CN116240567A - 电解槽组及碱液电解制氢系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种电解槽组及碱液电解制氢系统，该电解槽组包括多个电解槽以及与多个所述电解槽一一对应连通的多个碱液罐，多个所述碱液罐中包括至少一个带有伴热结构的主碱液罐以及多个副碱液罐；所述电解槽组还包括第一碱液循环回路和第二碱液循环回路，所述第一碱液循环回路用于将所述主碱液罐中的部分碱液输送到多个所述副碱液罐中并将多个所述副碱液罐中的部分碱液回流至所述主碱液罐中，所述第二碱液循环回路用于将多个所述电解槽中的部分随氢气外流的碱液收集并分别将收集后的碱液输送至各所述电解槽中。如此，能够提高启动效率、减少启动时间。

Description

电解槽组及碱液电解制氢系统

技术领域

本公开涉及电解水制氢技术领域，具体地，涉及一种电解槽组及碱液电解制氢系统。

背景技术

电解水制氢是目前最常见的制氢技术之一，其中碱液电解制氢技术相对成熟，目前电解水制氢主要以化石燃料制氢为主，为了减少能源消耗、降低碳排放，在一些碱液电解制氢生产中会采用可再生能源来替代化石能源制取氢气，例如可再生能源可以是光伏，光伏电源制氢装置会受到光照时间的限制，所以电解槽需要经常启闭，同时为了提升光伏制氢波动适应性，电解槽逐渐形成并联组合式碱液电解系统，当多个电解槽进行启动制氢时，需要逐个依次对电解槽中的碱液进行升温至制氢所需温度，即通过电解槽的电压和电流以及电解水过程中所放出的热量对电解槽中的碱液进行升温，目前，单个电解槽的升温启动所需时间通常需要大约3个小时，现有的逐个对电解槽的升温存在启动时间过长、启动效率低下，同时在启动升温过程中还会伴随着大量的不合格氢气排空处理，造成制氢成本居高不下。

发明内容

本公开的目的是提供一种电解槽组及碱液电解制氢系统，该电解槽组的能够提高启动效率、减少启动时间以至少部分地解决相关技术中的问题。

为了实现上述目的，本公开提供一种电解槽组，包括多个电解槽以及与多个所述电解槽一一对应连通的多个碱液罐，多个所述碱液罐中包括至少一个带有伴热结构的主碱液罐以及多个副碱液罐；所述电解槽组还包括第一碱液循环回路和第二碱液循环回路，所述第一碱液循环回路用于将所述主碱液罐中的部分碱液输送到多个所述副碱液罐中并将多个所述副碱液罐中的部分碱液回流至所述主碱液罐中，所述第二碱液循环回路用于将多个所述电解槽中的部分随氢气外流的碱液收集并分别将收集后的碱液输送至各所述电解槽中。

可选地，所述第一碱液循环回路包括第一出液管和第一回液管，所述第一出液管的入口与所述主碱液罐的出口连通，所述第一出液管上设有多个第一出液支管，多个所述第一出液支管分别与多个所述副碱液罐的入口一一对应连通，所述第一回液管的出口与所述主碱液罐的入口连通，所述第一回液管上设有多个第一回液支管，多个所述第一回液支管分别与多个所述副碱液罐的出口一一对应连通，其中，所述第一出液支管上设置有第一控制阀，所述第一回液支管上设置有碱液泵。

可选地，相邻的两个副碱液罐之间设置有补液支管，所述补液支管的一端与连通于其中一个所述副碱液罐的第一回液支管连通，且与所述第一回液支管的连通处位于该第一回液支管上的所述碱液泵的下游，所述补液支管的另一端连通于所述第一出液管，且与所述第一出液管的连通处位于该相邻的两个副碱液罐的相邻的两个所述第一控制阀之间。

可选地，所述第二碱液循环回路包括碱液循环泵、氢分离器和氧分离器，所述氢分离器的入口分别与多个所述电解槽的氢气出口连通，所述氢分离器的碱液出口通过所述碱液循环泵分别连通于各所述电解槽的入口，所述氧分离器的入口分别与多个所述电解槽的氧气出口连通，所述氧分离器的碱液出口通过所述碱液循环泵分别连通于各所述电解槽的入口。

