CN115679341A - 一种大规模宽功率波动水电解制氢装置及制氢方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种大规模宽功率波动水电解制氢装置，包括电解槽，电解槽内包括多个小室；气体洗涤系统，通过管道与电解槽内每个小室连通；碱液循环系统，用于将气体洗涤器中的液体与电解槽连通，实现碱液的循环利用；出气端控制系统，气体洗涤器的出气口经由出气端控制系统连接大气或用户，用于实现出气端的智能控制。本发明可以实现系统的自动调节，提升了系统的宽功率波动适应性；同时采用液位分档的方式，对系统的不同异常工况加以判定，最大化保证了系统波动工况下的系统安全。

Description

一种大规模宽功率波动水电解制氢装置及制氢方法

技术领域

本发明属于可再生能源水电解制氢设备领域，具体涉及一种大规模宽功率波动水电解制氢装置及制氢方法。

背景技术

氢能是一种理想的二次能源，与其他能源相比，氢热值高，且燃烧产物为水，是最环保的能源，氢能被认为是未来人类社会的终极能源。随着碳中和目标的提出，清洁氢能源的发展势在必行，可再生能源制氢可以很好利用弃风弃光能源，使得低成本电制氢成为可能。

电解水过程能耗较高且由于风电、光伏等电源的波动性，因此对电解水制氢系统的耐功率波动范围和系统控制提出了更高的要求，另外可再生能源制氢目前还存在成本较高、经济性较差、系统配置困难、能量利用率低以及能源管理等问题，在现有的制氢系统单元中，需要配置大量的电气元件用于电力转换以及实体设备配置，从而造成了低能量利用率，因此高效的可再生能源制氢方式是目前急需解决的问题。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本申请提出一种大规模宽功率波动水电解制氢装置，包括：

电解槽，所述电解槽内包括多个小室，在各个小室的内部水被电解为氢气和氧气；

气体洗涤系统，通过管道与所述电解槽内每个小室连通，用于将所述电解槽产生的氢气和氧气进行气液分离及冷却，同时通过洗涤系统保证出口气体品质；

碱液循环系统，用于将所述气体洗涤器中的液体与所述电解槽连通，实现碱液的循环利用；

出气端控制系统，所述气体洗涤器的出气口经由所述出气端控制系统连接大气或用户，用于实现出气端的智能控制。

进一步的，所述气体洗涤系统包括：

氢分离洗涤器和氧分离洗涤器，所述氢分离洗涤器和所述氧分离洗涤器之间设有液位控制系统，通过对比两个洗涤器的实际液位进行系统控制调节。

进一步的，所述液位控制系统包括：

液位计，用于显示所述氢分离洗涤器和所述氧分离洗涤器内洗涤液的液位；

差压变送器，用于测量所述氢分离洗涤器和所述氧分离洗涤器内的压力；

液位差控制器，用于根据液位计的显示结果以及差压变送器的测量结果，对系统各种工况进行判定，并控制出气端控制系统作出相应动作，保证系统长期处于安全液位范围内。

进一步的，所述碱液循环系统包括连接于所述气体洗涤系统的出液口与所述电解槽之间的循环管道，所述循环管道上设有：

管道过滤器，用于防止进入电解槽的碱液中含有杂质；

碱液循环泵，选用变频泵，用于根据系统需求以不同转速输出；

气动阀门，连接于碱液循环泵两端的循环管道上，构成所述碱液循环泵的旁路，配合碱液循环泵用于满足系统不同工况下对碱液流量的需求；

碱液流量计，用于实时测量循环管道内碱液的流量。

进一步的，所述出气端控制系统包括：

两个薄膜调节阀并联成的第一调节管路，所述第一调节管路与所述气体洗涤系统的出气口连通；

两个气动球阀并联成的第二调节管路，所述第二调节管路与大气连通；

所述第一调节管路与所述第二调节管路串联。

进一步的，所述气体洗涤器的出气口与所述第二调节管路之间还设有放空旁路，所述放空旁路上设有放空阀门。

进一步的，所述电解槽的极板上设置有小室电压监测装置，所述气体洗涤系统的出液口和出气口设有测温装置，所述小室电压监测装置和所述测温装置均与所述液位控制系统、所述出气端控制系统电连接，参与整个装置的自动控制。

