CN117248220A - 一种水电解制氢设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水电解制氢设备及其控制方法，所述水电解制氢设备包括电解槽和第一循环泵，以及第一水气分离器、第一洗涤器、第一循环管路、第二循环泵、第二水气分离器、第二洗涤器、第二循环管路；第一循环泵与电解槽连接；第一水气分离器与第一循环泵连接，第一洗涤器与第一水气分离器连接，第一循环管路两端分别连接第一水气分离器和电解槽，第二循环泵与电解槽连接；第二水气分离器与第二循环泵连接；第二洗涤器与第二水气分离器的连接，第二洗涤器设置有气体采集装置；第二循环管路两端分别连接第二水气分离器和电解槽，通过电解槽分离产生的氢气和氧气，有助于解决现有技术中缺乏基于AEM技术框架下制氢设备的技术问题。

Description

一种水电解制氢设备及其控制方法

技术领域：

本发明属于水电解制氢领域，具体来说是一种水电解制氢设备。

背景技术：

现有的水电解制氢设备主要有碱性(ALK)、质子交换膜(PEM)、阴离子交换膜(AEM)和固体氧化物(SOEC)四大电解水技术，AEM技术相对ALK技术能够提高电流密度,并且可采用浓度低的碱液，减少腐蚀及对环境的影响，相对PEM技术可采用非贵金属作为电极催化剂,可极大地降低装置的成本。

基于AEM技术的框架，急需一种水电解制氢设备，有助于解决现有技术中缺乏基于AEM技术框架下具体设备的技术问题。

发明内容：

在一实施例中，本发明提供了一种水电解制氢设备，通过电解槽不断电解循环水，并分离产生的氢气和氧气，有助于解决现有技术中缺乏基于AEM技术框架下具体设备的技术问题。

所述水电解制氢设备包括电解槽和第一循环泵，以及第一水气分离器、第一洗涤器、第一循环管路、第二循环泵、第二水气分离器、第二洗涤器、第二循环管路；

所述电解槽用于对水进行电解产生氢气和水的混合物，以及氧气和水的混合物；

所述第一循环泵一端与所述电解槽连接；

所述第一水气分离器一端与所述第一循环泵另一端连接，所述第一水气分器用于分离氧气和水；

所述第一洗涤器与所述第一水气分离器的另一端连接，所述第一洗涤器设置有第一排空装置，所述第一排空装置排出所述氧气；

所述第一循环管路两端分别连接第一水气分离器和所述电解槽，以将所述第一水气分离器分离后的水循环回所述电解槽；

所述第二循环泵一端与所述电解槽连接；

所述第二水气分离器一端与所述第二循环泵另一端连接，所述第二水气分离器用于分离氢气和水；

所述第二洗涤器与所述第二水气分离器的另一端连接，所述第二洗涤器设置有气体采集装置，所述气体采集装置用于采集所述氢气；

所述第二循环管路两端分别连接第二水气分离器和所述电解槽，以将所述第二水气分离器分离后的水循环回所述电解槽。

在一实施例中，所述第二洗涤器还设置有第二排空装置。

在一实施例中，所述第二排空装置包括氢气排空管路和氢气放空阀，氢气薄膜调节阀；

所述氢气排空管路一端与所述第二洗涤器连接；

所述氢气放空阀串联在所述氢气排空管路上；

所述氢气薄膜调节阀串联在所述氢气放空阀与所述第二水气分离器之间。

在一实施例中，所述第一排空装置包括氧气排空管路和氧气薄膜调节阀；

所述氧气排空管路一端与所述第一洗涤器连接；

所述氧气薄膜调节阀串联在所述氧气排空管路上。

在一实施例中，所述第一排空装置包括并联阀；

所述并联阀并联在所述氧气薄膜调节阀两端。

在一实施例中，所述水电解制氢设备包括第一传感器管路和第一液位传感器，以及第二传感器管路和底管、液位平衡阀、第一压力传感器、第二压力传感器；

所述第一传感器管路一端与所述氢气薄膜调节阀连接，所述第一传感器管路的另一端具有第一气路接口和第二气路接口，所述第一气路接口与所述第一水气分离器上部连接，所述第二气路接口与所述第一水气分离器下部连接；

