CN115323419A - 一种碱性电解水制氢设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种碱性电解水制氢设备及其控制方法，该碱性电解水制氢设备包括：电解槽，适于电解电解液；气液分离装置，与电解槽的出口连接；热量控制装置，包括可选择性启动的冷却系统和太阳能光热系统，冷却系统与气液分离装置和太阳能光热系统均连接，以将电解液冷却至预设温度，太阳能光热系统与电解槽的入口均连接，以将电解液加热至预设温度。本发明可使电解液始终维持在电解槽反应所需的预设温度，确保电解槽高效率运行、提高电解效率，并且在电解槽冷启动时，可利用太阳能光热系统对电解液加热使其达到预设温度后再将电解液输入电解槽直接电解，使电解槽可快速响应达到额定功率，缩短启动时间。

Description

一种碱性电解水制氢设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种碱性电解水制氢设备及其控制方法。

背景技术

电解水制氢设备主要以碱性电解水制氢技术和质子交换膜电解水制氢技术为主，其中碱性电解水制氢技术更成熟价格低廉市场占有率更高，此外，随着可再生能源的广泛应用，以风电和光伏等可再生能源为电源的大容量碱性电解水制氢装置未来成为主要发展方向。

碱性电解制氢电解过程会产生热量，电解液循环回电解槽的环节会通过冷却设备将电解液降温至一定范围，来保证电解制氢设备正常运行。电解槽停机电解液降温至环境温度再次开启时，低温区间内电导率低电解液电阻较大，为了保护电解槽小室不被击穿，需先通入小电流使电解液温度逐渐升高直至逐渐增加至额定电流，待电解液温度达到50℃以上，电流才逐渐工作在电解反应上，待电解槽温度达到70℃以上才能达到电解反应的额定功率，从启动到额定功率运行此过程一般需2-3小时，导致电解槽冷启动速度慢、启动能耗高。

同时，可再生能源存在间歇性、波动性和随机性等特点，可再生能源制氢场景下相匹配的大容量制氢装置实际运行时需要根据电源情况经常性启停或变负荷，停止运行的碱性电解水制氢装置会根据启动间隔时间的长短处于热启动或冷启动状态，热启动状态可以在分钟级别达到满负荷运行状态，而电解槽冷启动需要长时间升温达到满负荷运行状态，难以匹配可再生能源频繁启动和间隙波动的特性。

为缩短电解槽的启动时间，一般会需要外部提供热量加热电解液以使电解液保持或尽快处于合适的电解温度。现有技术主要采用热回收利用技术，该技术回收电解反应产生的热量不稳定，热量回收技术回收电解过程产生的热量无法满足电解槽高效快速响应或额定进液温度，而且热循环利用操作复杂；同时还有一部分增加快速电加热技术，直接对电解槽电加热，该方式会增加能耗，降低效益；同时电解槽频繁冷启动温度变化会降低电解槽密封材料寿命。

发明内容

因此，本发明将碱性电解水制氢设备与太阳能光热系统相结合，利用太阳能光热系统储存的热量加热电解水以克服现有技术中的电解水制氢设备与可再生能源耦合时启动时间长、负荷跟随慢、使用寿命缩短的缺陷，从而提供一种启动快速、效率高、节能的碱性电解水制氢设备及其控制方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种碱性电解水制氢设备，包括：电解槽，适于电解电解液；气液分离装置，与所述电解槽的出口连接；热量控制装置，包括可选择性启动的冷却系统和太阳能光热系统，所述冷却系统与所述气液分离装置和所述太阳能光热系统均连接，以将电解液冷却至预设温度，所述太阳能光热系统与所述电解槽的入口均连接，以将电解液加热至所述预设温度。

可选的，所述冷却系统包括：第一换热器，所述第一换热器的液体入口与所述气液分离装置连接，所述第一换热器的液体出口与所述太阳能光热系统连接；循环冷却管路，包括冷却介质流入管路和冷却介质流出管路，所述冷却介质流入管路与所述第一换热器的介质入口连接，所述冷却介质流出管路和所述第一换热器的介质出口连接；冷却塔，与所述冷却介质流入管路和所述冷却介质流出管路均连接。