可选地，所述氢分离器的数量为多个且多个所述氢分离器并联布置，和/或，所述氧分离器的数量为多个且多个所述氧分离器并联布置。

可选地，所述第二碱液循环回路包括与所述氢分离器的入口连通的第二回液管以及与所述氧分离器的入口连通的第三回液管，其中，所述第二回液管上设有多个第二回液支管，多个所述第二回液支管分别与多个所述电解槽的氢气出口一一对应连通，所述第三回液管上设有多个第三回液支管，多个所述第三回液支管分别与多个所述电解槽的氧气出口一一对应连通；所述第二碱液循环回路还包括与所述碱液循环泵连通的第二出液管以及分别连通于所述第二出液管的多个第二出液支管，多个所述第二出液支管分别与多个所述电解槽的入口一一对应连通。

可选地，所述第二出液支管上设置有第二控制阀。

可选地，所述电解槽上设置有散热机构。

可选地，所述副碱液罐上设置有保温结构。

第二方面，本公开提供一种碱液电解制氢系统，包括上述电解槽组。

通过上述技术方案，通过主碱液罐设有伴热结构，并通过第一碱液循环回路将主碱液罐中的加热后形成的部分高温碱液输送至对应的副碱液罐中，同时通过第二碱液循环回路将已经正常制氢的电解槽中的部分高温碱液循环至下一个待启动的电解槽中，从而相对于现有的电解槽碱液的升温主要靠通入本电解槽的电压和电流及电解水过程中所放出的热量的方式，能够将多个电解槽中的碱液快速升温，提高多台碱性电解槽的启动速度。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开示例性实施方式中提供的制氢电解槽组的制氢工艺流程示意图。

附图标记说明

1-电解槽；2-碱液罐；21-主碱液罐；22-副碱液罐；3-伴热结构；4-第一碱液循环回路；41-第一出液管；411-第一出液支管；42-第一回液管；421-第一回液支管；43-第一控制阀；44-第四控制阀；45-流量测量机构；5-第二碱液循环回路；51-碱液循环泵；52-氢分离器；53-氧分离器；531-第二回液支管；54-第二回液管；541-第二回液支管；55-第三回液管；551-第三回液支管；56-第二出液管；561-第二出液支管；57-第二控制阀；6-碱液泵；7-补液支管；71-第三控制阀；8-散热机构；9-保温结构。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，本公开中使用的术语“第一”、“第二”等是为了区别一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。

碱液制氢装置通常为多台电解槽的结构，本公开实施方式中主要通过光伏发电来制氢，光伏发电会受到光照时间的限制，所以电解槽需要经常启闭，同时为了提升光伏制氢波动适应性，电解槽逐渐形成并联组合式碱液电解系统，当多个电解槽进行启动制氢时，需要逐个依次对电解槽中的碱液进行升温至制氢所需温度，即通过电解槽的电压和电流以及电解水过程中所放出的热量对电解槽中的碱液进行升温，将第一台电解槽温度从室温10℃达到正常工况90～95℃，其他参数达到额定状态，产氢合格后，再开启第二台电解槽，并通过循环水保持电解槽中的碱液温度稳定，单台电解槽启动所需时间约3个小时，例如每组有4台电解槽，每组电解槽启动所需时间为12个小时，启动时间过长，同时在启动过程中产生的氢气还需要排空处理，造成氢气的浪费。

为了解决上述技术问题，如图1所示，本公开提供一种电解槽组，包括多个电解槽1以及与多个电解槽1一一对应连通的多个碱液罐2，多个碱液罐2中包括至少一个带有伴热结构3的主碱液罐21以及多个副碱液罐22；电解槽组还包括第一碱液循环回路4和第二碱液循环回路5，第一碱液循环回路4用于将主碱液罐21中的部分碱液输送到多个副碱液罐22中并将多个副碱液罐22中的部分碱液回流至主碱液罐21中，第二碱液循环回路5用于将多个电解槽1中的部分随氢气外流的碱液收集并分别将收集后的碱液输送至各电解槽1中。

