CN216039850U - 采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统，涉及氢能技术领域。它包括水密封容器、水电解制氢系统、蒸发冷却系统和与补水系统，水密封容器内的冷却水浸没水电解制氢系统；蒸发冷却系统包括蒸发冷却器、冷却水出口和冷却水入口，冷却水出口与水密封容器连接，冷却水入口通过冷却循环泵；补水系统包括补水箱和第一补水管。本实用新型结合全浸式和垂直阵列对电解制氢散热效果的优化，利用蒸发冷却器外循环蒸发冷却水电解制氢系统；由于蒸发冷却器的冷却效果显著，使得整个制氢设备的温升降低，设备的温度分布更加均匀，保证整个制氢过程的安全、稳定。

Description

采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统

技术领域

本实用新型涉及氢能技术领域，更具体地说它是一种采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统。

背景技术

水可以通过蒸发吸收热量，因此具有一定的冷却功能，蒸发冷却技术从热学原理上是水与空气流动接触后进行冷热交换产生蒸汽，蒸汽挥发带走热量达到蒸发散热；由于流体的汽化潜热要比流体的比热大很多，所以蒸发冷却的冷却效果更为显著，且蒸发冷却具有无污染、初投资与运行成本低，实现方便等特点；但是传统的制氢工艺的散热并没有采用蒸发冷却技术。

制氢过程是一个放热过程，随着制氢容量的逐步增大，制氢设备产生的热能将巨大；常规的开敞式冷却散热效果不尽如人意，经常出现高温报警甚至损毁设备的情况，而氢气又是易燃易爆炸的危险性气体，在有氧环境下遇高温易产生事故；根据电解制氢工艺要求，相应的设备温度必须控制在一定的范围内，不得超过规定值；根据以往的生产经验数据，传统的制氢系统当电解水制氢规模为10MW时，大约耗费5kW·h电能可产生1m³氢气，采用热值换算得到大约1/3的电能将直接转化为发热量；因此，在整个制氢过程中所产生的热量非常巨大，如若不能较好的处理散热问题，将降低制氢效率并带来一定的安全性问题。

因此，研发一种采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统很有必要。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服上述背景技术的不足之处，而提供一种采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统，其特征在于：包括水密封容器、位于水密封容器内的水电解制氢系统、与水密封容器连接的蒸发冷却系统和与水密封容器连接的补水系统，所述水密封容器内的冷却水浸没水电解制氢系统；

所述蒸发冷却系统包括蒸发冷却器、冷却水出口和冷却水入口，所述冷却水出口与水密封容器连接，所述冷却水入口通过冷却循环泵；

所述补水系统包括补水箱和第一补水管，所述第一补水管一端与补水箱连接，另一端与水密封容器连接。

在上述技术方案中，所述蒸发冷却器内有冷凝室,所述冷凝室内部两侧设置有冷凝排管，所述冷凝排管底部有集水盘，所述集水盘两端均与循环水管连接，所述循环水管沿冷凝室外壁布置，位于蒸发冷却器顶部的循环水管与冷凝室顶部连通，所述循环水管与循环水泵连接。

在上述技术方案中，所述蒸发冷却器顶部设置有轴流风机，所述轴流风机的进风口位于蒸发冷却器两侧，所述循环水管位于轴流风机下方。

在上述技术方案中，所述冷凝排管向集水盘倾斜布置。

在上述技术方案中，所述补水系统还包括第二补水管，所述第二补水管一端与补水箱连接，另一端与循环水管连接。

在上述技术方案中，所述水电解制氢系统为垂直阵列结构，水电解制氢系统与被冷却水浸没的储气罐连接。

在上述技术方案中，所述水密封容器顶部有泄漏收集贮气间。

在上述技术方案中，所述第一补水管上设置有补水泵。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)本实用新型充分利用水的蒸发冷却吸热特性，结合全浸式和垂直阵列对电解制氢散热效果已有优化改善的基础上利用蒸发冷却器外循环蒸发冷却水电解制氢系统；由于蒸发冷却器的冷却效果显著，使得整个制氢设备的温升降低，设备的温度分布更加均匀，保证整个制氢过程的安全、稳定。

2)本实用新型将蒸发冷却技术应用在水电解制氢系统上，引用了蒸发冷却器，充分利用了外界空气作为自然冷源，与空气直接进行热交换，换热效率高，技术成熟可靠，并且能适应多种工况。

3)本实用新型的水电解制氢系统为垂直单元分布，有利于散热与节省空间，增强了水电解制氢能力。

4)本实用新型将水电解制氢系统全部置于水密封容器内的水下，隔绝外部环境影响，在安全、防爆、泄露检测等方面的功能性有了很大提升，并执行全过程封闭可视化管理，具有高标准工艺价值。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为蒸发冷却系统的结构示意图。