可选的，所述冷却介质流入管路上设有第一流量调节阀。

可选的，所述太阳能光热系统包括：第二换热器，所述第二换热器的液体入口与所述冷却系统连接，所述第二换热器的液体出口与所述电解槽的入口连接；循环加热管路，包括储热介质流入管路和储热介质流出管路，所述储热介质流入管路与所述第二换热器的介质入口连接，所述储热介质流出管路和所述第二换热器的介质出口连接；太阳能储热装置，与所述储热介质流入管路和所述储热介质流出管路均连接。

可选的，所述储热介质流入管路上设有第二流量调节阀。

可选的，所述太阳能储热装置包括：热保温罐，与所述第二换热器通过所述储热介质流入管路连接；冷保温罐，与所述第二换热器通过所述储热介质流出管路连接；太阳能收集装器，与所述热保温罐和所述冷保温罐均连接。

本发明还提供了一种如上文所述的碱性电解水制氢设备的控制方法，包括如下步骤：启动电解槽，所述电解槽在可再生能源电源供电下对电解液进行电解；气液分离装置对所述电解槽流出的气液混合物进行气液分离；将所述气液分离装置分离出的电解液输入热量控制装置；所述热量控制装置对电解液冷却或加热使其达到预设温度；将所述预设温度的电解液输入所述电解槽进行再次电解。

可选的，所述的所述热量控制装置对电解液冷却或加热使其达到预设温度，具体包括：若电解液的温度高于所述预设温度，则所述冷却系统启动，以将电解液冷却至所述预设温度；若电解液的温度低于所述预设温度，则所述太阳能光热系统中的第二换热器启动，以将电解液加热至所述预设温度。

可选的，所述控制方法还包括：若所述可再生能源电源出现电力波动或者间隙，则所述太阳能光热系统中的第二换热器启动以对电解液进行保温，使电解液维持在所述预设温度。

可选的，所述控制方法还包括：若所述电解槽为停机启动，则所述太阳能光热系统启动对电解液进行加热，待电解液的温度上升至所述预设温度，再启动所述电解槽。

可选的，所述控制方法还包括：若多个所述电解槽共用同一所述气液分离装置，当所述碱性电解水制氢设备低负荷运行或者只有部分所述电解槽运行时，则所述太阳能光热系统中的第二换热器启动对电解液进行升温，待电解液温度上升至所述预设温度，再将电解液输入所述电解槽中电解。

本发明具有以下优点：

1、本发明的碱性电解水制氢设备，在电解槽正常运行中，电解槽对电解液电解，气液分离装置对电解槽流出的气液混合物进行气液分离，若电解液的温度高于预设温度，则冷却系统启动，以将电解液冷却至预设温度，太阳能光热系统在光照环境中可持续将光热能能转化为热能进行储存，若电解液的温度低于预设温度，则太阳能光热系统启动释能，利用太阳能光热系统储存的热能将电解液加热至预设温度，然后将预设温度的电解液输入电解槽再次电解，整个电解过程利用冷却系统和太阳能光热系统对电解液冷却或者加热，使电解液始终维持在电解槽反应所需的预设温度，确保电解槽高效率运行、提高电解效率，整个热量控制装置操作简单、换热稳定；此外将冷却系统和太阳能光热系统串联且太阳能光热系统设置于冷却系统的下游且与电解槽直接连接，可减少加热后的电解液热量损失，也使得系统紧凑性好；并且在电解槽冷启动时，可利用太阳能光热系统对电解液加热使其达到预设温度后再将电解液输入电解槽直接电解，使电解槽可快速响应达到额定功率、负荷响应快、缩短启动时间，此时可降低整个电解水制氢设备的启动时间；且将电解水制氢设备与太阳能光热系统相结合，利用太阳能光热系统储存的热量加热电解水解决了可再生能源发电波动性、间歇性带来电解水制氢的难题，无需利用电解槽通电对电解液加热，减少了能源消耗且也降低了电解槽的运行负担，也避免了电解槽频繁冷启动、降低电解槽温度变化次数，确保了电解槽密封材料寿命。

