差压式纯水电解制氢系统的制作方法

1.本发明涉及水电解制氢设备技术领域，尤其涉及一种差压式纯水电解制氢系统。


背景技术：

2.纯水电解技术是以纯水为原料，以质子交换膜为电解质的清洁制氢技术，具有电解效率高、设备体积小、环境友好等特点，目前已在传统工业制氢、可再生能源制氢等领域得到应用。纯水电解制氢的反应原理为：原料水通入阳极，部分水在阳极分解为氧气和质子，生成的氧气与剩余的水一起流出阳极；生成的质子以水合质子的形式穿过质子交换膜到达阴极，并在阴极反应生成氢气，因此阴极在生成氢气的同时还会积存大量的水，生成的氢气与水一起流出阴极。纯水电解制氢的电解反应方程式为：
3.阳极：2h2o
‑
4e
‑
→
o2+4h
+
；阴极：2h
+
+2e
‑
→
h2。
4.基于以上反应原理，目前纯水电解制氢设备普遍采用与传统碱性水电解制氢设备相同的结构，即电解槽反应产生的氢/氧气分别进入氢/氧换热器，再进入氢/氧分离器，在分离器内经气液分离后，氧气进入氧气放空管路，氢气进入氢气干燥塔，干燥后的氢气作为产品气外输，在氢/氧分离器分离出的水返回电解槽循环使用。该流程单元设备多，工艺流程复杂，且氢/氧气需保持等压，控制逻辑也较复杂，一旦氢/氧气压力差过大，会导致氢/氧气体的纯度发生较大波动，影响制氢设备的安全运行。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种差压式纯水电解制氢系统，用以解决现有技术制氢系统中设备多、流程复杂及安全性低等难题。
6.本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
7.本发明提供了一种差压式纯水电解制氢系统，包括：电解槽，具有第一端压板、第二端压板、和设置在所述第一端压板或所述第二端压板上的进水口、氢气出气口、氧气出气口及排污口；供水组件，包括原料水箱、用于能向所述原料水箱输入原料水的第一供水管、和能连通所述原料水箱和所述进水口的第二供水管；氢组件，包括与所述氢气出气口连通的氢分离冷却器、能并联接入所述氢分离冷却器的氢气放空管组和氢气用气管、和用于检测氢气压力的压力传感器，所述氢分离冷却器上设置有液位传感器，所述氢气放空管组中设置有氢气纯度分析仪；氧组件，包括分别与所述氧气出气口和所述原料水箱连通的氧换热器、与所述原料水箱通过氧气冷却管组连通的氧冷却器、和接入所述氧冷却器的氧气放空管组，所述氧冷却器和所述氢分离冷却器能通过回水管路相连通，所述氧气放空管组中设置有氧气纯度分析仪；冷却水管组，包括冷却水进水管和冷却水出水管，冷却水能通过所述冷却水进水管并联进入所述氧换热器、所述氧冷却器和所述氢分离冷却器中进行换热后从所述冷却水出水管流出；控制单元，分别与所述压力传感器、所述液位传感器、所述氢气纯度分析仪、所述氧气纯度分析仪、设置在所述氧气出气口处的出水温度传感器、及设置在所述氢气放空管组、所述氢气用气管、所述回水管路、所述冷却水管组中的多个电磁阀电连
接；在工作状态下，原料水能从外部流经所述原料水箱后进入所述电解槽电解为氢气和氧气，氢气从所述氢气出气口流入所述氢组件，氧气从所述氧气出气口依次流入所述氧组件，所述控制单元能接收所述压力传感器、所述液位传感器、所述氢气纯度分析仪、所述氧气纯度分析仪和所述出水温度传感器生成的电信号并根据所述电信号控制所述多个电磁阀的工作状态。
8.优选的，其中，所述第一供水管中设置有原料水进水止回阀和原料水进水阀。
9.优选的，其中，所述第二供水管中沿原料水的流向依次设置有出水阀、进水泵、进水流量计、离子交换树脂柱、过滤器、进水温度传感器、进水阀。