其中，1-水密封容器，11-储气罐，12-泄漏收集贮气间，2-水电解制氢系统，3-蒸发冷却系统，31-蒸发冷却器，311-冷凝室，312-冷凝排管，313-集水盘，314-循环水管，315-循环水泵，32-冷却水出口，33-冷却水入口，331-冷却循环泵，34-轴流风机，4-补水系统，41-补水箱，42-第一补水管，421-补水泵，43-第二补水管。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的实施情况，但它们并不构成对本实用新型的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本实用新型的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统，其特征在于：包括水密封容器1、位于水密封容器1内的水电解制氢系统2、与水密封容器1连接的蒸发冷却系统3和与水密封容器1连接的补水系统4，所述水密封容器1内的冷却水浸没水电解制氢系统2；

所述蒸发冷却系统3包括蒸发冷却器31、冷却水出口32和冷却水入口33，所述冷却水出口32与水密封容器1连接，所述冷却水入口33通过冷却循环泵331；

所述补水系统4包括补水箱41和第一补水管42，所述第一补水管42一端与补水箱41连接，另一端与水密封容器1连接。

所述蒸发冷却器31内有冷凝室311,所述冷凝室311内部两侧设置有冷凝排管312，所述冷凝排管312底部有集水盘313，所述集水盘313两端均与循环水管314连接，所述循环水管314沿冷凝室311外壁布置，位于蒸发冷却器31顶部的循环水管314与冷凝室311顶部连通，所述循环水管314与循环水泵315连接。

所述蒸发冷却器31顶部设置有轴流风机34，所述轴流风机34的进风口位于蒸发冷却器31两侧，所述循环水管314位于轴流风机34下方。

所述冷凝排管312向集水盘313倾斜布置。

所述补水系统4还包括第二补水管43，所述第二补水管43一端与补水箱41连接，另一端与循环水管314连接。

所述水电解制氢系统2为垂直阵列结构，水电解制氢系统2与被冷却水浸没的储气罐11连接。

所述水密封容器1顶部有泄漏收集贮气间12。

所述第一补水管42上设置有补水泵421。

采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：各系统按照标准安装完成并检测完成后，打开第一补水管42上的补水泵421，从补水箱41往水密封容器1内注水，完全淹没水电解制氢系统2，至液位控制器设定的水位值时停止注水，补充水源来自自来水等清洁水源；

步骤2：蒸发冷却器31通过连通的补水箱41重力补水，下部集水盘313内的进水口设有浮球阀，当集水盘313内水位低于设定值时，浮球阀开启，自动补充冷却水量；当集水盘313内水位到至设定值，浮球阀关闭；

步骤3：检查水密封容器1与蒸发冷却器31的冷凝排管312侧的连接情况，确认无误后关闭补水泵421。开启冷却循环泵331，观测水密封容器1内的水能正常平稳流动，确定蒸发冷却回路运行良好；

步骤4：补水完成后，通过配电控制柜向水电解制氢系统2提供电能，水电解制氢系统2开始工作，从观测窗观测水密封容器1中的水是否存在气泡，如若管路或者电解设备存在泄漏情况，将会形成持续性的气泡，氢气泄漏监控系统将发出警报，根据泄漏程度自动关闭水电解制氢系统2并提醒工作人员及时进行处理；由于氢气具有不溶于水的特性，泄漏的氢气将被集中到泄漏收集贮气间12，泄漏收集贮气间12压强逐渐增大，达到设定值时开启排气阀排至备用储氢罐，备用储氢罐的体积为主储氢罐的体积的一半，材质一致；

步骤5：确认水电解制氢系统2正常工作后，通过水密封容器1内设定的水温传感器，监测水温的变化值，并与冷却循环泵331联动，根据设定的温度变化超过+2℃，启动冷却循环泵331，冷却循环泵331联动蒸发冷却器31启动运行，开启蒸发冷却换热，带走水电解产生的热量至外界环境。当水温回归设定值，蒸发冷却器31先停止运行，后冷却循环泵331停止运行；如此循环，保证整个水电解制氢过程能不断进行。

实际使用中，当水密封容器1内的水温达到32℃时，开启蒸发冷却系统3散热，回水温度设定为30℃。

水电解制氢系统2包括电解槽及附属设备；电解槽是水电解制氢系统2的核心装置，用于电解水制氢气、氧气；电解槽附属设备包括H₂(O₂)碱液分离器、H₂(O₂)碱液循环泵、H₂(O₂)碱液过滤器、H₂(O₂)分离器、H2(O2)冷却器、H₂(O₂)捕滴器、H₂(O₂)气水分离器、脱氧器、干燥器、再生冷却器和碱液箱。

补水系统4为制氢用水、密封用水和蒸发冷却补水而设的储存器，通过第一补水管42和第二补水管43向水密封容器1、水电解制氢系统2和蒸发冷却器31内补充纯水，维修时也可用来储存从水电解制氢系统2回的碱液。

蒸发冷却系统3包括蒸发冷却器31、冷却循环泵331以及配套管路阀门等；所述蒸发冷却器31为长方形箱体，内有冷凝排管312，冷凝排管312底部设集水盘313，蒸发冷却器31箱体顶部装有轴流风机34；冷却循环水喷淋至冷凝排管312上，在冷凝排管312外表面形成一层薄薄的水膜，水膜中部分水吸收冷凝侧的热后蒸发为水蒸气，其它落在下部集水盘313内，再经循环水泵315继续循环；轴流风机34强制空气以3-5m/s速度通过冷凝排管312，一方面促进水膜蒸发，强化冷凝管外放热，另一方面是通过空气冷却落下过程中吸热后的水滴；蒸发过程中未被气化的水滴，经上部收水器后回落到下部集水器313中，以减少水的消耗。蒸发冷却器31侧通过管道与水密封容器1联通，实现蒸发冷却功能，将水密封容器1内的“高温水”所含热量排走；冷却循环泵331布置于水密封容器1与蒸发冷却器31之间，为水密封容器1内的水至蒸发冷却器31的冷凝排管312侧的流动提供动力，便于将水密封容器1内的吸收电解制氢放热的“高温水”进行循环，至蒸发冷却器31的冷凝排管312内进行冷却降温，然后回至水密封容器1内。

储气罐11主要分为储氢系统和储氧系统两类，储氢系统用于分级加压储存电解水制成的氢气，相关要求需满足GB 4962-2008《氢气使用安全技术规程》等相关标准、规范规定；储氧系统用于加压储存电解水制成的另外一种副产品氧气。储气罐可采用金属材质或新型轻质复合材料。

配电控制柜是电解水气压、温度、水流量等的全套控制系统。

水密封容器1内装有水，将水密封容器1、储氢罐11内置于水中淹没，防止氢气泄露至外部空间，形成安全隐患；水密封容器1顶部采用透明盖板，用于全程、全方位观测装置的运行情况。

泄漏收集贮气间12用于观测水密封装置内的氢气是否泄露，并及时进行收集或排空处理。

水电解制氢系统2为垂直阵列结构，垂直阵列结构支架可采用不锈钢或其他金属结构件，组成扁平、盒状的整体结构框架，通常可分为电解槽、提纯干燥、加压储存三层垂直布置空间；垂直阵列结构支架基础为加强、加重、安全、防倾覆、防变形整体支架基础，并能实现快速、后置式安装和扩展。、

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (8)

1.采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统，其特征在于：包括水密封容器(1)、位于水密封容器(1)内的水电解制氢系统(2)、与水密封容器(1)连接的蒸发冷却系统(3)和与水密封容器(1)连接的补水系统(4)，所述水密封容器(1)内的冷却水浸没水电解制氢系统(2)；

所述蒸发冷却系统(3)包括蒸发冷却器(31)、冷却水出口(32)和冷却水入口(33)，所述冷却水出口(32)与水密封容器(1)连接，所述冷却水入口(33)通过冷却循环泵(331)；

所述补水系统(4)包括补水箱(41)和第一补水管(42)，所述第一补水管(42)一端与补水箱(41)连接，另一端与水密封容器(1)连接。

2.根据权利要求1所述的采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统，其特征在于：所述蒸发冷却器(31)内有冷凝室(311),所述冷凝室(311)内部两侧设置有冷凝排管(312)，所述冷凝排管(312)底部有集水盘(313)，所述集水盘(313)两端均与循环水管(314)连接，所述循环水管(314)沿冷凝室(311)外壁布置，位于蒸发冷却器(31)顶部的循环水管(314)与冷凝室(311)顶部连通，所述循环水管(314)与循环水泵(315)连接。

3.根据权利要求2所述的采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统，其特征在于：所述蒸发冷却器(31)顶部设置有轴流风机(34)，所述轴流风机(34)的进风口位于蒸发冷却器(31)两侧，所述循环水管(314)位于轴流风机(34)下方。

4.根据权利要求3所述的采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统，其特征在于：所述冷凝排管(312)向集水盘(313)倾斜布置。

5.根据权利要求4所述的采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统，其特征在于：所述补水系统(4)还包括第二补水管(43)，所述第二补水管(43)一端与补水箱(41)连接，另一端与循环水管(314)连接。

6.根据权利要求5所述的采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统，其特征在于：所述水电解制氢系统(2)为垂直阵列结构，水电解制氢系统(2)与被冷却水浸没的储气罐(11)连接。

7.根据权利要求6所述的采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统，其特征在于：所述水密封容器(1)顶部有泄漏收集贮气间(12)。

8.根据权利要求7所述的采用外循环蒸发冷却全浸式的水电解制氢系统，其特征在于：所述第一补水管(42)上设置有补水泵(421)。

Images