CN117286517A - 一种电解水装置及其停机防反极方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电解水装置及其停机防反极方法，电解水装置的电解槽与氢气侧气液分离器之间，以及电解槽与氧气侧气液分离器之间均具有惰性气体通入管。停机时，先将电解水装置的功率降低至第一功率，降低过程中同时向氢气侧气液分离器和氧气侧气液分离器内按照第一频率吹扫惰性气体，直至氢气侧气液分离器中氢气浓度和氧气侧气液分离器中氧气的浓度均低于第一浓度；将电解水装置的功率降低至0，完成电解水装置停机。本发明直接从电解水系统整机控制角度出发，仅仅是通过停机时对功率的调整，以及采用惰性气体置换产生的氢气和氧气，实现电解水系统停机防反极。本发明电解水系统停机防反极方法简单便捷易于实施，节约成本，提升整机效率。
Description
技术领域
本发明涉及氢能、电解水系统、电化学测试领域，具体涉及一种电解水装置及其停机防反极方法。
背景技术
氢能领域中，制氢的方法有电解水制氢，甲醇重整制氢，天然气重整制氢等，这几种方法各有优劣，甲醇制氢需要后期纯化，会副产含碳气体，天然气制氢和甲醇制氢类似，其中电解水制氢是绿色能源制氢，有更大的优势。
目前电解水制氢系统往大装置方向发展，普遍工程项目单机装机容量在MW级以上。电解水方法主要分为碱性和质子交换膜(PEM)电解，这两种方法的区别是PEM和碱性系统膜材料不同，性能不同，碱性系统成本低，效率较低，PEM系统成本高，效率高，抗波动性更好。
无论哪种系统，在电解水系统停机过程中，电解液会产生部分震荡，此时会有电解的逆反应产生，若持续时间较长会导致电极降解。目前，本领域中往往未意识到电解水停机反极的问题，所以鲜有文献报道如何解决电解水停机反极的问题。
为了解决以上问题，提出本发明。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，针对电解水停机反极的问题，本发明首次提出关机过程中维持一定电流，且保证电流呈缓慢或者阶梯式降低，然后向电解槽内吹扫惰性气体，直至电解槽内部氢气和氧气浓度降低至一定程度，再将电解水装置的功率降低至0，完全停机，采用该方法停机可以防止电解水装置停机过程中的反极问题。
本发明第一方面提供一种电解水装置，其包括电解槽、氢气侧气液分离器和氧气侧气液分离器；其中所述电解槽与所述氢气侧气液分离器之间，以及所述电解槽与所述氧气侧气液分离器之间均具有惰性气体通入管。可以通过惰性气体通入管向所述氢气侧气液分离器和所述氧气侧气液分离器内通入惰性气体，以降低所述氢气侧气液分离器中氢气浓度和所述氧气侧气液分离器中氧气的浓度。
优选地，所述惰性气体通入管上具有进气阀和气体流量控制仪。所述气体流量控制仪通过所述进气阀控制进入所述氢气侧气液分离器和所述氧气侧气液分离器的惰性气体流量。
优选地，电解水装置还包括氢气储罐和氧气储罐，所述氢气侧气液分离器和所述氢气储罐之间，以及所述氧气侧气液分离器和所述氧气储罐之间均具有排气阀。气液分离器中的惰性气体携带者氢气或者氧气经所述排气阀排出，实际运行过程中根据惰性气体的进入量以及气液分离器中的氢气或者氧气浓度调节排气阀的开合大小，以控制气体的排出速度，此外，气液分离器中的气体含量直接影响其内部压力，以及液面高度，所以实际运行过程中还要根据气液分离器内部的压力调节排气阀的开合大小。
本发明电解水装置还包括电解水装置常规的氢气气液分离器、氧气气液分离器、冷水机组和泵；
经电解槽水电解后产生的氢气组分进入氢气气液分离器进行气液分离，分离后所得氢气收集，分离后所得水重新回到电解槽内继续电解；
经电解槽水电解后产生的氧气组分进入氧气气液分离器进行气液分离，分离后所得氧气收集，分离后所得水重新回到电解槽内继续电解。
所述冷水机组的冷却水为所述氢气气液分离器和氧气气液分离器降温。
