CN219079663U - 一种多工位pem电解水制氢测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多工位PEM电解水制氢测试系统，它包括纯水调节单元、PEM电解水单元、氧气分离单元、氢气分离单元和控制单元；控制单元与纯水调节单元、PEM电解水单元、氧气分离单元、氢气分离单元中的各设备通信并控制其动作。所述测试系统设置循环水温度调节装置对循环水温进行在线调节，设置水质调节装置对循环水进行在线水质调节，设置循环水流量调节装置实现循环水水量的在线调节。本实用新型具备在线去离子、在线水温调节、在线水流流量调节的功能，同时能够对多工位的PEM电解槽制氢进行测试，提高了多工位PEM电解水制氢系统的安全性和测试效率。

Description

一种多工位PEM电解水制氢测试系统

技术领域

本实用新型属于PEM电解水制氢技术领域，具体涉及一种多工位PEM电解水制氢测试系统。

背景技术

电解水制氢是在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子分解为氢气和氧气，分别在阴、阳极析出。电解水制氢目前主要有三种技术路线，即碱性电解(AWE)，质子交换膜(PEM)电解以及固体氧化物(SOEC)三种技术路线。在这三种技术路线中，以PEM作为电解质的水电解器能在1～3A/cm²的高电流密度下工作，体积小、效率高，生成的氢气纯度可高达99.999％，被认为是最有前景的水电解技术，适合应用于电子、冶金、发电、燃料电池、仪器分析等行业，还可与燃料电池相结合构成再生式燃料电池，用于无人驾驶飞机、潜艇、空间站等场所。

目前在PEM电解水制氢领域，主要着重于PEM材料、电催化剂、膜电极方面的研究，关于PEM电解水制氢测试方面的研究较少，但是电解水制氢中的各种参数，如水的纯度、温度、流量等，对电解槽的运行效率、运行性能衰减等有着重要影响，因此有必要建立一套关于PEM电解水制氢的测试系统对各环节进行监控。

现有关于PEM电解水制氢的测试系统，多是对电解水制氢各环节的参数进行监控，并不具备在线调节水温、水流量的功能，也不能对电解水质进行在线调节，从而影响了电解制氢的速率。而且现有的测试系统多是对单台电解槽进行测试，但单台电解槽的产量有限，为了提高制氢产量，需要多台电解槽同时工作，因此有必要设计一种对多台电解槽同时进行测试的系统。但多台电解槽并联制氢，其工作的台数和负荷均是可变的，氢气气液分离器和氧气气液分离器的液位也在不断变化中，如何使二者液位保持平衡，避免氧气和氢气的混合，也是设计多台电解槽测试系统需要解决的一个问题。

实用新型内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种多工位PEM电解水制氢测试系统，以解决现有PEM电解水制氢测试系统不具备多工位测试，在线去离子，在线温度、流量调节功能的问题。

为解决以上技术问题，本实用新型提供的技术方案是一种多工位PEM电解水制氢测试系统，它包括纯水调节单元、PEM电解水单元、氧气分离单元、氢气分离单元和控制单元。纯水调节单元为PEM电解水单元提供循环电解水，PEM电解水单元生成的水氧混合气体进入氧气分离单元处理，水氢混合气体进入氢气分离单元处理，控制单元与纯水调节单元、PEM电解水单元、氧气分离单元、氢气分离单元中的各设备通信并控制其动作。

所述纯水调节单元包括循环水温度调节装置、循环水流量调节装置和水质调节装置；具体的是，循环水温度调节装置包括温度传感器以及并联设置的电加热器和板式换热器，循环水流量调节装置包括质量流量计和流量传感器，水质调节装置包括离子交换器和水质检测仪；所述纯水调节单元包括依次相互连接的纯水制备装置、循环水温度调节装置和给水循环泵，所述纯水制备装置与循环水温度调节装置的连接管路上设置有阀门和温度传感器，给水循环泵出口连接PEM电解水单元的进口，给水循环泵与PEM电解水单元的连接管路上设置有去离子回路、管道精密过滤器、水质检测仪、质量流量计、流量传感器、温度传感器和阀门，所述去离子回路和给水循环泵与PEM电解水单元的连接管路并联，所述去离子回路上设置有离子交换器和阀门。