10.优选的，其中，所述氢气放空管组包括氢气放空管和氢气纯度检测管，所述氢气放空管、所述氢气纯度检测管和所述氢气用气管并联接入所述氢分离冷却器，所述氢气放空管、所述氢气纯度检测管和所述氢气用气管中分别设置有一个电磁阀，所述氢气纯度分析仪沿氢气流向设置在所述氢气纯度检测管中电磁阀之后；在工作状态下，所述控制单元能持续接收来自所述氢气纯度分析仪和所述压力传感器采集并发送的两路电信号，基于所述两路电信号满足预设条件，所述控制单元能分别控制所述氢气放空管组中电磁阀、和所述氢气用气管中电磁阀的工作状态。
11.优选的，其中，所述氧气放空管组包括并联接入所述氧冷却器的氧气放空管和氧气纯度检测管，所述氧气放空管中设置有氧气放空阀，所述氧气纯度检测管中沿氧气的流向依次设置有氧气检测阀和所述氧气纯度分析仪，在工作状态下，基于所述氧气纯度分析仪采集并发送给所述控制单元的电信号满足预设条件，所述控制单元能打开所述氧气放空阀以将氧气排出。
12.优选的，其中，所述冷却水进水管包括冷却水总进水管、并联接入所述冷却水总进水管的第一进水管、第二进水管和第三进水管，所述第二进水管中设置有与所述控制单元电连接的电磁阀；所述冷却水出水管包括冷却水总出水管、并联接入所述冷却水总出水管的第一出水管、第二出水管和第三出水管；其中，所述冷却水总进水管和所述冷却水总出水管中分别设置有冷却水进水阀和冷却水出水阀，所述第一进水管和所述第一出水管相连通以完成与所述氢分离冷却器的换热，所述第二进水管和所述第二出水管相连通以完成与所述氧换热器的换热，所述第三进水管和所述第三出水管相连通以完成与所述氧冷却器的换热。
13.优选的，其中，所述第二进水管包括并联设置在所述冷却水总进水管和所述氧换热器之间的第一支管和第二支管，所述第一支管中设置有与所述控制单元电连接的电磁阀，所述第二支管中设置有氧换热器进水阀，在工作状态下，基于所述出水温度传感器采集并发送至所述控制单元的电信号满足预设条件，所述控制单元能控制所述第一支管中电磁阀的工作状态。
14.优选的，其中，所述第三进水管和所述第三出水管中分别设置有氧冷却器进水阀和氧冷却器出水阀。
15.优选的，其中，所述第一进水管、所述第二进水管和所述第三进水管中还分别设置有冷却水流量计和冷却水调节阀。
16.优选的，其中，沿氢气的流向在所述氢气用气管中依次设置有电磁阀和氢气止回阀，在工作状态下，基于所述压力传感器和所述氢气纯度分析仪发送的电信号满足预设条
件，所述控制单元能控制所述氢气用气管中电磁阀和所述氢气放空管组中电磁阀的工作状态以输出氢气。
17.本发明至少具有以下特点及优点：
18.本发明的差压式纯水电解制氢系统结构简单、易于控制、且安全性高。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明差压式纯水电解制氢系统的结构示意图。
21.附图标记与说明：
22.1、电解槽；2、原料水箱；3、氢分离冷却器；4、氢气纯度分析仪；5、氧气纯度分析仪；6、氧换热器；7、氧冷却器；8、进水泵；9、进水流量计；10、离子交换树脂柱；11、过滤器；21、进水温度传感器；22、出水温度传感器；23、压力传感器；31、进水止回阀；32、进水阀；33、出水阀；34、进水阀；35、排污阀；41、氢气放空电磁阀；42、电磁阀；43、电磁阀；44、氢气止回阀；51、氧气放空阀；52、氧气检测阀；61、冷却水进水阀；62、冷却水出水阀；63、氧换热器进水阀；64、电磁阀；65、氧冷却器出水阀；66、氧冷却器进水阀；71、回水电磁阀；72、液位传感器。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下文所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
24.本发明提供了一种差压式纯水电解制氢系统，请参见图1，包括电解槽1、供水组件、氢组件、氧组件、冷却水管组和控制单元(图中未示出)。