通过上述技术方案，在对制氢电解槽组进行启动时，首先，通过伴热结构3将主碱液罐21中的碱液升温至预设温度，并通过第一碱液循环回路4将主碱液罐21中的高温碱液送至与主碱液罐21相对应的电解槽1中，以使电解槽1能够快速进入制氢状态，当与主碱液罐21相对应的电解槽1进入正常制氢状态之后，其次，开始依次启动副碱液罐22对应的电解槽1，即将主碱液罐21中的部分高温碱液输送至与主碱液罐21相对应的电解槽1中，同时通过第一碱液循环回路将部分高温碱液逐次输送至对应的副碱液罐22中，以将副碱液罐22对应的电解槽1中制氢使用的碱液快速升温至制氢温度，使电解槽1能够较快地进入制氢状态，通过第一碱液循环回路还可以将副碱液罐22中部分的碱液回流至主碱液罐21中再次加热并循环使用，同时通过第二碱液循环回路5将多个电解槽1中的部分随氢气外流的碱液收集并分别将收集后的碱液输送至稳定制氢的电解槽1中以及正在启动的电解槽1中，从而相对于现有的电解槽1碱液的升温主要靠通入本电解槽1的电压和电流及电解水过程中所放出的热量的方式，能够将多个电解槽1中的碱液快速升温，提高多台电解槽1的启动速度，提高了制氢效率。

需要说明的是，伴热结构3可以是电伴热结构，电伴热结构可以由导电聚合物、两根平行的金属丝和绝缘护套组成，通电加热之后将主碱液罐21中的碱液加热升温，当然，上述伴热结构3为电伴热机构是示意性的，在其他的实施方式中，伴热结构3还可以为其他的结构，例如，伴热结构3还可以为风伴热结构，本公开对伴热结构3的具体结构不做限定，只要能够实现对主碱液罐21中的碱液加热升温即可。

为了便于将主碱液罐21中的部分高温碱液输送至各副碱液罐22中并将各副碱液罐22中的部分低温碱液再次回流至主碱液罐21加热，在一些可实施的方式中，第一碱液循环回路4包括第一出液管41和第一回液管42，第一出液管41的入口与主碱液罐21的出口连通，第一出液管41上设有多个第一出液支管411，多个第一出液支管411分别与多个副碱液罐22的入口一一对应连通，如此，可以将主碱液罐21中的高温碱液通过不同的第一出液支管411输送到对应的不同的副碱液罐22中，其中，第一出液管41上的第一出液支管411的数量可以与副碱液罐22的数量相等，为了便于逐次对不同的电解槽1进行启动，在第一出液支管411上设置有第一控制阀43，如此，可以通过控制第一控制阀43的开启或关闭选择性地将主碱液罐21中的高温碱液引流至相应的副碱液罐22中；此外，通过第一回液管42的出口与主碱液罐21的入口连通，第一回液管42上设有多个第一回液支管421，多个第一回液支管421分别与多个副碱液罐22的出口一一对应连通，以及在第一回液支管421上设置有碱液泵6，能够通过碱液泵6提供动力将对应的副碱液罐22中的碱液回流至主碱液罐21中再次加热后循环使用。当然，第一回液支管421还可以与对应的电解槽1的入口连通，如此，碱液泵6还可以将对应的副碱液罐22中的碱液输送至对应的电解槽1中。

为了减少相邻的副碱液罐22中启动次序靠后的副碱液罐22对应的电解槽1的启动时间，即在相邻的两个副碱液罐22中，其中一个副碱液罐22对应的电解槽1已经处于正常制氢状态，需要对相邻的另外一个副碱液罐22对应的电解槽1进行启动时，在两个副碱液罐22之间设置有补液支管7，补液支管7的一端与连通于已经处于正常制氢状态的副碱液罐22的第一回液支管421连通，且与第一回液支管421的连通处位于该第一回液支管421上的碱液泵6的下游，从而能够将对对应的处于正常制氢状态下的副碱液罐22中的碱液通过引流至补液支管7中，同时，补液支管7的另一端连通于第一出液管41，且与第一出液管41的连通处位于该相邻的两个副碱液罐22的相邻的两个第一控制阀43之间。如此，通过补液支管7的设置能够将已经处于正常制氢状态下的副碱液罐22中的高温碱液输送至第一出液管41中，并将此高温碱液与主碱液罐21中的高温碱液一同输送至下游的待启动的副碱液罐22中，并将待启动的副碱液罐22中的高温碱液输送至对应的电解槽1中，以减少对应的电解槽1的启动时间，提高启动效率。

此外，为了便于控制补液支管7中通过的高温碱液的流量，在一些具体的实施方式中，在补液支管7上还设有第三控制阀，通过调节第三控制阀的阀开度来控制补液支管7中通过的高温碱液的流量，以使处于正常制氢状态下的副碱液罐22中有足够的高温碱液供对应的电解槽1使用，同时又可以将部分多余的高温碱液通过补液支管7流入待启动的副碱液罐22中。