所述PEM电解水单元包括n个并联设置的PEM电解槽，(n-1)个PEM电解槽的进口管路上设置有阀门、质量流量计和流量传感器。

所述氧气分离单元设置在PEM电解水单元的氧侧出口，包括氧气气液分离器、氧气板式换热器、氧气凝液罐和氧气气液分离器液位平衡装置，每个PEM电解槽氧侧出口的出口管路上均设置有温度传感器、压力传感器和阀门，每个PEM电解槽氧侧出口的出口管路汇总至氧侧总管路与氧气气液分离器的进口连接，氧气气液分离器的气体出口连接氧气板式换热器，氧气板式换热器出口连接氧气凝液罐，氧气凝液罐出口与氧气气液分离器的液体进口连接，氧气气液分离器的液体出口和液体进口分别与纯水调节单元的管路连接；所述氧气气液分离器液位平衡装置包括设置在PEM电解槽氧侧出口的出口管路上的压力传感器和设置于氧气气液分离器中的液位传感器。

所述氢气分离单元设置在PEM电解水单元的氢侧出口，包括氢气气液分离器、氢气板式换热器、氢气凝液罐和氢气气液分离器液位平衡装置，每个PEM电解槽氢侧出口的出口管路上均设置有温度传感器、压力传感器和阀门，每个PEM电解槽氢侧出口的出口管路汇总至氢侧总管路与氢气气液分离器的进口连接，氢气气液分离器的气体出口连接氢气板式换热器，氢气板式换热器出口连接氢气凝液罐，氢气凝液罐出口与氢气气液分离器的液体出口连接，氢气气液分离器的液体出口与纯水调节单元的管路连接；所述氢气气液分离器液位平衡装置包括设置在PEM电解槽氢侧出口的出口管路上的压力传感器和设置于氢气气液分离器中的液位传感器。

所述控制单元分别与纯水调节单元、PEM电解水单元、氧气分离单元、氢气分离单元中的阀门、压力传感器、温度传感器、流量传感器、水温调节装置、水质检测仪、质量流量计通信并控制其动作。

本实用新型通过在纯水调节单元中设置循环水温度调节装置，控制单元通过温度传感器反馈的信息控制循环水温度调节装置调节测试系统的循环水温度，让测试系统的循环水温度始终处于试验温度，实现在线水温调节的功能。在一些具体实施方式中，循环水温度调节装置包括并联设置的电加热器和板式换热器，电加热器用于循环水的升温，板式换热器用于循环水的降温。

本实用新型在给水循环泵与PEM电解水单元的连接管路上设置有去离子回路、管道精密过滤器和水质检测仪，纯水经管道精密过滤器处理后，水质检测仪对其水质进行检测并将信号传送给控制单元，当检测到水质信号不满足预定标准时，控制单元控制去离子回路的阀门打开，纯水经去离子回路上的离子交换器处理后再进入管道精密过滤器处理，直至水质检测信号达到预定标准后再关闭去离子回路，从而实现了测试系统对电解纯水在线去离子的操作。在一些具体实施方式中，水质检测仪选用电阻率探测器，测试系统的在线去离子功能由离子交换器与电阻率探测器联合实现，当检测到循环水电阻率过低时，控制单元将会打开在线去离子回路直至电解水电阻率符合试验要求。

本实用新型在线水流量调节的实现采用多流量计、控制阀门连锁控制的方法，在PEM电解水单元的总进水管路上设置有质量流量计，在每个PEM电解槽的进口管路上也设置质量流量计，控制单元根据流量传感器传输的数据信号控制每个管路上阀门的开度，从而控制每个工位的供水量处于试验水量。

本实用新型在每个PEM电解槽氧侧出口的出口管路上和氢侧出口的出口管路上均设置有压力传感器，在氧气气液分离器和氢气气液分离器中设置有液位传感器，传感器将压力信号和液位信号传送给控制单元，控制单元根据压力信号和液位信号调节氧气气液分离器的液位与氢气气液分离器的液位保持平衡，避免液位差过大，氧气与氢气发生混合，从而解决了多工位电解槽测试系统中气液分离器液位难以保持平衡的问题。

进一步的，所述氧气气液分离器和氢气气液分离器设置有取样口，可以对气液分离器中分离的水进行取样分析，也可以在系统停工检查时进行排水处理。

进一步的，所述PEM电解槽氧侧出口的出口管路上设置有取样管，所述PEM电解槽氢侧出口的出口管路上设置有取样管，方便对电解槽进行取样分析，实时掌握电解槽的性能变化，从而调整电解参数。

进一步的，所述给水循环泵与PEM电解水单元的连接管路和PEM电解槽氢侧出口的出口管路上设置有氮气置换管路，在系统开始运行时，通过氮气置换管路置换出系统管道中的空气，避免可燃气体与空气中的氧气形成可燃性混合物，进而可能造成内燃或爆炸，提高系统的安全性。

