CN216107249U - 一种碱性制氢电解槽的热量管理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种碱性制氢电解槽的热量管理系统，包括换热夹套、保温层、测温热电偶和控制装置；所述换热夹套包括两个同轴套筒，内部套筒与电解槽外侧紧密结合，形成换热面；外部套筒和内部套筒均设有翅片；各换热夹套内换热介质种类、流速可通过控制装置实现独立调节；换热介质流出后汇总到外部换热器，本实用新型能够实现高效的电解槽热量双向管理，实现高精度温度控制，从而提高电解槽的温度运行区间，提升电解槽能量效率和余热利用价值。
Description
技术领域
本实用新型属于碱性制氢技术领域，具体涉及一种碱性制氢电解槽的热量管理系统。
背景技术
随着风电、光伏等可再生能源在我国能源供应比例中的日益提升，可再生能源的波动性对电网的冲击成为一个亟待解决的问题。利用可再生能源电解水制取绿色氢气，并将氢气储存起来的路线是实现大规模可再生能源储存、缓解电网压力的有效手段。截至目前，在国内能够实现大规模可再生能源消纳的电解水制氢技术只有碱性电解水技术。碱性电解槽在传统应用场景中往往工作在稳定的功率下，而对于波动性可再生能源的不稳定功率输入，其系统管理遇到了许多问题，热量管理是其中比较关键的一项。
热量管理对碱性制氢效率和安全性有很大影响：一方面，碱性电解制氢反应在较高温度下具有更快的反应动力学和更低的反应小室电压，有助于降低制氢过程的电耗，降低成本；另一方面，电解槽工作过程中不断产生热量，若热量不断积聚，导致温度过高，容易造成电解槽电极和膜材料的破坏，导致电解性能的降低，严重的会造成氢氧混合和爆炸。电解槽散失的热量也会造成能量转换效率的下降，导致整体电解制氢成本的提高。因此，通过热量管理实现温度的精准控制对电解槽的高效安全运行有重要意义。
现有技术中，碱性电解槽一般采用冷却水与流出电解槽的热碱液进行换热，从而带走电解散热热量，以避免电解槽超温。通过电解槽控制系统，可设定目标碱液温度，并根据温度目标调控冷却水流量。在过去的固定负荷场景下，电解槽对温度调控的要求不高，现有技术基本能够满足要求；然而，在波动性可再生能源电解制氢的条件下，电解槽负荷的变化伴随着产热量的频繁变化，当前的电解槽热管理系统缺乏足够的动态响应能力；以流出电解槽的碱液温度作为目标进行调控时，不能直接对电解槽本体的温度进行精准控制，导致现有电解槽内部反应的温度控制不够精确。另外，现有电解槽一般通过电解反应的散热使电解槽在启动阶段升温，该过程十分缓慢，使电解槽较长时间工作在低温状态，造成高能耗和低效率。现有电解槽往往只将流出电解池的碱温和槽温作为温度监测点，而对于电解电堆内部缺乏监控，由于温度控制精确性不高，为维持整体安全性，电解槽的整体工作温度低，导致热效率和余热利用效率不高。
实用新型内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本实用新型的目的是提供一种碱性制氢电解槽的热量管理系统，实现碱性电解槽的高效热管理，维持碱性电解槽在不同运行工况，尤其是可再生能源波动输入状态下的最佳温度区间，以保持高能量转换效率，提高温度控制精度，从而提升可实现的温度上限；同时充分利用电解槽工作产生的余热，提高整体能效。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种碱性制氢电解槽的热量管理系统，包括换热夹套、保温层、测温热电偶和控制装置，其中：
所述换热夹套包括内部套筒和外部套筒，所述内部套筒与电解槽外侧紧密结合，形成换热面；所述保温层位于换热夹套的外部套筒外侧，与换热夹套的外部套筒紧密贴合；所述换热夹套上设置有换热介质的出入口，所述控制装置用于控制换热介质的出入口流量。
进一步的，换热介质的出入口包括液体介质入口、液体介质出口、气体介质入口和气体介质出口；所述液体介质入口和气体介质出口位于接近端面的侧壁下方，所述液体介质出口和气体介质入口位于接近另一端面的侧壁上方；所述液体介质入口、液体介质出口、气体介质入口、气体介质出口均连接有管道，管道上均安装有流量调节电磁阀。
