CN212688189U - 一种组合式隔膜调节阀装置及碱性电解水制氢系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种组合式隔膜调节阀装置及碱性电解水制氢系统。组合式隔膜调节阀装置包括多个具有不同气体流量范围的隔膜调节阀支路和用于各支路流量分配的流量分配器，隔膜调节阀支路并联设置，流量分配器分别连接隔膜调节阀支路，工作过程中，至少1个隔膜调节阀支路工作。碱性电解水制氢系统包括碱性电解水制氢装置、碱液循环装置和2个组合式隔膜调节阀装置，碱性电解水制氢装置包括电解槽、氧气侧气液分离器和氢气侧气液分离器，碱液循环装置连接碱性电解水制氢装置，组合式隔膜调节阀装置分别设置于氧气侧气液分离器和氢气侧气液分离器的气体输出端。与现有技术相比，本实用新型保证碱性电解水制氢系统在不同工作功率范围下的安全性。

Description

一种组合式隔膜调节阀装置及碱性电解水制氢系统

技术领域

本实用新型涉及碱性电解水制氢技术领域，尤其是涉及一种组合式隔膜调节阀装置及碱性电解水制氢系统。

背景技术

氢能被认为是世界能源与动力转型的重大战略方向之一，备受世界各国关注，电解水制氢中，目前最为成熟的技术路线是碱性电解水技术。

中国专利CN 110106512A：电解水制氢装置该装置包括j个并联支路，每个并联支路上有k个串联的制氢单元，能够较为便捷地调整该制氢装置至不同的功率，且调节档位较多，良好适配于具有间歇性质的新能源(如风电、光伏等)发电作为制氢电源时输入功率的波动变化。

中国专利CN203582560U：一种电解水系统的电解槽排气装置提供了一种表面气体在酸性水电磁阀和碱性水电磁阀中形成气栓的电解槽排气装置，能够改善两端出水不均，改善了酸气腐蚀设备等问题，具有一定价值。

现有的相关研究中虽然提到了在同一系统中使用多个电解水制氢单元来满足功率波动，也进行了电解槽排气装置的设计，但都没有考虑到碱性电解水制氢设备在不同功率下工作时产生气体流量量不同，带来的气液分离模块的气体隔膜阀精确调节压力困难，缺少对隔膜阀进行组合式调节系统的设计。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种组合式隔膜调节阀装置及碱性电解水制氢系统。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种组合式隔膜调节阀装置，该装置用于碱性电解水制氢时气体的排出，所述的装置包括多个具有不同气体流量范围的隔膜调节阀支路和用于各支路流量分配的流量分配器，所述的隔膜调节阀支路并联设置，所述的流量分配器分别连接隔膜调节阀支路，工作过程中，至少1个隔膜调节阀支路工作。

所述的隔膜调节阀支路包括依次串联的隔膜调节阀和流量计，各隔膜调节阀支路的隔膜调节阀和流量计均连接至流量分配器形成闭环精确调节回路。

并联设置的隔膜调节阀支路中的隔膜调节阀的流量范围配置成按照梯度化形式变化。

隔膜调节阀的流量范围具体配置为：

Q_{g1_max}＞Q_{g2_max}＞…＞Q_{gn_max}，

Q_{g1_min}＞Q_{g2_min}＞…＞Q_{gn_min}，

其中，Q_{g1_max}为第1个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最大气体流量，Q_{g2_max}为第2个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最大气体流量，Q_{gn_max}为第n个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最大气体流量，Q_{g1_min}为第1个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最小气体流量，Q_{g2_min}为第2个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最小气体流量，Q_{gn_min}为第n个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最小气体流量，n为隔膜调节阀支路总个数。