进一步的，所述氧气气液分离器和氢气气液分离器的气体出口设置有安全阀，作为气液分离器的超压保护装置，提高系统的安全性。当气液分离器的压力升高超过允许值时，安全阀自动开启，继而全量排放，以防止气液分离器内的压力继续升高；当压力降低到规定值时，阀门自动及时关闭，从而保护气液分离器的安全运行。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供的一种多工位PEM电解水制氢测试系统，实现了多电解槽并联制氢系统的测试功能，同时具备在线去离子、在线水温调节、在线水流流量调节的功能，提高了多工位PEM电解水制氢系统的安全性和测试效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的多工位PEM电解水制氢测试系统的结构框图；

图2为图1实施例提供的多工位PEM电解水制氢测试系统的具体结构示意图。

附图标记：

101-纯水机；102-电加热器；103-板式换热器；104-给水循环泵；108-温度传感器；111-温度传感器；114-离子交换器；116-管道精密过滤器；117-电阻率探测器；120/405/407/433-氮气置换管路；201-第一PEM电解槽；202-第二PEM电解槽；308-氧气气液分离器；315-氧气板式换热器；316-氧气凝液罐；416-氢气气液分离器；423-氢气板式换热器；424-氢气凝液罐；109/110/112/113/436-电磁阀；115/203/204/301/302/413/414/437/438-截止阀；118/205-质量流量计；119/206-流量传感器；305/307/410/412-压力传感器；309/417-液位传感器；310/320/322/418/401/403-取样管。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

参见图1，本实施例提供了一种多工位PEM电解水制氢测试系统，它包括纯水调节单元、PEM电解水单元、氧气分离单元、氢气分离单元和控制单元；纯水调节单元为PEM电解水单元提供循环电解水，PEM电解水单元生成的水氧混合气体进入氧气分离单元处理，水氢混合气体进入氢气分离单元处理，控制单元与纯水调节单元、PEM电解水单元、氧气分离单元、氢气分离单元中的各设备通信并控制其动作。

具体的，参见图2，图1实施例提供的一种多工位PEM电解水制氢测试系统为两个PEM电解槽并联电解水制氢的测试系统，其纯水调节单元包括纯水机101、电加热器102、板式换热器103和给水循环泵104；氧气分离单元包括氧气气液分离器308、氧气板式换热器315和氧气凝液罐316；氢气分离单元包括氢气气液分离器416、氢气板式换热器423和氢气凝液罐424。本实施例中控制单元采用PLC控制器。

PEM电解水单元包括并联设置的第一PEM电解槽201和第二PEM电解槽202，第一PEM电解槽201的进口管路上设置有质量流量计205和截止阀203，质量流量计205与流量传感器206连接，其氧侧出口管路上设置有截止阀301、压力传感器305和取样管320，氢侧出口管路上设置有取样管401、压力传感器410、氮气置换管405和截止阀413。第二PEM电解槽202的进口管路上设置有截止阀204，同样的，其氧侧出口管路上设置有截止阀302、压力传感器307和取样管322，氢侧出口管路上设置有取样管403、压力传感器412、氮气置换管407和截止阀414。

第一PEM电解槽201的进口管路与第二PEM电解槽202的进口管路汇合在一起与给水循环泵104连接，在给水循环泵与电解槽进口汇合管路的连接管路上设置有电磁阀113、管道精密过滤器116、电阻率探测器117、质量流量计118、氮气置换管路120以及温度、压力传感器，质量流量计118与流量传感器119连接，氮气置换管路120上设置截止阀121，电磁阀113的管路并联去离子回路，去离子回路包括电磁阀112、离子交换器114和截止阀115。

第一PEM电解槽201的氧侧出口管路与第二PEM电解槽202的氧侧出口管路汇合在一起与氧气气液分离器308连接，其连接管路上设置有阀门，氧气气液分离器308设置液位传感器309，氧气气液分离器308的底端设置有取样口连接取样管310，氧气气液分离器308的气体出口连接氧气板式换热器315，氧气板式换热器315连接氧气凝液罐316，氧气凝液罐316的液体出口连接氧气气液分离器308的进口，氧气凝液罐316的气体出口连接气体出口管路。

纯水机101与氧气气液分离器308的进口连接，氧气气液分离器308的液体出口连接水温调节装置，连接管路上设置温度传感器108，水温调节装置与给水循环泵104连接。水温调节装置包括并联的板式换热器103和电加热器102，板式换热器的进口管路上设置电磁阀110，电加热器102的进口管路上设置电磁阀109，电加热器102内设置温度传感器111。

第一PEM电解槽201的氢侧出口管路与第二PEM电解槽202的氢侧出口管路汇合在一起与氢气气液分离器416连接，氢气气液分离器416设置液位传感器417，氢气气液分离器416的底端设置有取样口连接取样管418，氢气气液分离器308的气体出口连接氢气板式换热器423，氢气板式换热器423连接氢气凝液罐424，氢气凝液罐424的液体出口连接氢气气液分离器416的进口，氢气凝液罐424的气体出口连接气体出口管路，气体出口管路上设置有氮气置换管433。