进一步的，还包括控制装置，所述控制装置包括PLC系统，所述PLC系统包括电源模块、信号输入模块、CPU模块和信号输出模块；所述信号输入模块通过信号传输线与测温热电偶相连，所述CPU模块用于将信号输入模块传输的温度信号转化为流量调节控制信号，所述信号输出模块通过信号传输线与液体介质入口、液体介质出口、气体介质入口和气体介质出口的流量调节阀相连。
进一步的，所述换热夹套设置在沿电解槽轴线方向设置的两个支板之间，所述支板为环形，与电解槽端面平行，其内侧面固定于电解槽上。
进一步的，所述支板的径向宽度大于所述换热夹套和所述保温层的厚度之和；换热夹套两侧的夹板与所述连接内部套筒和外部套筒的环形端板紧密贴合。
进一步的，碱性电解槽上至少设置有一个换热夹套，相邻换热夹套之间共用支板。
进一步的，所述测温热电偶至少有三个；所述测温热电偶分别位于换热夹套的端部及中部，所述测温热电偶的测温头位于换热夹套端面及中部相应位置的电解槽小室中心。
进一步的，所述内部套筒和外部套筒的轴线重合，所述换热夹套的内部套筒和外部套筒均设有翅片，外部套筒和内部套筒的翅片相互间隔设置，用于形成换热介质的扰动空间。
本实用新型的碱性制氢电解槽的热量管理系统的使用方法，所述换热介质可以为气体或液体；
当所述换热介质为气体时，介质上进下出；
当换热介质为加热蒸汽时：
当温度低于设定值时，通过控制装置使换热介质流速增大；
当温度等于设定值时，控制装置使换热介质流速维持不变；
当温度高于设定值时，通过控制装置使换热介质流速减小；
当所述换热介质为液体时，介质下进上出；
当换热介质为冷却水时：
当温度低于设定值时，通过控制装置使换热介质流速减小；
当温度等于设定值时，控制装置使换热介质流速维持不变；
当温度高于设定值时，通过控制装置使换热介质流速增大。
进一步的，当换热介质为冷却水时，换热介质通入外部换热器，换热后的高温热水作为热源；当换热介质为加热蒸汽时，换热介质通入外部换热器，换热后的蒸汽余热继续使用。
与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益效果：本实用新型采用直接接触电解槽的换热夹套，相比于通过冷却水与碱液换热间接控制温度的方案，电解槽热交换效率提高，温度控制精度更高；换热夹套内部采用扰动介质流动模式，提高换热效率。
本实用新型的换热夹套有至少3个，分段设置，电解槽端部和中部的换热夹套介质流速可以分别调节，配合了电解槽端部发热较少、中部发热较多的特点，有利于实现整体温度的均一和热量传递效率的提升。
本实用新型将热电偶放入电解槽小室内，直接检测电解槽内部温度，对电解槽温度的反馈更加实时迅速，相比于检测流出碱液温度的方案，消除了安全盲点，能够将电解槽运行设定温度提升5～10度，有利于提高电解槽工作效率；电解槽温度升高后，余热品质提高，有利于后续热利用。
本实用新型电解槽对不同部位的换热夹套端部和中部分别设置热电偶，对温度的反馈更加全面。
本实用新型的换热夹套留有气体和液体的进出口，可根据电解槽热量需求实现向电解槽的热量输送和热量移出，有利于在启动阶段提高启动速度、在波动运行阶段保持高运行效率，同时对温度的控制更加精确。
本实用新型能够实现高效的电解槽热量双向管理，实现高精度温度控制，从而提高电解槽的温度运行区间，提升电解槽能量效率和余热利用价值。本实用新型为碱性电解水制氢应用于波动性可再生能源消纳提供了有效解决方案。
附图说明
图1是本实用新型一种碱性制氢电解槽的热量管理系统结构示意图。
图2是换热夹套结构示意图。
其中：1、换热夹套；2、保温层；3、测温热电偶；4、控制装置；11、内部套筒；12、外部套筒
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案做详细说明。
如图1所示，本实用新型的一种碱性制氢电解槽的热量管理系统，包括换热夹套1、保温层2、测温热电偶3和控制装置4，其中，所述换热夹套1包括内部套筒11和外部套筒12，内部套筒11和外部套筒12的轴线重合，两个套筒相对构成换热介质的流动空间；所述换热夹套1的外部套筒12外侧还设置有保温层2，所述保温层2与外部套筒12紧密贴合。所述换热夹套1的内部套筒11与电解槽外侧紧密结合，形成换热面。如图2所示，所述换热夹套1，其内部套筒11和外部套筒12均设有翅片，且外部套筒12和内部套筒11的翅片相互间隔，形成换热介质的扰动。所述换热夹套1的外部套筒12的两端还连有与套筒轴线方向垂直的环形端板，端板内环与内部套筒11相连。
