CN218910545U - 一种碱性电解水制氢槽及热量优化系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供的碱性电解水制氢槽装置，阴极极板包括第一金属内层和包覆在第一金属内层外表面的第一保温层，第一金属内层包括第一金属极框和嵌置于第一金属极框内的第一金属极板，第一金属内层与第一保温层之间相互粘结；阳极极板包括第二金属内层和包覆在第二金属内层外表面的第二保温层，第二金属内层包括第二金属极框和嵌置于第二金属极框内的第二金属极板，第二金属内层与第二保温层之间相互粘结；热量优化系统还包括控制装置、高温碱液支路和低温碱液支路；控制装置与温度传感器通过信号连接，并控制高温碱液支路和低温碱液支路的工作状态。本公开的系统碱性电解水制氢槽适应可再生能源电力波动的目标，还具有电解槽的保温与散热作用。

Description

一种碱性电解水制氢槽及热量优化系统

技术领域

本公开涉及电解水制氢技术领域，具体地，涉及一种碱性电解水制氢槽及热量优化系统。

背景技术

可再生能源制氢与其他制氢方式相比，电解水制氢是目前为止技术较为成熟且绿色环保的一种制氢方式，其中，越来越多的电解水制氢采用的电力来源于可再生能源发电。电解水制氢产生的氢气可用于炼钢、化工等大型企业，满足工业化需求，且无污染。

相关技术关于电解水制氢的研究重点在于系统废热的热量管理方面，主要是通过测温热电偶以及外部管路温度探头来实现对内部温度的检测以及控制的，在热量系统优化方面，虽然进行了废热的综合利用，但是易造成换热器换热时间较慢，导致碱性电解水制氢槽的产氢效率也大大降低。例如，中国专利文献CN213013112U公开了一种大型碱性电解水制氢装置的综合热管理系统，该系统通过碱性电解水制氢槽在较低运行功率时保持温度，保证其正常运行，从而增强大型电解水制氢设备的宽功率波动适应性。

因此，本领域亟需在维持工作温度的同时，增加换热速率，提升碱性电解水制氢槽的产氢效率。

实用新型内容

本公开的目的在于缩短碱性电解水制氢槽系统的换热时间，提升碱性电解水制氢槽的产氢效率。

为了实现上述目的，本公开第一方面提供了一种碱性电解水制氢槽装置，包括阴极端板、阳极端板和多个电解小室，所述电解小室包括阴极极板、阳极极板、隔膜和密封圈；所述隔膜位于所述阴极极板和所述阳极极板之间；

所述阴极极板包括第一金属内层和包覆在所述第一金属内层外表面的第一保温层，所述第一金属内层包括第一金属极框和嵌置于所述第一金属极框内的第一金属极板，所述第一金属内层与所述第一保温层之间相互粘结；所述阳极极板包括第二金属内层和包覆在所述第二金属内层外表面的第二保温层，所述第二金属内层包括第二金属极框和嵌置于所述第二金属极框内的第二金属极板，所述第二金属内层与所述第二保温层之间相互粘结。

可选地，所述第一保温层和所述第二保温层分别为硬质聚氨酯泡沫层；所述第一保温层的厚度为2-3mm，所述第二保温层的厚度为2-3mm。

可选地，所述阴极端板设置有碱液进口、氢气出口和氧气出口；所述电解小室位于所述阴极极板和所述阳极极板之间，相邻两个所述电解小室之间相互串联。

可选地，所述阴极端板和所述阳极端板分别为低碳合金钢板；所述第一金属内层和所述第二金属内层各自独立的选自泡沫镍、镍网、多孔钛板；所述隔膜为PPS隔膜。

本公开的第二方面提供了一种碱性电解水制氢槽热量优化系统，包括碱性电解水制氢槽、气液分离装置、控制装置、高温碱液支路和低温碱液支路；所述碱性电解水制氢槽的液体出口与所述气液分离装置的入口相连接；

