CN114808029A - 一种碱性电解水制氢的热管理调节系统及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电解制氢相关技术领域，其公开了一种碱性电解水制氢的热管理调节系统及其调节方法，系统包括碱性电解水制氢子系统以及吸收式热泵子系统，吸收式热泵子系统包括发生器和蒸发器；碱性电解水制氢子系统包括电解槽、回热换热器以及气液分离装置，电解槽的氢气输出支路和氧气输出支路分别经发生器和蒸发器换热后输入回热换热器换热，回热换热器换热后输入气液分离装置进行气液分离，气液分离装置的液体输出管路分为第一支路和第二支路，第一支路穿过回热换热器，第一支路换热后与第二支路汇合，汇合后输入电解槽。本申请可以实现电解槽输出低品位能的利用，同时实现对电解槽输入碱液的加热，进而无需外部热源即可维持电解槽的正常工作温度。

Description

一种碱性电解水制氢的热管理调节系统及其调节方法

技术领域

本发明属于碱性电解水制氢相关技术领域，更具体地，涉及一种碱性电解水制氢的热管理调节系统及其调节方法。

背景技术

近年来，可再生能源发电技术展现了巨大的发展潜力，利用富余电力进行电解制氢的方法成为了降低电解制氢能耗、提升发电综合利用率的重要途径，由于可再生能源的间歇性与随机性，其发电功率往往具有大幅度的波动性。对于当前市场上最为经济成熟的碱性电解水制氢技术而言，其电解过程的制氢效率可达到60％～75％，其中，仍有近30％的电能转化为热能。电解槽工作温度一般在80～90℃之间，但在低发电功率运行期间，电解功率只有正常运行的20％或更低，电解槽对外散热量大于电解产热量，槽温明显下降，此时电解槽运行温度无法达到电解反应最适工作温区，引起水电解反应速率下降、电解效率降低，这一特性一定程度上限制了可再生能源发电耦合碱性电解水制氢这一技术的发展空间。

中国专利CN113137783A公开了一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统及方法，其公开了一种利用吸收式热泵分别回收电解产品气及电解溶液余热的方法，可以实现对碱性电解槽的余热回收；中国专利CN215062987和CN113137783公开了一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统，但其调节能力差，不能根据负荷变动进行适应性调控；中国专利CN213295524公开了一种制氢装置循环水综合热处理系统，其公开了一种结合电解槽、储热池、锅炉系统及采暖设备的综合热处理系统，其储热池可回收电解槽废热及对制氢装置的保温。目前针对碱性电解水制氢反应过程的产热管理，以及低电功率运行下电解槽的温度调节问题的科学研究依然较少，碱性电解水制氢技术的装置运行稳定性、能源综合利用效率有所受限，相关综合热管理方法尚待探索。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种碱性电解水制氢的热管理调节系统及其调节方法，可以实现电解槽输出低品位能的利用，同时实现对电解槽输入碱液的加热，进而无需外部热源即可维持电解槽的正常工作温度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种碱性电解水制氢的热管理调节系统，所述系统包括碱性电解水制氢子系统以及吸收式热泵子系统，其中：所述吸收式热泵子系统包括发生器和蒸发器；所述碱性电解水制氢子系统包括电解槽、回热换热器以及气液分离装置，所述电解槽的氢气输出支路和氧气输出支路分别经所述发生器和蒸发器换热后输入所述回热换热器换热，回热换热器换热后的氢气输出支路和氧气输出支路输入所述气液分离装置进行气液分离，所述气液分离装置的液体输出管路分为第一支路和第二支路，第一支路穿过所述回热换热器以与其内的氢气输出支路和氧气输出支路换热，第一支路换热后与第二支路汇合，汇合后输入所述电解槽，所述第一支路和第二支路上均设有流量调节阀。

优选地，所述碱性电解水制氢子系统还包括冷风机，所述冷风机设于所述回热换热器上游，所述氢气输出支路和氧气输出支路分别经所述发生器和蒸发器换热后输入所述冷风机，经所述冷风机冷却后的氢气输出支路和氧气输出支路输入所述回热换热器。