2、本发明的碱性电解水制氢设备，冷却系统包括第一换热器、循环冷却管路和冷却塔，第一换热器的液体入口与气液分离装置连接，第一换热器的液体出口与太阳能光热系统连接，适于将气液分离装置分离出的电解液冷却至预设温度，循环冷却管路包括冷却介质流入管路和冷却介质流出管路，冷却介质流入管路与第一换热器的介质入口连接，冷却介质流出管路和第一换热器的介质出口连接，冷却塔与冷却介质流入管路和冷却介质流出管路均连接。气液分离装置分离出的电解液流入第一换热器内与冷却介质换热，换热后的冷却介质经循环冷却管路流入冷却塔进行冷却，冷却后的冷却介质经循环冷却管路再流回第一换热器内与电解液热交换，如此循环，直至电解液冷却至预设温度后再流经太阳能光热系统流入电解槽内进行电解，整个过程利用冷却塔对冷却介质循环冷却，确保电解液冷却效率及可靠性。

3、本发明的碱性电解水制氢设备，冷却介质流入管路上设有第一流量调节阀。通过控制第一流量调节阀的开度，就可以控制冷却介质进入第一换热器的流量，从而实现对电解液换热温度的控制；具体的，第一流量调节阀的开度越大，冷却介质流量越大，电解液热交换后的温度则越低，第一流量调节阀的开度越小，冷却介质流量越小，电解液热交换后的温度则越高，控制简单、方便。

4、本发明的碱性电解水制氢设备，太阳能光热系统包括第二换热器、循环加热管路和太阳能储热装置，第二换热器的液体入口与冷却系统连接，第二换热器的液体出口与电解槽的入口连接，适于将气液分离装置分离出的电解液加热至预设温度，循环加热管路包括储热介质流入管路和储热介质流出管路，储热介质流入管路与第二换热器的介质入口连接，储热介质流出管路和第二换热器的介质出口连接，太阳能储热装置与储热介质流入管路和储热介质流出管路均连接。气液分离装置分离出的电解液流经冷却系统流入第二换热器内与储热介质换热，换热后的储热介质经循环加热管路流入太阳能储热装置进行加热，加热后的储热介质经循环加热管路再流回第二换热器内与电解液热交换，如此循环，直至电解液加热至预设温度后再流入电解槽内电解，整个过程利用太阳能储热装置对储热介质循环加热，确保电解液加热效率及可靠性，并且太阳能为可再生能源，提高能源利用率且降低加热成本。

5、本发明的碱性电解水制氢设备，储热介质流入管路上设有第二流量调节阀。通过控制第二流量调节阀的开度，就可以控制储热介质进入第二换热器的流量，从而实现对电解液换热温度的控制，使电解液换热温度达到预设温度；具体的，第二流量调节阀的开度越大，储热介质流量越大，电解液热交换后的温度则越高，第二流量调节阀的开度越小，储热介质流量越小，电解液热交换后的温度则越低，整个换热温度可控、调节简单、方便。

6、本发明的碱性电解水制氢设备，太阳能储热装置包括热保温罐、冷保温罐和太阳能收集装置，热保温罐与第二换热器通过储热介质流入管路连接，冷保温罐与第二换热器通过储热介质流出管路连接，太阳能收集装置与热保温罐和冷保温罐均连接。储热介质利用太阳能收集装置升温，升温后的储热介质流入热保温罐保温储存，当电解液流入第二换热器时，储热介质从热保温管流入第二换热器与电解液热交换，热交换后的储热介质流入冷保温罐，储热介质再循环流至太阳能收集装置加热后流回热保温罐，如此循环，完成储热介质的循环储热、释热，整个过程利用可再生的太阳能对储热介质加热、无需用电加热，节能环保，控制简单。

7、本发明的碱性电解水制氢设备的控制方法，包括如下步骤：启动电解槽，电解槽在可再生能源电源供电下对电解液进行电解；气液分离装置对电解槽流出的气液混合物进行气液分离；将气液分离装置分离出的电解液输入热量控制装置；热量控制装置对电解液冷却或加热使其达到预设温度；将预设温度的电解液输入电解槽进行再次电解。本发明的控制方法能够在碱性电解水制氢设备与可再生能源电源耦合时，使电解液始终维持在电解槽反应所需的预设温度，降低电解槽温度变化次数，确保电解槽高效率运行、提高电解效率，延长电解槽密封材料寿命。