25.具体的，电解槽1具有第一端压板、第二端压板、和设置在第一端压板或第二端压板上的进水口、氢气出气口、氧气出气口及排污口；供水组件包括原料水箱2、用于能向原料水箱2输入原料水的第一供水管(即原料水箱2通过其上设置的原料水进口与第一供水管连接)、和能连通原料水箱2和进水口的第二供水管(即原料水箱2通过其上设置的原料水出口与第二供水管连接)；氢组件包括与氢气出气口连通的氢分离冷却器3(即设置在电解槽1上的氢气出气口和设置在氢分离冷却器3上的氢气进气口通过管路相连通)、能并联接入氢分离冷却器3的氢气放空管组和氢气用气管(即氢分离冷却器3通过设置在其上的氢气出气口分别与氢气放空管组和氢气用气管并联)、和用于检测氢气压力的压力传感器23，氢分离冷却器3上设置有液位传感器72，氢气放空管组中设置有氢气纯度分析仪4；氧组件包括分别与氧气出气口和原料水箱2连通的氧换热器6(即，氧换热器6的一端与电解槽1上的氧气出气口连接，氧换热器6的另一端通过设置在原料水箱2上的原料水回水口与原料水箱2相连通)、与原料水箱2通过氧气冷却管组连通的氧冷却器7、和接入氧冷却器7的氧气放空管组，氧冷却器7和氢分离冷却器3能通过回水管路相连通，氧气放空管组中设置有氧气纯度分析
仪5；冷却水管组包括冷却水进水管和冷却水出水管，冷却水能通过冷却水进水管并联进入氧换热器6、氧冷却器7和氢分离冷却器3中进行换热后从冷却水出水管流出；控制单元分别与压力传感器23、液位传感器72、氢气纯度分析仪4、氧气纯度分析仪5、设置在氧气出气口处的出水温度传感器22、及设置在氢气放空管组、氢气用气管、回水管路、冷却水管组中的多个电磁阀电连接；
26.在工作状态下，原料水能从外部流经原料水箱2后进入电解槽1电解为氢气和氧气，氢气从氢气出气口流入氢组件，氧气从氧气出气口依次流入氧组件，控制单元能接收压力传感器23、液位传感器72、氢气纯度分析仪4、氧气纯度分析仪5和出水温度传感器22生成的电信号并根据电信号控制多个电磁阀的工作状态。本发明采用该种设计，其中的控制参数仅为水的温度、氢气压力、及氢分离冷却器3的液位信息，与目前的制氢设备相比，控制参数的数量降低，从而保证系统易于控制。
27.本领域的技术人员应当明白，进水口、氢气出气口、氧气出气口及排污口可以设置在同一块端压板上(即第一端压板或第二端压板)或分别布设在两块端压板上(即第一端压板和第二端压板)。在一些实施例中，电解槽1选择横向布置(请参见图1中的布置方式)或立式布置(即将图1中的电解槽1旋转90
°
后的布置方式)，无论其选择哪种布置方式，排污口均设置在电解槽1的下端，从而便于将排污口与排污管连接为一体时依靠重力作用直接将污染物排出。在一些优选实施例中，请参见图1，排污管中还设置有排污阀35，从而便于用户将排污管与电解槽1连通或切断。
28.本发明通过将氧气与水分离的功能集成到原料水箱2中、将氢换热功能集成到氢分离冷却器3中，简化了纯水电解制氢系统的结构，从而提高了设备集成度，减小了制氢设备体积。此外，本发明通过减少单元设备，降低了系统机械连接点的数量，从而降低了氢气泄露隐患点，提高了设备的安全性。
29.进一步的，请参见图1，第一供水管中设置有原料水进水止回阀31(即单向阀)和原料水进水阀32(即截止阀)。本发明通过该种设计能够保证原料水沿第一供水管顺利进入原料水箱2，防止原料水倒流。
30.更进一步的，请参见图1，第二供水管中沿原料水的流向依次设置有出水阀33(即原料水箱2的出水阀)、进水泵8、进水流量计9、离子交换树脂柱10、过滤器11、进水温度传感器21、进水阀34(即电解槽1的进水阀)。
31.本领域的技术人员应当明白，进水流量计9能用于指示管路原料水流量，离子交换树脂柱10用于吸附原料水中的有害离子，过滤器11用于过滤原料水中的颗粒物。