优选地，所述吸收式热泵子系统还包括吸收器，所述吸收器设于所述蒸发器的下游，制冷剂在所述蒸发器内吸热后流入所述吸收器放热。

优选地，所述发生器和蒸发器之间设有冷凝器，所述发生器输出的气体经所述冷凝器冷凝后输入所述蒸发器。

优选地，所述蒸发器和吸收器侧的运行压力高于所述冷凝器和发生器侧的运行压力。

优选地，所述吸收式热泵子系统还包括溶液热交换器，所述溶液热交换器设于所述吸收器和发生器之间，以使所述吸收器输出的制冷剂的稀溶液在输入发生器之前与所述发生器输出的制冷剂的浓溶液进行换热，换热后的制冷剂的浓溶液输入所述吸收器。

优选地，所述制冷剂的稀溶液管路上设有节流阀，所述制冷剂的浓溶液管路上设有溶液泵。

优选地，所述吸收式热泵子系统为第二类增温型热泵系统。

优选地，所述氢气输出支路在所述发生器内换热，所述氧气输出支路在所述蒸发器内换热；或者，所述氢气输出支路在所述蒸发器内换热，所述氧气输出支路在所述发生器内换热。

本申请再一方面提供了一种碱性电解水制氢的热管理调节系统的调节方法，所述方法包括：当所述电解槽的电解功率充足时，关闭所述第一支路上的流量调节阀，打开所述第二支路上的流量调节阀；当所述电解槽的电解功率不足时，打开所述第一支路上的流量调节阀，关闭或打开所述第二支路上的流量调节阀，并控制所述第一支路上流量调节阀和第二支路上的流量调节阀的开度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的碱性电解水制氢的热管理调节系统及其调节方法具有如下有益效果：

1.本申请电解槽的氢气输出支路和氧气输出支路在发生器和蒸发器中换热，进而使得电解槽输出的低品位能被有效利用，同时回热换热器中循环回的碱液被氢气输出支路和氧气输出支路换热，实现了对碱液的预热，进而可以维持电解槽的正常工作温度，显著提高了系统的工作温度稳定性和能源利用效率。

2.电解槽输出的低品位能经过发生器和蒸发器后在吸收器内转化为高品位热能，便于后续能量的利用。

3.氢气输出支路和氧气输出支路中的气液混合物先后进入冷风机、回热换热器中进一步冷却，到达气液分离器后因其温度降低，液体雾化程度低，更利于气液分离，节省了气液分离器的冷却程序及相应工艺制作成本。

4.第一支路和第二支路上的流量调节阀开度的控制，可以控制回热换热器中气液混合物的流通情况，进而可以控制其与回流碱液的换热量，从而调节电解槽入口回流碱液的温度，保持电解槽相对稳定的设定反应温度，实现不同负荷运行的稳定性要求。

附图说明

图1是本申请实施例碱性电解水制氢的热管理调节系统的结构示意图；

图2是本申请实施例碱性电解水制氢的热管理调节系统的电解槽在正常负荷下的结构示意图；

图3是本申请实施例碱性电解水制氢的热管理调节系统的电解槽在低负荷下的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

101-电解槽；102-冷风机；103-回热换热器；104，105-气液分离装置；106-第一流量调节阀；107-第二流量调节阀；108-碱液循环泵；201-蒸发器；202-发生器；203-吸收器；204-溶液热交换器；205-溶液泵；206-节流阀；207-冷凝器；208-溶剂泵；301-热用户。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明提供了一种碱性电解水制氢的热管理调节系统，所述系统包括电解水制氢子系统和吸收式热泵子系统，两子系统的结构如下。