9、本发明的碱性电解水制氢设备的控制方法，还包括：若可再生能源电源出现电力波动或间隙，则太阳能光热系统中的第二换热器启动以对电解液进行保温，使电解液维持在预设温度。太阳能光热系统在光照环境中可持续将光热能转化为热能进行储存，以在电解液需要加热时启动第二换热器进行释能，实现对电解液保温，使电解槽重启动时负荷能快速调节响应电源波动，使电解制氢系统快速运转，使得设备可在电力波动或间隙环境下运行，适应性强。

10、本发明的碱性电解水制氢设备的控制方法，还包括：若电解槽为停机启动，则太阳能光热系统中的第二换热器启动对电解液进行加热，待电解液的温度上升至预设温度，再启动电解槽，使电解槽能迅速达到额定功率，满足电网调峰和后端用气需求。

11、本发明的碱性电解水制氢设备的控制方法，还包括：若多个电解槽共用同一气液分离装置，当碱性电解水制氢设备低负荷运行或者只有部分电解槽运行时，则太阳能光热系统中的第二换热器启动对电解液进行升温，待电解液温度上升至预设温度，再将电解液输入电解槽中电解。当电解水制氢设备低负荷运行或者只有部分电解槽运行时，电解槽电解产生的热量无法使整个系统达到效率最佳温度，气液分离后电解液温度会进一步下降，因此将气液分离装置分离出的电解液输入太阳能光热系统进行升温，可弥补电解液温度不足的缺陷，使电解液维持在最佳电解温度，确保电解水制氢设备的高效运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明的碱性电解水制氢设备的整体连接结构示意图；

图2示出了本发明的碱性电解水制氢设备中的热量控制系统的结构示意图。

附图标记说明：

1、电解槽；2、气液分离装置；21、氢气侧气液分离器；22、氧气侧气液分离器；3、热量控制装置；31、冷却系统；311、第一换热器；312、冷却介质流入管路；313、冷却介质流出管路；314、冷却塔；315、第一流量调节阀；32、太阳能光热系统；321、第二换热器；322、储热介质流入管路；323、储热介质流出管路；324、太阳能储热装置；3241、热保温罐；3242、冷保温罐；3243、太阳能收集器；325、第二流量调节阀；4、循环泵。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1和图2所示，本实施例公开了一种碱性电解水制氢设备，包括电解槽1、气液分离装置2和热量控制装置3，其中，电解槽1适于电解电解液，气液分离装置2与电解槽1的出口连接，热量控制装置3包括可选择性启动的冷却系统31和太阳能光热系统32，冷却系统31与气液分离装置2和太阳能光热系统32均连接，以将电解液冷却至预设温度，太阳能光热系统32与电解槽1连接，以将电解液加热至预设温度。

该碱性电解水制氢设备在电解槽1正常运行中，电解槽1对电解液电解，气液分离装置2对电解槽1流出的气液混合物进行气液分离，若电解液的温度高于预设温度，则冷却系统31启动，以将电解液冷却至预设温度，太阳能光热系统32在光照环境中可持续将光能转化为热能进行储存，若电解液的温度低于预设温度，则太阳能光热系统32启动释能，利用太阳能光热系统32储存的热能将电解液加热至预设温度，然后将预设温度的电解液输入电解槽1再次电解，整个电解过程利用冷却系统31和太阳能光热系统32对电解液冷却或者加热，使电解液始终维持在电解槽1反应所需的预设温度。

