CN114855195B - 一种自平衡自控的高纯干氢气制备系统 - Google Patents

Abstract

一种自平衡自控的高纯干氢气制备系统，包括：利用电能电解水蒸气制备氢气的电堆；向电堆供应包含水蒸气和空气的混合气的物料供应模块；将电堆排出的氢气中的一部分返送至电堆的扫气模块；对物料供应模块、扫气模块和电堆进行热管理的热管理模块；在检测到泄漏时，停止电堆的工作并向电堆供应安全气体的安全保障模块；用于供电的外部电源；以及控制模块；控制模块以维持电堆在规定的工作温度区间内工作的形式控制物料供应模块、扫气模块和热管理模块循环利用电堆排出的多种气体以及多种气体所携带的热量。

Description

一种自平衡自控的高纯干氢气制备系统

技术领域

本发明属于制氢技术领域，具体涉及一种自平衡自控的高纯干氢气制备系统。

背景技术

氢气是一种重要的二次能源，由于具有来源多样、环保、可存储等特性而备受关注。随着我国能源结构的多元化调整，燃料电池和加氢站技术的突破，市场对氢气的需求将大幅增长。目前我国90%以上的氢气来源于碳氢化合物和煤化工，生产过程中有大量的二氧化碳排放。

利用风能或太阳能等过剩电力高温电解水蒸气制取“绿氢”是一项低污染、高效率的技术。高温电解水蒸汽制氢技术的核心是高温电解水制氢池，这是一种在高温下将水蒸气电解制造氢气的电化学装置，一般由空气电极、电解质和氢电极组成。按照其电解质的导电类型，可分为质子导电型和氧离子导电型。高温质子导体材料被Iwahara等报道用于电解水制氢，但质子导体型高温电解池长期以来受制于材料的稳定性等而未能进入实用化阶段，随着近年来新型材料的开发和材料稳定性的提高，质子导体型高温电解池的技术发展日新月异，其中Ba基钙钛矿氧化物材料表现了较好的综合性能而被广泛研究。

然而，目前尚未有基于质子导体型电堆的制氢系统，且现有的制氢系统也无法实现实现系统的高能量效率。

发明内容

发明要解决的问题：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种可制得高纯干氢气且能耗较低、能量利用率高的自平衡自控的高纯干氢气制备系统。

解决问题的技术手段：

为解决上述问题，本发明提供一种自平衡自控的高纯干氢气制备系统，包括：利用电能电解水蒸气制备氢气的电堆；向所述电堆供应包含水蒸气和空气的混合气的物料供应模块；将所述电堆排出的氢气中的一部分返送至所述电堆的扫气模块；对所述物料供应模块、所述扫气模块和所述电堆进行热管理的热管理模块；在检测到泄漏时，停止所述电堆的工作并向所述电堆供应安全气体的安全保障模块；用于供电的外部电源；以及控制模块；所述控制模块以维持所述电堆在规定的工作温度区间内工作的形式控制所述物料供应模块、所述扫气模块和所述热管理模块循环利用所述电堆排出的多种气体以及所述多种气体所携带的热量。

也可以是，本发明中，所述电堆包括多个电解池、向所述多个电解池分配氢气的分配器以及从所述多个电解池收集氢气的集流器；所述多个电解池是形成为管状的质子导体型的电解池，包括位于外侧的空气电极、位于内侧的氢电极以及位于所述空气电极和所述氢电极之间的由质子导体材料构成的电解质；所述电堆还包括将电流引入的一对耐高温的导线。根据该结构，可以通过由多个质子导体型的电解池构成的电堆高效稳定地制取高纯干氢气，制备的氢气无需进一步处理。

也可以是，本发明中，所述扫气模块包括：从所述电堆排出氢气的氢气排出管路；向所述电堆供给氢气的氢气循环管路；以及使所述氢气循环管路中的氢气和所述氢气排出管路中的氢气进行热交换的氢气换热器；所述氢气排出管路上在比所述氢气换热器靠近下游侧处设置有氢气出口压力传感器；所述氢气循环管路和所述氢气排出管路通过氢循环泵连接，将所述氢气循环管路中的一部分氢气分流至所述氢气排出管路。由此，能将电堆生成的高温的氢气循环使用，可以将利用电堆排出的高温氢气来加热向电堆供给的低温氢气，实现热量的再利用。

也可以是，本发明中，所述氢气循环管路在所述氢气换热器的上游侧处设置有氢气电磁阀、氢气进口压力传感器和氢气质量流量控制器；所述控制模块基于所述氢气进口压力传感器和所述氢气质量流量控制器的检测值控制所述氢循环泵和所述氢气电磁阀，调节从所述氢气循环管路分流至所述氢气排出管路的氢气流量。