当然，为了控制主碱液罐21中的高温碱液流入各副碱液罐22中的流量，在与主碱液罐21连通的第一出液管41上设有第四控制阀44，通过控制第四控制阀44的阀开度来控制第一出液管41进入各副碱液罐22中的流量。

在制氢过程中，在电解槽1中水会分解产生氢气和氧气，氢气和氧气会与循环电解液一起分别由电解槽1的氢气出口和氧气出口排出，为了便于回收并循环使用电解槽1中制氢时随着氢气和氧气外流的碱液，在一些可实施的方式中，第二碱液循环回路5包括碱液循环泵51、氢分离器52和氧分离器53，氢分离器52的入口分别与多个电解槽1的氢气出口连通，氢分离器52的碱液出口通过碱液循环泵51分别连通于各电解槽1的入口，氧分离器53的入口分别与多个电解槽1的氧气出口连通，氧分离器53的碱液出口通过碱液循环泵51分别连通于各电解槽1的入口。如此，通过氢分离器52和氧分离器53将氢气和氧气与碱液分离，之后通过碱液循环泵51将分离后的碱液选择性地输送至各电解槽1中。其中，为了提高氢气与碱液的分离效率，在一些可实施的方式中，氢分离器52的数量为多个且多个氢分离器52并联布置，和/或，氧分离器53的数量为多个且多个氧分离器53并联布置。例如，氢分离器52和氧分离器53的数量均可以有两个，两个氢分离器52并联布置且两个氧分离器53并联布置，从而，通过两个氢分离器52和两个氧分离器53的设置能够快速将碱液、氢气和氧气进行分离。

为了便于循环使用电解槽1中制氢时随着氢气和氧气外流的碱液，在一些可实施的方式中，第二碱液循环回路5包括与氢分离器52的入口连通的第二回液管54以及与氧分离器53的入口连通的第三回液管55，其中，第二回液管54上设有多个第二回液支管541，多个第二回液支管541分别与多个电解槽1的氢气出口一一对应连通，第三回液管55上设有多个第三回液支管551，多个第三回液支管551分别与多个电解槽1的氧气出口一一对应连通；从而能够通过第二回液支管541和第三回液支管551将对应的电解槽1中产生的带有部分碱液的氢气和带有部分碱液的氧气分别汇流至对应的第二回液管54和第三回液管55中并进入氢分离器52和氧分离器53中进行气液分离；第二碱液循环回路5还包括与碱液循环泵51连通的第二出液管56以及分别连通于第二出液管56的多个第二出液支管561，多个第二出液支管561分别与多个电解槽1的入口一一对应连通，如此，经过氢分离器52和氧分离器53之后分离的碱液进入碱液循环泵51中，并通过碱液循环泵51将碱液通过第二出液管56上的多个第二出液支管561选择性地输送至对应的电解槽1中，为了便于控制碱液的输送量，在一些可实施的方式中，第二出液支管561上还可以设置有第二控制阀57，通过控制第二控制阀57的阀开度来选择性的控制碱液进入对应的电解槽1以及控制进入电解槽1中碱液的流量。

电解制氢过程中会放热从而将电解槽1中的碱液的温度升高，为了将电解槽1中的碱液温度控制在反应温度稳定制氢，在一些可实施的方式中，电解槽上设置有散热机构8。例如，散热机构可以是设置在电解槽上的换热器，换热器中通入低温的冷却液，通过低温的冷却液与电解槽1中的高温碱液或者即将进入电解槽中的高温碱液进行换热，从而能够保持电解槽1中的碱液的温度控制在反应温度范围内。此外，在上述散热机构为电解槽上的换热器的基础上，还可以设有换热支路，换热支路设置在相邻的两个电解槽之间，用于将已正常制氢的电解槽中的热量与待启动的下一个电解槽中进行交换对待启动的电解槽中的碱液进行加热，以利用正常制氢的电解槽中产生的热量，提高待启动的电解槽的启动速度，待启动的电解槽正常制氢后，管壁换热支路，通过电解槽对应的换热器进行冷却。

为了减少在启动过程中副碱液罐中的碱液温度降低，在一些可实施的方式中，副碱液罐上设置有保温结构9，其中，保温结构9可以为保温棉、聚氨酯泡沫、岩棉等保温材料构成，如此，通过保温结构9包裹在各副碱液罐22的外周，从而能够降低各副碱液罐22中高温的碱液与外部的热交换。