氢气气液分离器416的取样口分别与第一PEM电解槽201的进口、第二PEM电解槽202的进口、给水循环泵104的进口连接，氢气气液分离器416的取样口与第一PEM电解槽201的进口连接管路上设置有截止阀437，氢气气液分离器416的取样口与第二PEM电解槽202的进口连接管路上设置有截止阀438，氢气气液分离器416的取样口与给水循环泵104的进口连接管路上设置有电磁阀436。

本实施例提供的测试系统的工作流程具体为：

自来水经纯水机101处理为纯水后经加热器102加热至实验温度，经管道精密过滤器116去杂处理后分别进入第一PEM电解槽201和第二PEM电解槽202中电解制氢，电解槽氧侧出口输出水氧混合气体，氢侧出口输出水氢混合气体，水氧混合气体经氧气气液分离器308汽水分离后，气体进入板式换热器315中降温冷凝，干燥的氧气排出系统外，冷凝的液体返回氧气气液分离器308中与纯水机101输入的纯水混合提供给电解槽使用，水氢混合气体经氢气气液分离器416汽水分离后，气体进入板式换热器423中降温冷凝，干燥的氢气排出系统外，冷凝的液体返回氧气气液分离器416中。

控制单元根据温度传感器108传递的温度数据控制纯水的流向(进入电加热器102中升温或进入板式换热器103中降温)来调节循环水的温度，使循环水温度处于试验温度，实现循环水的在线温度调节；控制单元根据质量流量计118和质量流量计205传递的流量数据控制截止阀203和截止阀204的开度，控制第一PEM电解槽201和第二PEM电解槽202的供水量都处于试验水量，实现循环水的在线水量调节；控制单元根据电阻率探测器117传递的电阻率数据控制电磁阀112和电磁阀113的开启和关闭，从而实现在线去离子操作，具体为当检测到的电阻率数据高于预定值时，电磁阀113关闭，电磁阀112开启，纯水通过去离子回路经离子交换器114处理后再进入后续设备，直至电阻率探测器117传递的电阻率数据达到预定值后，控制单元才控制去离子回路的关闭，即电磁阀112关闭，电磁阀113开启。控制单元根据压力传感器305、压力传感器307、压力传感器410、压力传感器412、液位传感器309和液位传感器417传递的信号，控制截止阀437、截止阀438和电磁阀436的开闭，液位传感器检测气液分离器液位处于安全区间，平衡氧气气液分离器和氢气气液分离器的液位，避免出现液位差，氧气与氢气混合。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种多工位PEM电解水制氢测试系统，其特征在于：包括纯水调节单元、PEM电解水单元、氧气分离单元、氢气分离单元和控制单元；

所述纯水调节单元包括循环水温度调节装置、循环水流量调节装置和水质调节装置；

所述PEM电解水单元包括n个并联设置的PEM电解槽，(n-1)个PEM电解槽的进口管路上设置有循环水流量调节装置，n为大于1的整数；

所述氧气分离单元包括氧气气液分离器和气液分离器液位平衡装置；

所述氢气分离单元包括氢气气液分离器和气液分离器液位平衡装置；

所述控制单元分别与纯水调节单元、PEM电解水单元、氧气分离单元、氢气分离单元通信。

2.根据权利要求1所述的一种多工位PEM电解水制氢测试系统，其特征在于：所述循环水温度调节装置包括温度传感器以及并联设置的电加热器和板式换热器。

3.根据权利要求1所述的一种多工位PEM电解水制氢测试系统，其特征在于：所述循环水流量调节装置包括质量流量计和流量传感器。

4.根据权利要求1所述的一种多工位PEM电解水制氢测试系统，其特征在于：所述水质调节装置包括离子交换器和水质检测仪。

5.根据权利要求1所述的一种多工位PEM电解水制氢测试系统，其特征在于：所述气液分离器液位平衡装置包括设置于PEM电解槽气体出口管路上的压力传感器和设置于氧气气液分离器和氢气气液分离器中的液位传感器。

6.根据权利要求1所述的一种多工位PEM电解水制氢测试系统，其特征在于：所述PEM电解槽的气体出口管路上设置有取样管。

7.根据权利要求1所述的一种多工位PEM电解水制氢测试系统，其特征在于：所述纯水调节单元和氢气分离单元还包括有氮气置换装置。

8.根据权利要求1所述的一种多工位PEM电解水制氢测试系统，其特征在于：所述氧气气液分离器和氢气气液分离器的气体出口设置有安全阀。

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