所述的流量分配器配置为根据气体流量需求选择对应隔膜调节阀支路工作的微处理器芯片。

一种碱性电解水制氢系统，包括碱性电解水制氢装置和碱液循环装置，所述的碱性电解水制氢装置包括电解槽、氧气侧气液分离器和氢气侧气液分离器，所述的碱液循环装置连接碱性电解水制氢装置，该系统还包括2个所述的组合式隔膜调节阀装置，所述的组合式隔膜调节阀装置分别设置于氧气侧气液分离器和氢气侧气液分离器的气体输出端。

所述的碱液循环装置包括碱液补给泵、碱液过滤器、碱液循环泵、碱液箱、碱液循环换热器、冷却水箱和冷却水泵，所述的碱液过滤器输入端连接至所述的氧气侧气液分离器和氢气侧气液分离器的碱液输出端，碱液过滤器输出端依次通过碱液循环泵和碱液循环换热器连接至所述的电解槽碱液输入端，碱液循环换热器还通过冷却水泵连接冷却水箱形成换热回路，碱液过滤器输入端还通过补给泵连接碱液箱进行碱液补给。

所述的微处理器芯片包括DSP芯片。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)本实用新型组合式隔膜调节阀装置用于碱性电解水制氢时气体的排出，能够保证在各产氢速率下氧气和氢气压力的精确控制，能够大大拓宽碱性电解水制氢系统的工作功率范围，增加了碱性电解水制氢设备的宽功率波动适应性。

(2)本实用新型碱性电解水制氢系统在氢气和氧气出气口分别设置组合式隔膜调节阀，因此能够保证在各产氢速率下氢气与氧气压力的精确控制，能够使不同流量下氢气侧、氧气侧压差保持在设定范围，有效防止了碱性电解水制氢设备中氢气与氧气的互窜，增强碱性电解水制氢设备在不同工作功率下安全性。

附图说明

图1为本实用新型采用组合式隔膜调节阀装置的碱性电解水制氢系统的结构框图；

图2为本实用新型碱性电解水制氢系统中组合式隔膜调节阀装置的运行原理框图；

图3为本实用新型碱性电解水制氢系统的工作流程图；

图4为本实用新型实施例中碱性电解水制氢系统生产氢气流量示意图；

图5为本实用新型实施例中碱性电解水制氢系统氢气侧组合式隔膜调节阀装置的调节过程示意图。

图中，1为电解槽，2为整流变压器，3为碱液循环换热器，4为冷却水箱，5为冷却水泵，6为氢气侧组合式隔膜调节阀装置，7为氢气侧气液分离器，8为氢气纯化设备，9为氧气侧组合式隔膜调节阀装置，10为氧气收集或后处理装置，11为氧气侧气液分离器，12为碱液补给泵，13为碱液过滤器，14为碱液循环泵，15为碱液箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本实用新型并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本实用新型并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1和2所示，一种组合式隔膜调节阀装置，该装置用于碱性电解水制氢时气体的排出，装置包括多个具有不同气体流量范围的隔膜调节阀支路和用于各支路流量分配的流量分配器，隔膜调节阀支路并联设置，流量分配器分别连接隔膜调节阀支路，工作过程中，至少1个隔膜调节阀支路工作。

隔膜调节阀支路包括依次串联的隔膜调节阀和流量计，各隔膜调节阀支路的隔膜调节阀和流量计均连接至流量分配器形成闭环精确调节回路。

并联设置的隔膜调节阀支路中的隔膜调节阀的流量范围配置成按照梯度化形式变化。

隔膜调节阀的流量范围具体配置为：

Q_{g1_max}＞Q_{g2_max}＞…＞Q_{gn_max}，

Q_{g1_min}＞Q_{g2_min}＞…＞Q_{gn_min}，

其中，Q_{g1_max}为第1个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最大气体流量，Q_{g2_max}为第2个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最大气体流量，Q_{gn_max}为第n个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最大气体流量，Q_{g1_min}为第1个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最小气体流量，Q_{g2_min}为第2个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最小气体流量，Q_{gn_min}为第n个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最小气体流量，n为隔膜调节阀支路总个数。

流量分配器配置为根据气体流量需求选择对应隔膜调节阀支路工作的微处理器芯片。

一种碱性电解水制氢系统，包括碱性电解水制氢装置和碱液循环装置，碱性电解水制氢装置包括电解槽1、氧气侧气液分离器11和氢气侧气液分离器7，碱液循环装置连接碱性电解水制氢装置，该系统还包括2个组合式隔膜调节阀装置，分别为氢气侧组合式隔膜调节阀装置6和氧气侧组合式隔膜调节阀装置9，氢气侧组合式隔膜调节阀装置6和氧气侧组合式隔膜调节阀装置9分别对应设置于氢气侧气液分离器7和氧气侧气液分离器11的气体输出端。

在电解水制氢系统工作时，交流供电通过整流变压器2变为直流电进入电解槽1，电解槽1是系统的核心，碱液中的水在这里被电解成为氢气和氧气分别在电极表面析出，氢气与氧气的体积比大致为2：1，并进入氢、氧气液出口管，进入气液分离器。在气液分离器中，从电解槽1中流出的氢气、氧气与碱液地混合物分别流入氢气侧气液分离器7和氧气侧气液分离器11中，在经过上午氢气洗涤冷却器洗涤冷却之后，在重力的作用下气液分离，氢气与氧气逐渐从碱液中分离溢出，分别通过氢气侧组合式隔膜调节阀装置6和氧气侧组合式隔膜调节阀装置9排出，氢气经过氢气纯化设备8后加压或储存，氧气进入氧气收集或后处理装置10。

碱液循环装置包括碱液补给泵12、碱液过滤器13、碱液循环泵14、碱液箱15、碱液循环换热器3、冷却水箱4和冷却水泵5，碱液过滤器13输入端连接至氢气侧气液分离器7和氧气侧气液分离器11的碱液输出端，碱液过滤器13输出端依次通过碱液循环泵14和碱液循环换热器3连接至电解槽1，碱液循环换热器3还通过冷却水泵5连接冷却水箱4形成换热回路，碱液过滤器13输入端还通过补给泵12连接碱液箱15进行碱液补给。碱液循环系统将气液分离器排出的碱液在经过碱液过滤器13除去固体杂质后，由碱液循环泵14泵入碱液循环换热器3，经过换热后进入电解槽1中，形成碱液闭环系统。同时，由于电解水制氢不断消耗水，需要从碱液箱15中将配置好的电解液通过碱液补给泵12给碱液循环中增加碱液。电解水制氢系统能耗较高，在正常工作时需要进行冷却散热。在冷却模块中，储存在冷却水箱4中的冷却去离子水由冷却水泵5，进入电解槽1中，保持制氢模块温度处于工作范围，在流出电解水制氢模块后，冷却水经过碱液循环换热器3进行冷却，进入冷却水箱4中。

本实施例中氢气侧组合式隔膜调节阀装置6设置n个隔膜调节阀支路，氧气侧组合式隔膜调节阀装置9设置m个隔膜调节阀支路，由此氢气侧组合式隔膜调节阀装置6隔膜调节阀的流量范围具体配置为：

Q_{H1_max}＞Q_{H2_max}＞…＞Q_{Hn_max}，

Q_{H1_min}＞Q_{H2_min}＞…＞Q_{Hn_min}，

其中，Q_{H1_max}为氢气侧组合式隔膜调节阀装置6中第1个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最大气体流量，以此类瑞，Q_{Hn_max}为氢气侧组合式隔膜调节阀装置6中第n个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最大气体流量，Q_{H1_min}为氢气侧组合式隔膜调节阀装置6中第1个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最小气体流量，以此类瑞，Q_{Hn_min}为第n个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最小气体流量。

氧气侧组合式隔膜调节阀装置9隔膜调节阀的流量范围具体配置为：

Q_{O1_max}＞Q_{O2_max}＞…＞Q_{On_max}，

Q_{O1_min}＞Q_{O2_min}＞…＞Q_{On_min}，

其中，Q_{O1_max}为氧气侧组合式隔膜调节阀装置9中第1个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最大气体流量，以此类瑞，Q_{Om_max}为氧气侧组合式隔膜调节阀装置9中第m个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最大气体流量，Q_{O1_min}为氧气侧组合式隔膜调节阀装置9中第1个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最小气体流量，以此类瑞，Q_{Om_min}为氧气侧组合式隔膜调节阀装置9第m个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最小气体流量。

由此，氢气侧组合式隔膜调节阀装置6能够精确调控压力的流量范围为：

Q_{Hn_min}～Q_{H1_max}+Q_{H2_max}+…+Q_{Hn_max}；

氧气侧组合式隔膜调节阀装置9能够精确调控压力的流量范围为：

Q_{Om_min}～Q_{O1_max}+Q_{O2_max}+…+Q_{Om_max}。

相较于采用同等技术水平的气体隔膜调节阀，如果其能够精确控制压力的最大气体流量为Q_max，单位为m³/h，且Q_max＝Q_{H1_max}，则一定有其能够精确控制压力的最小气体流量Q_min，单位为m³/h，且其最小气体流量小于组合式隔膜调节阀装置的最小调节流量，Q_min＞Q_{Hn_min}，同样的规律也适用于氧气侧组合式隔膜调节阀装置9。因此可见，本实用新型中的组合式隔膜阀调节系统能够极大的拓宽碱性电解水制氢系统氢气侧与氧气侧精确控制压力的流量范围，从而扩大了碱性电解水制氢系统的气体产生速率范围与工作功率区间。

如图3所示，本实用新型碱性电解水制氢系统中的具体工作步骤包括：

(1)流量分配器获取碱性电解水制氢系统产生的气体流量；

(2)判断组合式隔膜调节阀装置中的任意一条隔膜调节阀支路是否已经有气体流量数据，若是则执行步骤(3)，若否则启用气体流量范围最高的隔膜调节阀支路；

(3)判断碱性电解水制氢系统产生的气体流量是否在当前启用的隔膜调节阀支路的能够精确调控压力的调节区间内，若是则保持当前隔膜调节阀支路运行，否则根据碱性电解水制氢系统产生的气体流量和当前隔膜调节阀支路的流量范围选择相应的隔膜调节阀支路运作。

步骤(3)具体为：

(31)计算碱性电解水制氢系统产生的气体流量是否处于当前隔膜调节阀支路气体流量范围的边缘±Φ区间中，若是执行步骤(32)，否则保持当前隔膜调节阀支路运行；

(32)判断碱性电解水制氢系统产生的气体流量变化速率是否大于等于±Δ，若是，则：当碱性电解水制氢系统产生的气体流量高于当前隔膜调节阀支路气体流量上限的-Φ且气体流量变化速率大于等于+Δ，则启用气体流量范围高一级的隔膜调节阀支路，当碱性电解水制氢系统产生的气体流量低于当前隔膜调节阀支路气体流量下限的+Φ且气体流量变化速率小于等于-Δ，则启用气体流量范围低一级的隔膜调节阀支路；否则，保持当前隔膜调节阀支路运行。

本实施例设置了一种碱性电解水制氢系统，氢气侧组合式隔膜调节阀装置6和氧气侧组合式隔膜调节阀装置9均分别设置4个隔膜调节阀支路，4个隔膜调节阀的流量范围为：第1隔膜调节阀的流量范围为250～350m³/h，第2隔膜调节阀的流量范围为200～300m³/h，第3隔膜调节阀的流量范围为100～200m³/h，第4隔膜调节阀的流量范围为50～100m³/h。因此本实用新型中组合式隔膜调节阀系统能够精确控制压力的流量区间远大于同等技术水平的单一气体隔膜调节阀。

参照图4，以碱性电解水制氢设备的氢气侧气体流量为例，说明组合式隔膜调节阀系统及管理方法的实施方式，组合式隔膜调节阀在不同流量下启用的气体隔膜阀情况参照图5。判定条件中调节区间边缘值条件±Φ＝±30m³/h，流量变化速率±Δ＝±30m³/h·s。