所述第一液位传感器两端分别连接在所述第一气路接口和所述第二气路接口上；

所述第二传感器管路一端与所述氧气薄膜调节阀连接，所述第二传感器管路的另一端具有第三气路接口和第四气路接口，所述第三气路接口与所述第二水气分离器上部连接，所述第四气路接口与所述第二水气分离器下部连接；

所述第二液位传感器两端分别连接在所述第三气路接口和所述第四气路接口上；

所述底管两端分别连接在所述第一水气分离器和所述第二水气分离器底部；

所述液位平衡阀串联在所述底管上，所述液位平衡阀分别与所述第一传感器管路和所述第二传感器管路通过信号实现控制；

所述第一压力传感器一端连接在所述第一传感器管路上，且所述第一压力传感器通过信号控制所述氢气薄膜调节阀；

所述第二压力传感器一端连接在所述第二传感器管路上，且所述第二压力传感器通过信号控制所述氧气薄膜调节阀。

在一实施例中，本发明还提供了一种水电解制氢设备的控制方法，基于所述的水电解制氢设备，所述控制方法包括：

当所述第一水气分离器或所述第二水气分离器的液位差小于液位差下限设定值时，如果所述第一压力传感器与所述第二压力传感器的差值大于预定差值，则预置的氧气压力设定值变为预置的氢气压力设定值减去所述预定差值。

在一实施例中，所述控制方法还包括：如果所述第一压力传感器与所述第二压力传感器的差值小于或等于所述预定差值，则预置的氧气压力设定值变为预置的氢气压力设定值加上所述预定差值。

在一实施例中，所述氢气薄膜调节阀的控制方法如下：

所述水电解制氢设备运行时，当所述第一压力传感器压力值小于所述氢气压力设定值，所述氢气薄膜调节阀的阀门开度减小；

所述水电解制氢设备制氢结束后，当所述第一压力传感器压力值大于0.15MPa时，则所述氢气薄膜调节阀的阀门开度为50％，当所述第一压力传感器压力值小于0.1MPa时，所述氢气薄膜调节阀的阀门开度为0。

在一实施例中，所述液位平衡阀打开，当氢氧液位的差大于液位差上限设定值时，平衡阀关闭并且退出液位平衡模式，进入氢氧独立压力控制模式。

附图说明：

图1为本发明一实施例中水电解制氢设备基于电磁阀的架构图；

图2为本发明另一实施例中水电解制氢设备基于调节阀的架构图；

图3为本发明另一实施例中压力液位控制逻辑流程图；

图4为本发明另一实施例中薄膜调节阀的控制逻辑图；

图5为本发明另一实施例中电磁阀的控制逻辑图；

图6为本发明另一实施例中补水阀的控制逻辑图。

附图标记：

电解槽 1

第一循环泵 2

第一水气分离器 3

第一洗涤器 4

第一排空装置 5

氧气排空管路 51

氧气薄膜调节阀 52

并联阀 53

第二循环泵 6

第二水气分离器 7

第二洗涤器 8

气体采集装置 9

第二排空装置 10

第一循环管路 101

第二循环管路 102

第一传感器管路 103

第一气路接口 1031

第二气路接口 1032

第一液位传感器 104

第二传感器管路 105

第三气路接口 1051

第四气路接口 1052

底管 106

液位平衡阀 107

第一压力传感器 108

第二压力传感器 109

氢气排空管路 110

氢气放空阀 111

氢气薄膜调节阀 112

具体实施方式：

AEM制氢技术是一种新型的碱性离子膜水分制氢技术，主要利用电解槽1产生氢气和氧气，但是其产生的氢气和氧气并不是单纯的氢气和氧气，而且生成了氢气和水的混合物，以及氧气和水的混合物，并从其正负极产生，基于上述的基本概况，本发明提供了一种水电解制氢设备。

图1为本发明一实施例中水电解制氢设备基于电磁阀的架构图；图2为本发明另一实施例中水电解制氢设备基于调节阀的架构图。如图1和图2所示，在一实施例中，本发明提供了一种水电解制氢设备，所述水电解制氢设备包括电解槽1和第一循环泵2、第一水气分离器3、第一洗涤器4、第一循环管路101、第二循环泵6、第二水气分离器7、第二洗涤器8、第二循环管路102；