需电解的水经所述泵输送至电解槽。
电解水装置的其他结构在本领域是常规的，此处不对其进行详细描述，本领域中常规的电解水装置都可以按照上述方式加上惰性气体通入管适用于本方法。
本发明第二方面提供一种本发明第一方面所述的电解水装置停机防反极方法，其包括以下步骤：
(1)电解水装置停机时，先将电解水装置的功率降低至第一功率，降低过程中同时向所述氢气侧气液分离器和所述氧气侧气液分离器内按照第一频率吹扫惰性气体，直至所述氢气侧气液分离器中氢气浓度和所述氧气侧气液分离器中氧气的浓度均低于第一浓度；
(2)将电解水装置的功率降低至0，完成电解水装置停机。
优选地，所述第一浓度为1-3％。此处氧气的浓度和氢气的浓度直接由传感器导出数据。
优选地，所述第一功率为所述电解水装置满负荷功率的4-6％，满负荷功率指的就是电解水装置的最大工况功率，通常最小工况功率为最大工况功率的4-6％。
优选地，吹扫惰性气体的第一频率为10-20g/s；所述惰性气体包括氮气、氩气。
优选地，将电解水装置的运行功率降低至第一功率包括以下方法：
方法一，采用一定速度，匀速的将电解水装置的运行功率降低至第一功率；更优选地，1MW以上系统，降低速度为50kW/s；1MW以下系统，降低速度为15kW/s；
或者，
方法二，采用阶梯式降低的方式，在运行功率和第一功率之间设置多个阶梯，并且按照阶梯逐步降低功率，且降低至每个阶梯时停留第一时间。最小工况功率通常为最大工况功率的5％，阶梯式降低可以为依次降低至最大工况功率的80％、最大工况功率的60％、最大工况功率的50％、最大工况功率的40％、最大工况功率的20％、最大工况功率的10％直至降低至最大工况功率的5％。
优选地，步骤(1)中还包括反馈调节步骤，将电解水装置的运行功率降低至第一功率过程中，随时监测氢气侧气液分离器中氢气浓度和氧气侧气液分离器中氧气的浓度，若此气体浓度处于增大过程，则增大惰性气体吹扫频率，或者减小方法一中功率的降低速度，或者延长方法二中阶梯式功率的停留时间。该方法可以根据所述氢气侧气液分离器中氢气浓度和所述氧气侧气液分离器中氧气的浓度判断电解槽内部的氢气和氧气浓度，以此对停机过程中地功率进行实时地反馈调节，可以进一步防止阳极和阴极发生逆反应。
优选地，步骤(2)包括以下阶段：
阶段1、将电解水装置的功率降低至第二功率，降低过程中同时向氢气侧气液分离器和氧气侧气液分离器内按照第二频率吹扫惰性气体；
阶段2、在所述第二功率停留第二时间后，将电解水装置的功率降低至0，完成电解水装置停机。
优选地，吹扫惰性气体的第二频率为20-30g/s。
优选地，所述第二功率为满负荷功率的2-3％，第二时间为0-8min。
也就是说，当氢气侧气液分离器中氢气浓度和氧气侧气液分离器中氧气的浓度均低于第一浓度时，电解水装置的功率也并非是直接降低至0，而是先降低至第二功率，并且在降低过程中加大惰性气体吹扫频率，然后在所述第二功率停留一定时间，该停留时间非常短暂，甚至是短到几秒钟，更简单的说就是不直接将功率从最小工况功率降到0，而是先降低到某一中间值，然后边降边快速吹扫，最后完成电解水装置停机。此时降低至第二功率过程中也可以随时监测氢气侧气液分离器中氢气浓度和氧气侧气液分离器中氧气的浓度，若此气体浓度为0-1.5％，可以直接关机将功率降低至0。
本发明电解水装置停机之后直接将进气阀和排气阀关闭，此时电解水装置的各个管路均已经充满惰性气体，以此可以将整个电解水装置封存。也就是说，用于停机防反极的惰性气体恰恰可以用于电解水装置的封存，一举两得。
电解水装置阳极和阴极发生的反应为：
阳极：2H2O-4e-→O2+4H+
阴极：4e-+4H+→2H2