32.在一些实施例中，请参见图1，氢气放空管组包括氢气放空管和氢气纯度检测管，氢气放空管、氢气纯度检测管和氢气用气管并联接入氢分离冷却器3，氢气放空管、氢气纯度检测管和氢气用气管中分别设置有一个电磁阀，氢气纯度分析仪4沿氢气流向设置在氢气纯度检测管中电磁阀42之后；
33.在工作状态下，控制单元能持续接收来自氢气纯度分析仪4和压力传感器23采集并发送的两路电信号，基于两路电信号满足预设条件，控制单元能分别控制氢气放空管组中电磁阀42、和氢气用气管中电磁阀43的工作状态。
34.在一些实施例中，请参见图1，氧气放空管组包括并联接入氧冷却器7的氧气放空管和氧气纯度检测管，氧气放空管中设置有氧气放空阀51，氧气纯度检测管中沿氧气的流
向依次设置有氧气检测阀52和氧气纯度分析仪5，在工作状态下，基于氧气纯度分析仪5采集并发送给控制单元的电信号满足预设条件，控制单元能打开氧气放空阀51以将氧气排出。
35.在一些实施例中，请参见图1，氧气冷却管组包括氧气出气管和冷凝水回水管，氧气出气管和冷凝水回水管均用于单独连通氧冷却器7和原料水箱2(即原料水箱2通过设置在其上的氧气出气口和冷凝水回水口分别与氧气出气管和冷凝水回水管连接)，在工作状态下，通过氧气出气管从原料水箱2中流入氧冷却器7的氧气经过换热后，其中包含的水蒸气经过液化从冷凝水回水管中回流至原料水箱2中。本发明通过该种设计能够将氧气与其中携带的水分相分离，从而保证设备使用的安全性。
36.在一些实施例中，请参见图1，冷却水进水管包括冷却水总进水管、并联接入冷却水总进水管的第一进水管、第二进水管和第三进水管，第二进水管中设置有与控制单元电连接的电磁阀64；冷却水出水管包括冷却水总出水管、并联接入冷却水总出水管的第一出水管、第二出水管和第三出水管；其中，冷却水总进水管和冷却水总出水管中分别设置有冷却水进水阀61和冷却水出水阀62，第一进水管和第一出水管相连通以完成与氢分离冷却器3的换热，第二进水管和第二出水管相连通以完成与氧换热器6的换热，第三进水管和第三出水管相连通以完成与氧冷却器7的换热。
37.本领域的技术人员应当明白，在氢分离冷却器3、氧换热器6及氧冷却器7中均设置有相应的换热结构，以便将第一进水管和第一出水管相连通、第二进水管和第二出水管相连通、第三进水管和第三出水管相连通，无论换热结构采用什么样式都应该在本发明的保护范围之内。
38.在一些实施例中，氢分离冷却器3中的换热结构为冷却水盘管，该冷却水盘管设置在氢分离冷却器3的内部，且其两端分别与第一进水管和第一出水管相连通(即第一进水管和第一出水管分别通过设置在氢分离冷却器3上的冷却水进水口、冷却水出水口与冷却水盘管相连通)。
39.进一步的，请参见图1，第二进水管包括并联设置在冷却水总进水管和氧换热器6之间的第一支管和第二支管，第一支管中设置有与控制单元电连接的电磁阀64，第二支管中设置有氧换热器进水阀63，在工作状态下，基于出水温度传感器22采集并发送至控制单元的电信号满足预设条件，控制单元能控制第一支管中电磁阀64的工作状态。在一些实施例中，第二进水管中仅设置有一个调节阀，从而便于根据出水温度传感器22采集的信号直接调节该支路中冷却水的流量。优选的，该调节阀为电磁阀。
40.更进一步的，请参见图1，第三进水管和第三出水管中分别设置有氧冷却器进水阀66和氧冷却器出水阀65。
41.在一些实施例中，第一进水管、第二进水管和第三进水管中还分别设置有冷却水流量计和冷却水调节阀(图中未示出)。本发明通过该种设计能够便于用户根据实际需求调整各管路中冷却水的流量，从而增加冷却效果。
42.在一些实施例中，请参见图1，沿氢气的流向在氢气用气管中依次设置有电磁阀43和氢气止回阀44(即单向阀)，在工作状态下，基于压力传感器23和氢气纯度分析仪4发送的电信号满足预设条件，控制单元能控制氢气用气管中电磁阀43和氢气放空管组中电磁阀的工作状态以输出氢气。