电解槽1用于对水进行电解产生氢气和水的混合物，以及氧气和水的混合物；

第一循环泵2一端与电解槽1连接；

第一水气分离器3一端与第一循环泵2另一端连接，第一水气分器3用于分离氧气和水；

第一洗涤器4与第一水气分离器3的另一端连接，第一洗涤器4设置有第一排空装置5，第一排空装置5排出所述氧气；

第一循环管路101两端分别连接第一水气分离器3和电解槽1，以将第一水气分离器3分离后的水循环回电解槽1；

第二循环泵6一端与电解槽1连接；

第二水气分离器7一端与第二循环泵6另一端连接，第二水气分离器7用于分离氢气和水；

第二洗涤器8与第二水气分离器7的另一端连接，第二洗涤器8设置有气体采集装置9，气体采集装置9用于采集所述氢气；

第二循环管路102两端分别连接第二水气分离器7和电解槽1，以将第二水气分离器7分离后的水循环回电解槽1。

在本实施例中提供了一种水电解制氢设备的具体结构。需要指出的是，其中的“连接”是指通过管路将其各个部件中的内部腔体连通，电解槽1产生氢气和水混合物，以及氧气和水的混合物后，第一水气分离器3用于将氧气和水进行分离，其中的水会通过第一循环管路101再次进入电解槽1继续循环电解，而其中的氧气可能还会进入第一洗涤器4，然后进一步的将其中的尘粒或者气体污染物进行洗涤，最终通过第一排空装置5进行气体的排放，第一循环泵2则是将生成的氧气和水混合物进行加压后送入第一循环管路101，另一方面，其基本原理相同生成氢气和水的混合物，气体采集装置9则将需要的纯净氢气进行采集，有助于解决现有技术中缺乏基于AEM技术框架下具体设备的技术问题。

在一实施例中，第二洗涤器8还设置有第二排空装置10。

在本实施例中提供了一种第二洗涤器8还具有第二排空装置10的具体实施结构，当需要排放氢气时，或者设备中压力不平衡时，则通过第二排空装置10排出氢气。

在一实施例中，第二排空装置10包括氢气排空管路110和氢气放空阀111，以及氢气薄膜调节阀112；

氢气排空管路110一端与第二洗涤器8连接；

氢气放空阀111串联在氢气排空管路110上；

氢气薄膜调节阀112串联在氢气放空阀111与第二水气分离器7之间。

在本实施例中提供了一种第二排空装置10的具体结构，氢气薄膜调节阀112可以控制其开度，调节其内部压力。

在一实施例中，第一排空装置5包括氧气排空管路51和氧气薄膜调节阀52。

在本实施例中进一步提供了第一排空装置5的具体结构，也是可以通过氧气薄膜调节阀52根据压力改变开度，以控制平衡整体系统压力。

在一实施例中，第一排空装置5包括并联阀53；

并联阀53并联在氧气薄膜调节阀52两端。

在本实施例中提供了一种并联阀53并联在氧气薄膜调节阀52两端，用于在氧气薄膜调节阀52完全关闭状态下，人工开始通路排放氢气。

在一实施例中，所述水电解制氢设备包括第一传感器管路103；

第一传感器管路103一端与氢气薄膜调节阀112连接，第一传感器管路103的另一端具有第一气路接口1031和第二气路接口1032，第一气路接口1031与第一水气分离器3上部连接，第二气路接口1032与第一水气分离器3下部连接；

第一液位传感器104两端分别连接在第一气路接口1031和第二气路接口1032上；

第二传感器管路105一端与氧气薄膜调节阀52连接，第二传感器管路105的另一端具有第三气路接口1051和第四气路接口1052，第三气路接口1051与第二水气分离器7上部连接，第四气路接口1052与第二水气分离器7下部连接；