所述吸收式热泵子系统包括发生器202和蒸发器201。发生器202包括一个进口和两个出口，其中，进口用于输入制冷剂的稀溶液，两个出口中一个出口用于输出制冷剂的浓溶液，另一个出口用于输出制冷剂气体，该发生器202内部还设有换热管，换热管用于输入热流体，以加热所述制冷剂的稀溶液进而使得部分制冷剂蒸发变成气体。蒸发器201的入口与所述发生器202的出口连接，发生器202出口的气体输入所述蒸发器201中，所述蒸发器201中设有换热管，换热管用于输入热流体，以加热制冷剂。所述发生器202和蒸发器201之间设有冷凝器207，所述发生器202输出的气体经所述冷凝器207冷凝后输入所述蒸发器201。为了保证流体的顺利流通，冷凝器207和蒸发器201之间还设有溶剂泵208，以驱动冷凝器207中的流体向蒸发器201内传输。

所述吸收式热泵子系统还包括吸收器203，所述吸收器203设于所述蒸发器201的下游，制冷剂在所述蒸发器201内吸热后流入所述吸收器203放热。吸收器203放出的热量可以对外供给热用户301。吸收器203包括两个进口一个出口，其中一进口与所述蒸发器201连接，另一进口与所述发生器202的浓溶液出口连接，吸收器203的出口与所述发生器的稀溶液进口连接，进而在吸收器203中来自蒸发器的制冷剂与来自发生器202的浓溶液混合得到稀溶液，稀溶液再次循环至发生器202。

在进一步优选的方案中，所述吸收器203和发生器202之间还设有溶液热交换器204。所述稀溶液和浓溶液在所述溶液热交换器204中换热后再输入所属发生器202和吸收器203。进一步优选的，在浓溶液输运管路上还设有溶液泵205，以保证浓溶液的顺利输运。进一步优选的，在稀溶液的输运管路上还设有节流阀206。

所述吸收式热泵子系统属于第二类增温型热泵，其中，蒸发器201和吸收器203侧运行压力高于冷凝器207和发生器202侧运行压力。吸收式热泵子系统运行期间，冷凝器207以外部冷源作为低温热源，对冷凝器207内制冷剂进行冷凝，可回收余热源作为高温驱动热源进入蒸发器和发生器中与溶液和溶剂进行换热，蒸发器201内高压制冷剂吸热蒸发形成蒸气，发生器202内稀溶液吸热部分蒸发形成蒸气和浓溶液，经过溶液循环的吸收器203内高压浓溶液吸收制冷剂并放出高于余热源温度的热能，可对外供给相关热用户301。

电解水制氢子系统包括电解槽101、回热换热器103和气液分离器装置104，105。电解槽101内的工作溶液优选为KOH或NaOH溶液。所述电解槽101内设有多个反应小室，生成的氢气和氧气可分别随碱液流出电解槽101，电解槽101出口流路分成两侧，分别为氢气输出支路①和氧气输出支路②，所述氢气输出支路①和氧气输出支路②在所述发生器202和蒸发器201内的换热管换热后输入所述回热换热器换热103。例如，氢气输出支路①在蒸发器201内换热，氧气输出支路②在发生器202内换热，或者氢气输出支路①在发生器202内换热，氧气输出支路②在蒸发器201内换热。所述氢气输出支路①和氧气输出支路②在所述回热换热器换热103内换热后分别输入气液分离器装置104，105中进行气液分离，获得氢气和氧气，分离出的液体再次循环回电解槽101。

进一步优选的方案中，所述气液分离装置104，105的液体输出管路分为第一支路和第二支路，第一支路穿过所述回热换热器103以与其内的氢气输出支路和氧气输出支路换热，第一支路换热后与第二支路汇合，汇合后输入所述电解槽101。所述第一支路和第二支路上分别设有第一流量调节阀106和第二流量调节阀107，以控制第一支路和第二支路的开闭和开度。第一支路和第二支路汇合后的管路上还设有碱液循环泵108。

进一步优选的方案中，所述碱性电解水制氢子系统还包括冷风机102，所述冷风机102设于所述回热换热器103上游，所述氢气输出支路①和氧气输出支路②分别经所述发生器202和蒸发器201换热后输入所述冷风机102，经所述冷风机102冷却后的氢气输出支路①和氧气输出支路②输入所述回热换热器103。