其中，所述控制装置与温度传感器通过信号连接，用于控制所述高温碱液支路和所述低温碱液支路的工作状态；

在第一工作状态下，所述气液分离装置的液体出口与所述高温碱液支路连通；在第二工作状态下，所述气液分离装置的液体出口与所述低温碱液支路连通。

可选地，所述气液分离装置的液体出口管路连接有并联的所述高温碱液支路和所述低温碱液支路，所述高温碱液支路上设置有第一阀门、第三阀门和高温碱液罐，所述低温碱液支路上设置有第二阀门、第四阀门和低温碱液罐；所述第一阀门设置于所述高温碱液罐的进口管路，所述第三阀门设置于所述高温碱液罐的出口管路；所述第二阀门设置于所述低温碱液罐的进口管路，所述第四阀门设置于所述低温碱液罐的出口管路；

其中，所述高温碱液罐出液口和所述低温碱液罐出液口通过第一循环泵分别连接至换热器的物料入口，所述换热器的物料出口与所述碱性电解水制氢槽的进液口相连；所述换热器的物料入口管路设置有第一温度传感器，所述第一温度传感器用于检测流经所述换热器液体的温度；所述碱性电解水制氢槽的出口管路设置有第二温度传感器，所述第二温度传感器用于检测所述碱性电解水制氢槽流出液体的温度；所述第一温度传感器和所述第二温度传感器分别与所述控制装置通过信号连接，所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门和所述第四阀门分别与所述控制装置通过信号连接；所述控制装置用于接收所述第一温度传感器的信号并控制所述第一阀门和所述第三阀门的开闭，以及所述控制装置用于接收所述第二温度传感器的信号并控制所述第二阀门和所述第四阀门的开闭。

可选地，所述碱性电解水制氢槽为本公开第一方面提供的碱性电解水制氢槽装置。

可选地，所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门和所述第四阀门分别为电磁阀。

可选地，所述换热器选自板式换热器、管壳式换热器、套管式换热器和翅片式换热器中的一种。

可选地，所述系统还包括备用碱液罐，所述备用碱液罐的出液口通过第二循环泵与所述换热器的物料入口管路连接。

通过上述技术方案，本公开的碱性电解水制氢槽可以显著减轻碱性电解水制氢槽的自身重量，也降低了工业化昂贵的成本；本公开的热量优化系统不仅能够实现碱性电解水制氢槽适应可再生能源电力波动的目标，还具有电解槽的保温与散热作用。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开的热量优化系统的一种具体的实施方式的结构示意图；

图2是本公开碱性电解水制氢槽的一种具体的实施方式的结构示意图；

图3是本公开的阴极端板的一种具体的实施方式的正面示意图。

附图标记说明

1碱性电解水制氢槽；2控制装置；3第一循环泵；4第二循环泵；5第一温度传感器；6第二温度传感器；7第一阀门；8第三阀门；9电源；10第二阀门；11第四阀门；12气液分离器；13高温碱液罐；14低温碱液罐；15备用碱液罐；16换热器；

2.1阳极端板；2.2保温层；2.3阴极端板；2.4螺丝孔；2.5电解小室

3.1第一保温层；3.2第一金属内层；3.3氢气出口；3.4氧气出口；3.5碱液进口

具体实施方式

以下对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

如图2和图3所示，本公开第一方面提供了一种碱性电解水制氢槽装置，包括阴极端板2.3、阳极端板2.1和多个电解小室2.5，所述电解小室2.5包括阴极极板、阳极极板、隔膜和密封圈；所述隔膜位于所述阴极极板和所述阳极极板之间；

所述阴极极板包括第一金属内层3.2和包覆在所述第一金属内层外表面的第一保温层3.1，所述第一金属内层3.2包括第一金属极框和嵌置于所述第一金属极框内的第一金属极板，所述第一金属内层3.2与所述第一保温层3.1之间相互粘结；所述阳极极板包括第二金属内层和包覆在所述第二金属内层外表面的第二保温层，所述第二金属内层包括第二金属极框和嵌置于所述第二金属极框内的第二金属极板，所述第二金属内层与所述第二保温层之间相互粘结。

本公开通过在电解小室的阴极极板和阳极极板上设置有金属内层和包覆在金属内层表面的保温层，可以有效防止在温度较低的时候，碱性电解水制氢槽内热量的散失，进一步维持了槽内碱液工作温度的稳定；同时，与传统碱性电解水制氢槽相比，本公开可以显著减轻碱性电解水制氢槽的自身重量，也降低了工业化昂贵的成本。

根据本公开，所述第一保温层和所述第二保温层可以分别为硬质聚氨酯泡沫层；优选地，所述第一保温层的厚度为2-3mm，所述第二保温层的厚度为2-3mm。

根据本公开，如图3所示，所述阴极端板可以设置有碱液进口3.5、氢气出口3.3和氧气出口3.4；本公开中，所述电解小室位于所述阴极极板和所述阳极极板之间，相邻两个所述电解小室之间相互串联。

根据本公开，所述阴极端板和所述阳极端板可以分别为低碳合金钢板。本公开的阴极端板和阳极端板还可以设置有螺纹孔，螺纹孔的直径与螺丝的型号规格相匹配，阴极和阳极端板上的螺纹孔都成等间距分布。本公开的阴极端板和阳极端板的直径尺寸大于电解小室中极板的直径尺寸。本公开的碱性电解水制氢槽的装配方式可以是本领域技术人员所熟知的，例如可以是通过全牙螺丝穿过阴极和阳极端板上的螺纹孔进行固定的。

根据本公开，所述第一金属内层和所述第二金属内层可以各自独立的选自泡沫镍、镍网、多孔钛板。

根据本公开，所述隔膜可以为PPS隔膜。

本公开的密封圈是本领域技术人员所熟知的，例如可以是采用硅胶垫裁剪成特定的规格和尺寸的密封圈，防止碱液出现漏液现象。

如图1所示，本公开的第二方面提供了一种碱性电解水制氢槽热量优化系统，包括碱性电解水制氢槽1、气液分离装置、控制装置2、高温碱液支路和低温碱液支路；所述碱性电解水制氢槽1的液体出口与所述气液分离装置的入口相连接；

其中，所述控制装置2与温度传感器通过信号连接，用于控制所述高温碱液支路和所述低温碱液支路的工作状态；

在第一工作状态下，所述气液分离装置的液体出口与所述高温碱液支路连通；在第二工作状态下，所述气液分离装置的液体出口与所述低温碱液支路连通。

本公开的一种具体地实施方式，所述气液分离装置的液体出口管路连接有并联的所述高温碱液支路和所述低温碱液支路，所述高温碱液支路上设置有第一阀门7、第三阀门8和高温碱液罐13，所述低温碱液支路上设置有第二阀门10、第四阀门11和低温碱液罐14；所述第一阀门7设置于所述高温碱液罐13的进口管路，用于控制所述高温碱液罐13的开闭；所述第三阀门8设置于所述高温碱液罐13的出口管路，用于控制所述高温碱液罐排出液流量；所述第二阀门10设置于所述低温碱液罐14的进口管路，用于控制所述低温碱液罐14的开闭；所述第四阀门11设置于所述低温碱液罐14的出口管路，用于控制所述低温碱液罐排出液流量；

其中，所述高温碱液罐出液口和所述低温碱液罐出液口通过第一循环泵3分别连接至换热器的物料入口，所述换热器的物料出口与所述碱性电解水制氢槽的进液口相连；所述换热器的物料入口管路设置有第一温度传感器5，所述第一温度传感器5用于检测流经所述换热器液体的温度；所述碱性电解水制氢槽的出口管路设置有第二温度传感器6，所述第二温度传感器6用于检测所述碱性电解水制氢槽流出液体的温度；所述第一温度传感器5和所述第二温度传感器6分别与所述控制装置2通过信号连接，所述第一阀门7、所述第二阀门8、所述第三阀门10和所述第四阀门11分别与所述控制装置通过信号连接；所述控制装置用于接收所述第一温度传感器的信号并控制所述第一阀门和所述第三阀门的开闭，以及所述控制装置用于接收所述第二温度传感器的信号并控制所述第二阀门和所述第四阀门的开闭。

本公开采用高温碱液罐与低温碱液罐同时运行的方式，高温碱液罐与低温碱液罐的管路上都安设有阀门，可以实现从碱性电解水制氢槽流出的高温与低温碱液的高效分类与储存。换热器是通过第一循环泵接收高温碱液罐与低温碱液罐的碱液，进行碱液与换热介质之间的快速换热，使碱液达到温度第一传感器所设定的目标温度，从而实现碱性电解水制氢槽内碱液的工作温度维持稳定。本公开随时依据可再生能源电力的功率波动，进行高温与低温碱液不同大小的流量混合与输送，从而缩短换热器的换热时间，提升碱性电解水制氢槽的产氢效率。

根据本公开，所述碱性电解水制氢槽1优选为本公开提供的碱性电解水制氢槽装置。

根据本公开，所述第一阀门7、所述第二阀门8、所述第三阀门10和所述第四阀门11可以分别为电磁阀。

根据本公开，所述换热器可以选自板式换热器、管壳式换热器、套管式换热器和翅片式换热器中的一种。本公开中所述换热器的换热介质分为冷流体换热介质和热流体换热介质，冷流体换热介质一般采用较低温度的冷水，热流体换热介质采用的是沸点较高的油换热。当高温碱液罐里面的碱液通过第一循环泵导入到换热器时，采用冷流体进行换热，使换热器管路输出端出来的碱液达到第一温度传感器所设定的目标温度；当低温碱液罐里面的碱液通过第一循环泵导入到换热器时，采用热流体进行换热，使换热器管理输出端出来的碱液达到第一温度传感器所设定的目标温度。

根据本公开，所述系统还可以包括备用碱液罐15，所述备用碱液罐15的出液口通过第二循环泵4与所述换热器16的物料入口管路连接。

本公开的一种优选的实施方式，备用碱液罐15通过第二循环泵4给换热器16输送初始碱液，初始碱液经过换热器16在热流体换热介质下进行换热，通过控制装置接收第一温度传感器5的信号使换热器管路输出端出来的碱液达到第一温度传感器5所设定的目标温度，进而初始碱液流经碱液口充满整个碱性电解水制氢槽。然后接通电源9，碱性电解水制氢槽1的阴极端板连接电源的负极，阳极端板连接电源的正极，所述电源9的电力由可再生能源(太阳能、风能)提供。碱性电解水制氢槽在通电状态下，槽内的碱液工作温度会随着电压负荷产生源源不断的热量而升高，阴极电极材料会发生析氢反应，产生氢气，阳极电极材料会发生析氧反应，产生氧气，氢气与氧气的摩尔比为2：1。由于含氢液体氢气出口出来的氢气会携带少量的高温碱液，氧气和高温碱液会从含氧液体出口处流出，当气体与高温碱液混合后流经气液分离器，气液分离器可以包括氢气气液分离器与氧气气液分离器，氢气与高温碱液的分离是通过氢气气液分离器完成的，氧气与高温碱液的分离是通过氧气气液分离器完成的。最后，当第二温度传感器6检测到从碱性电解水制氢槽流出的碱液的出口温度时，由于第二温度传感器6与控制装置2相连，会通过控制阀门的开闭来进行碱液的储存与分类。

本公开中高温碱液与低温碱液的储存与分类方式如下：

当可能生能源供电处于稳定状态下，从碱性电解水制氢槽流出的碱液会是高温碱液，此时第二温度传感器6会检测到碱液的温度，将高温信号传输给控制装置2，控制装置2进行处理高温信号，自动打开第一阀门7，关闭第二阀门10，高温碱液流入到高温碱液罐进行储存。

当可再生能源供电处于不稳定状态下，从碱性电解水制氢槽流出的碱液温度会受功率的影响，温度较低，此时第二温度传感器6会检测到碱液的温度，将低温信号传输给控制装置2，控制装置2通过处理低温信号，自动打开第二阀门10，关闭第一阀门7，低温碱液自然而然被流入到低温碱液罐进行储存。

本公开中高温碱液罐13与低温碱液罐14出来的碱液都会通过第一循环泵3输送到换热器进行换热。当可再生能源供电处于稳定状态下，控制装置2会接收到第一温度传感器5的信号，此时控制第三阀门8的开启程度小于第四阀门11的开启程度，从而高温碱液的流量比低温碱液要小，高温碱液与低温碱液混合后流经换热器，通过与冷流体换热介质接触，达到第一温度传感器5所设定的目标温度，实现碱性电解水制氢槽1的碱液散热；当可再生能源供电处于不稳定状态下，控制装置2会接收到第二温度传感器5的信号，此时控制第三阀门8的开启程度大于第四阀门11的开启程度，从而高温碱液的流量比低温碱液要大，高温碱液与低温碱液混合后流经换热器，通过与热流体换热介质接触，达到第一温度传感器5所设定的目标温度，实现碱性电解水制氢槽1的碱液升温。

本公开的热量优化系统不仅能够实现碱性电解水制氢槽适应可再生能源电力波动的目标，还具有电解槽的保温与散热作用。

以上详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (9)

