CN116005199B - 应用于小型制氢设备的多功能监测辅助系统 - Google Patents

应用于小型制氢设备的多功能监测辅助系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应用于小型制氢设备的多功能监测辅助系统,能够实现对纯水箱的水位、水温、漏氢的实时监测,电解槽的运行温度的监测,以及纯水输送至电解槽时的水压监测,从而监控纯水箱与电解槽之间的纯水循环和气体流动情况,为系统的稳定运行提高保证,具体地,该系统包括:设置于纯水箱内、用于检测水箱水温的第一温度传感器;设置于纯水箱内的液位传感器;设置于电解槽内、用于检测电解槽运行温度的第二温度传感器;设置于热交换器的一次侧进水口的第一流量控制阀;设置于电解槽进水管路上的第一压力传感器;设置于第三管路上的第二压力传感器。

Description

应用于小型制氢设备的多功能监测辅助系统
技术领域
本发明涉及水电解制氢系统的技术领域,尤其涉及一种应用于小型制氢设备的多功能监测辅助系统。
背景技术
在一些小型PEM水电解制氢设备中,由于空间有效,设备内部地纯水箱、电解槽、热交换器、喷射泵等主要器件地布局就会比较紧凑,这些主要器件一旦出现问题,则会导致制氢设备无法稳定持续地运行,为此,有必要设计一套能够监测这些器件之间工作是否良好地辅助系统,用以保证设备地稳定运行。
发明内容
本发明提供一种应用于小型制氢设备的多功能监测辅助系统,能够实现对纯水箱的水位、水温、漏氢的实时监测,电解槽的运行温度的监测,以及纯水输送至电解槽时的水压监测,从而监控纯水箱与电解槽之间的纯水循环和气体流动情况,为系统的稳定运行提高保证。
本发明的技术方案如下:
一种应用于小型制氢设备的多功能监测辅助系统,小型制氢设备包括通过第一管路依次连通的纯水箱、喷射泵、热交换器、电解槽,所述电解槽还通过第二管路与纯水箱连通,所述纯水箱还通过第三管路与所述热交换器连接,其特征在于,多功能监测辅助系统包括:
设置于纯水箱内、用于检测水箱水温的第一温度传感器;
设置于纯水箱内的液位传感器;
设置于电解槽内、用于检测电解槽运行温度的第二温度传感器;
设置于热交换器的一次侧进水口的第一流量控制阀;
设置于第一管路上的第一压力传感器;
设置于第三管路上的第二压力传感器;
以及设置于纯水箱外部上方的内循环风机,所述内循环风机的进风口和出风口均通过进风管与出风管与纯水箱连通,所述进风管上设置有氢气传感器,所述出风管上设置有内置吸氢剂的吸氢缸。
可选地,所述热交换器的右侧出水端设置有法兰四通,所述法兰四通的第二接口与第三管路连接,其第三接口连接所述第二压力传感器,其第四接口连接有法兰三通;所述法兰三通的第二接口通过第一管路与电解槽连通,其第三接口连接所述第一压力传感器。
可选地,还包括抽氧风机,所述抽氧风机与所述纯水箱连接,所述纯水箱内设置有第三压力传感器。
可选地,所述吸氢剂为Ag400合成银离子交换分子筛。
可选地,所述氢气传感器为SAW氢气传感器、金属氧化物半导体氢气传感器、热导率氢气传感器或者电化学氢气传感器。
可选地,还包括设置在第三管路上的过滤沙缸和陶瓷过滤缸。
可选地,还包括:设置于所述电解槽的进水口和出水口的第一流量计和第二流量计。
可选地,所述喷射泵的出水端还引出第四管路,所述第四管路与所述电解槽的进水端连接,且该第四管路上设置有第一控制阀,所述热交换器与电解槽连接的第一管路上设置有第二控制阀。
本发明提供的多功能监测辅助系统,主要用于监测小型制氢设备纯水箱和电解槽的状态。根据本发明提供给的多功能监测辅助系统,能够实现对纯水箱的水位、水温、漏氢的实时监测,电解槽的运行温度的监测,以及纯水输送至电解槽时的水压监测,从而监控纯水箱与电解槽之间的纯水循环和气体流动情况,为系统的稳定运行提高保证。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例,对本发明进行详细说明。