也可以是，本发明中，所述安全保障模块包括：氢气传感报警器；设置有安全气体电磁阀、安全气体压力传感器和安全气体质量流量控制器的安全气体管路；以及连接所述安全气体管路与所述氢气循环管路通过三通调节阀；所述安全保障模块根据所述氢气进口压力传感器和所述氢气出口压力传感器的检测值判断是否出现氢气泄漏，在判断出现泄漏时，切断所述外部电源，控制所述三通调节阀阻断所述氢气循环管路且开启所述安全气体管路；所述安全气体为氮气或惰性气体。由此能够检测零部件和电堆可能发生的氢泄漏并及时响应，确保人机安全，以防事故发生。

也可以是，本发明中，所述物料供应模块包括：空气换热器；设置有鼓风机，向所述空气换热器供给空气的空气供应管路；设置有水泵，向所述空气换热器供给水的水供应管路；向所述空气换热器供给水蒸气的水蒸气供应管路；将混合气从所述空气换热器送至所述电堆的混合气管路；与所述空气换热器连接，从所述电堆排出湿尾气的高温湿尾气管路；以及从所述空气换热器排出热交换后的低温湿尾气的低温湿尾气管路；所述低温湿尾气管路在比所述空气换热器靠近下游侧处设置有湿尾气循环泵且分叉出湿尾气循环管路；所述空气、所述水与所述水蒸气在所述空气换热器中与所述湿尾气循环管路中的湿尾气进行热交换后升温混合成所述混合气。

也可以是，本发明中，所述湿尾气循环管路上设置有用于分析气体成分的氧浓度传感器和湿含量传感器；所述湿尾气管路上在所述湿尾气循环泵与所述空气交换器之间设置有湿尾气出口压力传感器；所述空气供应管路上还设置有空气进口压力传感器；所述控制模块如下控制：根据所述湿含量传感器的检测值控制所述湿尾气循环泵的功率，将一部分湿尾气返送至所述空气换热器；根据所述湿尾气循环管路中的所述氧浓度传感器的检测值与空气中氧含量值进行比较，控制所述鼓风机的功率，在所述氧浓度传感器的检测值较高时降低所述鼓风机的功率，在所述氧浓度传感器的检测值较低时增加所述鼓风机的功率。

也可以是，本发明中，所述空气换热器还在下部形成有储存由热交换产生的冷凝水的冷凝水存储区，所述冷凝水存储区通过冷凝水管路连接所述水泵；所述冷凝水存储区上设置有用于监控所述冷凝水的液面高度的液面传感器；所述控制模块根据所述液面传感器的检测值将所述冷凝水中的至少一部分返送至所述水泵循环使用。

也可以是，本发明中，所述控制模块根据所述电堆需要的湿含量与所述湿尾气循环管路中的湿含量及所述水蒸气供应管路中的湿含量的差值调节所述水泵供给的水流量；所述水为去离子水。

也可以是，本发明中，所述水蒸气供应管路上还设置有用于检测和控制水蒸气的流量的水蒸气流量控制器；所述控制模块根据所述电堆需要的湿含量与所述湿尾气循环管路中的湿含量及所述水泵供给的水在所述空气换热器中蒸发得到的湿含量的差值，通过控制所述水蒸气流量控制器来调节所述水蒸气供应管路中的湿含量。

根据上述结构，能够循环利用电堆空气侧的水蒸气，并根据循环的量，降低输入侧的水蒸气和水的量，达到水和水蒸气的自平衡自控，实现物料的高度循环利用，并降低系统的能量消耗。

也可以是，本发明中，所述热管理系统包括：设置于所述混合气管路上的热平衡加热器；对所述氢气换热器、所述空气换热器和所述热平衡加热器进行保温的热平衡保温箱；对所述电堆进行保温的电堆保温箱；以及温度传感器；所述控制模块根据所述外部电源对所述电堆输出的功率，以确保所述电堆在规定的温度区间内工作的形式控制所述热平衡加热器对所述混合气进行加热。由此能对氢气制备系统进行热管理，节省氢气制备系统的能量消耗。