在t＝0s时刻之前，制氢设备生产的氢气流量稳定在340m³/h，因此组合式隔膜阀系统启用第1隔膜调节阀，第1隔膜调节阀能够精确控制压力的流量区间为250～350m³/h，气体流量在隔膜阀调节区间内，同时也在第1隔膜调节阀的调节区间上限的-30m³/h·s，但气流变化速率为零，因此仍然启用第1隔膜调节阀。

在t＝1～6s之间，氢气流量逐渐下降，下降至280m³/h，气体流量在隔膜阀调节区间内，同时仍大于等于第1隔膜调节阀的调节区间下限的+30m³/h，即280m³/h，且气流变化速率大于-30m³/h·s，因此仍然启用第1隔膜调节阀。

在t＝6～7s，制氢设备生产的氢气流量稳定在280m³/h，组合式隔膜阀系统启用第1隔膜调节阀，第1隔膜调节阀能够精确控制压力的流量区间为250～350m³/h，气体流量在隔膜阀调节区间内，同时仍大于等于第1隔膜调节阀的调节区间下限的+30m³/h，即280m³/h，且气流变化速率为零，因此仍然启用第1隔膜调节阀。

在t＝8s，制氢设备生产的氢气流量下降至280m³/h，组合式隔膜阀系统已启用第1隔膜调节阀，第1隔膜调节阀能够精确控制压力的流量区间为250～350m m³/h，气体流量在隔膜阀调节区间内，同时小于第1隔膜调节阀的调节区间下限的+30m³/h，即280m³/h，且气流变化速率小于等于-30m³/h·s，因此需要启用更低一级隔膜调节阀，结合目前启用第1隔膜调节阀，因此改启用第2隔膜调节阀。

在t＝9～10s，制氢设备生产的氢气流量逐渐下降至210m³/h，组合式隔膜阀系统启用第2隔膜调节阀，第2隔膜调节阀能够精确控制压力的流量区间为200～300m³/h，气体流量在隔膜阀调节区间内，虽然小于第2隔膜调节阀的调节区间下限的+30m³/h，即230m³/h，但气流变化速率大于等于-30m³/h·s，因此仍然启用第2隔膜调节阀。

在t＝11s，制氢设备生产的氢气流量下降至190m³/h，组合式隔膜阀系统已启用第2隔膜调节阀，第2隔膜调节阀能够精确控制压力的流量区间为200～300m³/h，气体流量小于隔膜阀调节区间内，因此需要启用更低一级隔膜调节阀，结合目前启用第2隔膜调节阀，因此改启用第3隔膜调节阀。

在t＝12～13s，制氢设备生产的氢气流量逐渐下降至110m³/h，组合式隔膜阀系统已启用第3隔膜调节阀，第3隔膜调节阀能够精确控制压力的流量区间为100～200m³/h，气体流量在隔膜阀调节区间内，小于第2隔膜调节阀的调节区间下限的+30m³/h，即130m³/h，但气流变化速率小于等于-30m³/h·s，因此启用第4隔膜调节阀。

在t＝14～15s，制氢设备生产的氢气流量下降并保持在70m³/h，组合式隔膜阀系统已启用第4隔膜调节阀，第4隔膜调节阀能够精确控制压力的流量区间为0～100m³/h，气体流量在隔膜阀调节区间内，且大于等于第2隔膜调节阀的调节区间下限的-30m³/h，即70m³/h，但气流变化速率为零，因此仍启用第4隔膜调节阀。

在t＝16s，制氢设备生产的氢气流量上升至100m³/h，组合式隔膜阀系统已启用第4隔膜调节阀，第4隔膜调节阀能够精确控制压力的流量区间为0～100m³/h，气体流量在隔膜阀调节区间内，且大于等于第2隔膜调节阀的调节区间下限的-30m^3/h，即70m³/h，气流变化速率大于等于+30m³/h·s，因此启用第3隔膜调节阀。