所述第一流量调节阀106和第二流量调节阀107时控制碱性电解水制氢子系统中回流碱液是否流通的调节阀，所述冷风机102可通过功率调节对碱性电解水制氢子系统的较高气液混合物进行不同程度的冷却，所述回热换热器103可使较高温气液混合物与回流碱液进行换热。

本申请中碱性电解水制氢的热管理调节系统的运行和调节控制步骤如下。

如图2所示，当电解功率充足，电解槽101处于正常负荷工作期间，电解槽101电解生成氢气和氧气，分别随碱液流出电解槽101形成氢气侧气液混合物和氧气侧气液混合物，分别通过氢气输出支路①和氧气输出支路②进行输运，本实施例中电解槽101的设定工作温度为85±5℃，此时电解反应部分电能转化为热能，电解槽101需要对外散热以维持槽温稳定。氢气输出支路①中，氢气侧气液混合物作为驱动热源进入蒸发器201换热管中冷却，其温度降至68℃左右，随后经过一定功率的冷风机102后进一步降温至58℃左右，调节所述回热换热器103为旁通模式，即关闭第一流量调节阀106打开第二流量调节阀107此时氢气侧气液混合物经过所述回热换热器时基本不发生热交换，进而进入气液分离装置105中进行气液分离，下部出口流出回流碱液，温度为56℃左右。氧气输出支路②的原理与氢气输出支路①的原理类似。氧气侧气液混合物作为驱动热源进入发生器202换热管中冷却，其温度降至68℃左右，随后经过一定功率的冷风机102后进一步降温至58℃左右，调节所述回热换热器103为旁通模式，即关闭第一流量调节阀106打开第二流量调节阀107此时氧气侧气液混合物经过所述回热换热器时基本不发生热交换，进而进入气液分离装置104中进行气液分离，下部出口流出回流碱液，温度为56℃左右。气液分离装置105和气液分离装置104的出口回流碱液汇合成一路，回流碱液经打开的第二流量调节阀107基本不发生热交换，温度维持在55℃左右，随后经碱液循环泵108泵入电解槽101内参与电解反应。

吸收式热泵机组正常运行，考虑设备中传热管的换热温差条件，在电解槽正常负荷工作期间，热泵的蒸发器201的蒸发温度维持在65℃左右，发生器202的发生温度维持在65℃左右，冷凝器207内制冷剂蒸气对低温热源放热，最终冷凝形成液体，冷凝温度为23℃左右，吸收器203内浓溶液经过吸收作用后，释放高于余热源温度的热能，可供给相关热用户301，其吸收温度维持在108℃左右。

当电解功率低下时，电解槽101处于低负荷工作时期，如图3所示，维持电解槽101工作温度为85±5℃，电功率远低于正常值，则导致电解槽101反应产热大幅降低，在电解槽101对环境热散失基本不变的条件下为维持槽温稳定，需适当提高电解槽101入口回流碱液的温度。电解槽101生成氢气和氧气分别随碱液流出电解槽101，形成氢气侧气液混合物和氧气侧气液混合物，分别通过氢气输出支路①和氧气输出支路②进行输运。氢气输出支路①中，氢气侧气液混合物作为驱动热源进入蒸发器201换热管中冷却，其温度降至75℃左右，冷风机102停机，不对气液混合物进行冷却，调节回热换热器103为回热模式，即打开第一流量调节阀106，关闭第二流量调节阀107，氢气侧气液混合物经回热换热器103时与另一端的回流碱液发生热交换，温度进一步冷却至64℃左右，随后进入气液分离装置105中发生气液分离，下部出口流出回流碱液，温度为60℃左右。氧气输出支路②的原理与氢气输出支路①的类似，氧气输出支路②中氧气侧气液混合物作为驱动热源进入发生器202换热管中冷却，器温度降至75℃左右，经冷风机102时基本不发生热交换，此时第一流量调节阀106打开，第二流量调节阀107关闭，氧气侧气液混合物经过回热换热器103时与另一端的回流碱液发生热交换，温度冷却至64℃左右，随后进入气液分离装置104中发生气液分离，下部出口流出回流碱液，温度为60℃左右。气液分离装置104和气液分离装置105的出口回流碱液汇合成一路，回流碱液经打开的第一流量调节阀106进入回热换热器103中，与较高温度的氢气侧气液混合物和氧气侧气液混合物发生热交换，温度上升至68℃左右，随后经碱液循环泵108泵入电解槽101内参与电解反应。