也可以是，本发明中，所述电堆的工作温度区间为200～800℃。

也可以是，本发明中，所述热平衡保温箱与所述电堆保温箱是内侧设有保温层且气密性良好的箱体。

发明效果：

本发明能高效、稳定的规模化制取高纯干氢气，且能通过水热管理和安全保障管理实现能量能耗低、物料利用率高的自平衡自控的氢气制备。

附图说明

图1是根据本发明一实施形态的自平衡自控的高纯干氢气制备系统的示意图；

图2是图1所示高纯干氢气制备系统中的电解堆的结构示意图；

图3是图1所示高纯干氢气制备系统中的电堆保温箱的接口界面示意图；

符号说明：

100、氢气制备系统；1、氢气电磁阀；1’、氮气电磁阀（安全气体电磁阀）；2、氢气进口压力传感器；2’、安全气体压力传感器；2’’、空气进口压力传感器；3、氢气质量流量控制器；3’、安全气体质量流量控制器；4、鼓风机；5、水泵；6、水蒸气流量控制器；7、湿尾气循环泵；8、空气换热器；9、氢气换热器；10、热平衡加热器；11、热平衡保温箱；12、电堆；13、电堆保温箱；14、氢气传感报警器（传感报警器）；15、氧浓度传感器；16、湿含量传感器；17、控制模块；18、外部电源；19、室温氢气输入管路（氢气循环管路）；19’、安全气体管路；20、高温氢气输入管路（氢气循环管路）；21、高温氢气排出管路（氢气排出管路）；22、低温氢气排出管路（氢气排出管路）；23、氢气出口压力传感器；23’、湿尾气出口压力传感器24、氢循环泵；25、成品氢气排出口；26、空气供应管路；27、水供应管路；28、水蒸气供应管路；29、湿尾气循环管路；30、混合气管路；31、高温湿尾气管路；32、低温湿尾气管路；121、电解池；122、分配器；1221、电堆氢气入口；123、集流器；1231、电堆氢气出口；124、正极引线；125、负极引线；A、混合气流动方向；131、不锈钢壳体；132、保温材料；133、电堆氢气入口接口；134、电堆氢气出口接口；135、电堆混合气入口接口；136、电堆湿尾气出口接口；137、正极引线端子；138、负极引线端子。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在此公开一种可制得高纯干氢气且能耗较低、能量利用率高的自平衡自控的高纯干氢气制备系统（以下简称“氢气制备系统”）。图1是根据本发明一实施形态的氢气制备系统100的示意图。

本发明的氢气制备系统100可实现高效、稳定的规模化制取高纯干氢气，且能利用电堆排出的尾气以及尾气携带的热量进行自动控制，实现热平衡，提高系统的能量效率。如图1所示，高纯干氢气制备系统100包括电堆12、物料供应模块、扫气模块、热管理模块、安全保障模块、控制模块17以及外部电源18。

[电堆]

电堆12是氢气制备系统100的核心元件，主要利用电能电解水蒸气制备氢气。图2是电解堆12的结构示意图。如图2所示，本实施形态中，电堆12是质子导体型的电解堆，包括多个电解池121、分配器122以及集流器123。

电解池121是质子导体型的电解池，形成为大致中空管状，包括位于内侧的氢电极、位于外侧的空气电极以及位于氢电极和空气电极之间的电解质。电解池121的组成基于BaCe_1-x-yZr_xM_yO₃（简称BCZM）质子导体材料，其中x的范围可以是0≤x≤0.9，y的范围可以是0≤y≤0.2，且0≤x+y≤1，M=Y、In、Yb等元素。本实施形态中，电解质可以由BCZY材料组成（即M为Y元素），空气电极由LSC（钴酸锶镧）、LSM（锰酸锶镧）或LSN（镍酸锶镧）等材料与BCZY材料的复合氧化物，氢气电极为Ni和BCZY材料的复合氧化物。根据质子导体材料的种类，电堆12的工作温度区间可覆盖200～800℃，更优选的工作温度区间为550～700℃。

分配器122主要用于向多个电解池121分配氢气。分配器122上形成有电堆氢气入口1221和与电解池121对应且连通的多个分流口。集流器123主要用于从多个电解池121收集氢气。集流器123上形成有电堆氢气出口1231和与电解池121对应且连通的多个集流口。此外，在电堆12上还连接有正极引线124及负极引线125。正极引线124连接于电解池121的空气电极侧，负极引线125连接电解池121的氢电极侧，它们主要用于将外部电源18的电流引入电堆12，对其通电进行电解。本实施形态中，正极引线124及负极引线125由耐高温的金属导线构成。

为电堆12提供电力的外部电源18可以是直流恒流电源，电力的来源既可以是电网，也可以是光伏、风电、生物质或者水电等分布式可再生电力。

在电堆12进行电解水制氢时，如图2所示，沿箭头A方向向多个电解池121的空气电极一侧通包含水蒸气和空气的混合气，且通过电堆氢气入口1221经由分配器122向多个电解池121的氢电极一侧供给氢气，外侧的混合气中的水在空气电极处失去电子后分解出质子，质子通过电解质传导至内侧的氢电极后，得到外部电路的电子并生成氢气后向电堆氢气出口1231排出，由此能制得的干纯氢气、无需额外处理。

电堆12与物料供应模块和扫气模块相连，对来自物料供应模块的混合气中的水蒸气进行电解，并在来自扫气模块的作为吹扫气体的氢气的带动下向后述高温氢气排出管路21排出制备得到的氢气。具体而言，水蒸气和空气混合后的混合气沿箭头A方向进入电解堆12接触位于外侧的空气电极，水电解后产生氧气和质子，质子经电解质传输后进入内侧的氢电极产生氢气。来自扫气模块的吹扫用氢气从电堆氢气入口1221经分配器122分配至每个电解池121的氢电极侧（管状的内部空间），将制备得到的氢气吹出，集流器123收集这些氢气并将它们与电堆12连接的作为氢气排出管路的后述高温氢气排出管路21。由于氢电极完全不接触水蒸气，因此通过电堆12能够制备出高纯度的干氢气。