第二液位传感器110两端分别连接在第三气路接口1051和第四气路接口1052上；

底管106两端分别连接在第一水气分离器3和第二水气分离器7底部；

液位平衡阀107串联在底管106上，液位平衡阀107分别与第一传感器管路103和第二传感器管路105通过信号实现控制；

第一压力传感器108一端连接在第一传感器管路103上，且第一压力传感器108通过信号控制氢气薄膜调节阀112；

第二压力传感器109一端连接在第二传感器管路105上，且第二压力传感器108通过信号控制氧气薄膜调节阀52。

在本实施例中提供了一种提供了一种压力传感器和液位传感器的具体连接结构，用于对设备中的压力和液位进行调节。具体来说，AEM设备的氢排放一路及氧排放一路采用电解液独立循环的模式，因此两路可进行独立的压力及液位的调节，但设备运行一段时间后，氢氧侧的碱液浓度、液位会发生变化，需要设置连通管及液位平衡阀进行调节。

图3为本发明另一实施例中压力液位控制逻辑流程图；图4为本发明另一实施例中薄膜调节阀的控制逻辑图；图5为本发明另一实施例中电磁阀的控制逻辑图；图6为本发明另一实施例中补水阀的控制逻辑图。如图3至图6所示，在一实施例中，本发明还提供了一种水电解制氢设备的控制方法，基于所述的水电解制氢设备，所述控制方法包括：

当第一水气分离器3或第二水气分离器7的液位差小于液位差下限设定值时，如果第一压力传感器108与第二压力传感器109的差值大于预定差值，则预置的氧气压力设定值变为预置的氢气压力设定值减去所述预定差值。

在本实施例中提供了一种水电解制氢设备控制方法的具体实施方式。

在一实施例中，所述控制方法还包括：

如果第一压力传感器108与第二压力传感器109的差值小于或等于所述预定差值，则预置的氧气压力设定值变为预置的氢气压力设定值加上所述预定差值。

在本实施例中进一步提供了当第一压力传感器108与第二压力传感器109的差值小于或等于所述预定差值时的具体实施方式。

实现AEM水电解制氢设备的氢、氧两路的压力独立调节，并且实现氢侧及氧侧液位差保证在一定范围内。

当所述水电解制氢设备开机时，配置氢气压力设定值和氧气压力设定值，以及液位差下限设定值和液位差上限设定值、设定补水液位下限设定值、补水液位上限设定值；

当第一水气分离器3小于所述液位差下限设定值时，所述水电解制氢设备处于氢气压力和氧气压力独立控制状态，所述氢气一路大于所述氧气一路的预定差值后，所述氧气一路的所述氧气压力设定值变为所述氢气压力设定值减去所述预定差值，反之，当所述氢气一路小于所述氧气一路的所述预定差值后，则所述氢气压力设定值会变为所述氢气压力设定值加上所述预定差值。

如氢气压力设定值为0.8MPa时，氧气压力设定值为0.6MPa时，若将氢气压力设定值为0.8MPa设定为1.0MPa时，则氧侧压力设定值为0.7MPa，其为1.0MPa-0.7MPa＝0.3MPa，即为所述预定差值。若将氢气压力设定值为0.2MPa时，氧侧压力设定值为0.5MPa，即0.2MPa+0.3MPa＝0.5MPa。

在一实施例中，氢气薄膜调节阀112的控制方法如下：

所述水电解制氢设备运行时，当第一压力传感器108压力值小于所述氢气压力设定值，氢气薄膜调节阀112的阀门开度减小；

所述水电解制氢设备制氢结束后，当第一压力传感器108压力值大于0.15MPa时，则氢气薄膜调节阀112的阀门开度为50％，当第一压力传感器108压力值小于0.1MPa时，氢气薄膜调节阀112的阀门开度为0。

在本实施例中进一步提供了调节阀开度的具体控制实施方式，若所述水电解制氢设备采用电磁阀控制，则进行电磁阀压力控制逻辑，电磁阀可进行手动和自动控制切换，手动模式下可控制阀门的开启和关闭，自动模式下，当设备开始运行时，压力信号大于设定压力0.01MPa时，打开氢气放空阀111，当压力信号小于设定压力0.01MPa时，关闭氢气放空阀111。当设备停机时，压力信号大于0.15MPa时放空阀打开，当压力小于0.1MPa时，放空阀关闭，氧气一路依然，在此就不再赘述了。