电解水装置系统在停机过程中，通常会关闭直流电源，此时电解槽内部还含有一定浓度的氧气和氢气，从上述的反应式可知，阳极原来的反应是水电解生成氧气，此时没有直流电供应，但是阳极侧氧气充裕，此部分氧气会发生逆反应，即氧气氧化阳极催化剂发生还原反应，造成阳极催化剂降解，同理阴极原来的反应为氢离子转化为氢气，瞬间停机后没有直流电供应，但是阴极侧氢气充裕，此部分氢气会发生逆反应，逆反应为氢气转化为氢离子，而此过程也会造成阴极催化剂降解。本发明首先意识到上述电解水停机反极的问题，进一步的，本发明并没有从改进阴极或阳极催化剂或者电极材料的方法入手，因为对于催化剂或者电极材料的改进相对较复杂，本发明直接从电解水系统整机控制角度出发，仅仅是通过停机时对功率的调整，以及采用惰性气体置换产生的氢气和氧气，实现电解水系统停机防反极。具体说，本发明电解水装置停机过程中功率是缓慢或者阶梯式降低的，这样随着功率的下降，电解水产生的氢气和氧气量就会下降，此外降低功率的过程中，同时向氢气侧气液分离器和氧气侧气液分离器内吹扫惰性气体，所以到电解水装置的功率降低至0时，此时电解槽内部几乎没有氧气和氢气，这样就可以防止阴极侧和阳极侧发生逆反应，从而实现电解水系统停机防反极。
本领域中常规的电解水装置加上惰性气体通入管就可以采用本发明所述的方法进行停机从而防止停机过程中的反极问题，本发明电解水系统停机防反极方法简单便捷易于实施，节约成本，提升整机效率，避免停机过程反极问题造成的效率下降。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明电解水装置包括电解槽、氢气侧气液分离器和氧气侧气液分离器；其中所述电解槽与所述氢气侧气液分离器之间，以及所述电解槽与所述氧气侧气液分离器之间均具有惰性气体通入管。可以通过惰性气体通入管向所述氢气侧气液分离器和所述氧气侧气液分离器内通入惰性气体，以降低所述氢气侧气液分离器中氢气浓度和所述氧气侧气液分离器中氧气的浓度。
2、本领域中往往未意识到电解水停机反极的问题，退一步讲，即便是意识到了电解水停机反极的问题，为了解决停机反极问题，通常可能想到的是改进阴极或阳极催化剂或者电极材料，方法复杂，不易于实施。本发明首先意识到上述电解水停机反极的问题，进一步的，本发明并没有从改进阴极或阳极催化剂或者电极材料的方法入手，因为对于催化剂或者电极材料的改进相对较复杂，本发明直接从电解水系统整机控制角度出发，仅仅是通过停机时对功率的调整，以及采用惰性气体置换产生的氢气和氧气，实现电解水系统停机防反极。具体说，本发明电解水装置停机过程中功率是缓慢或者阶梯式降低的，这样随着功率的下降，电解水产生的氢气和氧气量就会下降，此外降低功率的过程中，同时向氢气侧气液分离器和氧气侧气液分离器内吹扫惰性气体，所以到电解水装置的功率降低至0时，此时电解槽内部几乎没有氧气和氢气，这样就可以防止阴极侧和阳极侧发生逆反应，从而实现电解水系统停机防反极。
3、本领域中常规的电解水装置加上惰性气体通入管就可以采用本发明所述的方法进行停机从而防止停机过程中的反极问题，本发明电解水系统停机防反极方法简单便捷易于实施，节约成本，提升整机效率，避免停机过程反极问题造成的效率下降。
4、在本发明优选地实施方案中，将电解水装置功率降低到第一功率过程中，还包括反馈调节步骤，将电解水装置的运行功率降低至第一功率过程中，随时监测氢气侧气液分离器中氢气浓度和氧气侧气液分离器中氧气的浓度，若此气体浓度处于增大过程，则增大惰性气体吹扫频率，或者减小功率的降低速度，或者延长阶梯式功率的停留时间。该方法可以根据氢气侧气液分离器中氢气浓度和氧气侧气液分离器中氧气的浓度判断电解槽内部的氢气和氧气浓度，以此对停机过程中地功率进行实时地反馈调节，可以进一步防止阳极和阴极发生逆反应。
5、在本发明优选地实施方案中，当氢气侧气液分离器中氢气浓度和氧气侧气液分离器中氧气的浓度均低于第一浓度时，电解水装置的功率也并非是直接降低至0，而是先降低至第二功率，并且在降低过程中加大惰性气体吹扫频率，然后在所述第二功率停留一定时间，该停留时间非常短暂，甚至是短到几秒钟，更简单的说就是不直接将功率从最小工况功率降到0，而是先降低到某一中间值，然后边降边快速吹扫，最后完成电解水装置停机，从最后阶段防止阳极和阴极发生逆反应。