[物料供应模块]

物料供应模块主要用于电堆12供应包含水蒸气和空气的混合气。如图1所示，物料供应模块包括：空气换热器8、空气供应管路26、水供应管路27、水蒸气供应管路28、从空气换热器8向电堆12供给混合气的混合气管路30、从电堆12排出湿尾气至空气换热器8的高温湿尾气管路31以及从空气换热器8排出热交换后的低温湿尾气的低温湿尾气管路32。

空气换热器8是采用板翅式等结构紧凑、压阻小的耐高温换热器，其以从电解堆12排出的高温湿尾气为热源对包含水蒸气和空气的混合气进行加热升温。

空气供应管路26与空气换热器8连接，主要用于从外部空气源供给空气。在该空气供给管路26上设置有由控制模块17控制的鼓风机4。

水供应管路27与空气换热器8连接，主要用于从外部水源供给水，该水源可以采用去离子水。在该水供应管路27上设置有由控制模块17控制的水泵5。

水蒸气供应管路28同样与空气换热器8连接，主要用于从外部蒸汽源供给水蒸气。在该水蒸气供应管路28上设置有由控制模块17控制的用于检测和控制水蒸气的流量的水蒸气流量控制器6。本实施形态中，水与水蒸气分别通过水供应管路27和水蒸气供应管路28独自输入空气换热器8，但也可以是将水供应管路27和水蒸气供应管路28合并为一条共通管路，水与水蒸气通过该共通管路同时进入氢气制备系统100。

上述空气供应管路26供给的空气、水供应管路27供给的去离子水和水蒸气供应管路28供给的水蒸气在空气换热器8中预混，与来自后述高温湿尾气管路31的高温湿尾气进行热交换后，去离子水完全蒸发为水蒸气，作为水蒸气与空气相混合的混合气供给至混合气管路30。在混合气管路30上设置有由控制模块17控制的热平衡加热器10，该热平衡加热器10用于对混合气进行再次升温。控制模块17根据电堆12的负载状态以及氢气制备系统100中各部件的温度状态决定是否启动该热平衡加热器10进行加热，具体内容后述。

升温后的混合气通过混合气管路30沿图2中箭头A方向进入电堆12，在电堆12中电解，形成湿含量（即水蒸气含量）较低的湿尾气排出至高温湿尾气管路31。该高温的湿尾气如上所述进入空气换热器8发生热交换，换热后产生冷凝水与低温的湿尾气，并向低温湿尾气管路32排出。本实施形态中，还如图1所示，在空气换热器8的下部形成有用于储存热交换后产生的冷凝水的冷凝水存储区。在该冷凝水存储区通过冷凝水管路连接水泵5，在空气换热器8上设置有未图示的液面传感器，液面传感器监控冷凝水的液面高度并在控制模块17的控制下与水泵5联动而将冷凝水通过水供应管路27再次循环供给至空气换热器8，由此能降低系统能耗。

本实施形态中，低温湿尾气管路32在比空气换热器8靠近下游侧处设置有湿尾气循环泵7，且从该湿尾气循环泵7分叉出湿尾气循环管路29。湿尾气循环管路29主要用于将低温湿尾气管路32中流动的湿尾气中的一部分返送至空气换热器8，该分流处的湿尾气也如图1所示，与上述空气供应管路26供给的空气、水供应管路27供给的去离子水和水蒸气供应管路28供给的水蒸气一起在空气换热器8中进行混合升温，由此能提高蒸气利用率，降低系统能耗。

在湿尾气循环管路29上设置有用于分析气体成分的氧浓度传感器15和湿含量传感器16，此外低温湿尾气管路32上在湿尾气循环泵7与空气交换器8之间设置有湿尾气出口压力传感器23’，在空气供给管路26上还设置有空气进口压力传感器2’’。由此，控制模块17可以根据湿尾气循环管路29中的气体流量和氧浓度传感器的检测值控制鼓风机4排出的空气量。

[扫气模块]

扫气模块主要用于将电堆12排出的氢气中的一部分返送至电堆12，以进入电堆12进行吹扫并带出制得的氢气。扫气模块包括：从电堆12排出氢气的氢气排出管路；向电堆12分流氢气的氢气循环管路；以及使氢气循环管路中的氢气和氢气排出管路中的氢气进行热交换的氢气换热器9。

