CN219239787U - 一种安全稳定的电解制氢系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种安全稳定的电解制氢系统，氢洗涤器与原料水管道相连通，氢洗涤器底部的出口通过U形输水管和氢分离器相连通；氢分离器底部出口通过第一氢电解液管道与氢循环泵的入口连通，氢循环泵的出口通过第二氢电解液管道与电解槽氢端入口连通；电解槽氢端出口通过氢气液管道与氢分离器上部连通，电解槽氧端出口通过氧气液管道与氧分离器上部连通；氢分离器顶部出口通过氢洗涤管道与氢洗涤器下部进口连通，氢洗涤器顶部的出口与氢气管道连通。本实用新型通过变容等压设计，消除电解水制氢升压过程中氧氢分离设备间的压力波动现象；通过提高氢氧两分离系统的液封高度，确保分离压差较大时也不会窜气，从而提高安全系数和操作弹性。
Description
技术领域
本实用新型属于电解水制氢技术领域，具体涉及一种安全稳定的电解制氢系统。
背景技术
目前的电解水制氢气系统中，采用的是氧氢分离设备等容的分离工艺，在开车升压过程中氢气分离的压力变化总是大于氧气分离的压力变化，需要不断排放氢气以维持压力平衡；气液分离后的电解液过高并管回流输送到电解槽，由于运行压力较高及仪表测量误差，氧氢分离设备容易出现压力偏差，从而造成容易窜气而导致安全事故。
实用新型内容
为解决以上至少一个技术问题，本实用新型根据水电解制氢反应方程式2H2O＝2H2+O2，每摩尔水会生成2摩尔氢气和1摩尔氧气，即n氢＝2n氧(n为物质的量)。由于氧氢分离的温度相等，根据PV＝nRT，P氢/P氧＝(n氢RT氢/V氢)/(n氧RT氧/V氧)＝2V氧/V氢，当V氢/V氧＝2时，P氢＝P氧。即当氢分离容积为氧分离容积的2倍时，升压过程中氢分离的压力恒等于氧分离的压力。氢氧分离可视为2个独立的分离系统，系统间通过电解槽连接成连通器，根据P＝ρgh，液柱h越大则两系统间所能承受的压差就越大，两分离系统之间不容易出现窜气。
本实用新型第一方面提供一种安全稳定的电解制氢系统，其包括氢洗涤器1、氢分离器2、氢循环泵3、电解槽4、氧分离器6、氧循环泵5和差压变送器7；
所述氢洗涤器1与原料水管道01相连通，所述氢洗涤器1底部的出口通过U形输水管02和所述氢分离器2相连通；
所述氢分离器2底部出口通过第一氢电解液管道03与所述氢循环泵3的入口连通，所述氢循环泵3的出口通过第二氢电解液管道04与所述电解槽4氢端入口连通；
所述电解槽4氢端出口通过氢气液管道05与所述氢分离器2上部连通，所述电解槽4氧端出口通过氧气液管道15与所述氧分离器6上部连通；
所述氢分离器2顶部出口与氢气出口管道09相连，所述氢气出口管道09通过氢洗涤管道06与所述氢洗涤器1下部进口连通，所述氢洗涤器1顶部的出口与氢气管道07连通；
所述氢气出口管道09的末端设置有放空阀；
所述氧分离器6顶部出口与氧洗涤管道16相连，所述氧分离器6底部出口通过第一氧电解液管道13与所述氧循环泵5进口连通，所述氧循环泵5出口通过第二氧电解液管道14与所述电解槽4氧端入口连通；
所述氢气管道07和氧洗涤管道16之间设置有差压变送器7；
第二氢电解液管道04和第二氧电解液管道14通过电解液平衡管17连通。
优选地，所述氢气管道07和氧气管道16上均设置有调节阀。
优选地，所述氢洗涤器1、氢分离器2与氧分离器6的形状、容积及设置高度均基本相同，且所述氢洗涤器1、氢分离器2与氧分离器6设置高度高于所述电解槽4至少2m。
优选地，所述原料水管道01上设置有进口阀门。
本实用新型第二方面提供一种电解制氢方法，其使用本实用新型第一方面所述的安全稳定的电解制氢系统。
其中，所述电解制氢系统中，氢洗涤器1与氢分离器2内气体压力绝对相同，且制氢升压过程中氢洗涤器1、氢分离器2和氧分离器6气体压力变化均应维持相等。
优选地，在升压过程中，氢气管道07上的调节阀、氧气管道16上的调节阀以及氢洗涤管道06上的放空阀均处于关闭状态，确保氢洗涤器1和氢分离器2内气相部分容积之和为氧分离器6内的气相部分容积的2倍，从而确保氢洗涤器1内的氢气压力、氢分离器2内的氢气压力和氧分离器6内的氧气压力平稳上升，当氢气压力和氧气压力达到设定值时，分别开启氢气管道07和氧气管道16上的调节阀向外排出氢气和氧气。
其中，可在氢气管道07和氧气管道16上分别设置一个压力测量装置，用于测量氢分离器2内的氢气压力和氧分离器6内的氧气压力。