6、本发明电解水装置停机之后直接将进气阀和排气阀关闭，此时电解水装置的各个管路均已经充满惰性气体，以此实现将整个电解水装置封存。也就是说，用于停机防反极的惰性气体恰恰可以用于电解水装置的封存，一举两得。
7、本发明电解水装置停机防反极方法只需要在电解水装置中引入惰性气体通入管即可实现，对系统的改动较小，能在较少能量消耗的前提下防止电极反极问题，节约成本，提升整机效率，方便改进整机。
8、本发明电解水装置停机防反极方法不受膜材料的影响，所以该电解水装置停机防反极方法不受电解类型的限制，适用于碱性、PEM、AEM等电解领域，应用范围较广。
附图说明
图1为本发明电解水装置停机防反极装置结构示意图。
图2为本发明实施例1电解水寄生电流测试方法的流程图。
具体实施方式
下面对本发明通过实施例作进一步说明，不仅限于本实施例。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件以及手册中所述的条件，或按照制造厂商所建议的条件所用的通用设备、材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
如图1，本实施例电解水装置停机防反极装置包括电解槽，所述电解槽分别与氢气侧的气液分离器和氧气侧的气液分离器之间具有惰性气体通入管，且所述惰性气体通入管上具有进气阀和气体流量控制仪。所述气体流量控制仪通过所述进气阀控制进入氢气侧的气液分离器和氧气侧的气液分离器的惰性气体流量。
氢气侧的气液分离器和氢气储罐之间，以及氧气侧的气液分离器和氧气储罐之间均具有排气阀。气液分离器中的惰性气体携带者氢气或者氧气经所述排气阀排出，实际运行过程中根据惰性气体的进入量以及气液分离器中的氢气或者氧气浓度调节排气阀的开合大小，以控制气体的排出速度，此外，气液分离器中的气体含量直接影响其内部压力，以及液面高度，所以实际运行过程中还要根据气液分离器内部的压力调节排气阀的开合大小。
本实施例电解水装置还包括电解水装置常规的氢气气液分离器、氧气气液分离器、冷水机组和泵；
经电解槽水电解后产生的氢气组分进入氢气气液分离器进行气液分离，分离后所得氢气收集，分离后所得水重新回到电解槽内继续电解；
经电解槽水电解后产生的氧气组分进入氧气气液分离器进行气液分离，分离后所得氧气收集，分离后所得水重新回到电解槽内继续电解。
所述冷水机组的冷却水为所述氢气气液分离器和氧气气液分离器降温。
需电解的水经所述泵输送至电解槽。
如图2，本实施例电解水装置停机防反极方法包括以下步骤：
(1)电解水装置停机时，先将电解水装置的运行功率降低至第一功率，降低过程中同时向氢气侧气液分离器和氧气侧气液分离器内按照第一频率吹扫惰性气体，直至氢气侧气液分离器中氢气浓度和氧气侧气液分离器中氧气的浓度均低于第一浓度；
(2)将电解水装置的功率降低至0，完成电解水装置停机。
所述第一浓度为2％。
所述第一功率为所述电解水装置的最小工况功率，最小工况功率为最大工况功率的5％。
吹扫惰性气体的第一频率为20g/s；所述惰性气体包括氮气。
采用以下方法将电解水装置的运行功率降低至第一功率包括以下方法：
采用阶梯式降低的方式，在运行功率和第一功率之间设置多个阶梯，并且按照阶梯逐步降低功率，且降低至每个阶梯时停留一定的时间。最小工况功率通常为最大工况功率的5％，阶梯式降低可以为依次降低至最大工况功率的80％、最大工况功率的60％、最大工况功率的50％、最大工况功率的40％、最大工况功率的20％、最大工况功率的10％直至降低至最大工况功率的5％。
步骤(1)中还包括反馈调节步骤，将电解水装置的运行功率降低至第一功率过程中，随时监测氢气侧气液分离器中氢气浓度和氧气侧气液分离器中氧气的浓度，若此气体浓度处于增大过程，则增大惰性气体吹扫频率，或者延长阶梯式功率的停留时间。