所述换热夹套1设置在沿电解槽轴线方向设置的两个支板之间，所述支板为环形，与电解槽端面平行，其内侧固定于电解槽上。所述支板的径向宽度大于所述换热夹套1和所述保温层2的厚度之和；换热夹套1两侧的支板与所述连接内部套筒11和外部套筒12的环形端板紧密贴合。
在本实施例中，所述换热夹套1共一个，所述支板紧贴电解槽端面。
所述测温热电偶3有三个，分别位于换热夹套1的端面及中部，测温热电偶3的测温头位于换热夹套1端面及中部相应位置的电解槽小室中心。
所述换热夹套1上有液体介质入口、液体介质出口、气体介质入口、气体介质出口；液体介质入口及气体介质出口位于接近端面的侧壁下方，液体介质出口及气体介质入口位于接近另一端面的侧壁上方。
所述液体介质入口、液体介质出口、气体介质入口、气体介质出口均连接有管道，管道上均安装有流量调节电磁阀。
所述控制装置4包括PLC系统，所述PLC系统包括电源模块、信号输入模块、CPU模块和信号输出模块，所述信号输入模块通过信号传输线与测温热电偶3相连，所述CPU模块将信号输入模块传输的温度信号通过内置程序转化为流量调节控制信号，所述信号输出模块通过信号传输线与液体介质入口、液体介质出口、气体介质入口、气体介质出口的流量调节阀相连。
本实用新型热量管理系统的使用方法，所述换热介质可以为气体或液体；所述换热介质为气体时，介质上进下出；所述换热介质为液体时介质下进上出；
本实用新型的热量管理系统可以主动实现换热元件与电解槽的热量双向流动，通过控制装置控制换热介质的流速来实现。
在本实用新型的某一优选实施例中，当换热介质为加热蒸汽时：
当温度低于设定值时，通过控制装置使换热介质流速增大；
当温度等于设定值时，控制装置使换热介质流速维持不变；
当温度高于设定值时，通过控制装置使换热介质流速减小。
在本实用新型的某一优选实施例中，当换热介质为冷却水时：
当温度低于设定值时，通过控制装置使换热介质流速减小；
当温度等于设定值时，控制装置使换热介质流速维持不变；
当温度高于设定值时，通过控制装置使换热介质流速增大。
在换热介质为冷却水时，换热介质通入外部换热器，将换热后的高温热水作为热源利用。
在换热介质为加热蒸汽时，换热介质通入外部换热器，将换热后的蒸汽余热进一步利用。
作为本实用新型另一优选实施例，本实施例与实施例1的区别在于，所述换热夹套有三个；换热夹套沿电解槽轴线方向的长度相同或不同。
作为本实用新型另一优选实施例，换热夹套的材质为钢或铸铁。
作为本实用新型另一优选实施例，换热夹套内换热介质的种类为水或导热油。
作为本实用新型另一优选实施例，换热夹套内换热介质的种类、流速均可独立调节。
在电解槽启动阶段，换热夹套内通加热蒸汽，为电解槽供热，可将启动时间从几小时缩短到10分钟以内；
在风电等可再生能源出力较低时，电解槽工作负荷在额定负荷的60％以下，换热夹套内通加热蒸汽，为电解槽供热，使电解槽温度保持在90～95℃，电解槽制氢综合能耗在4.8kWh/Nm3H2以下；
在电解槽满负荷运行状态下，换热夹套内通冷却液体，从电解槽移走热量。通过端面和中部换热夹套内液体流速的调节，使电解槽整体温度更加均一，避免热点的产生，提高操作安全性和能量效率。
Claims (8)
1.一种碱性制氢电解槽的热量管理系统，其特征在于：包括换热夹套(1)、保温层(2)、测温热电偶(3)和控制装置(4)，其中：
所述换热夹套(1)包括内部套筒(11)和外部套筒(12)，所述内部套筒(11)与电解槽外侧紧密结合，形成换热面；所述保温层(2)位于换热夹套(1)的外部套筒(12)外侧，与换热夹套(1)的外部套筒(12)紧密贴合；所述换热夹套(1)上设置有换热介质的出入口，所述控制装置(4)用于控制换热介质的出入口流量。
2.根据权利要求1所述的一种碱性制氢电解槽的热量管理系统，其特征在于：换热介质的出入口包括液体介质入口、液体介质出口、气体介质入口和气体介质出口；所述液体介质入口和气体介质出口位于接近端面的侧壁下方，所述液体介质出口和气体介质入口位于接近另一端面的侧壁上方；所述液体介质入口、液体介质出口、气体介质入口、气体介质出口均连接有管道，管道上均安装有流量调节电磁阀。