在t＝17～20s，制氢设备生产的氢气流量上升并稳定在120m³/h，组合式隔膜阀系统已启用第3隔膜调节阀，第3隔膜调节阀能够精确控制压力的流量区间为100～200m³/h，气体流量在隔膜阀调节区间内，小于第2隔膜调节阀的调节区间下限的+30m³/h，即130m³/h，但气流变化速率大于等于-30m³/h·s，因此仍启用第3隔膜调节阀。

上述实施方式仅为例举，不表示对本实用新型范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本实用新型技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (8)

1.一种组合式隔膜调节阀装置，其特征在于，该装置用于碱性电解水制氢时气体的排出，所述的装置包括多个具有不同气体流量范围的隔膜调节阀支路和用于各支路流量分配的流量分配器，所述的隔膜调节阀支路并联设置，所述的流量分配器分别连接隔膜调节阀支路，工作过程中，至少1个隔膜调节阀支路工作。

2.根据权利要求1所述的一种组合式隔膜调节阀装置，其特征在于，所述的隔膜调节阀支路包括依次串联的隔膜调节阀和流量计，各隔膜调节阀支路的隔膜调节阀和流量计均连接至流量分配器形成闭环精确调节回路。

3.根据权利要求2所述的一种组合式隔膜调节阀装置，其特征在于，并联设置的隔膜调节阀支路中的隔膜调节阀的流量范围配置成按照梯度化形式变化。

4.根据权利要求3所述的一种组合式隔膜调节阀装置，其特征在于，隔膜调节阀的流量范围具体配置为：

Q_{g1_max}＞Q_{g2_max}＞…＞Q_{gn_max}，

Q_{g1_min}＞Q_{g2_min}＞…＞Q_{gn_min}，

其中，Q_{g1_max}为第1个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最大气体流量，Q_{g2_max}为第2个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最大气体流量，Q_{gn_max}为第n个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最大气体流量，Q_{g1_min}为第1个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最小气体流量，Q_{g2_min}为第2个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最小气体流量，Q_{gn_min}为第n个隔膜调节阀支路中隔膜调节阀的最小气体流量，n为隔膜调节阀支路总个数。

5.根据权利要求1所述的一种组合式隔膜调节阀装置，其特征在于，所述的流量分配器配置为根据气体流量需求选择对应隔膜调节阀支路工作的微处理器芯片。

6.根据权利要求5所述的一种组合式隔膜调节阀装置，其特征在于，所述的微处理器芯片包括DSP芯片。

7.一种碱性电解水制氢系统，包括碱性电解水制氢装置和碱液循环装置，所述的碱性电解水制氢装置包括电解槽(1)、氧气侧气液分离器(11)和氢气侧气液分离器(7)，所述的碱液循环装置连接碱性电解水制氢装置，其特征在于，该系统还包括2个如权利要求1～5任意一项所述的组合式隔膜调节阀装置，所述的组合式隔膜调节阀装置分别设置于氧气侧气液分离器(11)和氢气侧气液分离器(7)的气体输出端。

8.根据权利要求7所述的一种碱性电解水制氢系统，其特征在于，所述的碱液循环装置包括碱液补给泵(12)、碱液过滤器(13)、碱液循环泵(14)、碱液箱(15)、碱液循环换热器(3)、冷却水箱(4)和冷却水泵(5)，所述的碱液过滤器(13)输入端连接至所述的氧气侧气液分离器(11)和氢气侧气液分离器(7)的碱液输出端，碱液过滤器(13)输出端依次通过碱液循环泵(14)和碱液循环换热器(3)连接至所述的电解槽(1)碱液输入端，碱液循环换热器(3)还通过冷却水泵(5)连接冷却水箱(4)形成换热回路，碱液过滤器(13)输入端还通过补给泵(12)连接碱液箱(15)进行碱液补给。

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