若所述水电解制氢设备采用氢气薄膜调节阀112控制，氢气薄膜调节阀112可进行手动和自动切换，手动模式下氢气薄膜调节阀112开度可以手动设定。自动模式下，当设备开始运行后，当压力信号大于设定压力值时，PID模块控制薄膜调节阀开度变大，当压力信号小于设定压力值时，PID模块控制薄膜调节阀开度变小。当设备停止运行后，当压力信号大于0.15MPa时，氢气薄膜调节阀112开度为50％，当压力信号小于0.1MPa时，氢气薄膜调节阀112开度为0％。

当第一水气分离器3和第二水气分离器7液位差大于液位差上限设定值时(或第一水气分离器3和第二水气分离器7液位差大于或等于液位差下限设定值)，所述水电解制氢设备处于氢、氧液位平衡控制模式。此模式下，当氢气一路为主时，若氢气一路液位高于氧气一路液位，若氢其一路压力低于氧气一路压力+0.2MPa，会调整氧气一路压力设定为氢气一路压力-0.3MPa，当氢气一路压力比氧气一路压力高于0.2MPa，液位平衡阀打开，氢气一路液位会通过连通管将液体压到氧气一路，保证液位的平衡。此模式下，当氧气一路压力控制为主时，若氧气一路液位高于氢气一路液位，若氧气一路压力低于氢气一路压力+0.2MPa,会调整氢气一路压力设定为氢气一路压力-0.3MPa，当氧气一路压力比氢气一路压力高0.2MPa，液位平衡阀打开，氧气一路液位会通过连通管将液体压到氢气一路，保证液位的平衡。

在一实施例中，液位平衡阀107打开，当氢氧液位的差大于液位差上限设定值时，平衡阀关闭并且退出液位平衡模式，进入氢氧独立压力控制模式。

在本实施例中提供了一种液位平衡阀107的具体控制方法，当氢气一路(氧气一路)液位低于补水设定值时，氢气一路(氧气一路)补水阀打开，当氢气一路(氧气一路)液位高于补水设定值时，氢气一路(氧气一路)补水阀关闭。

在一实施例中，第一循环管路101和第二循环管路102串联的第一开关阀。

在本实施例中提供了一种设置有第一开关阀的具体结构。

在一实施例中，第一循环泵2与第一水气分离器3之间串联有第二开关阀。

在本实施例中提供了一种设置第二开关阀的具体结构。

在一实施例中，电解槽1连接有排水管路。

在本实施例中提供了一种电解槽1设置有排水管路，以便将没有完全反应电解的水进行排出。

在一实施例中，所述水电解制氢设备设置有液位报警装置。

在本实施例中所述水电解制氢设备设置有液位报警装置的具体结构。氢气一路和氧气一路压力设置有高报警和高高连锁，氢、氧侧液位设置有高报警、高高连锁、低报警、低低连锁，当压力高于报警设定值时，设备发出声光报警，当压力高于连锁值时，所述水电解制氢设备停机。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水电解制氢设备，其特征在于，所述水电解制氢设备包括：