3.根据权利要求2所述的一种碱性制氢电解槽的热量管理系统，其特征在于：还包括控制装置(4)，所述控制装置(4)包括PLC系统，所述PLC系统包括电源模块、信号输入模块、CPU模块和信号输出模块；所述信号输入模块通过信号传输线与测温热电偶(3)相连，所述CPU模块用于将信号输入模块传输的温度信号转化为流量调节控制信号，所述信号输出模块通过信号传输线与液体介质入口、液体介质出口、气体介质入口和气体介质出口的流量调节阀相连。
4.根据权利要求1所述的一种碱性制氢电解槽的热量管理系统，其特征在于：所述换热夹套(1)设置在沿电解槽轴线方向设置的两个支板之间，所述支板为环形，与电解槽端面平行，其内侧面固定于电解槽上。
5.根据权利要求4所述的一种碱性制氢电解槽的热量管理系统，其特征在于：所述支板的径向宽度大于所述换热夹套(1)和所述保温层(2)的厚度之和；换热夹套(1)两侧的夹板与所述连接内部套筒(11)和外部套筒(12)的环形端板紧密贴合。
6.根据权利要求5所述的一种碱性制氢电解槽的热量管理系统，其特征在于：碱性电解槽上至少设置有一个换热夹套(1)，相邻换热夹套之间共用支板。
7.根据权利要求6所述的一种碱性制氢电解槽的热量管理系统，其特征在于：所述测温热电偶(3)至少有三个；所述测温热电偶(3)分别位于换热夹套(1)的端部及中部，所述测温热电偶(3)的测温头位于换热夹套(1)端面及中部相应位置的电解槽小室中心。
8.根据权利要求1所述的一种碱性制氢电解槽的热量管理系统，其特征在于：所述内部套筒(11)和外部套筒(12)的轴线重合，所述换热夹套(1)的内部套筒(11)和外部套筒(12)均设有翅片，外部套筒和内部套筒的翅片相互间隔设置，用于形成换热介质的扰动空间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230606 Address after: 102209 building a, Huaneng talent innovation and entrepreneurship base, Beiqijia future science and Technology City, Changping District, Beijing Patentee after: HUANENG CLEAN ENERGY Research Institute Patentee after: Huaneng Mingtai Power Co.,Ltd. Patentee after: Sichuan Huaneng Hydrogen Technology Co.,Ltd. Patentee after: Huaneng Group R&D Center Co., Ltd. Patentee after: Sichuan Huaneng Taipingyi Hydropower Co.,Ltd. Patentee after: SICHUAN HUANENG BAOXINGHE HYDROPOWER Co.,Ltd. Patentee after: SICHUAN HUANENG JIALINGJIANG HYDROPOWER Co.,Ltd. Patentee after: SICHUAN HUANENG DONGXIGUAN WATER POWER Co.,Ltd. Patentee after: SICHUAN HUANENG KANGDING HYDROPOWER Co.,Ltd. Patentee after: SICHUAN HUANENG FUJIANG HYDROPOWER CO.,LTD. Address before: 102209 building a, Huaneng talent innovation and entrepreneurship base, Beiqijia future science and Technology City, Changping District, Beijing Patentee before: HUANENG CLEAN ENERGY Research Institute Patentee before: Huaneng Group R&D Center Co., Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |