CN220317976U - 一种电解水制氢系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电解水制氢系统，其包括：电解槽单元，氢气气液分离单元，氧气气液分离单元，变压整流器，和控制单元，其中，电解槽单元的阴极小室通过氢气气液管道与所述氢气气液分离单元的入口相连通；电解槽单元的阳极小室通过氧气气液管道与所述氧气气液分离单元的入口相连通；所述氢气气液分离单元和所述氧气气液分离单元通过电解液循环管道依次经冷却器、电解液循环泵和第一加热器与所述电解槽单元相连通；所述变压整流器与所述电解槽单元电连接，用于向所述电解槽单元施加电压；所述控制单元经配置为调节所述变压整流器的输出电流。本申请电解水制氢系统的冷启动时间短，电解槽单元在高电压和低电流密度的工作时间短，整体工作效率高。

Description

一种电解水制氢系统

技术领域

本申请涉及电解水制氢领域，特别是涉及一种电解水制氢系统。

背景技术

使用可再生的清洁能源氢气是解决碳排放问题，实现碳中和碳达峰的重要途经。电解水制氢是目前制氢的重要方法，但是，电解水制氢的主要问题是电源的不稳定性。特别是，当长时间没有供电时，电解槽的水处于室温状态，远低于工作温度(60-100℃)。在室温下，电解槽的能源转换效率低，冷启动时间长，这将降低电解槽的效率。

实用新型内容

本申请提供一种电解水制氢系统，其包括：

电解槽单元，

氢气气液分离单元，

氧气气液分离单元，

变压整流器，和

控制单元，

其中，电解槽单元的阴极小室通过氢气气液管道与所述氢气气液分离单元的入口相连通；

电解槽单元的阳极小室通过氧气气液管道与所述氧气气液分离单元的入口相连通；

所述氢气气液分离单元的电解液出口和所述氧气气液分离单元的电解液出口通过电解液循环管道依次经冷却器、电解液循环泵和第一加热器与所述电解槽单元的电解液入口相连通；

所述变压整流器与所述电解槽单元电连接，用于向所述电解槽单元施加电压；

所述控制单元经配置为调节所述变压整流器的输出电流。

在一种实施方式中，在所述第一加热器的出口处设置有温度传感器，用于测量从所述第一加热器排出的循环电解液的温度。

在一种实施方式中，所述控制单元经配置为根据所述温度传感器测定的温度调节所述变压整流器的输出电流。

在一种实施方式中，所述电解液循环泵为变频泵，所述控制单元经配置为根据所述温度传感器测定的温度调节所述电解液循环泵的转速。

在一种实施方式中，所述控制单元经配置为根据所述温度传感器测定的温度调节冷却器和第一加热器的工作状态。

在一种实施方式中，所述氢气气液管道中设置有第二加热器。

在一种实施方式中，所述氧气气液管道中设置有第三加热器。

在一种实施方式中，所述冷却器为冷却加热双重功能温度控制器。

本申请电解水制氢系统的冷启动时间短，电解槽单元在高电压和低电流密度的工作时间短，整体工作效率高。

附图说明

图1示出了本申请电解水制氢系统的结构示意图。

图2示出了本申请电解水制氢系统中的冷却加热双重功能温度控制器200的示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本申请进一步详细说明。通过这些说明，本申请的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示，本申请涉及一种电解水制氢系统100，其包括：

电解槽单元30，

氢气气液分离单元40，

氧气气液分离单元50，

变压整流器20，和

控制单元10。

以下分别描述本申请电解水制氢系统100的各个单元。

本申请的电解水制氢系统100包括电解槽单元30。电解槽单元30可以使用本领域常用的各种电解槽，特别是用于碱性电解水制氢的电解槽。该电解槽单元30可以包括阴极、阳极以及隔膜，这些阴极、阳极以及隔膜可以使用本领域常规的材料，这里不再赘述。电解槽单元30可以包括相互间隔的多个阴极小室31和阳极小室32，各阴极小室31和阳极小室32内可以容纳碱性电解液例如氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液等。在各阴极小室31和阳极小室32内碱性电解液在电压作用下发生电解反应，各自生成氢气和氧气。

氢气气液管道41与电解槽单元的各阴极小室31相连接，且与所述氢气气液分离单元40的入口相连通，使得混杂有氢气的第一气液流体进入到氢气气液分离单元40中进行气液分离。同样地，电解槽单元的各阳极小室32通过氧气气液管道51与所述氧气气液分离单元50的入口相连通，使得混杂有氧气的第二气液流体进入到氧气气液分离单元50中进行气液分离。