因此本发明无论在高温或低温环境下均确保了电解槽1高效率运行、提高电解效率，整个热量控制装置3操作简单、换热稳定；此外将冷却系统31和太阳能光热系统32串联且太阳能光热系统32设置于冷却系统31的下游且与电解槽1直接连接，可减少加热后的电解液热量损失，也使得系统紧凑性好；并且在电解槽1冷启动时，可利用太阳能光热系统32对电解液加热使其达到预设温度后再将电解液输入电解槽1直接电解，使电解槽1可快速响应达到额定功率、负荷响应快、缩短启动时间，此时可降低整个电解水制氢设备的启动时间；且将电解水制氢设备与太阳能光热系统32相结合，利用太阳能光热系统32储存的热能加热电解水解决了可再生能源发电波动性、间歇性带来电解水制氢的难题，无需利用电解槽1通电对电解液加热，减少能源消耗且也降低了电解槽1的运行负担，也避免了电解槽1频繁冷启动、确保了电解槽1密封材料寿命。

需要说明的是，本实施例的碱性电解水制氢设备与可再生能源电源连接，在可再生能源电源供电下完成电解制氢。可再生能源包括光伏、风电等，以光伏、风电等作为发电能源为碱性电解水制氢设备供电，节能增效。

下面结合说明书附图，对该碱性电解水制氢设备的结构进行详细介绍。

电解槽1作为电解水电解的容器，电解槽1包括阳极室和阴极室，电解时，阳极室产生氧气，阴极室产生氢气。本实施例中，电解槽1与可再生能源电源连接，提高可再生能源利用率。由于可再生能源电源存在间隙、不稳定、波动大的特性，在此场景下，电解槽1会随之出现间隙工作或功率波动变化，从而导致电解槽1冷启动或者电解液温度过高或过低，利用本实施例的热量控制装置3就可对电解液进行温度控制，使电解液始终维持在电解反应所需的温度，电解槽1一旦得以供电启动即可进行电解反应、响应快、电解效率高。

气液分离装置2主要对电解槽1产生的气液混合物进行气液分离，从而得到氢气和氧气。具体的，气液分离装置2包括氢气侧气液分离器21和氧气侧气液分离器22，氢气侧气液分离器21与电解槽1的阴极室连接，以对氢气和电解液混合物进行分离，从而分离得到氢气，氧气侧气液分离器22与电解槽1的阳极室连接，以对氧气和电解液混合物进行分离，从而分离得到氧气。

热量控制装置3与氢气侧气液分离器21和氧气侧气液分离器22均连接，以将氢气侧气液分离器21和氧气侧气液分离器22分离出的电解液均进行冷却或加热，使其达到预设温度后再输入电解槽1进行再次电解。

本实施例中，冷却系统31包括第一换热器311、循环冷却管路和冷却塔314，其中，第一换热器311的液体入口与气液分离装置2连接，第一换热器311的液体出口与太阳能光热系统32连接，适于将气液分离装置2分离出的电解液冷却至预设温度，循环冷却管路包括冷却介质流入管路312和冷却介质流出管路313，冷却介质流入管路312与第一换热器311的介质入口连接，冷却介质流出管路313和第一换热器311的介质出口连接，冷却塔314与冷却介质流入管路312和冷却介质流出管路313均连接。

上述设置，气液分离装置2分离出的电解液流入第一换热器311内与冷却介质换热，换热后的冷却介质经循环冷却管路流入冷却塔314进行冷却，冷却后的冷却介质经循环冷却管路再流回第一换热器311内与电解液热交换，如此循环，直至电解液冷却至预设温度后再流经太阳能光热系统流入电解槽1内进行电解，整个过程利用冷却塔314对冷却介质循环冷却，确保电解液冷却效率及可靠性。

进一步的，冷却介质流入管路312上设有第一流量调节阀315。通过控制第一流量调节阀315的开度，就可以控制冷却介质进入第一换热器311的流量，从而实现对电解液换热温度的控制；具体的，第一流量调节阀315的开度越大，冷却介质流量越大，电解液热交换后的温度则越低，第一流量调节阀315的开度越小，冷却介质流量越小，电解液热交换后的温度则越高，控制简单、方便。