可以理解的是，上述的电解槽组除了上述的结构之外，还包括电解槽组所需的必要的其他的技术特征，例如，上述的电解槽组还可以包括控制器，第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀和第四控制阀均为电磁阀且分别与控制器信号连接，在第一控制阀43处均设有流量测量机构45，根据流量测量机构45实时反映进入对应的副碱液罐22中的碱液流量；此外，还可以包括温度监控机构，温度监控机构有多个，可以设在对应的电解槽1中，实时监控电解槽1中碱液温度，也可以设置在主碱液罐21和副碱液罐22上，用来实时监控主碱液罐21和副碱液罐22中碱液的温度，当然也可以设置在第一出液管41、第一回液管42、第二出液管56、第二回液管54和第三回液管55上。

第二方面，本公开提供一种碱液电解制氢系统，包括上述电解槽组。通过上述电解槽组，在碱液电解制氢过程中，能够减少逐次启动对应电解槽1的启动时间，提高了制氢效率。此外，该碱液电解制氢系统还包含上述电解槽组的全部有益效果，此处不再赘述。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种电解槽组，其特征在于，包括多个电解槽以及与多个所述电解槽一一对应连通的多个碱液罐，多个所述碱液罐中包括至少一个带有伴热结构的主碱液罐以及多个副碱液罐；

所述电解槽组还包括第一碱液循环回路和第二碱液循环回路，所述第一碱液循环回路用于将所述主碱液罐中的部分碱液输送到多个所述副碱液罐中并将多个所述副碱液罐中的部分碱液回流至所述主碱液罐中，所述第二碱液循环回路用于将多个所述电解槽中的部分随氢气外流的碱液收集并分别将收集后的碱液输送至各所述电解槽中。

2.根据权利要求1所述的电解槽组，其特征在于，所述第一碱液循环回路包括第一出液管和第一回液管，所述第一出液管的入口与所述主碱液罐的出口连通，所述第一出液管上设有多个第一出液支管，多个所述第一出液支管分别与多个所述副碱液罐的入口一一对应连通，所述第一回液管的出口与所述主碱液罐的入口连通，所述第一回液管上设有多个第一回液支管，多个所述第一回液支管分别与多个所述副碱液罐的出口一一对应连通，其中，所述第一出液支管上设置有第一控制阀，所述第一回液支管上设置有碱液泵。

3.根据权利要求2所述的电解槽组，其特征在于，相邻的两个所述副碱液罐之间设置有补液支管，所述补液支管的一端与连通于其中一个所述副碱液罐的第一回液支管连通，且与所述第一回液支管的连通处位于该第一回液支管上的所述碱液泵的下游，所述补液支管的另一端连通于所述第一出液管，且与所述第一出液管的连通处位于该相邻的两个副碱液罐的相邻的两个所述第一控制阀之间。

4.根据权利要求1所述的电解槽组，其特征在于，所述第二碱液循环回路包括碱液循环泵、氢分离器和氧分离器，所述氢分离器的入口分别与多个所述电解槽的氢气出口连通，所述氢分离器的碱液出口通过所述碱液循环泵分别连通于各所述电解槽的入口，所述氧分离器的入口分别与多个所述电解槽的氧气出口连通，所述氧分离器的碱液出口通过所述碱液循环泵分别连通于各所述电解槽的入口。

5.根据权利要求4所述的电解槽组，其特征在于，所述氢分离器的数量为多个且多个所述氢分离器并联布置，和/或，所述氧分离器的数量为多个且多个所述氧分离器并联布置。

6.根据权利要求4所述的电解槽组，其特征在于，所述第二碱液循环回路包括与所述氢分离器的入口连通的第二回液管以及与所述氧分离器的入口连通的第三回液管，其中，所述第二回液管上设有多个第二回液支管，多个所述第二回液支管分别与多个所述电解槽的氢气出口一一对应连通，所述第三回液管上设有多个第三回液支管，多个所述第三回液支管分别与多个所述电解槽的氧气出口一一对应连通；

所述第二碱液循环回路还包括与所述碱液循环泵连通的第二出液管以及分别连通于所述第二出液管的多个第二出液支管，多个所述第二出液支管分别与多个所述电解槽的入口一一对应连通。

7.根据权利要求6所述的电解槽组，其特征在于，所述第二出液支管上设置有第二控制阀。

8.根据权利要求1所述的电解槽组，其特征在于，所述电解槽上设置有散热机构。

9.根据权利要求1所述的电解槽组，其特征在于，所述副碱液罐上设置有保温结构。

10.一种碱液电解制氢系统，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的电解槽组。

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