CN220767185U - 海上水电解制氢设备及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种海上水电解制氢设备及系统，所述海上水电解制氢设备包括海水提供组件、电解槽、氢侧分离器和氧侧分离器；所述海水提供组件用于抽取海水，并将海水处理后提供给所述电解槽；所述电解槽用于对海水进行电解，生成氢气和氧气；所述氢气混合电解液进入所述氢侧分离器进行分离，所述氧气混合电解液进入所述氧侧分离器进行分离；所述海水提供组件、所述电解槽、所述氢侧分离器和所述氧侧分离器之间分别通过管路连接以实现上述功能，且至少一个所述管路为柔性连接。本申请提供的海上水电解制氢设备及系统，具有较好的设备稳定性，能够提高氢气和氧气的分离效率和分离效果，使制备的氢气和氧气具有较高的纯度。

Description

海上水电解制氢设备及系统

技术领域

本申请涉及海水电解制氢技术领域，尤其是涉及一种海上水电解制氢设备及系统。

背景技术

以可再生电力进行水电解制氢可以实现零碳排放的氢气生产，是实现碳中和的有效手段之一。海上存在丰富的风能、光能、潮汐能等多种可再生能源，可作为可再生电力发电的能量来源；同时，海洋中有丰富的水资源为水电解制氢提供了丰富的原料，将海洋中的可再生电力和水电解制氢结合起来，将为绿氢的产业发展注入强劲动力。

目前，海水制氢的场景多是在近海，而近海可利用的可再生能源容量有限，为了获得更多可用于制氢的可再生电力，向远海获取可再生电力并就近制氢将是一种高效的绿氢生产模式。

远海制氢的过程中，制氢设备需要搭载于海上平台上。海上平台因海风或海浪发生晃动时将会影响制氢设备的稳定性。一方面，平台晃动会导致设备发生微小位移，导致管道发生弯折，影响管道接口的密闭性，易发生泄露事故。另一方面，平台晃动会导致水电解制氢设备内的电解液和氢气随之发生晃动，影响氢气、氧气与电解液的分离效率及分离效果，且存在一定的安全隐患。

发明内容

基于此，本申请提供一种海上水电解制氢设备及系统，以改善现有技术中存在的制氢设备稳定性差导致的氢气和氧气的分离效率低、分离效果差的问题。

为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

一方面，本申请实施例提供一种海上水电解制氢设备，包括海水提供组件、电解槽、氢侧分离器和氧侧分离器；所述海水提供组件用于抽取海水，并将海水处理后提供给所述电解槽；所述电解槽用于对海水进行电解，生成氢气和氧气；所述氢气混合电解液进入所述氢侧分离器进行分离，所述氧气混合电解液进入所述氧侧分离器进行分离；所述海水提供组件、所述电解槽、所述氢侧分离器和所述氧侧分离器之间分别通过管路连接以实现上述功能，且至少一个所述管路为柔性连接。

在其中一个实施例中，所述管路为柔性软管，或，所述管路包括主管和连接管，所述连接管为柔性软管，所述主管的至少一端设有所述连接管。

在其中一个实施例中，所述海水提供组件包括依次连接设置的海水泵、海水处理装置、补水泵、电解液缓冲箱和电解液循环泵；所述电解液循环泵的出液口与所述电解槽的进液口连通；所述海水泵的进液口和海水源连通。

在其中一个实施例中，所述电解液循环泵和所述电解槽之间还设有流量调节阀。

在其中一个实施例中，所述海水处理装置上设有第一液位计，所述第一液位计具有远传功能，用于检测所述海水处理装置内的海水液位信息；所述海水泵根据所述第一液位计检测的海水液位信息调整向所述海水处理装置的供水速度。

在其中一个实施例中，所述氢侧分离器包括第一一级分离器、第一二级分离器和第二二级分离器；所述第一一级分离器用于接收所述电解槽排出的氢气，并对所述氢气进行气液分离；所述第一二级分离器用于接收由所述第一一级分离器排出的氢气，并对所述氢气进行气液分离；所述第二二级分离器用于接收由所述第一一级分离器排出的电解液，并对所述电解液进行气液分离。

在其中一个实施例中，所述第一一级分离器的一侧端部设有第一一级进口，另一侧端部分别设有第二一级进口和第三一级进口，所述第一一级分离器的顶部设有第一一级出口，底部设有第二一级出口；所述第一二级分离器顶部设有第一二级出口，底部设有第二二级出口，侧壁上设有第一二级进口；所述第二二级分离器顶部设有第三二级出口，侧壁上设有第二二级进口，底部设有第四二级出口；

