CN220812641U - 一种具有辅助热源的电解槽热管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有辅助热源的电解槽热管理系统，包括电解水系统，所述电解水系统前端固设预热系统，所述预热系统通过设置太阳能热水系统、热水储罐和加热装置形成电解水系统初步启动时碱液预热机制，将电解水系统内的碱液预热接近正常制氢温度，所述太阳能热水系统与加热装置并联，且所述太阳能热水系统与热水储罐串联，预热系统位于电解水系统的前端。利用太阳能热水系统，提高了场地利用效率，实现了太阳能的高效利用，具有投资低、效率高的特点，同时设有电加热装置，保障了全天候热水的准备状态，通过余热利用系统，解决了冬季厂房运行和生活取暖的问题，极大的节约了整个厂区的保温能耗，具有节约取暖费用的优势。

Description

一种具有辅助热源的电解槽热管理系统

技术领域

本实用新型属于热管系统技术领域，具体涉及一种具有辅助热源的电解槽热管理系统。

背景技术

电解槽成为目前风光等可再生能源制氢的重要装备，国内商业化的电解槽主要分为碱性电解槽和质子交换膜电解槽两种，其中碱性电解槽在室温条件下启动至全功率运行耗时为小时级，约为1-2小时，质子交换膜电解槽在室温条件下启动至全功率运行耗时为十分钟级，约10-20分钟。为了缩短电解槽启动时间，提升电解槽响应速度，行业内通常采取保温措施以提升电解槽非工况下的起始温度，通过外接电源给电解槽加热，实现电解槽整体温度维持在稳定区间。在保温条件下，电解槽的启动时间明显缩短，响应速度大幅提升。碱性电解槽启动时间缩短至数十分钟，质子交换膜电解槽缩短至数分钟。保温措施的选择成为电解槽在可再生能源制氢中匹配风光等波动电源的重要措施之一。但是，目前的保温过程需要消耗较大的电量，碱性电解槽保温电功率约为稳定运行工况的10％，质子交换膜电解槽保温电功率约为稳定运行工况的5％；保温耗电成为电解槽匹配风光等可再生电源制氢过程中能耗增加的重要部分。

现有技术提供了以下方案，一种是重新设计整个电解水系统，在碱液供给端，设置外置的电加热装置和储热装置，并通过换热器实现对碱液的预热，进而实现缩短启动时间，参考实用新型专利：一种水电解制氢装置(授权公告号：CN 216639656 U)。另一种是，重新设计电解水制氢系统的热管理循环换热系统，以外置加热和储热装置为辅助热源，通过换热器实现对电解槽启动阶段的碱液加热；通过利用电解槽运行时产生的预热，实现余热利用提升综合能效，参考发明专利：一种热管理的循环换热系统(申请公布号：CN 114318360A)。此外，还有一种对电解槽运行产热再利用的方案，通过在冷却水循环侧设置温差发电装置，利用电解槽运行时的废热进行发电，实现综合能效提升，参考实用新型专利：一种电解制氢余热利用系统(授权公告号：CN 216639661 U)。

目前，(1)实用新型专利：一种水电解制氢装置(授权公告号：CN 216639656U)，考虑光伏发电和设置储能电池，存在效率低、成本高的问题；(2)发明专利：一种热管理的循环换热系统(申请公布号：CN 114318360 A)，余热利用系统相对不完善，提升余热利用但在降低能耗方面仍有优化空间；(3)实用新型专利：一种电解制氢余热利用系统(授权公告号：CN216639661 U)，仅考虑了预热发电设计，缺乏总体能量循环优化利用的考虑。

综上，现有技术存在的缺点或不足：一是电解槽启动预热系统多依赖于电力或者光伏发电，总体能源利用效率较低，综合耗能较大，设置储能电池后综合成本较高；二是部分在电解槽预热利用方面考虑单一，没有考虑热量存储以备再次启动应用的问题。

鉴于上述因素，特别设计一种具有辅助热源的电解槽热管理系统，解决了碱性电解槽启动环节的能耗高、启动时间长、既有预热系统建设成本高的问题，另一方面，将电解槽余热进行再利用，提升了预热利用环节的总体效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有辅助热源的电解槽热管理系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

本实用新型的目的是通过下述技术方案予以实现：一种具有辅助热源的电解槽热管理系统，包括电解水系统，所述电解水系统前端固设预热系统，所述预热系统通过设置太阳能热水系统、热水储罐和加热装置形成电解水系统初步启动时碱液预热机制，将电解水系统内的碱液预热接近正常制氢温度。