一电解槽(1)，用于对水进行电解产生氢气和水的混合物，以及氧气和水的混合物；

一第一循环泵(2)，其一端与所述电解槽(1)连接；

一第一水气分离器(3)，其一端与所述第一循环泵(2)另一端连接，所述第一水气分器(3)用于分离氧气和水；

一第一洗涤器(4)，其与所述第一水气分离器(3)的另一端连接，所述第一洗涤器(4)设置有第一排空装置(5)，所述第一排空装置(5)排出所述氧气；

一第一循环管路(101)，其两端分别连接第一水气分离器(3)和所述电解槽(1)，以将所述第一水气分离器(3)分离后的水循环回所述电解槽(1)；

一第二循环泵(6)，其一端与所述电解槽(1)连接；

一第二水气分离器(7)，其一端与所述第二循环泵(6)另一端连接，所述第二水气分离器(7)用于分离氢气和水；

一第二洗涤器(8)，其与所述第二水气分离器(7)的另一端连接，所述第二洗涤器(8)设置有气体采集装置(9)，所述气体采集装置(9)用于采集所述氢气；

一第二循环管路(102)，其两端分别连接第二水气分离器(7)和所述电解槽(1)，以将所述第二水气分离器(7)分离后的水循环回所述电解槽(1)。

2.根据权利要求1所述的水电解制氢设备，其特征在于，所述第二洗涤器(8)还设置有第二排空装置(10)。

3.根据权利要求2所述的水电解制氢设备，其特征在于，所述第二排空装置(10)包括：

一氢气排空管路(110)，其一端与所述第二洗涤器(8)连接；

一氢气放空阀(111)，其串联在所述氢气排空管路(110)上；

一氢气薄膜调节阀(112)，其串联在所述氢气放空阀(111)与所述第二水气分离器(7)之间。

4.根据权利要求3所述的水电解制氢设备，其特征在于，所述第一排空装置(5)包括：

一氧气排空管路(51)，其一端与所述第一洗涤器(4)连接；

一氧气薄膜调节阀(52)，其串联在所述氧气排空管路(51)上。

5.根据权利要求4所述的水电解制氢设备，其特征在于，所述第一排空装置(5)包括：

一并联阀(53)，其并联在所述氧气薄膜调节阀(52)两端。

6.根据权利要求5所述的水电解制氢设备，其特征在于，所述水电解制氢设备包括：

一第一传感器管路(103)，其一端与所述氢气薄膜调节阀(112)连接，所述第一传感器管路(103)的另一端具有第一气路接口(1031)和第二气路接口(1032)，所述第一气路接口(1031)与所述第一水气分离器(3)上部连接，所述第二气路接口(1032)与所述第一水气分离器(3)下部连接；

一第一液位传感器(104)，其两端分别连接在所述第一气路接口(1031)和所述第二气路接口(1032)上；

一第二传感器管路(105)，其一端与所述氧气薄膜调节阀(52)连接，所述第二传感器管路(105)的另一端具有第三气路接口(1051)和第四气路接口(1052)，所述第三气路接口(1051)与所述第二水气分离器(7)上部连接，所述第四气路接口(1052)与所述第二水气分离器(7)下部连接；

一第二液位传感器(110)，其两端分别连接在所述第三气路接口(1051)和所述第四气路接口(1052)上；

一底管(106)，其两端分别连接在所述第一水气分离器(3)和所述第二水气分离器(7)底部；

一液位平衡阀(107)，其串联在所述底管(106)上，所述液位平衡阀(107)分别与所述第一传感器管路(103)和所述第二传感器管路(105)通过信号实现控制；

一第一压力传感器(108)，其一端连接在所述第一传感器管路(103)上，且所述第一压力传感器(108)通过信号控制所述氢气薄膜调节阀(112)；

一第二压力传感器(109)，其一端连接在所述第二传感器管路(105)上，且所述第二压力传感器(108)通过信号控制所述氧气薄膜调节阀(52)。

7.一种水电解制氢设备的控制方法，其特征在于，基于权利要求6所述的水电解制氢设备，所述控制方法包括：

当所述第一水气分离器(3)或所述第二水气分离器(7)的液位差小于液位差下限设定值时，如果所述第一压力传感器(108)与所述第二压力传感器(109)的差值大于预定差值，则预置的氧气压力设定值变为预置的氢气压力设定值减去所述预定差值。

8.根据权利要求7所述的水电解制氢设备的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

如果所述第一压力传感器(108)与所述第二压力传感器(109)的差值小于或等于所述预定差值，则预置的氧气压力设定值变为预置的氢气压力设定值加上所述预定差值。

9.根据权利要求8所述的水电解制氢设备的控制方法，其特征在于，所述氢气薄膜调节阀(112)的控制方法如下：

所述水电解制氢设备运行时，当所述第一压力传感器(108)压力值小于所述氢气压力设定值，所述氢气薄膜调节阀(112)的阀门开度减小；

所述水电解制氢设备制氢结束后，当所述第一压力传感器(108)压力值大于0.15MPa时，则所述氢气薄膜调节阀(112)的阀门开度为50％，当所述第一压力传感器(108)压力值小于0.1MPa时，所述氢气薄膜调节阀(112)的阀门开度为0。

10.根据权利要求9所述的水电解制氢设备的控制方法，其特征在于，所述液位平衡阀(107)打开，当氢氧液位的差大于液位差上限设定值时，平衡阀关闭并且退出液位平衡模式，进入氢氧独立压力控制模式。