43.下面对发明的工作原理做进一步的介绍：
44.原料水通过原料水进水管(即第一供水管)进入原料水箱2，再由进水泵8通过电解槽1进水管(即第二供水管)送入电解槽1，通过电解反应生成氢气和氧气，电解槽1进水管(即第二供水管)上的进水流量计9用于指示管路中的原料水流量，离子交换树脂柱10用于吸附原料水中的有害离子，过滤器11用于过滤原料水中的颗粒物。电解生成的氧气和未反应的原料水从电解槽1的氧气出气口流出，通过管道流入氧换热器6，在氧换热器6内冷却后流入原料水箱2，在原料水箱2内分离的氧气夹带饱和水蒸气从原料水箱2的氧气出气口流入到氧气放空管道组，通过氧冷却器7冷凝回收部分原料水，然后氧气进入氧气放空管组，一路氧气进入氧气放空管后直接放空，另一路氧气进入设置在氧气纯度检测管中氧气纯度分析仪5中，氧气纯度分析仪5监测管路中的氧气纯度，并将监测数据实时传输到控制单元。
45.电解生成的氢气和透过质子交换膜的原料水从电解槽1的氢气出气口流出，通过管道流入氢分离冷却器3，在氢分离冷却器3内冷却并与水分离的氢气从氢分离冷却器3上的氢气出气口流入到氢气出气管，氢气首先全部进入氢气放空管组中的氢气纯度检测管，利用氢气纯度分析仪4监测氢气纯度，氢气纯度分析仪4将监测数据实时传输到控制单元；待纯度合格后，控制单元关闭氢气放空管组中的氢气放空电磁阀41和氢气检测电磁阀42(即分别设置在氢气放空管和氢气纯度检测管中的电磁阀)，打开产品氢气管路上的产品氢气电磁阀43(即设置在氢气用气管中的电磁阀)，氢气通过产品氢气管路(即氢气用气管)流出供给用户使用。通过产品氢气管路(即氢气用气管)上设置的产品氢气电磁阀43的延迟开闭，可将电解制氢系统的氢气压力不断提高，控制单元通过压力传感器23(即在氢分离冷却器3上氢气出气口处设置的用于检测氢气压力的压力传感器23)实时监测氢侧系统压力，当系统压力达到高位设定值时，控制单元自动打开产品氢气电磁阀43，氢气流出系统压力降低，当压力降低到低位设定值时，控制单元又自动关闭产品氢气电磁阀43，通过产品氢气电磁阀43的循环开闭实现系统压力的稳定控制。本发明能实现氧侧常压、氢侧高压工况下稳定运行，可基于此开发高压(氢气压力≥10mpa)水电解制氢设备。
46.随着电解时间不断延长，氢分离冷却器3内的水量不断增多、液位不断增高，控制单元通过设置在氢分离冷却器3上的液位传感器72实时监测液位，当液位达到高位设定值时，控制单元自动打开原料水箱2与氢分离冷却器3连接管上的回水电磁阀71(即设置在回水管路上的电磁阀)，氢分离冷却器3内的水在氢气压力和自身重力作用下回流到原料水箱2内，当液位下降到低位设定值时，控制单元又自动关闭回水电磁阀71(即设置在回水管路上的电磁阀)，待氢分离冷却器3内的液位再次回到高位设定值时再次打开回水电磁阀71(即设置在回水管路上的电磁阀)，循环该过程实现氢分离冷却器3内液位的稳定。
47.控制单元通过进水温度传感器21监测电解槽1的进水温度，通过出水温度传感器22监测电解槽1的出水温度，当温度监测值超过高位设定值时，控制单元自动打开氧换热器6冷却水进水管上的氧换热器6进水电磁阀64(即设置在第二进水管上的电磁阀)，增大氧换热器6的冷却水流量以降低原料水箱2的回水温度，从而降低原料水箱2内原料水的温度，当监测的温度降低到高位设定值以下时，控制单元自动关闭氧换热器6进水电磁阀64(即设置在第二进水管上的电磁阀)，通过氧换热器6进水电磁阀64的不断开闭实现电解槽1进水温度的稳定控制。
48.本发明的差压式纯水电解制氢系统结构简单、易于控制、且安全性高。
49.以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。