氢气气液分离单元40和氧气气液分离单元50可以使用本领域常用的各种设备。在氢气气液分离单元40中，实现氢气与电解液的分离，分离的氢气可以排出氢气气液分离单元40进入后继的处理单元，例如可以经过进一步纯化例如脱水等，分离的电解液需要循环使用。在氧气气液分离单元50中，实现氧气与电解液的分离，分离的氧气可以排出氧气气液分离单元50进入后继的处理单元，例如可以经过进一步纯化例如脱水等，分离的电解液需要循环使用。

在本申请中，氢气气液分离单元40的电解液出口和所述氧气气液分离单元50的电解液出口通过电解液循环管道36依次经冷却器33、电解液循环泵34和第一加热器35与所述电解槽单元30的电解液入口相连通。由此，可以使得在氢气气液分离单元40和氧气气液分离单元50中分离出的电解液通过电解液循环管道36循环回电解槽单元30，实现电解液在整个电解水制氢系统100的循环利用。

由于电解槽单元在额定功率运行时，15-30％的功率会产生热，因此，电解液循环管道36中会设置有冷却器33，使得经过氢气气液分离单元40和氧气气液分离单元50分离后的高温电解液进入冷却器33，温度可以从80-95℃降低到60-70℃，然后在电解液循环泵34的推动下进入电解槽单元30中。

在本申请中，电解液循环管道36中还设置有第一加热器35，使得电解液进入电解槽单元30之前先经过该第一加热器35进行加热，由此可以缩短冷启动时间。该第一加热器35可以是电加热装置，也可以是高压蒸汽加热装置，其加热功率可以根据工艺要求进行选择。

需要说明的是，在本申请中，第一加热器35和冷却器33不会同时工作。在本申请的电解水制氢系统100开始启动时，由于整个系统中电解液的温度比较低，此时电解液的电导率低，过电位高，能量转换效率低。同时由于电解液的粘滞系数高导致气液分离速度慢，效率低，氢气和氧气的分离程度不完全。在将分离后的电解液合并循环时，有可能出现爆炸的危险，且降低了氢气和氧气的产率。因而需要提高电解槽的温度，才能提高电解槽的效率。但是，启动过程中施加到电解槽单元的电流密度低，产生的热量比较少，所以加热速度比较慢，一般需要100到150分钟，甚至更长例如需要240分钟，严重影响制氢的效率。本申请的电解水制氢系统100在启动的时候，冷却器33不工作，而第一加热器35处于工作状态，使得循环电解液可以快速加热到需要的工作温度，从而缩短了冷启动的时间。可以将通常的冷启动时间从2小时左右降低到30分钟左右，极大地提高了电解槽单元的整体效率。

图2示出了一种冷却加热双重功能温度控制器200，其可以用于冷却器33。使用该冷却加热双重功能温度控制器200，在需要冷却时，可以从第一进口201通入冷却介质(例如冷却水)，该冷却介质可以从第一出口204排出，并经过处理后循环回第一进口201。在系统需要加热时，可以从第一进口201进口通加热介质(例如高温水蒸气)，该加热介质可以从第一出口204出来，经过处理后循环回第一进口201。来自电解液循环管道36的电解液从第二进口202进，从第二出口203排出，并重新进入电解液循环管道36。在需要加热的时候，该冷却加热双重功能温度控制器200可以与第一加热器35同时处于工作状态，从而可以进一步缩短冷启动时间。

在本申请的电解水制氢系统100处于稳定工作状态时，由于电解槽单元的发热作用使得电解液温度过高，此时冷却器33处于工作状态用于电解液的散热，而第一加热器35不工作。

需要说明的是，第一加热器35和冷却器33直接设置在电解液循环管道36的实施方式中，第一加热器35和冷却器33不会同时工作，当一个设备例如第一加热器35处于不工作的时候，循环电解液也需要流经该第一加热器35，只是该第一加热器35不起到加热的作用，仅作为循环电解液流通的通路。

或者，为了降低循环电解液流经这些设备所产生的压降，可以通过在第一加热器35和冷却器33设置并联旁路的方式来将第一加热器35和冷却器33设置在电解液循环管道36上。例如，当需要第一加热器35处于工作状态时，循环电解液可以流经冷却器33的并联旁路而不直接流经该冷却器33，同时循环电解液可以直接流经第一加热器35而不流经第一加热器35的并联旁路。例如，当需要冷却器33处于工作状态时，循环电解液可以直接流经该冷却器33，同时循环电解液可以流经第一加热器35的并联旁路而不直接流经第一加热器35。这样可以降低循环电解液在电解液循环管道36流动的压降。这样的方式也在本申请的保护范围之内。

本申请的电解水制氢系统100还包括变压整流器20，其与所述电解槽单元30电连接，用于向所述电解槽单元30施加电压。本申请的电解水制氢系统100还包括控制单元10，其经配置为调节所述变压整流器20的输出电流。