进一步地，所述太阳能热水系统与加热装置并联，且所述太阳能热水系统与热水储罐串联，预热系统位于电解水系统的前端。

进一步地，所述电解水系统的后端设置有电解槽余热利用系统，且电解槽余热利用系统与前端的设预热系统中热水储罐相连通。

进一步地，所述电解水系统包括电解槽、气液分离器，所述电解槽通过连接管与换热器连接，且所述电解槽与换热器之间的连接管上设置有循环泵，循环泵为碱液循环泵；

所述电解槽通过连接管连接着气液分离器，所述热水储罐通过连接管分别与冷却器及电解槽余热利用系统连接。

进一步地，所述换热器通过连接管分别连接着冷却器与气液分离器。

进一步地，所述冷却器上还连接着补水管道，所述气液分离器分别连接着出氢管与出氧管。

进一步地，所述电解槽余热利用系统包括厂区供热管网，厂区供热管网通过连接管道与所述冷却器连接。

进一步地，所述电解水系统内包含有控制阀门，所述厂区供热管网与所述冷却器的连接管道上设置有第一电磁阀门，所述换热器与热水储罐进出连接管道上设置有第三电磁阀门及第四电磁阀门；

所述换热器与所述冷却器上设置有第五电磁阀门；

所述热水储罐与厂区供热管网之间设置有第二电磁阀门和第六电磁阀门，所述冷却器与所述热水储罐和厂区供热管网之间的连接管上设置有第七电磁阀门。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型能够为电解水制氢环节节约能耗，提升碱性电解槽响应速度，能够实现总体能耗的综合利用。

本实用新型利用太阳能热水系统，提高了场地利用效率，实现了太阳能的高效利用，具有投资低、效率高的特点，同时设有电加热装置，保障了全天候热水的准备状态。

本实用新型通过余热利用系统，解决了冬季厂房运行和生活取暖的问题，极大的节约了整个厂区的保温能耗，具有节约取暖费用的优势。

附图说明

图1是本实用新型系统连接示意图；

图2是本实用新型具有温度计的连接示意图；

图3是本实用新型循环管路与阀门示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

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”、“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。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实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“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。

如图1-3所示，一种具有辅助热源的电解槽热管理系统，包括电解水系统1，所述电解水系统1前端固设预热系统，所述预热系统通过设置太阳能热水系统2、热水储罐3和加热装置4形成电解水系统初步启动时碱液预热机制，将电解水系统1内的碱液预热接近正常制氢温度，所述太阳能热水系统2与加热装置4并联，且所述太阳能热水系统2与热水储罐3串联，预热系统位于电解水系统1的前端，所述电解水系统1包括电解槽1-1、气液分离器1-2，所述电解槽1-1通过连接管与换热器5连接，且所述电解槽1-1与换热器5之间的连接管上设置有循环泵，循环泵为碱液循环泵。

所述加热装置为电加热器固定于热水储罐3底部，电加热器为盘管加热器。

所述太阳能热水系统为太阳能热水器。

所述电解槽1-1为碱性PEM电解槽，所述电解槽1-1通过连接管连接着气液分离器1-2，所述热水储罐3通过连接管分别与冷却器7及电解槽余热利用系统8连接，所述换热器5通过连接管分别连接着冷却器7与气液分离器1-2。

为了便于在使用状态下，在冬季厂房和厂区生活用热时启动，保障整体生产生活正常，进入冬季后，利用电解槽余热为厂区取暖提供便利，所述电解水系统1的后端设置有电解槽余热利用系统8，且电解槽余热利用系统8与前端的设预热系统中热水储罐3相连通。

所述电解水系统1内包含有控制阀门，所述厂区供热管网与所述冷却器7的连接管道上设置有第一电磁阀门，所述换热器5与热水储罐3进出连接管道上设置有第三电磁阀门及第四电磁阀门；

所述换热器5为管式换热器，所述换热器5与所述冷却器7上设置有第五电磁阀门；

所述热水储罐3与厂区供热管网之间设置有第二电磁阀门和第六电磁阀门，所述冷却器7与所述热水储罐3和厂区供热管网之间的连接管上设置有第七电磁阀门。

电解水系统主要部分电解槽、气液分离，还包括前端增加预热系统，通过设置太阳能热水系统、热水储罐和加热装置，形成电解水系统初步启动时碱液预热机制，快速将电解水系统内的碱液预热接近正常制氢温度。