步骤(2)包括以下阶段：
阶段1、将电解水装置的功率降低至第二功率，降低过程中同时向氢气侧气液分离器和氧气侧气液分离器内按照第二频率吹扫惰性气体；
阶段2、在所述第二功率停留一定时间后，将电解水装置的功率降低至0，完成电解水装置停机。
吹扫惰性气体的第二频率为30g/s。
所述第二功率为最大工况功率的3％，停留时间为5min。也就是说，当氢气侧气液分离器中氢气浓度和氧气侧气液分离器中氧气的浓度均低于第一浓度时，电解水装置的功率也并非是直接降低至0，而是先降低至第二功率，并且在降低过程中加大惰性气体吹扫频率，然后在所述第二功率停留一定时间。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种电解水装置，其特征在于，其包括电解槽、氢气侧气液分离器和氧气侧气液分离器；其中所述电解槽与所述氢气侧气液分离器之间，以及所述电解槽与所述氧气侧气液分离器之间均具有惰性气体通入管。
2.根据权利要求1所述的电解水装置，其特征在于，所述惰性气体通入管上具有进气阀和气体流量控制仪。
3.根据权利要求1所述的电解水装置，其特征在于，其还包括氢气储罐和氧气储罐，所述氢气侧气液分离器和所述氢气储罐之间，以及所述氧气侧气液分离器和所述氧气储罐之间均具有排气阀。
4.一种权利要求1-3任一项所述的电解水装置停机防反极方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)电解水装置停机时，先将电解水装置的功率降低至第一功率，降低过程中同时向所述氢气侧气液分离器和所述氧气侧气液分离器内按照第一频率吹扫惰性气体，直至所述氢气侧气液分离器中氢气浓度和所述氧气侧气液分离器中氧气的浓度均低于第一浓度；
(2)将电解水装置的功率降低至0，完成电解水装置停机。
5.根据权利要求4所述的电解水装置停机防反极方法，其特征在于，所述第一浓度为1-3％；所述第一功率为所述电解水装置满负荷功率的4-6％；吹扫惰性气体的第一频率为10-20g/s；所述惰性气体包括氮气、氩气。
6.根据权利要求4所述的电解水装置停机防反极方法，其特征在于，将电解水装置的运行功率降低至第一功率包括以下方法：
方法一，采用一定速度，匀速的将电解水装置的运行功率降低至第一功率；
或者，
方法二，采用阶梯式降低的方式，在运行功率和第一功率之间设置多个阶梯，并且按照阶梯逐步降低功率，且降低至每个阶梯时停留第一时间。
7.根据权利要求6所述的电解水装置停机防反极方法，其特征在于，
方法一中，1MW以上系统，降低速度为50kW/s；1MW以下系统，降低速度为15kW/s；
方法二中，所述第一时间为10-20min。
8.根据权利要求6所述的电解水装置停机防反极方法，其特征在于，步骤(1)中还包括反馈调节步骤，将电解水装置的运行功率降低至第一功率过程中，随时监测所述氢气侧气液分离器中氢气浓度和所述氧气侧气液分离器中氧气的浓度，若此气体浓度处于增大过程，则增大惰性气体吹扫频率，或者减小方法一中功率的降低速度，或者延长方法二中阶梯的停留时间。
9.根据权利要求4所述的电解水装置停机防反极方法，其特征在于，步骤(2)包括以下阶段：
阶段1、将电解水装置的功率降低至第二功率，降低过程中同时向氢气侧气液分离器和氧气侧气液分离器内按照第二频率吹扫惰性气体；
阶段2、在所述第二功率停留第二时间后，将电解水装置的功率降低至0，完成电解水装置停机。
10.根据权利要求9所述的电解水装置停机防反极方法，其特征在于，吹扫惰性气体的第二频率为20-30g/s；所述第二功率为满负荷功率的2-3％，所述第二时间为0-8min。
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