太阳能光热系统32可将光热能转化为热能并进行储存，在电解液需要加热的时候将热能释放以加热电解液，提高可再生能源利用率。

具体的，太阳能光热系统32包括第二换热器321、循环加热管路和太阳能储热装置324，其中，第二换热器321的液体入口与气液分离装置2连接，第二换热器321的液体出口与电解槽1的入口连接，适于将电解液加热至预设温度，循环加热管路包括储热介质流入管路322和储热介质流出管路323，储热介质流入管路322与第二换热器321的介质入口连接，储热介质流出管路323和第二换热器321的介质出口连接，太阳能储热装置324与储热介质流入管路322和储热介质流出管路323均连接。

上述设置，气液分离装置2分离出的电解液流经冷却系统31流入第二换热器321内与储热介质换热，换热后的储热介质经循环加热管路流入太阳能储热装置324进行加热，加热后的储热介质经循环加热管路再流回第二换热器321内与电解液热交换，如此循环，直至电解液加热至预设温度后再流入电解槽1内电解，整个过程利用太阳能储热装置324对储热介质循环加热，确保电解液加热效率及可靠性，并且太阳能为可再生能源，提高能源利用率且降低加热成本。

此处需要说明的是，本实施例中的储热介质可以选用循环热水或者热油等可以储存热量的物质，本实施例不做具体限制。

第二换热器321可对储热介质与电解液进行热交换，换热后储热介质释放热能降温，电解液吸收热能升温，直至将电解液加热至预设温度。

储热介质流入管路322上设有第二流量调节阀325。通过控制第二流量调节阀325的开度，就可以控制储热介质进入第二换热器321的流量，从而实现对电解液换热温度的控制，使电解液换热温度达到预设温度。具体的，第二流量调节阀325的开度越大，储热介质流量越大，电解液热交换后的温度则越高，第二流量调节阀325的开度越小，储热介质流量越小，电解液热交换后的温度则越低，整个换热温度可控、调节简单、方便。

可选的，太阳能储热装置324可将光热能转化为热能并进行储存。本实施例中，太阳能储热装置324包括热保温罐3241、冷保温罐3242和太阳能收集器3243，其中，热保温罐3241与第二换热器321通过储热介质流入管路322连接，冷保温罐3242与第二换热器321通过储热介质流出管路323连接，太阳能收集器3243与热保温罐3241和冷保温罐3242均连接。

上述设置，太阳能收集器3243利用光热能对储热介质升温，升温后的储热介质流入热保温罐3241保温储存，实现将光热能转化为储热介质的热能并进行储存，当电解液流入第二换热器321时，储热介质从热保温罐3241流入第二换热器321与电解液热交换，热交换后的储热介质流入冷保温罐3242，储热介质再循环流至太阳能收集器3243加热后流回热保温罐3241，如此循环，储热介质完成循环储能、释能，整个过程利用可再生的太阳能，无需用电加热，节能环保，控制简单。

具体的，热保温罐3241可对储能后的储热介质进行保温，减少热能流失；冷保温罐3242可对释能后的储热介质进行保温，降低其热量的进一步损失，提高整个设备的能源利用率、降低能源浪费。太阳能为可再生能源，太阳能收集器3243可对太阳热能进行收集并可与释能后的储热介质进行热量交换，使得储热介质完成再次储能，实现对太阳能的循环利用、节能环保。

可以理解的是，为实现电解液在整个电解水制氢设备回路中循环流动，该碱性电解水制氢设备还包括循环泵4，循环泵4连接于电解槽1和热量控制装置3之间，为电解液的循环流动提高动力。

需要说明的是，本实施例以碱性电解水制氢设备为例进行说明，当然在其他实施例中，该热量控制装置也可适用于PEM电解水制氢设备和碱性阴离子膜制氢设备，不以本实施例为限。

本实施例还提供了一种如前文所述的碱性电解水制氢设备的控制方法，包括如下步骤：启动电解槽1，电解槽1在可再生能源电源供电下对电解液进行电解；气液分离装置2对电解槽1流出的气液混合物进行气液分离；将气液分离装置2分离出的电解液输入热量控制装置3；热量控制装置3对电解液冷却或加热使其达到预设温度；将预设温度的电解液输入电解槽1进行再次电解。该控制方法能够在碱性电解水制氢设备与可再生能源电源耦合时，使电解液始终维持在电解槽1反应所需的预设温度，降低电解槽1温度变化次数，确保电解槽1高效率运行、提高电解效率，延长电解槽1密封材料寿命。