调节吸收式热泵机组运行工况，考虑设备中传热管的换热温差条件，在电解槽低负荷工作期间，热泵的蒸发器201的蒸发温度维持在72℃左右，发生器202的发生温度维持在72℃左右，冷凝器207内制冷剂蒸气对低温热源放热，最终冷凝形成液体，冷凝温度为23℃左右，吸收器203内浓溶液经过吸收作用后，释放高于余热源温度的热能，可供给相关热用户301，其吸收温度维持在118℃左右。

上述具体实施例调节过程中，吸收式热泵机组运行期间实现制氢余热回收，并获得了更高品位的热能，可供给相应热用户301使用；随着电解功率的波动，适应性地调节吸收式热泵机组的运行工况及状态参数，调节第一流量调节阀106、第二流量调节阀107的开度，控制回热换热器103内回流碱液的流通情况，从而调整回热换热器103内换热量，调节电解槽101入口回流碱液的温度，维持电解槽101反应过程温度的相对稳定，提高了碱性电解水制氢系统的热管理优化性能，提高了系统的综合能源利用效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种碱性电解水制氢的热管理调节系统，其特征在于，所述系统包括碱性电解水制氢子系统以及吸收式热泵子系统，其中：

所述吸收式热泵子系统包括发生器和蒸发器；

所述碱性电解水制氢子系统包括电解槽、回热换热器以及气液分离装置，所述电解槽的氢气输出支路和氧气输出支路分别经所述发生器和蒸发器换热后输入所述回热换热器换热，回热换热器换热后的氢气输出支路和氧气输出支路输入所述气液分离装置进行气液分离，所述气液分离装置的液体输出管路分为第一支路和第二支路，第一支路穿过所述回热换热器以与其内的氢气输出支路和氧气输出支路换热，第一支路换热后与第二支路汇合，汇合后输入所述电解槽，所述第一支路和第二支路上均设有流量调节阀。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述碱性电解水制氢子系统还包括冷风机，所述冷风机设于所述回热换热器上游，所述氢气输出支路和氧气输出支路分别经所述发生器和蒸发器换热后输入所述冷风机，经所述冷风机冷却后的氢气输出支路和氧气输出支路输入所述回热换热器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述吸收式热泵子系统还包括吸收器，所述吸收器设于所述蒸发器的下游，制冷剂在所述蒸发器内吸热后流入所述吸收器放热。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述发生器和蒸发器之间设有冷凝器，所述发生器输出的气体经所述冷凝器冷凝后输入所述蒸发器。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述蒸发器和吸收器侧的运行压力高于所述冷凝器和发生器侧的运行压力。

6.根据权利要求3～5任意一项所述的系统，其特征在于，所述吸收式热泵子系统还包括溶液热交换器，所述溶液热交换器设于所述吸收器和发生器之间，以使所述吸收器输出的制冷剂的稀溶液在输入发生器之前与所述发生器输出的制冷剂的浓溶液进行换热，换热后的制冷剂的浓溶液输入所述吸收器。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述吸收式热泵子系统为第二类增温型热泵系统。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述氢气输出支路在所述发生器内换热，所述氧气输出支路在所述蒸发器内换热；或者，所述氢气输出支路在所述蒸发器内换热，所述氧气输出支路在所述发生器内换热。

9.一种权利要求1～8任意一项所述的碱性电解水制氢的热管理调节系统的调节方法，其特征在于，所述方法包括：

当所述电解槽的电解功率充足时，关闭所述第一支路上的流量调节阀，打开所述第二支路上的流量调节阀；

当所述电解槽的电解功率不足时，打开所述第一支路上的流量调节阀，关闭或打开所述第二支路上的流量调节阀，并控制所述第一支路上流量调节阀和第二支路上的流量调节阀的开度。

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