进一步的，还包括：

补水系统，包括与所述气体洗涤系统连接的氢侧气动阀门、氧侧气动阀门以及及后级止回阀组成；

冷却水系统，包括与分离器的内部盘管相连接，用于系统的冷却。

一种如上述的大规模宽功率波动水电解制氢装置的制氢方法，包括以下步骤：

正常运行时，碱液在电解槽的小室内被电解，生成氧气和氢气；

氢气处理后输送给用户，氧气处理后排入大气；

运行负荷低于阈值时，出气端控制系统采用单通道形式工作；

运行负荷高于阈值时，出气端控制系统采用双通道形式工作。

进一步的，还包括以下步骤：

正常停机时，出气端控制系统、冷却水系统和碱液循环系统均正常工作，保证电解槽内部的气体带出；

非正常停机时，根据氢、氧不同的液位差值进行判断，当氢侧液位低于下限连锁值时，按照正常停机逻辑执行；当氢侧液位进一步低于联锁值一定液位后，或氧侧液位高于上限联锁值时，关闭氢氧侧后级的气动阀门，使系统处于封闭状态，避免氢氧串气。

本发明提出的大规模宽功率波动水电解制氢装置，与现有技术相比，其有益效果在于：

通过在氢、氧气出口设计双调节阀，实现大容量制氢设备的宽功率调节变化时的全工况响应，同时原三通阀设计修改为双直通球阀可以进一步提升系统的安全性；

通过采用变频泵以及旁路自动球阀设计，改变离心泵转速来改变泵的特性曲线位置，最大化匹配电解槽的不同气量条件下的碱液需求流量，该方法没有附加的能量损失，经济高效，同时可以实现系统的自动调节，提升了系统的宽功率波动适应性；

通过区分氢氧液位的不同条件，提升系统停机的安全性，同时采用液位分档的方式，对系统的不同异常工况加以判定，最大化保证了系统波动工况下的系统安全；

通过同时监测单个小室的电压可以有效判断系统流量分布、反应情况，有效辅助系统的安全运行，同时可减少人员的操作进一步提升了安全性能。

附图说明

图1为本发明制氢装置的原理框架图；

图2为本发明电解槽槽压调节的原理示意图；

图3为本发明液位控制系统的原理示意图；

图4为本发明冷却水系统的原理示意图；

图5为本发明整流输出的原理示意图；

图6为本发明补水系统的原理示意图。

附图序号及名称：1、电解槽，2、氢气分离洗涤器，3、氧气分离洗涤器，4、氢侧气水分离器，5、氧侧气水分离器，6、管道过滤器，7、碱液循环泵，8、碱液流量计，9、小室电压测试系统，10、电解槽氢侧出口压力变送器，11、电解槽氧侧出口压力变送器，12、电解槽氢侧出口铂电阻，13、电解槽氧侧出口铂电阻，14、氢分离洗涤器第一液位计，15、氢分离洗涤器第一差压变送器，16、氢分离洗涤器第二差压变送器，17、氧分离洗涤器液位计，18、氧分离洗涤器第一差压变送器，19、氧分离洗涤器第二差压变送器，20、液位差控制器，21、氢分离洗涤器第二液位计，22、氢分离洗涤器第三差压变送器，23、氧分离洗涤器第二液位计，24、氧分离洗涤器第三差压变送器，25、氢分离洗涤器第一温度计/铂电阻，26、氧分离洗涤器第一温度计/铂电阻，27、氢分离洗涤器第二温度计/铂电阻，28、氧分离洗涤器第二温度计/铂电阻，29、氢纯化前压力变送器，30、氧纯化前压力变送器，31、氢侧第一气动球阀，32、氢侧第一薄膜调节阀，33、氢侧第二气动球阀，34、氢侧第二薄膜调节阀，35、氢侧旁路放空阀门，36、氧侧第一薄膜调节阀，37、氧侧第一气动球阀,38、氧侧第一薄膜调节阀，39、氧侧第一气动球阀，40、氧侧旁路放空阀，41、系统压力变送器，42、管道过滤器进口阀门，43、泵进口铂电阻，44、循环泵进口阀门，45、循环泵出口阀门，46、循环泵出口止回阀，47、碱液流量计后级阀门，48、电解槽进口铂电阻，49、氢侧补水气动阀门，50、氧侧补水气动阀门，51、冷却水旁路气动阀门，52、冷却水旁路球阀,53、冷却水主路薄膜调节阀，54、气动阀门。