如图1所示,为一种小型制氢设备的系统示意图,参见图1,该小型制氢设备包括通过第一管路依次连通的纯水箱100、喷射泵200、热交换器300、电解槽400,所述电解槽还通过第二管路与纯水箱连通,所述纯水箱还通过第三管路与所述热交换器连接。第一管路构成一个供水循环,由喷射泵将纯水箱内的水送入热交换器冷却后再送入电解槽内,为电解槽提供纯水的同时冷却电解槽。第三管路构成水箱冷却循环,热交换器冷却后的水一路流向电解槽,另一路则通过第三管路流向纯水箱,以降低纯水箱的水温,避免纯水箱内的水温过高。
基于上述设备,本发明提供了一种多功能监测辅助系统,用于监测纯水箱和电解槽的状态是否正常;并在异常情况下,通过控制喷射泵和热交换器来调节纯水箱和电解槽的状态,使其恢复正常。
具体地,该多功能监测辅助系统包括:
设置于纯水箱内、用于检测水箱水温的第一温度传感器;
设置于纯水箱内的液位传感器;
设置于电解槽内、用于检测电解槽运行温度的第二温度传感器;
设置于热交换器的一次侧进水口的第一流量控制阀;
设置于第一管路上的第一压力传感器;
设置于第三管路上的第二压力传感器;
以及设置于纯水箱外部上方的内循环风机,所述内循环风机的进风口和出风口均通过进风管与出风管与纯水箱连通,所述进风管上设置有氢气传感器,所述出风管上设置有内置吸氢剂的吸氢缸。
制氢设备在运行时,纯水箱内的水在喷射泵的作用下不断被送入电解槽,不断消耗,纯水箱的水位将持续下降,此使液位传感器会监测水位,在水位下降至低位时,发出信号以供系统向纯水箱内补充纯水,使得纯水箱内由足够的纯水来维持供水循环所需的水量。
电解槽电解的同时会产生大量的热量,使得电解槽的温度升高,此使,第二温度传感器可以实时监测电解槽的温度,并在电解槽接近临界温度前,向喷射泵发送信号以加大送水压力,增加纯水箱与电解槽之间的水循环速度,以更快地带走电解槽电解时产生地热量。
当电解槽排出地氧气和水循环到纯水箱内后,由于电解槽地加热,循环水地温度被升高,由第一温度传感器监测水箱内的水温,并在水箱内水温超过设定范围(超过设定范围地最大值)时,第一温度传感器向流量控制阀发送调节信号,流量控制阀根据该信号来调整开度,以增加热交换器的冷却效率,使得热交换器能够对水箱冷却循环内的水进一步冷却,以此来降低纯水箱内的水温;并且,由于供水循环和水箱冷却循环共用热交换器,当热交换器的冷却效率提高后,供水循环内的纯水也会得到进一步冷却,从而加强对电解槽的冷却效果。
供水循环和水箱冷却循环内在第一管路和第三管路的相接处分流,分流会引起水压的变化,由第一压力传感器和第二压力传感器来监测分流后的水压。第一压力传感器和第二压力传感器监测的压力之和与喷射泵的输出压力有较大出入的,则表面存在较大的压力损失,此时,需要增加喷射泵的压力,以保证进入电解槽内的水具有足够的压力,令纯水与电解槽内的PEM有效接触以发生电解反应。若是喷射泵的压力增加后,第一压力传感器和第二压力传感器监测到的压力值无变化,则考虑管路渗水情况,发出警告。
应当说明的是,喷射泵的输送压力(送水压力)应当优先满足电解槽对水压的要求,即当第二温度传感器未监测到电解槽的运行温度异常,而第一压力传感器监测到电解槽的进水压力较小,喷射泵会根据第一压力传感器反馈的信号来增压;若增压后第二温度传感器监测到电解槽的运行温度异常,则喷射泵进一步增压。
当电解槽将水和氧气排放到纯水箱后,启动内循环风机开启纯水箱内的气体循环,箱内气体在循环风机的作用下,循环进入进风管,并自出风管回流到纯水箱中,在进入进风管时,由进风管上的氢气传感器纯水箱中是否有从电解槽渗漏过来的氢气,并且在氢气经过出风管循环回纯水箱时,通过吸氢剂来排除掉气体中存在的微量氢气,从而实现制氢系统的漏氢检测和排氢。