所述第一一级进口与所述电解槽的氢气出口连通，所述第二一级进口与所述第三二级出口连通，所述第三一级进口与所述第二二级出口连通，所述第三一级进口位于所述第二一级进口下方，所述第一一级出口与所述第一二级进口连通，所述第二一级出口与所述第二二级进口连通，所述第四二级出口与所述电解液缓冲箱连通，所述第一二级出口用于排出氢气。

在其中一个实施例中，所述第一一级分离器上设有第二液位计，所述第二液位计具有远传功能，用于检测所述第一一级分离器内的电解液液位信息，所述补水泵根据所述第二液位计检测的所述电解液液位信息调整向所述电解液缓冲箱的供水速度。

在其中一个实施例中，所述氧侧分离器包括第二一级分离器和第三二级分离器；所述第二一级分离器的两端分别设有第四一级进口和第五一级进口，所述第二一级分离器的顶部设有第三一级出口，底部设有第四一级出口；所述第三二级分离器的顶部设有第五二级出口，底部设有第六二级出口，侧壁上设有第三二级进口。

另一方面，本申请实施例提供一种海上水电解制氢系统，包括海上平台、及设在所述海上平台上的发电系统和如上所述的海上水电解制氢设备。

本申请至少具有以下有益效果：本申请实施例提供的海上水电解制氢设备及系统，包括海水提供组件、电解槽、氢侧分离器和氧侧分离器，上述各组件之间通过管路连接实现海水制氢，且其至少一个管路为柔性连接，柔性连接的管路具有一定的伸缩性，可避免因海上平台晃动而导致管路弯折、接口断开等事故发生。同时，采用柔性连接的组件还可避免刚性连接的互相拉扯作用，减小柔性连接的组件间的作用力，从而提高设备的稳定性、可靠性。

附图说明

图1为本申请实施例的海上水电解制氢设备的结构示意图。

图2为本申请实施例的氢侧分离器的结构示意图。

图3为本申请实施例的氧侧分离器的结构示意图。

附图中各标号的含义如下：

1、海水提供组件；11、海水泵；12、海水处理装置；13、补水泵；14、第一液位计；15、电解液缓冲箱；16、流量调节阀；17、电解液循环泵；

2、电解槽；21、氢气出口；22、氧气出口；

3、氢侧分离器；31、第一一级分离器；311、第一一级进口；312、第二一级进口；313、第三一级进口；314、第一一级出口；315、第二一级出口；32、第一二级分离器；321、第一二级出口；322、第二二级出口；323、第一二级进口；33、第二二级分离器；331、第三二级出口；332、第二二级进口；333、第四二级出口；34、第二液位计；

4、氧侧分离器；41、第二一级分离器；411、第四一级进口；412、第五一级进口；413、第三一级出口；414、第四一级出口；42、第三二级分离器；421、第五二级出口；422、第六二级出口；423、第三二级进口；

5、管路；51、连接管；52、主管。

具体实施方式

以下结合说明书附图及具体实施例对本申请技术方案做进一步的详细阐述。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请的实现方式。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参阅图1，本申请实施例的海上水电解制氢设备，包括海水提供组件1、电解槽2、氢侧分离器3和氧侧分离器4。海水提供组件1、电解槽2、氢侧分离器3和氧侧分离器4分别固定于海上平台上，比如，可以分别通过螺栓、铆钉或焊接等方式与海上平台固定连接，使各组件与海上平台之间保持相对稳定，当海上平台因海浪或海风发生晃动时，各组件不会与海上平台发生较大的滑动或脱离。海水提供组件1、电解槽2、氢侧分离器3和氧侧分离器4之间通过管路5进行连接，且至少有一个管路5为柔性连接管路，比如管路5整体为柔性软管，或者，管路5包括主管52和连接管51，连接管51为柔性软管，主管52的一端或两端设有连接管51。在本实施例中，所有组件之间的连接均采用柔性连接，以使设备具有更佳的稳定性和可靠性。本实施例采用在主管52的两端增设连接管51的方式进行柔性连接，该每段连接管51均为高强度耐腐蚀的不锈钢软管，主管52也可采用不锈钢管，连接管51的一端与中间管固定连接，另一端则与对应的组件固定连接。连接管51的材料比如，可以选用奥氏体不锈钢。