优选地，如氢气管道07上的调节阀全开且氢气管道07内氢气压力仍然高于氧气管道16氧气压力时，可间歇开启氢洗涤管道06上的放空阀以保持氢氧分离压力相等。
优选地，通过控制原料水管道01上的进口阀门以控制原料水的流量，从而维持氢洗涤器1、氢分离器2和氧分离器6的液位高度均在其各自液位总高度的1/4～1/3；当氢分离器2内的气体压力与氧分离器6内的气体压力出现偏差时，氢分离器2内的液位和氧分离器6内的液位会自动进行调节；当某一液位达到其液位总高度的3/4时，氢分离器2内与氧分离器6内的气体压差已超过设定值，此时相应调整氢气管道07或氧气管道16上的调节阀向外排气以降低氢分离器2和氧分离器6之间的压差；异常情况下，当液位均超过其液位总高度的3/4时，调节原料水管道01的进口阀门停止供应原料水。
如氢气管道07上的调节阀全开后压力仍然高于氧气管道16压力时，可间歇开启氢洗涤管道06上的放空阀。
优选地，利用差压变送器7精确测量氢洗涤器1和氧分离器6之间的压差，通过压差控制阀门开度，保持氢洗涤器1与氧分离器6之间的压差小于5kPa，优选地，小于2kPa，更为优选地，小于0.5kPa。从而保持氢洗涤器1、氢分离器2与氧分离器6的液位均相等且稳定。当压差为负值时，即氢洗涤器1内气体压力小于氧分离器6内气体压力时，增大氧气管道16上的调节阀的开度或减小氢气管道07上的调节阀的开度；当压差为正值时，即氢洗涤器1内气体压力高于氧分离器6内气体压力时，减小氧气管道16上的调节阀的开度或增大氢气管道07上的调节阀的开度。
其中，差压变送器7优选用微静差压变送器。
优选地，通过设置电解液平衡管17能够实现电解槽4阴阳两极间压力绝对相等。
本文所述原料水指的是正常补充到系统中的新鲜水，包括纯水、海水、盐水甚至废水等。而电解液则是指掺合了电解质或催化剂等并进入电解槽电解的原料水。
相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
1.本实用新型利用设置形状和容积均相同的氢洗涤器、氢分离器和氧分离器，使得在电解制氢升压过程中，氢分离器内气体压力变化等于氧分离器内气体压力变化，通过变容等压设计，消除电解水制氢气过程中氧氢分离设备间的压力波动现象，避免升压过程中不断地排放氢气调节压力，提高电解制氢系统的安全性和稳定性。
2.本实用新型通过设置相对独立的氢氧循环分离系统，提高氢氧循环分离系统的液封高度，确保分离压差较大时也不会窜气，从而提高安全系数和操作弹性。
附图说明
图1为本实用新型电解水制氢气系统流程图；
图1中，a-氧气、b-原料水、c-氢气。
附图标记列表：
1-氢洗涤器、2-氢分离器、3-氢循环泵、4-电解槽、5-氧循环泵、6-氧分离器、7-差压变送器、01-原料水管道、02-U形输水管、03-第一氢电解液管道、04-第二氢电解液管道、05-氢气液管道、06-氢洗涤管道、07-氢气管道、09-氢气出口管道、13-第一氧电解液管道、14-第二氧电解液管道、15-氧气液管道、16-氧洗涤管道、17-电解液平衡管。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本实用新型，而不应视为限定本实用新型的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“联接”到另一元件时，它可以直接联接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“联接”可以包括无线联接。
在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“联接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定联接，也可以是可拆卸联接，或一体地联接；可以是机械联接，也可以是电联接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
如图1，一种安全稳定的电解制氢系统，其包括氢洗涤器1、氢分离器2、氢循环泵3、电解槽4、氧分离器6、氧循环泵5和差压变送器7。
原料水管道01一端设置有进口阀门，另一端与所述氢洗涤器1下部与相连通，通过控制进口阀门的开度可以调节流入原料水管道01内的原料水的流量。
所述氢分离器2顶部出口与氢气出口管道09相连，所述氢气出口管道09通过氢洗涤管道06与所述氢洗涤器1下部进口连通，所述氢气出口管道09的末端设置有放空阀。
所述氢洗涤器1底部的出口通过U形输水管02和所述氢分离器2下部进口相连通，所述氢洗涤器1顶部的出口与氢气管道07连通，所述氢气管道07上设置有调节阀。
所述氢分离器2底部出口通过第一氢电解液管道03与所述氢循环泵3的入口连通，所述氢循环泵3的出口通过第二氢电解液管道04与所述电解槽4氢端入口连通。
所述电解槽4顶部的氢端出口通过氢气液管道05与所述氢分离器2上部连通，所述电解槽4顶部的氧端出口通过氧气液管道15与所述氧分离器6上部连通。
氧气管道16一端设置有调节阀，另一端与氧分离器6顶部出口相连，所述氧分离器6底部出口通过第一氧电解液管道13与所述氧循环泵5进口连通，所述氧循环泵5出口通过第二氧电解液管道14与所述电解槽4氧端入口连通；
所述氢气管道07和氧气管道16之间设置有差压变送器7。
第二氢电解液管道04和第二氧电解液管道14通过电解液平衡管17连通，确保电解槽4阴阳两极间压力绝对相等。
其中，所述氢洗涤器1、氢分离器2与氧分离器6的形状、容积及设置高度均基本相同，且所述氢洗涤器1、氢分离器2与氧分离器6设置高度高于所述电解槽4至少2m。
其中，电解槽4利用电极电解电解液以产生氢气和氧气，所述电解液为掺合了氢氧化钠等助剂的原料水。所述氢分离器2用于将电解槽4内产生的氢气和电解液混合物进行气液分离，所述氧分离器6用于将电解槽4内产生氧气和电解液混合物进行气液分离。
氢洗涤器1将氢分离器2分离出来的氢气进行洗涤，以进一步除去氢气携带的电解液，降低氢气夹带的电解质，提高氢气纯度并维持电解系统平衡。
一种电解制氢方法，其使用上述的安全稳定的电解制氢系统，所述电解制氢方法包括以下步骤：
原料水通过原料水管道01进入氢洗涤器1，并从氢洗涤器1底部出口流出，经氢分离器2、氢循环泵3流入电解槽4中。
电解液在电解槽4内的阴阳两极电解，分别产生氢气和氧气，电解槽4内产生的氢气及一部分电解液从电解槽4的氢端出口流出，进入氢分离器2内进行气液分离，分离后的氢气经氢分离器2顶部出口流入氢洗涤器1下部，氢气在氢洗涤器1内经过原料水洗涤后除去分离时夹带少量氢氧化钠后，从氢洗涤器1顶部出口经氢气管道07排出，氢分离器2内的电解液从底部出口流出，经循环泵3流回到电解槽4内继续进行电解。电解槽4内产生的氧气及一部分电解液从电解槽4的氧端出口流出，进入氧分离器6内，在氧分离器6内进行气液分离后，氧气经氧分离器6顶部出口进入氧气管道16向外排出，氧分离器6内的电解液从底部出口流出，经氧循环泵5流回到电解槽4内继续进行电解。
其中，所述平衡管17连通第二氢电解液管道04和第二氧电解液管道14，当任一电解液管道压力较高时，电解液通过平衡管17流向另一电解液管道，确保电解槽4阴阳两极间压力绝对相等。
电解水制氢升压过程中，通过调节原料水管道01上的进口阀门开度，确保氢洗涤器1、氢分离器2及氧分离器6内的液位高度在其液位总高度的1/4～1/3范围内，以免极端情况下，氢分离器2和氧分离器6内气体的压差过大，导致氢分离器2和氧分离器6的液位差过大而导致窜气。
电解水制氢升压过程中，氢气管道07上的调节阀、氧气管道16上的调节阀以及氢洗涤管道06上的放空阀均处于关闭状态，确保氢洗涤器1和氢分离器2内气相部分容积之和为氧分离器6内的气相部分容积的2倍，从而确保氢洗涤器1内的氢气压力和氧分离器6内的氧气压力平稳上升，当氢气压力和氧气压力达到设定值时，分别开启氢气管道07上的调节阀和氧气管道16上的调节阀向外排出氢气和氧气。
优选地，通过控制原料水管道01上的进口阀门以控制原料水的流量，进而调整氢洗涤器1、氢分离器2和氧分离器6内电解液的液位高度。
当氢分离器2内的气体压力与氧分离器6内的气体压力出现偏差时，氢分离器2内的液位和氧分离器6内的液位会自动进行调节；当某一液位达到其液位总高度的3/4时，氢分离器2内与氧分离器6内的气体压差已超过设定值，此时相应调整氢气管道07或氧气管道16上的调节阀向外排气以降低分离压差；当液位均超过其液位总高度的3/4时，调节原料水管道01的进口阀门停止供应原料水；如氢气管道07上的调节阀全开后，氢气管道07压力仍然高于氧气管道16压力时，可间歇开启氢洗涤管道06上的放空阀。
为了精准测量氢分离器2和氧分离器6之间的压差，采用微静压差变送器7测量，而不应通过测量各分离器的压力再相减，以减少测量误差。
氢分离器2和氧分离器6与电解槽4之间的管道高度即为液柱h，液柱h越高，操作弹性就越大，电解水制氢气系统就越安全稳定。由于液封阻隔，即使氢分离器2和氧分离器6因误操作而产生较大的压差，氢气和氧气不会相互串通。即使氢分离器2和氧分离器6的压差小于液柱h产生的压差时仍可继续安全操作，但为了确保生产安全，尽量控制氢分离器2和氧分离器6之间压差小于5kPa。
优选地，控制氢分离器2和氧分离器6之间压差小于2kPa。更为优选地，压差小于0.5kPa。
氢气和氧气的操作压力及上下限设定值应保持一致，压力超过高高限时应自动减少甚至停止电解制氢。电解水制氢升压过程中应关闭电解水制氢气系统中的调节阀和放空阀，当压力达到设定下限后再慢慢开启出口调节阀以控制压力在设定值，压力偏低时相应关小调节阀开度而压力偏高时相应加大调节阀开度。
在电解制氢系统中：
如果氧气压力高于氢气压力，当氧气压力高于设定值时，增大氧气管道16上的调节阀的开度以降低氧气压力，当氢气压力低于设定值时，减小氢气管道07上的调节阀的开度以提高氢气压力；如果氢气压力高于氧气压力，当氧气压力低于设定值时，减小氧气管道16上的调节阀开度以提高氧气压力，当氢气压力高于设定值时，增大氢气管道07上的调节阀开度以降低氢气压力；如因氢气使用压力较高而无法降低氢气压力且超过差压控制高限值时，可开启氢洗涤管道06上的放空阀降低氢气压力。
Claims (4)
1.一种安全稳定的电解制氢系统，其特征在于，所述电解制氢系统包括氢洗涤器(1)、氢分离器(2)、氢循环泵(3)、电解槽(4)、氧分离器(6)、氧循环泵(5)和差压变送器(7)；
所述氢洗涤器(1)与原料水管道(01)相连通，所述氢洗涤器(1)底部的出口通过U形输水管(02)和所述氢分离器(2)相连通；
所述氢分离器(2)底部出口通过第一氢电解液管道(03)与所述氢循环泵(3)的入口连通，所述氢循环泵(3)的出口通过第二氢电解液管道(04)与所述电解槽(4)氢端入口连通；
所述电解槽(4)氢端出口通过氢气液管道(05)与所述氢分离器(2)上部连通，所述电解槽(4)氧端出口通过氧气液管道(15)与所述氧分离器(6)上部连通；
所述氢分离器(2)顶部出口与氢气出口管道(09)相连，所述氢气出口管道(09)通过氢洗涤管道(06)与所述氢洗涤器(1)下部进口连通，所述氢洗涤器(1)顶部的出口与氢气管道(07)连通；
所述氢气出口管道(09)的末端设置有放空阀；
所述氧分离器(6)顶部出口与氧气管道(16)相连，所述氧分离器(6)底部出口通过第一氧电解液管道(13)与所述氧循环泵(5)进口连通，所述氧循环泵(5)出口通过第二氧电解液管道(14)与所述电解槽(4)氧端入口连通；
所述氢气管道(07)和氧气管道(16)之间设置有差压变送器(7)；
第二氢电解液管道(04)和第二氧电解液管道(14)通过电解液平衡管(17)连通。
2.根据权利要求1所述的安全稳定的电解制氢系统，其特征在于，所述氢气管道(07)和氧气管道(16)上均设置有调节阀。
3.根据权利要求2所述的安全稳定的电解制氢系统，其特征在于，所述氢洗涤器(1)、氢分离器(2)与氧分离器(6)的形状、容积及设置高度均相同，且所述氢洗涤器(1)、氢分离器(2)与氧分离器(6)设置高度高于所述电解槽(4)至少2m。
4.根据权利要求3所述的安全稳定的电解制氢系统，其特征在于，所述原料水管道(01)上设置有进口阀门。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: Room A101, Tsinghua University Research Institute, No. 019 Gaoxin South 7th Road, Gaoxin Community, Yuehai Street, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province, 518057 Patentee after: Shenzhen Hydrogen Energy Co.,Ltd. Address before: Room A101, Tsinghua University Research Institute, No. 019 Gaoxin South 7th Road, Gaoxin Community, Yuehai Street, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province, 518057 Patentee before: Shenzhen haihydrogen Technology Co.,Ltd. |