电解槽阴极析出地氢气和阳极析出地氧气时通过中间的PEM膜(即质子交换膜)隔离,但质子交换膜无法完全阻隔氢气从阴极区渗透到阳极区,因此,氧气和水回流到纯水箱中的氧气和水中可能还会混入氢气,尽量这部分氢气的量相对于氧气而言是极少的,但纯水箱内是个密闭空间,随着氢气和氧气的于纯水箱中积累汇聚,有一定概率引起氢气爆炸。基于此,于多功能监测辅助系统内还进一步进入漏氢和排氢功能,通过在纯水箱的外顶部设置内循环风机600,将该内循环风机的进风口和出风口分别通过进风管和出风管连接在纯水箱内,并在进风管上设置氢气传感器610,在出风管上设置吸氢剂620。当电解槽排出的水和氧气进行纯水箱后,启动内循环风机开启纯水箱内的气体循环,在箱内气体流经氢气传感器时检测纯水箱中是否有从电解槽渗漏过来的氢气,并且在氢气经过出风管循环回纯水箱时,通过吸氢剂来排除掉气体中存在的微量氢气,从而实现制氢系统的漏氢检测和排氢。
具体地,应当说明的是,内循环风机可以自系统开机后始终保持运行直至系统停机或关机,或者每间隔一个周期运行一段时间,在本实施例中选用的每间隔一个周期运行一段时间,以此降低系统能耗。当氢气传感器检测到氢气时,则自动延长运行时间,直至没有检测到氢气为止。
在本实施例中,所述氢气传感器优选为SAW氢气传感器(即表面声波氢气传感器),其响应时间短,灵敏度高,可实现对低浓度氢气的快速检测,及时检测纯水箱的含氢异常。
应当说明的是,所述氢气传感器并不局限于SAW氢气传感器,也可以是金属氧化物半导体氢气传感器、热导率氢气传感器以及电化学氢气传感器。具体地,金属氧化物半导体氢气传感器可以采用日本费加罗FIGARO公司生产的型号为TGS821的氢气传感器,其传感器对氢气浓度检测具有高敏感度,且具有很好的重复性和稳定性;并且采用陶瓷基底,抗环境能力强。热导率氢气传感器可以采用美国NTM Sensors公司的SenseH2-R氢气传感器,该传感器同样具备快速响应和快速恢复的优点,且不受气体流速的干扰。
在本实施例中,所述吸氢剂为Ag400合成银离子交换分子筛。Ag400的脱氢原理主要是通过物理吸氢同时与氢发生化学反应而吸收氢,具体地Ag400中含有活性银离子,在吸氢过程中氢与银离子结合形成稳定的氢键,并镶嵌在分子筛载体的晶格中,最终实现脱除氢气的目的。
在本实施例中,所述热交换器的右侧出水端设置有法兰四通,所述法兰四通的第二接口与第三管路连接,其第三接口连接所述第二压力传感器,其第四接口连接有法兰三通;所述法兰三通的第二接口通过第一管路与电解槽连通,其第三接口连接所述第一压力传感器。通过将压力传感器设置在法兰三通/法兰四通的设计,避免了在管路另外开孔,保证了管路的完整性,能够减低管路渗、漏水的风险。
如前文所述,纯水箱是一个密闭的空间,电解槽产生氧气随水回流至纯水箱后,如果不及时将电解产生的氧气排出,纯水箱内的氧气越来越多,从而增加水箱内部压力,这对水箱而言是很危险的。为此,在本实施例中,在纯水箱外增设抽氧风机500,通过管路将抽氧风机与纯水箱连通,并在纯水箱内设置第三压力传感器。根据第三压力传感器检测纯水箱内的气压,通过气压检测结果来调整抽氧风机的开闭,以将纯水箱内部聚集氧气排出。
应当说明地是,在检测氢气地过程中,抽氧风机是停止运行地,避免影响对漏氢地检测效果。在不检测氢气地时间间隔内,抽氧风机根据箱内压力情况进行排气,以保持箱内地压力正常。
由于电解槽工作的同时会有杂质析出,这样会影响到纯水箱内的水质。为此,在本实施例中,在所述第一法兰四通的第二接口与纯水箱连接的管路上设置有过滤沙缸和陶瓷过滤缸。由此,当冷却后的纯水回流至纯水箱时,可利用过滤沙缸和陶瓷过滤缸对回流水进行双重过滤从而保证水箱内的存水一直保有足够的纯净度。
在本实施例中,在所述电解槽的进水口和出水口分别设置第一流量计410和第二流量计420。通过第一流量计和第二流量计分别计算电解槽地进水流量和出水流向,计算电解槽槽电解过程中地耗水量,在控制好电解槽工作温度地基础上,通过耗水量来补偿供水,以保证电解槽内纯水流量足够满足电解槽地电解需求。
并且,所述喷射泵的出水端还引出第四管路,所述第四管路与所述电解槽的进水端连接,且该第四管路上设置有第一控制阀,所述热交换器与电解槽连接的第一管路上设置有第二控制阀。由于自热交换器冷却后地水分两路一路回流到纯水箱,一路流入电解槽,只有流入电解槽地才会参与相应地电解槽供水和冷却。在喷射泵地压力经过分流后,水压会相应减少,对于一些极端情况,例如电解槽内PEM膜收到污染,导致过多地电能转换为热能,分流过来地冷却纯水可能无法有效满足电解槽地快速冷却需求。为此,通过设置一个备用冷却回路,由喷射泵直接将纯水箱内地纯水送入电解槽对电解槽进行降温。
本发明提供的多功能监测辅助系统,主要用于监测小型制氢设备纯水箱和电解槽的状态。根据本发明提供给的多功能监测辅助系统,能够实现对纯水箱的水位、水温、漏氢的实时监测,电解槽的运行温度的监测,以及纯水输送至电解槽时的水压监测,从而监控纯水箱与电解槽之间的纯水循环和气体流动情况,为系统的稳定运行提高保证。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用于限制本发明,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 (8)

1.一种应用于小型制氢设备的多功能监测辅助系统,小型制氢设备包括通过第一管路依次连通的纯水箱、喷射泵、热交换器、电解槽,所述电解槽还通过第二管路与纯水箱连通,所述纯水箱还通过第三管路与所述热交换器连接,其特征在于,多功能监测辅助系统包括:
设置于纯水箱内、用于检测水箱水温的第一温度传感器;
设置于纯水箱内的液位传感器;
设置于电解槽内、用于检测电解槽运行温度的第二温度传感器;
设置于热交换器的一次侧进水口的第一流量控制阀;
设置于第一管路上的第一压力传感器;
设置于第三管路上的第二压力传感器;
以及设置于纯水箱外部上方的内循环风机,所述内循环风机的进风口和出风口均通过进风管与出风管与纯水箱连通,所述进风管上设置有氢气传感器,所述出风管上设置有内置吸氢剂的吸氢缸;
当第二温度传感器未监测到电解槽的运行温度异常,而第一压力传感器监测到电解槽的进水压力较小,喷射泵会根据第一压力传感器反馈的信号来增压;若增压后第二温度传感器监测到电解槽的运行温度异常,则喷射泵进一步增压;
第一管路构成一个供水循环,由喷射泵将纯水箱内的水送入热交换器冷却后再送入电解槽内;第三管路构成水箱冷却循环,热交换器冷却后的水一路流向电解槽,另一路则通过第三管路流向纯水箱。
2.根据权利要求1所述的应用于小型制氢设备的多功能监测辅助系统,其特征在于,所述热交换器的二次侧出水端设置有法兰四通,所述法兰四通的第二接口与第三管路连接,其第三接口连接所述第二压力传感器,其第四接口连接有法兰三通;所述法兰三通的第二接口通过第一管路与电解槽连通,其第三接口连接所述第一压力传感器。
3.根据权利要求2所述的应用于小型制氢设备的多功能监测辅助系统,其特征在于,还包括抽氧风机,所述抽氧风机与所述纯水箱连接,所述纯水箱内设置有第三压力传感器。
4.根据权利要求1所述的应用于小型制氢设备的多功能监测辅助系统,其特征在于,所述吸氢剂为Ag400合成银离子交换分子筛。
5.根据权利要求1所述的应用于小型制氢设备的多功能监测辅助系统,其特征在于,所述氢气传感器为SAW氢气传感器、金属氧化物半导体氢气传感器、热导率氢气传感器或者电化学氢气传感器。
6.根据权利要求1所述的应用于小型制氢设备的多功能监测辅助系统,其特征在于,还包括设置在第三管路上的过滤沙缸和陶瓷过滤缸。
7.根据权利要求1所述的应用于小型制氢设备的多功能监测辅助系统,其特征在于,还包括:设置于所述电解槽的进水口和出水口的第一流量计和第二流量计。
8.根据权利要求1所述的应用于小型制氢设备的多功能监测辅助系统,其特征在于,所述喷射泵的出水端还引出第四管路,所述第四管路与所述电解槽的进水端连接,且该第四管路上设置有第一控制阀,所述热交换器与电解槽连接的第一管路上设置有第二控制阀。
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