海水提供组件1用于抽取海水，并将海水进行处理后提供给电解槽2。海水提供组件1包括依次连接设置的海水泵11、海水处理装置12、补水泵13、电解液缓冲箱15和电解液循环泵17。电解液循环泵17的出液口与电解槽2的进液口连通，海水泵11的进液口和海水源连通。补水泵13的出口和电解液缓冲箱15的进口连接，海水通过海水泵11进入海水处理装置12获得电解原料水，电解原料水经补水泵13进入电解液缓冲箱15，再通过电解液循环泵17将电解液缓冲箱15中的电解液抽取到电解槽2内，供电解槽2用于电解制氢。海水提供组件1之间的连接也采用上述的柔性连接方式，在本实施例中，凡是需要连接的两个组件均采用柔性连接的方式进行连接，以使整个设备更加稳定、可靠。在电解液循环泵17和电解槽2之间还可以设置流量调节阀16，以用于调整电解槽2在不同负载的条件下的电解液的流量。

本实施例的海上水电解制氢设备还可以包括控制器(未示出)和第一液位计14。控制器和海水提供组件1、电解槽2、氢侧分离器3及氧侧分离器4分别信号连接，用于控制各组件进行自动化操作。本实施例的第一液位计14设在海水处理装置12上，其具有远传功能，用于检测海水处理装置12内的海水液位信息。第一液位计14将检测的海水液位信息传送给控制器，控制器根据海水液位信息检测结果控制海水泵11向海水处理装置12的供水速度，以使电解原料水量保持在预设范围。

电解槽2用于对海水进行电解，生成氢气和氧气。电解槽2包括两个互相分离的通道(未示出)，一个是氢气通道，用于通入氢气和电解液的混合物；另一个是氧气通道，用于通入氧气和电解液的混合物，氢气通道对应设有氢气出口21，氧气通道对应设有氧气出口22。

如图1和图2所示，电解槽2生成的氢气混合有电解液通过氢气出口21进入氢侧分离器3进行分离。氢侧分离器3包括第一一级分离器31、第一二级分离器32和第二二级分离器33。第一一级分离器31横向设置，即，其长度方向沿水平方向设置，第一一级分离器31的一侧端部设有第一一级进口311，另一侧端部分别设有第二一级进口312和第三一级进口313；第一一级分离器31的顶部设有第一一级出口314，底部设有第二一级出口315。第一二级分离器32和第二二级分离器33均纵向设置，即，其长度方向沿竖直方向设置，第一二级分离器32顶部设有第一二级出口321，底部设有第二二级出口322，侧壁上设有第一二级进口323。第二二级分离器33顶部设有第三二级出口331，侧壁上设有第二二级进口332，底部设有第四二级出口333。

第一一级进口311与电解槽2的氢气出口21连通，第二一级进口312与第三二级出口331连通，第三一级进口313与第二二级出口322连通，第三一级进口313位于第二一级进口312下方，第一一级出口314与第一二级进口323连通，第二一级出口315与第二二级进口332连通，第四二级出口333与电解液缓冲箱15连通，第一二级出口321用于排出氢气。

电解槽2生成的混有电解液的氢气经电解槽2的氢气出口21和第一一级进口311进入第一一级分离器31，经第一一级分离器31进行一级气液分离后，氢气经第一一级出口314和第一二级进口323进入第一二级分离器32进行二级气液分离，分离后的氢气由第一二级出口321排出，分离后的电解液经第二二级出口322回到第一一级分离器31。第一一级分离器31进行一级气液分离后的电解液经第二一级出口315进入第二二级分离器33进行二级气液分离，分离出的氢气经第三二级出口331返回至第一一级分离器31内上部，电解液则由第四二级出口333排出至电解液缓冲箱15后重复使用。本实施例的海上水电解制氢设备，通过第一一级分离器31和第一二级分离器32对生成的氢气进行二级分离，有效提高了氢气的纯度，同时，通过第一一级分离器31和第二二级分离器33对氢气携带的电解液进行二次分离后再返回至电解液缓冲箱15进行重复使用，避免因电解液携带气体导致的电解后氢气或氧气纯度降低的问题发生。

本实施例的第一一级分离器31上还设有第二液位计34，第二液位计34具有远传功能，用于检测第一一级分离器31内的电解液液位信息。第二液位计34将检测的电解液液位信息传送给控制器，控制器根据电解液液位信息检测结果控制补水泵13向电解液缓冲箱15的供水速度，以维持电解液量稳定。

如图1和图3所示，电解槽2生成的混有电解液的氧气通过氧气出口22进入氧侧分离器4进行分离。氧侧分离器4包括第二一级分离器41和第三二级分离器42。第二一级分离器41沿横向设置，即，第二一级分离器41的长度方向沿水平方向设置，第二一级分离器41的两端分别设有第四一级进口411和第五一级进口412，第二一级分离器41的顶部设有第三一级出口413，底部设有第四一级出口414。第三二级分离器42沿纵向设置，即，第三二级分离器42的长度方向沿竖直方向设置，第三二级分离器42的顶部设有第五二级出口421，底部设有第六二级出口422，侧壁上设有第三二级进口423。

第四一级进口411和电解槽2的氧气出口22连通，第五一级进口412和第五二级出口421连通，第三一级出口413用于排出氧气，第四一级出口414和第三二级进口423连通，第六二级出口422和电解液缓冲箱15连通。

电解槽2生成的氧气混合有电解液经电解槽2的氧气出口22和第四一级进口411进入第二一级分离器41，经第二一级分离器41进行一级气液分离后，氧气由第三一级出口413排出；电解液则经第四一级出口414和第三二级进口423进入第三二级分离器42进行二级气液分离，经二级气液分离后，氧气由第五二级出口421和第五一级进口412进入第二一级分离器41内的上部，电解液由第六二级出口422返回至电解液缓冲箱15进行重复使用。

本申请实施例还提供一种海上水电解制氢系统，包括海上平台(未示出)，设在海上平台上的发电系统(未示出)和上述的海上水电解制氢设备。发电系统用于为海上水电解制氢设备供电，该发电系统可以是风力发电系统或光伏发电系统等。

具体地，通过上述的海上水电解制氢设备的制氢方法如下：

海水通过海水泵11进入海水处理装置12进行处理，获得电解原料水；电解原料水经补水泵13进入电解液缓冲箱15，通过流量调节阀16控制流量，电解液循环泵17将电解原料水抽取至电解槽2，用于电解制氢。

电解槽2中可添加硫酸根，并采用催化剂电极镍铁水滑石阵列作为阳极，对电解原料水进行电解，生成氢气和氧气：

电解槽2生成的氢气(混有一定量的电解液)进入第一一级分离器31进行一级气液分离；

分离出的氢气进入第一二级分离器32进行二级气液分离，二级分离后的氢气由第一二级出口321排出，二级分离后的电解液返回至第一一级分离器31(跟随第一一级分离器31内的电解液进入至第二二级分离器33)；

分离出的电解液进入第二二级分离器33进行二级气液分离，二级分离后的氢气进入第一一级分离器31(跟随第一一级分离器31内的氢气进入第一二级分离器32)，二级分离后的电解液经第四二级出口333返回至电解液缓冲箱15。

电解槽2生成的氧气(混有一定量的电解液)进入第二一级分离器41进行一级气液分离；

分离出的氧气经第三一级出口413排出；

分离出的电解液进入第三二级分离器42进行二级气液分离，二级分离后的氧气返回至第三一级分离器的内上部(跟随第三一级分离器内的氧气由第三一级出口413排出)；二级分离后的电解液经由第六二级出口422返回至电解液缓冲箱15进行重复使用。

本申请实施例的海上水电解制氢设备，其各组件间的连接均为柔性连接方式，在各组件的进口或出口处可采用一段高强度耐腐蚀不锈钢软管进行连接，为固定于海上平台的海上水电解制氢设备与海上平台之间发生相对位移时预留了空间，避免因发生位移而导致的设备或管道的损毁，提高了制氢系统中设备和管道的机械稳定性，保障了安全生产。

本申请实施例的氢侧分离器共包括三台分离器，分别为第一一级分离器、第一二级分离器和第二二级分离器。第一一级分离器对氢气和电解液混合物进行初级分离，分离产生的气体进入第一二级分离器，第一二级分离器中分离出的电解液回到第一一级分离器。第一一级分离器对氢气和电解液混合物进行初级分离，分离产生的电解液进入第二二级分离器，第二二级分离器中分离出的气体回到第一一级分离器。第一二级分离器对氢气进行二次分离，弱化了海上平台晃动导致第一一级分离器分离出的氢气中液相含量高的情况，提高了制备的氢气的纯度。第二二级分离器对电解液进行二次分离，可以避免海上平台发生晃动时参与制氢系统循环的电解液中氢含量过高的情况，避免氧中氢含量过高，提高了制氢系统运行的安全稳定性。

本申请实施例的氧侧分离器包括两台分离器，分别是第二一级分离器和第三二级分离器。第二一级分离器对氧气和电解液混合物进行初级分离，分离产生的电解液进入第三二级分离器，第三二级分离器中分离出的气体回到第二一级分离器，第三二级分离器对电解液进行二次分离，可以避免海上平台发生晃动时参与制氢系统循环的电解液中氧含量过高的情况，避免氢中氧含量过高，提高了制氢系统运行的安全稳定性。

本申请实施例的海上水电解制氢设备，通过两个液位计对液位进行实时监测，及时反馈液位检测信息，并及时调节供水速度，从而保持电解液量稳定。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围之内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种海上水电解制氢设备，其特征在于：包括海水提供组件、电解槽、氢侧分离器和氧侧分离器；所述海水提供组件用于抽取海水，并将海水处理后提供给所述电解槽；所述电解槽用于对海水进行电解，生成氢气和氧气；所述氢气混合电解液进入所述氢侧分离器进行分离，所述氧气混合电解液进入所述氧侧分离器进行分离；所述海水提供组件、所述电解槽、所述氢侧分离器和所述氧侧分离器之间分别通过管路连接以实现上述功能，且至少一个所述管路为柔性连接。

2.如权利要求1所述的海上水电解制氢设备，其特征在于：所述管路为柔性软管，或，所述管路包括主管和连接管，所述连接管为柔性软管，所述主管的至少一端设有所述连接管。

3.如权利要求1所述的海上水电解制氢设备，其特征在于：所述海水提供组件包括依次连接设置的海水泵、海水处理装置、补水泵、电解液缓冲箱和电解液循环泵；所述电解液循环泵的出液口与所述电解槽的进液口连通；所述海水泵的进液口和海水源连通。

4.如权利要求3所述的海上水电解制氢设备，其特征在于：所述电解液循环泵和所述电解槽之间还设有流量调节阀。

5.如权利要求3所述的海上水电解制氢设备，其特征在于：所述海水处理装置上设有第一液位计，所述第一液位计具有远传功能，用于检测所述海水处理装置内的海水液位信息；所述海水泵根据所述第一液位计检测的海水液位信息调整向所述海水处理装置的供水速度。

6.如权利要求3所述的海上水电解制氢设备，其特征在于：所述氢侧分离器包括第一一级分离器、第一二级分离器和第二二级分离器；所述第一一级分离器用于接收所述电解槽排出的氢气，并对所述氢气进行气液分离；所述第一二级分离器用于接收由所述第一一级分离器排出的氢气，并对所述氢气进行气液分离；所述第二二级分离器用于接收由所述第一一级分离器排出的电解液，并对所述电解液进行气液分离。

7.如权利要求6所述的海上水电解制氢设备，其特征在于：所述第一一级分离器的一侧端部设有第一一级进口，另一侧端部分别设有第二一级进口和第三一级进口，所述第一一级分离器的顶部设有第一一级出口，底部设有第二一级出口；所述第一二级分离器顶部设有第一二级出口，底部设有第二二级出口，侧壁上设有第一二级进口；所述第二二级分离器顶部设有第三二级出口，侧壁上设有第二二级进口，底部设有第四二级出口；

所述第一一级进口与所述电解槽的氢气出口连通，所述第二一级进口与所述第三二级出口连通，所述第三一级进口与所述第二二级出口连通，所述第三一级进口位于所述第二一级进口下方，所述第一一级出口与所述第一二级进口连通，所述第二一级出口与所述第二二级进口连通，所述第四二级出口与所述电解液缓冲箱连通，所述第一二级出口用于排出氢气。

8.如权利要求6所述的海上水电解制氢设备，其特征在于：所述第一一级分离器上设有第二液位计，所述第二液位计具有远传功能，用于检测所述第一一级分离器内的电解液液位信息，所述补水泵根据所述第二液位计检测的所述电解液液位信息调整向所述电解液缓冲箱的供水速度。

9.如权利要求3所述的海上水电解制氢设备，其特征在于：所述氧侧分离器包括第二一级分离器和第三二级分离器；所述第二一级分离器的两端分别设有第四一级进口和第五一级进口，所述第二一级分离器的顶部设有第三一级出口，底部设有第四一级出口；所述第三二级分离器的顶部设有第五二级出口，底部设有第六二级出口，侧壁上设有第三二级进口；

所述第四一级进口和所述电解槽的氧气出口连通，所述第五一级进口和所述第五二级出口连通，所述第三一级出口用于排出氧气，所述第四一级出口和所述第三二级进口连通，所述第六二级出口和所述电解液缓冲箱连通。

10.一种海上水电解制氢系统，其特征在于：包括海上平台、及设在所述海上平台上的发电系统和如权利要求1至9任意一项所述的海上水电解制氢设备。