具体实施方式

为使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本申请提出的大规模宽功率波动水电解制氢装置，其具体包括：

氢、氧气体系统

从电解槽出来的氢气和碱液混合物一起通过极框上阴极侧的出气孔流过氢气道，汇集后进入氢分离器，在重力作用下进行气液分离，分离出的氢气进入氢气换热器冷却，再进入氢气洗涤器进行冷却、洗涤，经捕滴网捕滴，进入氢侧气水分离器进行最后一步气水分离，从而最大限度减少气体中的含碱量和含水量，最终经氢侧薄膜调节阀排出，进入后级氢气纯化装置进行处理或放空。

氧气处理过程参照上述氢气处理过程。

碱液循环系统

氢、氧分离器中的电解液经连通管汇集，电解液经碱液换热器冷却并流经管道过滤器去除机械杂质进入碱液循环泵，在碱液循环泵的作用下，经流量开关打入电解槽，电解后分别流至氢、氧分离器，形成闭环系统。

控制系统

制氢设备和氢气纯化设备共同使用一套PLC(西门子系列)控制，对装置的主要参数：压力、温度、氢氧液位差可进行自动调节。对制氢装置的工作压力、温度、氢液位、氧液位、氢气纯度和氧气纯度能集中显示。若氢阀后压力、冷却水压力、气源压力、氢氧液位上下限、氢氧纯度产生一定的偏差时能自动声光报警：

当氢侧液位低于下限连锁值时，按照正常停机逻辑执行；当氢侧液位进一步低于联锁值一定液位后，或氧侧液位高于上限联锁值时，关闭氢氧侧后级的气动阀门，使系统处于封闭状态，避免氢氧串气

若装置的主要参数压力、温度、氢氧液位、碱液循环量、气源压力偏离正常值太大，又不能及时处理时，该装置能自动声光报警停车；为了进一步提高本装置的安全运行系数，装置的主要参数压力，设置了双重独立系统，当系统压力控制失灵，装置的运行状态达到危险值时，该独立系统可使装置自动声光报警并联锁停车。

保证各设备及系统在启停、运行及事故情况下的工艺参数显示，同时也要保证系统各设备的正常启停、安全运行及事故报警功能，实现系统及各设备自动控制和联锁功能，数据共享。

氢气纯化设备通过PLC控制，实现干燥器的自动切换，氢气纯度和露点的检测，干燥塔的温度显示、控制，纯度及露点的超限连锁等。氢气纯化装置通过PLC控制三台干燥器的自动切换、再生温度、再生时间。通过安装在纯化装置出口的微量氧分析仪、露点仪，在线监测氢气中的氧含量和露点值，当在线数值超过设定值时，PLC控制纯化装置出口处的气动球阀自动切换，把不合格的氢气放空。

对照图2-图6，本申请控制系统的工作原理如下：

水电解制氢单元部分的自动控制系统主要任务是在装置运行时，对系统压力、温度进行自动调节及控制，以保持系统压力及温度的稳定；对氢、氧液位进行调节，使氢液位、氧液位始终保持平衡；根据制氢装置的实际运行状态自动进行整流输出的电流给定；装置运行时根据一定的条件能对装置的补水进行自动控制；能对水电解后产出的氢气及氧气纯度进行在线分析，并根据气体纯度自动判断是否使氢气进入下一工艺流程；当装置运行异常时及时发出报警信号，如果装置的主要受控参数超出规定的极限值时，自动发出连锁信号切断整流柜输出直流电流，使电解槽停止工作。本自动控制系统还设置了槽压的二次保护功能，即当自动控制系统失灵时，槽压的超上限信号通过防爆电接点压力表或压力开关直接联锁整流柜直流电流输出，从而保障装置的安全稳定运行。

综上，仅为本发明之较佳实施例，不以此限定本发明的保护范围，凡依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆为本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (10)

