮气置换装置，通过外连氮气储罐和对各阀门开合控制，使得电解制氢系统能够在风力发电和光伏发电供应不足时自动对制氢系统进行氮气置换，切换到安全状态，提升了操作的自动化程度和安全性，降低了制氢过程对运行维护人员数量的需求，降低了制氢成本。

为达到上述目的，本申请提出的一种电解水制氢系统自动氮气置换装置，包括通过管路依次首尾连接的电解槽、第三阀门和氧分离器形成的第一循环回路，还包括氢分离器，所述氢分离器通过管路与所述第三阀门和所述电解槽依次首尾连接形成第二循环回路，所述氧分离器和所述氢分离器通过管路相互连接，且所述氧分离器和所述氢分离器连接的管路上依次设置有第四阀门和第五阀门，所述第四阀门和所述第五阀门之间管路上外连有氮气储罐。

进一步地，所述电解槽和所述第三阀门之间的管路上设置有循环泵。

进一步地，所述氧分离器上设置有第一液位传感器和压力传感器，所述第一液位传感器用于对所述氧分离器内的液位进行监测，所述压力传感器用于对所述氧分离器内的压力进行监测。

进一步地，所述氢分离器上设置有第二液位传感器，所述第二液位传感器用于对所述氢分离器内的液位进行监测。

进一步地，还包括第一洗涤冷却器，所述第一洗涤冷却器设置在所述氧分离器和所述第四阀门之间的管路上，所述第一洗涤冷却器通过第一外置管路和所述氧分离器连接形成第三循环回路。

进一步地，还包括第二洗涤冷却器，所述第二洗涤冷却器设置在所述氢分离器和所述第五阀门之间的管路上，所述第二洗涤冷却器通过第二外置管路和所述氢分离器连接形成第四循环回路。

进一步地，所述第一洗涤冷却器和所述第四阀门之间的管路上还设置有氧气回收管路，所述氧气回收管路上设置有第一阀门。

进一步地，所述第二洗涤冷却器和所述第五阀门之间的管路上还设置有氢气回收管路，所述氢气回收管路上设置有第二阀门。

一种电解水制氢系统自动氮气置换方法，应用于上述的电解水制氢系统自动氮气置换装置，包括如下步骤：S1、控制第三阀门、第四阀门和第五阀门关闭以及第一阀门和第二阀门打开以进行泄压；S2、监测压力传感器的压力数据，在所述压力数据小于第一预设压力值时，关闭第一阀门和第二阀门；S3、控制第一阀门、第二阀门和第三阀门关闭以及第四阀门和第五阀门打开以进行充装氮气；S4、监测所述压力传感器的压力数据，在所述压力数据大于第二预设压力值时，关闭第四阀门和第五阀门并保持预定时间；S5、重复上述S1-S4步骤预定次数；S6、关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门以进行保压。

进一步地，所述第一阀门和第二阀门打开以进行泄压具体包括：所述第一阀门保持预定开度，所述第二阀门的开度根据第一液位传感器和第二液位传感器检测值的差值进行调节。

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电解水制氢系统自动氮气置换装置的结构示意图；

图2是本申请另一实施例提出的一种电解水制氢系统自动氮气置换方法流程示意图。

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电解水制氢系统自动氮气置换装置的结构示意图。

参见图1，一种电解水制氢系统自动氮气置换装置，包括通过管路依次首尾连接的电解槽1、第三阀门2和氧分离器3形成的第一循环回路，还包括氢分离器4，所述氢分离器4通过管路与所述第三阀门2和所述电解槽1依次首尾连接形成第二循环回路，所述氧分离器3和所述氢分离器4通过管路相互连接，且所述氧分离器3和所述氢分离器4连接的管路上依次设置有第四阀门5和第五阀门6，所述第四阀门5和所述第五阀门6之间管路上外连有氮气储罐7。

通过第一循环回路收集电解槽产生的氧气，并将氧气进入氧分离器带出的电解液回流至电解槽内，通过第二循环回路收集电解槽产生的氢气，并氢气进入氢分离器带出的电解液回流至电解槽内，保证了电解液在第一循环回路和第二循环回路中的循环利用。通过外连接氮气储罐作为氮气气源，并通过第四阀门和第五阀门启闭的来控制氮气是否对制氢系统进行通入。