在一种实施方式中，在所述第一加热器35的出口处设置有温度传感器36，用于测量从所述第一加热器35排出的循环电解液的温度。

在本申请中，变压整流器20向电解槽单元30施加的电流可以随电解槽单元30中的电解液温度而变化。当电解液温度较低时，变压整流器20向电解槽单元30施加的电流较小；而当电解液温度较高时，变压整流器20向电解槽单元30施加的电流较大，直到达到额定电流。在一种实施方式中，控制单元10可以经配置为根据所述温度传感器36测定的温度调节所述变压整流器20的输出电压，从而实现电解槽单元30电压的自动控制。同时，由于设置第一加热器35，可以使电解槽单元30内电解液的温度较快地提高到所需的温度，从而也可以将变压整流器20向电解槽单元30施加的电压较快地升高到额定电压，从而使得电解槽单元在低电压和低电流密度的工作时间短，也能够从整体上提高电解槽单元30的工作效率。

在一种实施方式中，所述电解液循环泵34为变频泵，所述控制单元经配置为根据所述温度传感器36测定的温度调节所述电解液循环泵的转速。当电解液温度较低时，电解液循环泵34处于低转速，此时第一加热器35处于工作状态，从而可以使电解液能够充分加热；而当电解液温度较高时，电解液循环泵34处于高转速，此时冷却器33处于工作状态，从而可以使电解液能够充分散热。

在一种实施方式中，所述控制单元10经配置为根据所述温度传感器36测定的温度调节冷却器33和第一加热器35的工作状态。如上所述，在本申请的电解水制氢系统100运行过程中，冷却器33和第一加热器35处于不同的工作状态。例如，可以在控制单元10中设定：当温度传感器36测定的温度t高于或等于设定值(例如50℃或者70℃)时，开启冷却器33而关闭第一加热器35；而当温度传感器36测定的温度t低于设定值(例如50℃或者60℃)时，关闭冷却器33而启动第一加热器35。

在一种实施方式中，所述氢气气液管道41中设置有第二加热器42。在一种实施方式中，所述氧气气液管道51中设置有第三加热器52。通过设置第二加热器42可以根据需要加热进入氢气气液分离单元40的混杂有氢气的第一气液流体，提高其温度，降低其粘滞系数，从而提高气液分离速度和效率，以及提高氢气的分离程度。同样地，通过设置第三加热器52可以根据需要加热进入氧气气液分离单元50的混杂有氧气的第二气液流体，提高其温度，降低其粘滞系数，从而提高气液分离速度和效率，以及提高氧气的分离程度。如此，可以降低爆炸的危险，以及提高氢气和氧气的产率。

用于本申请的加热器42，52，35可以是电加热装置、高压蒸汽加热装置，也可以是循环有高温液体或气体的冷却加热双重功能温度控制器200。

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”应作广义理解。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。

以上结合了优选的实施方式对本申请进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本申请进行多种替换和改进，这些均落入本申请的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电解水制氢系统，其特征在于，所述电解水制氢系统包括：

电解槽单元，

氢气气液分离单元，

氧气气液分离单元，

变压整流器，和

控制单元，

其中，电解槽单元的阴极小室通过氢气气液管道与所述氢气气液分离单元的入口相连通；

电解槽单元的阳极小室通过氧气气液管道与所述氧气气液分离单元的入口相连通；

所述氢气气液分离单元的电解液出口和所述氧气气液分离单元的电解液出口通过电解液循环管道依次经冷却器、电解液循环泵和第一加热器与所述电解槽单元的电解液入口相连通；

所述变压整流器与所述电解槽单元电连接，用于向所述电解槽单元施加电压；

所述控制单元经配置为调节所述变压整流器的输出电流。

2.根据权利要求1所述的电解水制氢系统，其特征在于，在所述第一加热器的出口处设置有温度传感器，用于测量从所述第一加热器排出的循环电解液的温度。

3.根据权利要求2所述的电解水制氢系统，其特征在于，所述控制单元经配置为根据所述温度传感器测定的温度调节所述变压整流器的输出电流。

4.根据权利要求2所述的电解水制氢系统，其特征在于，所述电解液循环泵为变频泵，所述控制单元经配置为根据所述温度传感器测定的温度调节所述电解液循环泵的转速。

5.根据权利要求2所述的电解水制氢系统，其特征在于，所述控制单元经配置为根据所述温度传感器测定的温度调节冷却器和第一加热器的工作状态。

6.根据权利要求1所述的电解水制氢系统，其特征在于，所述氢气气液管道中设置有第二加热器。

7.根据权利要求1所述的电解水制氢系统，其特征在于，所述氧气气液管道中设置有第三加热器。

8.根据权利要求1所述的电解水制氢系统，其特征在于，所述冷却器为冷却加热双重功能温度控制器。