1.一种大规模宽功率波动水电解制氢装置，其特征在于，包括：

电解槽，所述电解槽内包括多个小室，在各个小室的内部水被电解为氢气和氧气；

气体洗涤系统，通过管道与所述电解槽内每个小室连通，用于将所述电解槽产生的氢气和氧气进行气液分离及冷却，同时通过洗涤系统保证出口气体品质；

碱液循环系统，用于将所述气体洗涤器中的液体与所述电解槽连通，实现碱液的循环利用；

出气端控制系统，所述气体洗涤器的出气口经由所述出气端控制系统连接大气或用户，用于实现出气端的智能控制。

2.根据权利要求1所述的大规模宽功率波动水电解制氢装置，其特征在于，所述气体洗涤系统包括：

氢分离洗涤器和氧分离洗涤器，所述氢分离洗涤器和所述氧分离洗涤器之间设有液位控制系统，通过对比两个洗涤器的实际液位进行系统控制调节。

3.根据权利要求2所述的大规模宽功率波动水电解制氢装置，其特征在于，所述液位控制系统包括：

液位计，用于显示所述氢分离洗涤器和所述氧分离洗涤器内洗涤液的液位；

差压变送器，用于测量所述氢分离洗涤器和所述氧分离洗涤器内的压力；

液位差控制器，用于根据液位计的显示结果以及差压变送器的测量结果，对系统各种工况进行判定，并控制出气端控制系统作出相应动作，保证系统长期处于安全液位范围内。

4.根据权利要求3所述的大规模宽功率波动水电解制氢装置，其特征在于，所述碱液循环系统包括连接于所述气体洗涤系统的出液口与所述电解槽之间的循环管道，所述循环管道上设有：

管道过滤器，用于防止进入电解槽的碱液中含有杂质；

碱液循环泵，选用变频泵，用于根据系统需求以不同转速输出；

气动阀门，连接于碱液循环泵两端的循环管道上，构成所述碱液循环泵的旁路，配合碱液循环泵用于满足系统不同工况下对碱液流量的需求；

碱液流量计，用于实时测量循环管道内碱液的流量。

5.根据权利要求4所述的大规模宽功率波动水电解制氢装置，其特征在于，所述出气端控制系统包括：

两个薄膜调节阀并联成的第一调节管路，所述第一调节管路与所述气体洗涤系统的出气口连通；

两个气动球阀并联成的第二调节管路，所述第二调节管路与大气连通；

所述第一调节管路与所述第二调节管路串联。

6.根据权利要求5所述的大规模宽功率波动水电解制氢装置，其特征在于：所述气体洗涤器的出气口与所述第二调节管路之间还设有放空旁路，所述放空旁路上设有放空阀门。

7.根据权利要求6所述的大规模宽功率波动水电解制氢装置，其特征在于：所述电解槽的极板上设置有小室电压监测装置，所述气体洗涤系统的出液口和出气口设有测温装置，所述小室电压监测装置和所述测温装置均与所述液位控制系统、所述出气端控制系统电连接，参与整个装置的自动控制。

8.根据权利要求7所述的大规模宽功率波动水电解制氢装置，其特征在于，还包括：

补水系统，包括与所述气体洗涤系统连接的氢侧气动阀门、氧侧气动阀门以及及后级止回阀组成；

冷却水系统，包括与分离器的内部盘管相连接，用于系统的冷却。

9.一种如权利要求8任意一项所述的大规模宽功率波动水电解制氢装置的制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：

正常运行时，碱液在电解槽的小室内被电解，生成氧气和氢气；

氢气处理后输送给用户，氧气处理后排入大气；

运行负荷低于阈值时，出气端控制系统采用单通道形式工作；

运行负荷高于阈值时，出气端控制系统采用双通道形式工作。

10.根据权利要求9所述的制氢方法，其特征在于，还包括以下步骤：

正常停机时，出气端控制系统、冷却水系统和碱液循环系统均正常工作，保证电解槽内部的气体带出；

非正常停机时，根据氢、氧不同的液位差值进行判断，当氢侧液位低于下限连锁值时，按照正常停机逻辑执行；当氢侧液位进一步低于联锁值一定液位后，或氧侧液位高于上限联锁值时，关闭氢氧侧后级的气动阀门，使系统处于封闭状态，避免氢氧串气。

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