具体而言，氢气换热器9是采用板翅式等结构紧凑、压阻小的耐高温换热器，以电解堆12的排出的高温氢气为热源，对进入电解堆12的少量室温扫气氢气进行加热。

氢气排出管路包括从电堆12向氢气换热器9输出氢气的高温氢气排出管路21和从氢气换热器9排出氢气的低温氢气排出管路22。氢气循环管路包括从低温氢气排出管路22分流出氢气而向氢气换热器9供给的室温氢气输入管路19和从氢气换热器9向电堆12供给扫气用氢气的高温氢气输入管路20。

低温氢气排出管路22通过成品氢气排出口25向外界排出成品氢气，该低温氢气排出管路22上在比氢气换热器9靠近下游侧处设置有由控制模块17控制的氢循环泵24。此外，低温氢气排出管路22上在氢循环泵24与氢气换热器9之间还设置有用于实施监测低温氢气排出管路22上的氢气压强的氢气出口压力传感器23。

室温氢气输入管路19的输入端一方面与其他氢源如钢瓶等连通，在系统升温初段进行氢气吹扫，另一方面通过氢循环泵24连接低温氢气排出管路22，输出端如上所述连接氢气换热器9。在室温氢气输入管路19上设置有用于在控制模块17的控制下开闭室温氢气输入管路19的氢气电磁阀1、用于检测室温氢气输入管路19上流通的氢气压力的氢气进口压力传感器2和用于检测室温氢气输入管路19上流通的氢气的质量流量的氢气质量流量控制器3。控制模块17基于氢气进口压力传感器2和氢气质量流量控制器3的检测值控制氢循环泵24和氢气电磁阀1，调节从低温氢气排出管路22分流出的氢气量。

像这样，从低温氢气排出管路22分流出的氢气通过室温氢气输入管路19输入氢气换热器9，与高温氢气排出管路21中流动的来自电堆12的高温氢气进行热交换，在升温后通过高温氢气输入管路20再次输入电堆12。由此既能利用氢气来对电堆12内部进行扫气带出生成的氢气，又能利用从电堆12排出的高温氢气的热量来加热扫气用氢气，因此能节省能源消耗。

[安全保障模块]

为了确保系统的安全性，在氢气制备系统100中还设置有与上述扫气模块连接的安全保障模块。安全保障模块在检测到泄漏时，停止电堆12的工作并向电堆12供应安全气体。安全保障模块包括安全气体管路19’、氢气传感报警器14以及三通调节阀。

具体地，室温氢气输入管路19在比氢气质量流量控制器3靠近下游处设置有三通调节阀。安全气体管路19’的一端与外界安全气体供给源如钢瓶等连接，另一端通过三通调节阀连接室温氢气输入管路19。在安全气体管路19’上设置有用于在控制模块17的控制下开闭安全气体管路19’的安全气体电磁阀1’、用于检测安全气体管路19’上流通的安全气体压力的安全气体压力传感器2’和用于检测安全气体管路19’上流通的安全气体的质量流量的安全气体质量流量控制器3’。由此能够通过控制三通调节阀来切换向电堆12供给氢气或是安全气体。

借助上述结构，安全保障模块根据室温氢气输入管路19上设置的氢气进口压力传感器2和低温氢气排出管路22上设置的氢气出口压力传感器23的检测值判断是否出现氢气泄漏。在判断出现氢气泄漏时，通过氢气传感报警器14发出警报并切断外部电源18，控制三通调节阀阻断室温氢气输入管路19且开启安全气体管路19’。具体而言，启动吹扫安全气体的安全气体电磁阀1’和安全气体质量流量控制器3’，由此能够检测零部件和电堆可能发生的氢泄漏并及时响应，确保人机安全，以防事故发生。

本实施形态中安全气体为氮气，但不限于此，也可以是例如Ar、He等惰性气体。

[热管理模块]

本发明中，为了高效稳定且低能耗地制取氢气，还设计有对上述电堆12、物料供应模块和扫气模块进行热管理的热管理模块。热管理模块包括：上述设置于混合气管路30上的热平衡加热器10；热平衡保温箱11；以及电堆保温箱13。

热平衡保温箱11如图1所示，主要用于容纳上述空气换热器8、氢气换热器9和热平衡加热器10并对其进行保温。更详细地，热平衡保温箱11为内侧设有保温层且气密性良好的箱体，将空气换热器8、氢气换热器9和热平衡加热器10以及其周边的连接管路等包裹在其中，且在外壁设有空气进口接口和空气出口接口等以便与电堆保温箱13的响应端口对接，由此构成BOP（Balance of Plant，即配套热平衡部件，包括换热器、加热器等部件）热区。

电堆保温箱13主要用于包裹电堆12并对其进行保温，由此构成电堆热区。更具体，电堆保温箱13为内壁设有保温层且气密性良好的箱体，图3是电堆保温箱13的接口界面示意图。如图3所示，电堆保温箱13包括位于外侧的不锈钢壳体131和位于内侧的保温材料132。不锈钢壳体131一面用于连接电堆12，一面用于连接BOP热区。具体而言不锈钢壳体131上形成有用于连接高温氢气输入管路20的电堆氢气入口接口133、用于连接高温氢气排出管路21的电堆氢气出口接口134、用于连接混合气管路30的电堆混合气入口接口135、用于连接高温湿尾气管路31的电堆湿尾气出口接口136、以及用于引出正极引线124和负极引线125的正极引线端子137和负极引线端子138，且两端子相互间绝缘良好。

此外，热管理模块还包括设置于系统内各管路和各元件上的温度传感器（一般为K型热电偶）。

像这样，本发明中，控制模块17通过热管理模块对氢气制备系统100进行热管理。具体地，控制模块17读取各温度传感器的数据，监控电堆12的工作温度，在需要时启动热平衡加热器10对混合气进行加热。由此根据电堆12的负载状态，以确保电堆12在规定的温度范围内工作的形式通过热管理模块对氢气制备系统100进行热平衡。更具体地，控制模块17根据外部电源18对电堆12输出的功率，以确保电堆12在规定的温度区间（例如500～750℃）内工作的形式控制热平衡加热器10对混合气进行加热。当检测到电堆12的工作温度较低时，控制模块17控制热平衡加热器10对混合气加热升温，从而提高电堆12的温度。当电堆12的工作温度较高时，控制模块17关闭热平衡加热器10并适当降低电堆12的负载电流，从而降低电堆温度，由此反复上述过程达到电堆12工作温度的动态平衡。

此外，控制模块17还如上所述通过氧浓度传感器15和湿含量传感器16计算湿尾气中的气体成分，精确计算对电堆12供给的混合气中所需要的去离子水和水蒸气的量以及空气换热器8中热交换后的气体温度，由此控制水泵5、水蒸气流量控制器6和湿尾气循环泵7，尽可能提高蒸气和水的利用率，降低系统能耗。该自平衡控制通过电堆12入口侧的湿含量、电堆12的电解电流（对应于水蒸气使用量）、湿尾气循环泵7和氢循环泵24的功率、水泵5的流速和水蒸气流量控制的实时检测值，并经控制模块17的计算后反馈控制来实现。

具体而言，控制模块17根据湿含量传感器的检测值、即低温湿尾气管路32中的湿含量控制湿尾气循环泵7的功率，将一部分湿尾气返送至空气换热器8，且根据湿尾气循环管路29中的氧浓度传感器15的检测值与空气中氧含量值进行比较，控制鼓风机4的功率，在氧浓度传感器15的检测值较高时降低鼓风机4的功率，在氧浓度传感器15的检测值较低时增加鼓风机4的功率。另外，控制模块17还根据液面传感器的检测值将热交换后产生的冷凝水中的至少一部分返送至水泵5，再有水泵5通过水供应管路送至空气换热器8循环使用。同时，控制模块还计算电堆12需要的湿含量与湿尾气循环管路29中的湿含量及水蒸气供应管路28中的湿含量的差值，并根据该差值调节水泵5供给的水流量。控制模块还计算电堆12需要的湿含量与湿尾气循环管路29中的湿含量及水泵5供给的水在空气换热器8中蒸发得到的湿含量的差值，并根据该差值通过控制水蒸气流量控制器6来调节水蒸气供应管路28中的湿含量（即水蒸气供给量）。

本发明的制氢系统可实现高效、稳定的规模化制取高纯干氢气，设计的水热管理系统可对电堆温度和水蒸气利用进行自动控制，实现热平衡，提高系统的能量效率；安全保障系统能够监测零部件和电堆可能发生的氢泄漏并即时响应，充分保证人机安全。

本发明的氢气制备系统100通过如下流程进行工作。

首先将集成好的电堆12装入电堆保温箱13，进行必要的气体管路连接和电极引线的连接，然后将电堆保温箱13密封后装入氢气制备系统100的制氢系统台架。之后将氢气换热器9、空气换热器8和热平衡加热器10进行管路连接后装入热平衡保温箱11。将上述两个保温热箱的气体进出口对接、具体而言为连接高温氢气输入管路20、高温氢气排出管路21、混合气管路30、高温湿尾气管路31和低温湿尾气管路32后，再与系统中的其他管路进行连接。再将电堆12的两根电极引线通过电堆保温箱13上的电极端子与外部电源18、控制模块17等相连接。

然后控制鼓风机4以一定风速将空气输送进入空气换热器8升温，同时控制水泵4以一定流速将去离子输送进入空气换热器8完全蒸发，空气和水蒸气混合后进入热平衡加热器10，再次升温后进入电堆保温箱13对电堆12进行加热，之后流出电堆12并进入空气换热器8。控制氢循环泵24将氢气以一定流速输送进入氢气换热器9，升温后进入电堆12的分配器122，给电堆12加热后进入氢气换热器9，降温后的氢气进入氢循环泵，一部分循环再次进入电堆12，另外一部分通过成品氢气排出口25进入氢储气罐等使用端。由此通过热的流体将电堆12以一定速率升温至工作温度。

当电堆12升温至工作温度（例如500～750℃）并基本稳定后，控制外部电源18的输入至电堆12，氢气制备系统100开始制氢，控制模块17监测并保持电堆12的稳定工作，同时进行氢气制备系统100的水热管理和安全保障管理。

相对于现有的制氢系统，本发明的优点主要表现在以下几个方面。

1）氢气纯度高、无需分离提纯：由于水蒸气在空气电极一侧，且作为核心元件的电堆12为质子导体型的电堆12，故系统制得的氢气为干的高纯氢气，无需再进行分离提纯，减少系统的流程步骤，降低了系统成本。

2）能量效率高、制氢能耗低：由于电堆12中高温电解池的活化能和内阻较低，本系统的制氢效率高，每立方米氢气的耗电量为3.5～4千瓦时。

3）高可靠性：BOP热区和电堆热区采用模块化集成，便于分区管理，维护方便，系统整体可靠性高。

4）无复杂部件，易实现系统紧凑化，功率配置灵活性强。

下面提供实施例对本发明做进一步说明。

实施例

按照上述结构和流程集成氢气制备系统，各管路选用不锈钢管路，按照气体流向将各电磁阀、压力传感器、质量流量控制器和换热器连接，形成上述各个模块以及BOP热区。如图2所示，集成由64根Ba基管形的质子导体型电解池组成的电堆12。将集成好的电堆12装入电堆保温箱13，如图3所示经由不锈钢壳体131上的各接口进行气体管路连接和电极引线的连接，然后将电堆保温箱13密封并装入氢气制备系统，将电堆保温箱13的气体进出口连接热平衡保温箱11上的各气体进出口，将电堆保温箱13的电极端子与外部电源18进行连接。

控制鼓风机4以一定风速将空气输送进入空气换热器8升温，同时控制水泵5以一定流速将去离子水输送至空气换热器8完全蒸发，空气和水蒸气混合后的混合气进入热平衡加热器10，再次升温后进入电堆保温箱13，对电堆12进行加热后流出电堆保温箱13并进入空气换热器8。控制模块17控制氢循环泵24将氢气以一定流速输送进入氢气换热器9，升温后进入电堆12中的分配器122，给电堆12加热后流出电堆保温箱13并进入氢气换热器9，降温后的氢气尾气进入氢循环泵24，其中的一部分再次循环进入电堆12，另外一部分进入氢储气罐等使用端。由此通过热的流体将电堆12以一定速率升温。

将电堆12升温至工作温度500～750℃并基本稳定后，控制外部电源18向电堆12供电，氢气制备系统开始制氢，以控制模块17监测并保持电堆12的稳定工作，进行热平衡和物料循环的自动控制。

以上的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种自平衡自控的高纯干氢气制备系统，其特征在于，

包括：

利用电能电解水蒸气制备氢气的电堆，所述电堆包括多个电解池、向所述多个电解池分配氢气的分配器以及从所述多个电解池收集氢气的集流器，所述多个电解池是形成为管状的质子导体型的电解池，包括位于外侧的空气电极、位于内侧的氢电极以及位于所述空气电极和所述氢电极之间的由质子导体材料构成的电解质；

向所述电堆供应包含水蒸气和空气的混合气的物料供应模块；

将所述电堆排出的氢气中的一部分返送至所述电堆的扫气模块，所述扫气模块包括：

从所述电堆排出氢气的氢气排出管路；

向所述电堆供给氢气的氢气循环管路；以及

使所述氢气循环管路中的氢气和所述氢气排出管路中的氢气进行热交换的氢气换热器；

所述氢气排出管路上在比所述氢气换热器靠近下游侧处设置有氢气出口压力传感器；

所述氢气循环管路和所述氢气排出管路通过氢循环泵连接，将所述氢气循环管路中的一部分氢气分流至所述氢气排出管路；

对所述物料供应模块、所述扫气模块和所述电堆进行热管理的热管理模块；

在检测到泄漏时，停止所述电堆的工作并向所述电堆供应安全气体的安全保障模块；

用于供电的外部电源；以及

控制模块；

所述控制模块以维持所述电堆在规定的工作温度区间内工作的形式控制所述物料供应模块、所述扫气模块和所述热管理模块循环利用所述电堆排出的多种气体以及所述多种气体所携带的热量。

2.根据权利要求1所述的自平衡自控的高纯干氢气制备系统，其特征在于，

所述电堆还包括将电流引入的一对耐高温的导线。

3.根据权利要求1所述的自平衡自控的高纯干氢气制备系统，其特征在于，

所述氢气循环管路在所述氢气换热器的上游侧处设置有氢气电磁阀、氢气进口压力传感器和氢气质量流量控制器；

所述控制模块基于所述氢气进口压力传感器和所述氢气质量流量控制器的检测值控制所述氢循环泵和所述氢气电磁阀，调节从所述氢气循环管路分流至所述氢气排出管路的氢气流量。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的自平衡自控的高纯干氢气制备系统，其特征在于，

所述安全保障模块包括：

氢气传感报警器；

设置有安全气体电磁阀、安全气体压力传感器和安全气体质量流量控制器的安全气体管路；以及连接所述安全气体管路与所述氢气循环管路通过三通调节阀；

所述安全保障模块根据所述氢气进口压力传感器和所述氢气出口压力传感器的检测值判断是否出现氢气泄漏，在判断出现泄漏时，切断所述外部电源，控制所述三通调节阀阻断所述氢气循环管路且开启所述安全气体管路；

所述安全气体为氮气或惰性气体。

5.根据权利要求1所述的自平衡自控的高纯干氢气制备系统，其特征在于，

所述物料供应模块包括：

空气换热器；

设置有鼓风机，向所述空气换热器供给空气的空气供应管路；

设置有水泵，向所述空气换热器供给水的水供应管路；

向所述空气换热器供给水蒸气的水蒸气供应管路；

将混合气从所述空气换热器送至所述电堆的混合气管路；

与所述空气换热器连接，从所述电堆排出湿尾气的高温湿尾气管路；以及

从所述空气换热器排出热交换后的低温湿尾气的低温湿尾气管路；

所述低温湿尾气管路在比所述空气换热器靠近下游侧处设置有湿尾气循环泵且分叉出湿尾气循环管路；

所述空气、所述水与所述水蒸气在所述空气换热器中与所述湿尾气循环管路中的湿尾气进行热交换后升温混合成所述混合气。

6.根据权利要求5所述的自平衡自控的高纯干氢气制备系统，其特征在于，

所述湿尾气循环管路上设置有用于分析气体成分的氧浓度传感器和湿含量传感器；

所述湿尾气管路上在所述湿尾气循环泵与所述空气交换器之间设置有湿尾气出口压力传感器；

所述空气供应管路上还设置有空气进口压力传感器；

所述控制模块如下控制：

根据所述湿含量传感器的检测值控制所述湿尾气循环泵的功率，将一部分湿尾气返送至所述空气换热器；

根据所述湿尾气循环管路中的所述氧浓度传感器的检测值与空气中氧含量值进行比较，控制所述鼓风机的功率，在所述氧浓度传感器的检测值较高时降低所述鼓风机的功率，在所述氧浓度传感器的检测值较低时增加所述鼓风机的功率。

7.根据权利要求5所述的自平衡自控的高纯干氢气制备系统，其特征在于，

所述空气换热器还在下部形成有储存由热交换产生的冷凝水的冷凝水存储区，所述冷凝水存储区通过冷凝水管路连接所述水泵；

所述冷凝水存储区上设置有用于监控所述冷凝水的液面高度的液面传感器；

所述控制模块根据所述液面传感器的检测值将所述冷凝水中的至少一部分返送至所述水泵循环使用。

8.根据权利要求5所述的自平衡自控的高纯干氢气制备系统，其特征在于，

所述控制模块根据所述电堆需要的湿含量与所述湿尾气循环管路中的湿含量及所述水蒸气供应管路中的湿含量的差值调节所述水泵供给的水流量；

所述水为去离子水。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的自平衡自控的高纯干氢气制备系统，其特征在于，

所述水蒸气供应管路上还设置有用于检测和控制水蒸气的流量的水蒸气流量控制器；

所述控制模块根据所述电堆需要的湿含量与所述湿尾气循环管路中的湿含量及所述水泵供给的水在所述空气换热器中蒸发得到的湿含量的差值，通过控制所述水蒸气流量控制器来调节所述水蒸气供应管路中的湿含量。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的自平衡自控的高纯干氢气制备系统，其特征在于，

所述热管理系统包括：

设置于所述混合气管路上的热平衡加热器；

对所述氢气换热器、所述空气换热器和所述热平衡加热器进行保温的热平衡保温箱；

对所述电堆进行保温的电堆保温箱；以及

温度传感器；

所述控制模块根据所述外部电源对所述电堆输出的功率，以确保所述电堆在规定的温度区间内工作的形式控制所述热平衡加热器对所述混合气进行加热。

11.根据权利要求10所述的自平衡自控的高纯干氢气制备系统，其特征在于，

所述电堆的工作温度区间为200～800℃。

12.根据权利要求10所述的自平衡自控的高纯干氢气制备系统，其特征在于，

所述热平衡保温箱与所述电堆保温箱是内侧设有保温层且气密性良好的箱体。