所述电解槽1和所述第三阀门2之间的管路上设置有循环泵8。循环泵8的设置可以提高电解液在第一循环回路和第二循环回路内的循环效率。

所述氧分离器3上设置有第一液位传感器9和压力传感器10，所述第一液位传感器9用于对所述氧分离器3内的液位进行监测，所述压力传感器10用于对所述氧分离器3内的压力进行监测。通过对氧分离器的液位和压力的实时检测可以及时了解氧分离器的液位和氧气通入情况，便于对第一阀门和第二阀门进行联动控制，避免氧分离器或者氢分离器单侧的压力过高造成电解槽氢氧混合，避免安全隐患。

所述氢分离器4上设置有第二液位传感器11，所述第二液位传感器11用于对所述氢分离器4内的液位进行监测。通过对氢分离器的液位进行检测，一方面可以和氧分离器的液位情况进行对比分析，另一方面也可以在液位较低时，及时对氢分离器进行补液。

一种电解水制氢系统自动氮气置换装置还包括第一洗涤冷却器12，所述第一洗涤冷却器12设置在所述氧分离器3和所述第四阀门5之间的管路上，所述第一洗涤冷却器11通过第一外置管路13和所述氧分离器3连接形成第三循环回路。第一洗涤冷却器12对氧分离器3内的氧气进行冷却洗涤，得到较高纯度的氧气，方便后续利用，并通过第三循环回路将回收的电解液回流至氧分离器内。

一种电解水制氢系统自动氮气置换装置还包括第二洗涤冷却器14，所述第二洗涤冷却器14设置在所述氢分离器4和所述第五阀门6之间的管路上，所述第二洗涤冷却器14通过第二外置管路15和所述氢分离器4连接形成第四循环回路。第二洗涤冷却器14对氢分离器4内的氢气进行冷却洗涤，得到较高纯度的氢气，方便后续利用，并通过第四循环回路将回收的电解液回流至氢分离器内。

所述第一洗涤冷却器11和所述第四阀门5之间的管路上还设置有氧气回收管路，所述氧气回收管路上设置有第一阀门16。氧气回收管路可以外连氧气储罐，以对氧气进行储存，通过控制第一阀门的开合可以实现氧气输出速度的调节。

所述第二洗涤冷却器14和所述第五阀门6之间的管路上还设置有氢气回收管路，所述氢气回收管路上设置有第二阀门17。氢气回收管路可以外连氢气储罐，以对氢气进行储存，通过控制第二阀门的开合可以实现氢气输出速度的调节，第一阀门的开度和第二阀门开度的相互配合可以保持电解槽内的压力平衡。

如图2所示，一种电解水制氢系统自动氮气置换方法，应用于上述的电解水制氢系统自动氮气置换装置，包括如下步骤：

S1、控制第三阀门2、第四阀门5和第五阀门6关闭以及第一阀门16和第二阀门17打开以进行泄压；具体地，泄压过程中，所述第一阀门16保持预定开度，所述第二阀门17的开度根据第一液位传感器9和第二液位传感器11检测值的差值进行调节，本实施例中，第一阀门16保持阀门开度的50-100％，优选地，第一阀门的开度全开，可以高效率的进行产氧，第二阀门的开度根据第一液位传感器和第二液位传感器检测值的差值采用PID的方式进行调节，从而保证泄压过程中电解系统的压力平衡，避免单侧压力失衡，氢氧在电解槽混合造成的安全隐患。

S2、监测压力传感器10的压力数据，在所述压力数据小于第一预设压力值时，关闭第一阀门16和第二阀门17；本实施例中，第一预设压力值为0.1-0.3MPa，优选地，第一预设压力值为0.1MPa，从而可以保证制氢系统内的气体最大程度的泄出，为后续的氮气置换提供良好的工作环境。

S3、控制第一阀门16、第二阀门17和第三阀门2关闭以及第四阀门5和第五阀门6打开以进行充装氮气；氮气通过第一循环回路和第二循环回路同时通入制氢系统内，加快制氢系统的氮气置换速度。

S4、监测所述压力传感器10的压力数据，在所述压力数据大于第二预设压力值时，关闭第四阀门5和第五阀门6并保持预定时间；本实施例中，第二预设压力值为0.5-1.0MPa，优选地，第二预设压力值为1.0MPa，从而保证制氢系统内的充分通入氮气，对制氢系统内的气体进行彻底置换。预定时间为10s-10min，本实施例中，优选地，预定时间为1min，氮气在预定时间内充分与制氢系统内残留气体进行混合，在不影响混合效果前提下，提高氮气置换效率。