1.一种碱性电解水制氢槽，其特征在于，包括阴极端板、阳极端板和多个电解小室，所述电解小室包括阴极极板、阳极极板、隔膜和密封圈；所述隔膜位于所述阴极极板和所述阳极极板之间；

所述阴极极板包括第一金属内层和包覆在所述第一金属内层外表面的第一保温层，所述第一金属内层包括第一金属极框和嵌置于所述第一金属极框内的第一金属极板，所述第一金属内层与所述第一保温层之间相互粘结；所述阳极极板包括第二金属内层和包覆在所述第二金属内层外表面的第二保温层，所述第二金属内层包括第二金属极框和嵌置于所述第二金属极框内的第二金属极板，所述第二金属内层与所述第二保温层之间相互粘结。

2.根据权利要求1所述的碱性电解水制氢槽，其特征在于，所述第一保温层和所述第二保温层分别为硬质聚氨酯泡沫层；所述第一保温层的厚度为2-3mm，所述第二保温层的厚度为2-3mm。

3.根据权利要求1所述的碱性电解水制氢槽，其特征在于，所述阴极端板设置有碱液进口、氢气出口和氧气出口；所述电解小室位于所述阴极极板和所述阳极极板之间，相邻两个所述电解小室之间相互串联。

4.根据权利要求1所述的碱性电解水制氢槽，其特征在于，所述阴极端板和所述阳极端板分别为低碳合金钢板；所述第一金属内层和所述第二金属内层各自独立的选自泡沫镍、镍网、多孔钛板；所述隔膜为PPS隔膜。

5.一种碱性电解水制氢槽热量优化系统，其特征在于，包括碱性电解水制氢槽、气液分离装置、控制装置、高温碱液支路和低温碱液支路；所述碱性电解水制氢槽的液体出口与所述气液分离装置的入口相连接；

其中，所述控制装置与温度传感器通过信号连接，用于控制所述高温碱液支路和所述低温碱液支路的工作状态；

在第一工作状态下，所述气液分离装置的液体出口与所述高温碱液支路连通；在第二工作状态下，所述气液分离装置的液体出口与所述低温碱液支路连通；

所述碱性电解水制氢槽为权利要求1-4任意一项所述的碱性电解水制氢槽。

6.根据权利要求5所述的碱性电解水制氢槽热量优化系统，其特征在于，

所述气液分离装置的液体出口管路连接有并联的所述高温碱液支路和所述低温碱液支路，所述高温碱液支路上设置有第一阀门、第三阀门和高温碱液罐，所述低温碱液支路上设置有第二阀门、第四阀门和低温碱液罐；

所述第一阀门设置于所述高温碱液罐的进口管路，所述第三阀门设置于所述高温碱液罐的出口管路；所述第二阀门设置于所述低温碱液罐的进口管路，所述第四阀门设置于所述低温碱液罐的出口管路；

其中，所述高温碱液罐出液口和所述低温碱液罐出液口通过第一循环泵分别连接至换热器的物料入口，所述换热器的物料出口与所述碱性电解水制氢槽的进液口相连；所述换热器的物料入口管路设置有第一温度传感器，所述第一温度传感器用于检测流经所述换热器液体的温度；所述碱性电解水制氢槽的出口管路设置有第二温度传感器，所述第二温度传感器用于检测所述碱性电解水制氢槽流出液体的温度；

所述第一温度传感器和所述第二温度传感器分别与所述控制装置通过信号连接，所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门和所述第四阀门分别与所述控制装置通过信号连接；所述控制装置用于接收所述第一温度传感器的信号并控制所述第一阀门和所述第三阀门的开闭，以及所述控制装置用于接收所述第二温度传感器的信号并控制所述第二阀门和所述第四阀门的开闭。

7.根据权利要求6所述的碱性电解水制氢槽热量优化系统，其特征在于，所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门和所述第四阀门分别为电磁阀。

8.根据权利要求6所述的碱性电解水制氢槽热量优化系统，其特征在于，所述换热器选自板式换热器、管壳式换热器、套管式换热器和翅片式换热器中的一种。

9.根据权利要求6所述的碱性电解水制氢槽热量优化系统，其特征在于，所述系统还包括备用碱液罐，所述备用碱液罐的出液口通过第二循环泵与所述换热器的物料入口管路连接。

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