热量控制装置3对电解液冷却或加热使其达到预设温度具体包括：若电解液的温度高于预设温度，则冷却系统31启动，以将电解液冷却至预设温度；若电解液的温度低于预设温度，则太阳能光热系统32中的第二换热器321启动，以将电解液加热至预设温度。先判断电解液的温度是否高于预设温度，再确定将电解液输入冷却系统31冷却还是输入太阳能光热系统32加热，实现对电解液温度的精准控制，使电解液始终维持在电解槽1反应所需的预设温度，确保电解槽1高效率运行、提高电解效率，整个热量控制装置3操作简单、换热稳定。

该控制方法还包括：若可再生能源电源出现电力波动或者间隙，则太阳能光热系统32中的第二换热器321启动对电解液进行保温，使电解液维持在预设温度。太阳能光热系统32在光照环境中可持续将光热能转化为热能进行储存，以在电解液需要加热时启动第二换热器321进行释能，实现对电解液保温，使电解液得以维持在预设温度，电解槽1重启动时负荷能快速调节响应电源波动，使电解制氢系统快速运转，使得设备可在电力波动或间隙环境下运行，适应性强。

具体的，电解槽1随可再生能源电源出现电力波动或间隙时，电解液进入太阳能光热系统32中的第二换热器321进行保温，温度由储热介质流量大小控制，将温度控制在70℃左右，进入到电解槽1中继续循环，待电解槽1在可再生能源电源供电下通电时，由于电解液温度一直保持在70℃左右，电解槽1工作负荷能快调节响应电源波动，达到电解反应额定功率实现电解，电解制氢系统得以快速运转。此时电解槽1氢气侧和氧气侧发生电解反应，电解液温度处在90℃左右，电解液进入到热量控制系统的冷却系统31进行降温，温度控制由冷却介质流量大小控制，温度控制在70-80℃左右，降温后电解液进入到电解槽1中继续电解。

该控制方法还包括：若电解槽1为停机启动，则太阳能光热系统32中的第二换热器321启动对电解液进行加热，待电解液的温度上升至预设温度，再启动电解槽1。冷启动时，先将电解液输入热量控制装置3中的太阳能光热系统32的第二换热器321进行换热升温，再将升温的电解液输入电解槽1可使电解槽1迅速达到额定功率，满足电网调峰和后端用气需求，也缩短了电解槽1启动时间。

具体的，电解槽1停机启动后，此时电解槽1的阴极室和阳极室均发生电解反应，电解液输出温度处在90℃左右，因此将电解液流入到热量控制系统的冷却系统31进行降温，温度控制通过第一流量调节阀315控制冷却介质流量大小实现，使电解液换热至预设温度，而后进入到电解槽1中继续电解。

该控制方法还包括：若多个电解槽1共用同一气液分离装置2，当碱性电解水制氢设备低负荷运行或者只有部分电解槽1运行时，则太阳能光热系统32的第二换热器321启动对电解液进行升温，待电解液温度上升至预设温度，再将电解液输入电解槽1中电解。当电解水制氢设备低负荷运行或者只有部分电解槽1运行时，电解槽1电解产生的热量无法使整个系统达到效率最佳温度，气液分离后电解液温度下降至70℃以下，因此将气液分离装置2分离出的电解液输入太阳能光热系统32进行升温，可弥补电解液温度不足的缺陷，使电解液维持在最佳电解温度，确保电解水制氢设备的高效运行。此外，利用太阳能光热系统32使得电解水制氢设备负荷调节范围更宽，低负荷运行电解液仍能满足温度要求，可在宽负荷调节范围的可再生能源场景中工作。

需要说明的是，本实施例中，预设温度为电解槽1反应的最佳温度区间，为70℃至80℃；冷却介质选用冷却水，储热介质选用储热油。当然在其他实施例中，预设温度、冷却介质以及储热介质可根据需要进行调整，不局限于本实施例的方案。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种碱性电解水制氢设备，其特征在于，包括：

电解槽(1)，适于电解电解液；

气液分离装置(2)，与所述电解槽的出口连接；

热量控制装置(3)，包括可选择性启动的冷却系统(31)和太阳能光热系统(32)，所述冷却系统(31)与所述气液分离装置(2)和所述太阳能光热系统(32)均连接，以将电解液冷却至预设温度，所述太阳能光热系统(32)与所述电解槽(1)的入口均连接，以将电解液加热至所述预设温度。

2.根据权利要求1所述的碱性电解水制氢设备，其特征在于，所述冷却系统(31)包括：

第一换热器(311)，所述第一换热器(311)的液体入口与所述气液分离装置(2)连接，所述第一换热器(311)的液体出口与所述太阳能光热系统(32)连接；

循环冷却管路，包括冷却介质流入管路(312)和冷却介质流出管路(313)，所述冷却介质流入管路(312)与所述第一换热器(311)的介质入口连接，所述冷却介质流出管路(313)和所述第一换热器(311)的介质出口连接；

冷却塔(314)，与所述冷却介质流入管路(312)和所述冷却介质流出管路(313)均连接。

3.根据权利要求2所述的碱性电解水制氢设备，其特征在于，所述冷却介质流入管路(312)上设有第一流量调节阀(315)。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的碱性电解水制氢设备，其特征在于，所述太阳能光热系统(32)包括：

第二换热器(321)，所述第二换热器(321)的液体入口与所述冷却系统(31)连接，所述第二换热器(321)的液体出口与所述电解槽(1)的入口连接；

循环加热管路，包括储热介质流入管路(322)和储热介质流出管路(323)，所述储热介质流入管路(322)与所述第二换热器(321)的介质入口连接，所述储热介质流出管路(323)和所述第二换热器(321)的介质出口连接；

太阳能储热装置(324)，与所述储热介质流入管路(322)和所述储热介质流出管路(323)均连接。

5.根据权利要求4所述的碱性电解水制氢设备，其特征在于，所述储热介质流入管路(322)上设有第二流量调节阀(325)。

6.根据权利要求4所述的碱性电解水制氢设备，其特征在于，所述太阳能储热装置(324)包括：

热保温罐(3241)，与所述第二换热器(321)通过所述储热介质流入管路(322)连接；

冷保温罐(3242)，与所述第二换热器(321)通过所述储热介质流出管路(323)连接；

太阳能收集器(3243)，与所述热保温罐(3241)和所述冷保温罐(3242)均连接。

7.一种如权利要求1至6中的任一项所述的碱性电解水制氢设备的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

启动电解槽(1)，所述电解槽(1)在可再生能源电源供电下对电解液进行电解；

气液分离装置(2)对所述电解槽(1)流出的气液混合物进行气液分离；

将所述气液分离装置(2)分离出的电解液输入热量控制装置(3)；

所述热量控制装置(3)对电解液冷却或加热使其达到预设温度；

将所述预设温度的电解液输入所述电解槽(1)进行再次电解。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述的所述热量控制装置(3)对电解液冷却或加热使其达到预设温度，具体包括：

若电解液的温度高于所述预设温度，则所述冷却系统(31)启动，以将电解液冷却至所述预设温度；

若电解液的温度低于所述预设温度，则所述太阳能光热系统(32)中的第二换热器(321)启动，以将电解液加热至所述预设温度。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括：

若所述可再生能源电源出现电力波动或者间隙，则所述太阳能光热系统(32)中的第二换热器(321)启动以对电解液进行保温，使电解液维持在所述预设温度。

10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括：若所述电解槽(1)为停机启动，则所述太阳能光热系统(32)中的第二换热器(321)启动对电解液进行加热，待电解液的温度上升至所述预设温度，再启动所述电解槽(1)。

11.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括：若多个所述电解槽(1)共用同一所述气液分离装置(2)，当所述碱性电解水制氢设备低负荷运行或者只有部分所述电解槽(1)运行时，则所述太阳能光热系统(32)中的第二换热器(321)启动对电解液进行升温，待电解液温度上升至所述预设温度，再将电解液输入所述电解槽(1)中电解。

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