S5、重复上述S1-S4步骤预定次数；预定次数为3-5次，本实施例中，优选地，预定次数为5次，充分对制氢系统进行氮气置换，通过多次的氮气置换使得制氢系统内氮气浓度保持较高程度，保证制氢安全。

S6、关闭第一阀门16、第二阀门17、第三阀门2、第四阀门5和第五阀门6以进行保压。所有阀门关闭，保持制氢系统氮气充满的状态进行保压，安全可靠。

具体地操作过程如下，在收到置换指令后分3步操作：泄压、重复充放氮气、充装氮气保压；泄压时，第三阀门、第四阀门和第五阀门关闭，第一阀门保持固定开度，第二阀门打开并根据第一液位传感器和第二液位传感器检测值的差值(一般为0-5cm)采用PID方式调节开度，压力传感器检测值低于第一预设压力值后，第一阀门和第二阀门关闭。充装氮气时，第一阀门、第二阀门和第三阀门关闭，第四阀门和第五阀门打开，并根据第一液位传感器和第二液位传感器检测值的差值(一般为0-5cm)调节开度，压力传感器检测值高于第二预设压力值后，第四阀门和第五阀门关闭，保持设定时间。充装氮气次数未达到设定次数，重复泄压-充装氮气操作；直到充装氮气次数达到设定次数，所有阀门关闭，进入保压状态。

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 (3)

1.一种电解水制氢系统自动氮气置换装置，其特征在于，包括通过管路依次首尾连接的电解槽、第三阀门和氧分离器形成的第一循环回路，还包括氢分离器，所述氢分离器通过管路与所述第三阀门和所述电解槽依次首尾连接形成第二循环回路，所述氧分离器和所述氢分离器通过管路相互连接，且所述氧分离器和所述氢分离器连接的管路上依次设置有第四阀门和第五阀门，所述第四阀门和所述第五阀门之间管路上外连有氮气储罐，

所述氧分离器上设置有第一液位传感器和压力传感器，所述第一液位传感器用于对所述氧分离器内的液位进行监测，所述压力传感器用于对所述氧分离器内的压力进行监测，

所述氢分离器上设置有第二液位传感器，所述第二液位传感器用于对所述氢分离器内的液位进行监测，

还包括第一洗涤冷却器，所述第一洗涤冷却器设置在所述氧分离器和所述第四阀门之间的管路上，所述第一洗涤冷却器通过第一外置管路和所述氧分离器连接形成第三循环回路，

还包括第二洗涤冷却器，所述第二洗涤冷却器设置在所述氢分离器和所述第五阀门之间的管路上，所述第二洗涤冷却器通过第二外置管路和所述氢分离器连接形成第四循环回路，

所述第一洗涤冷却器和所述第四阀门之间的管路上还设置有氧气回收管路，所述氧气回收管路上设置有第一阀门，所述第二洗涤冷却器和所述第五阀门之间的管路上还设置有氢气回收管路，所述氢气回收管路上设置有第二阀门。

2.如权利要求1所述的电解水制氢系统自动氮气置换装置，其特征在于，所述电解槽和所述第三阀门之间的管路上设置有循环泵。

3.一种电解水制氢系统自动氮气置换方法，应用于上述权利要求1或2任一项所述的电解水制氢系统自动氮气置换装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1、控制第三阀门、第四阀门和第五阀门关闭以及第一阀门和第二阀门打开以进行泄压，所述第一阀门和第二阀门打开以进行泄压具体包括：所述第一阀门保持预定开度，所述第二阀门的开度根据第一液位传感器和第二液位传感器检测值的差值进行调节；

S2、监测压力传感器的压力数据，在所述压力数据小于第一预设压力值时，关闭第一阀门和第二阀门；

S3、控制第一阀门、第二阀门和第三阀门关闭以及第四阀门和第五阀门打开以进行充装氮气；

S4、监测所述压力传感器的压力数据，在所述压力数据大于第二预设压力值时，关闭第四阀门和第五阀门并保持预定时间；

S5、重复上述S1-S4步骤预定次数；

S6、关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门以进行保压。