电解水系统正常运行后，停止预热，如果保温水箱出现热水量不足，则通过连接的循环水进行补充，将带有电解水过程余热的水储存至热水罐备用。

电解水系统后端增加电解水余热利用环节，通过将循环水分流使用，一部分用作厂区供热管网，一部分回流冷却系统，实现余热充分利用，提升总体冷却效率，用作厂区供热的部分热水在这部分热水冷却后，通过末端连接至冷却后的水管进行回流，系统内循环水由于供热等消耗后的缺少部分，在冷却器部分进行补水，通过预热和余热利用两个环节实现总体效率提升和能耗降低。

所述电解水系统内包含有控制阀门，所述控制阀门均为可自动化控制的电磁阀，每个阀门处安装有温度计，用于测量循环水温度，碱液循环泵处安装有温度计。整个阀门的控制系统包含于电解水系统之中。

电解水系统通过外置的PLC控制启动，电解水系统刚启动前，关闭第五电磁阀门，关闭第二电磁阀门，打开第三电磁阀门，打开第四电磁阀门，打开碱液循环泵。

碱液温度接近碱性电解水反应温度80℃后，电解槽通电，电解槽运行温度稳定后，关闭第四电磁阀门，打开第五电磁阀门，让带有电解槽余热的热水进入热水储罐。

热水储罐充满水后，关闭第三电磁阀门，关闭第七电磁阀门，关闭第一电磁阀门，打开第二电磁阀门，打开第六电磁阀门，热水存储量满足厂区用热水需求后，关闭第六电磁阀门，打开第七电磁阀门，让循环水正常流动。余热利用环节是将带有电解槽余热的热水连接厂房供热管网，在冬季厂房和厂区生活用热时启动，保障整体生产生活正常，进入冬季后，利用电解槽余热为厂区取暖提供便利，当取暖系统水温下降后则进行循环，将低温水通入冷却系统参与冷却水循环过程，将带有余热的热水重新补给供热管网。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种具有辅助热源的电解槽热管理系统，其特征在于：包括电解水系统(1)，所述电解水系统(1)前端固设预热系统，所述预热系统通过设置太阳能热水系统(2)、热水储罐(3)和加热装置(4)形成电解水系统初步启动时碱液预热机制，将电解水系统(1)内的碱液预热接近正常制氢温度。

2.根据权利要求1所述的具有辅助热源的电解槽热管理系统，其特征在于：所述太阳能热水系统(2)与加热装置(4)并联，且所述太阳能热水系统(2)与热水储罐(3)串联，预热系统位于电解水系统(1)的前端。

3.根据权利要求2所述的具有辅助热源的电解槽热管理系统，其特征在于：所述电解水系统(1)的后端设置有电解槽余热利用系统(8)，且电解槽余热利用系统(8)与前端的设预热系统中热水储罐(3)相连通。

4.根据权利要求3所述的具有辅助热源的电解槽热管理系统，其特征在于：所述电解水系统(1)包括电解槽(1-1)、气液分离器(1-2)，所述电解槽(1-1)通过连接管与换热器(5)连接，且所述电解槽(1-1)与换热器(5)之间的连接管上设置有循环泵，循环泵为碱液循环泵；

所述电解槽(1-1)通过连接管连接着气液分离器(1-2)，所述热水储罐(3)通过连接管分别与冷却器(7)及电解槽余热利用系统(8)连接。

5.根据权利要求4所述的具有辅助热源的电解槽热管理系统，其特征在于：所述换热器(5)通过连接管分别连接着冷却器(7)与气液分离器(1-2)。

6.根据权利要求5所述的具有辅助热源的电解槽热管理系统，其特征在于：所述冷却器(7)上还连接着补水管道，所述气液分离器(1-2)分别连接着出氢管与出氧管(6)。

7.根据权利要求6所述的具有辅助热源的电解槽热管理系统，其特征在于：所述电解槽余热利用系统(8)包括厂区供热管网，厂区供热管网通过连接管道与所述冷却器(7)连接。

8.根据权利要求7所述的具有辅助热源的电解槽热管理系统，其特征在于：所述电解水系统(1)内包含有控制阀门，所述厂区供热管网与所述冷却器(7)的连接管道上设置有第一电磁阀门，所述换热器(5)与热水储罐(3)进出连接管道上设置有第三电磁阀门及第四电磁阀门；

所述换热器(5)与所述冷却器(7)上设置有第五电磁阀门；

所述热水储罐(3)与厂区供热管网之间设置有第二电磁阀门和第六电磁阀门，所述冷却器(7)与所述热水储罐(3)和厂区供热管网之间的连接管上设置有第七电磁阀门。