一种电解制氢系统和电解制氢方法

1.本发明涉及氢气制备技术领域，具体涉及一种电解制氢系统和电解制氢方法。


背景技术：

2.氢能作为二次能源，具有来源多样、终端零排、用途广泛等多重优势，在保障国家能源安全和推进能源产业升级等方面具有重要意义。随着技术日趋成熟、成本大幅下降，氢能正迎来快速发展的战略机遇期。在成熟的电解水制氢技术中，碱性电解水制氢技术相对比较成熟，工艺比较简单，成本比较低廉。但瓶颈在于负荷操作范围仅为40％
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100％，电解槽在低于输入功率40％以下就不能工作，这主要是因为电解槽氧侧中氧中氢的含量较高，存在安全隐患。同时由于实际生产中，系统启动至生产负荷的过程，和停止系统至完全关闭的过程，占用大量工时，且消耗成本较高，因此存在系统启动后能够尽量不停机的需求，在此基础上如保持低功率运转，如不能尽量降低最低操作负荷功率，则消耗较大，成本较高，且容易造成浪费。
3.因此，扩宽碱性电解水制氢电解槽的负荷范围是亟需解决的问题，这有利于使电解槽工作的范围更宽，回收的能量更多，特别适合波动的可再生能源功率输入这一情况。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种电解制氢系统和电解制氢方法，以解决电解制氢低负荷生产的问题。
5.本发明提供一种电解制氢系统，包括：电解槽、第一气液分离器和第二气液分离器；电解槽的阴极一侧和第一气液分离器通过第一循环管路直接连通；电解槽的阳极一侧和第二气液分离器通过第二循环管路直接连通；电解制氢系统还包括第三输入管路，第三输入管路分别连通第一循环管路、第二循环管路和电解槽。
6.可选的，第一循环管路包括第一气液输出管路和第一输入管路；电解槽具有阴极侧出口，阴极侧出口靠近电解槽的阴极，阴极侧出口适于电解液和阴极侧产生的气体流出电解槽；电解槽的阴极侧出口通过第一气液输出管路连通第一气液分离器的入口；电解槽还包括阴极侧入口，阴极侧入口靠近电解槽的阴极，位于阴极侧出口的相对一侧，阴极侧入口适于电解液流入电解槽；第一输入管路连通第一气液分离器的液体出口和阴极侧入口；第二循环管路包括第二气液输出管路和第二输入管路；电解槽具有阳极侧出口；阳极侧出口靠近电解槽的阳极，阳极侧出口适于电解液和阳极侧产生的气体流出电解槽；电解槽的阳极侧出口通过第二气液输出管路连通第二气液分离器的入口；电解槽还包括阳极侧入口，阳极侧入口靠近电解槽的阳极，位于阳极侧出口的相对一侧，阳极侧入口适于电解液流入电解槽；第二输入管路连通第二气液分离器的液体出口和阳极侧入口；电解槽还包括第三入口，第三入口位于阳极侧入口和阴极侧入口之间；第三输入管路通过第三入口连通电解槽。
7.可选的，第三输入管路上设置有三通阀，三通阀为双入单出阀，两个入口分别连通
第一输入管路和第二输入管路，一个出口连通第三入口；第三输入管路上还设置有第三液泵，第三液泵设置于三通阀和第三入口之间。
8.可选的，第一循环管路上设置有第一液泵；第二循环管路上设置有第二液泵。
9.可选的，第一液泵设置于第一输入管路上靠近阴极侧入口一侧；第二液泵设置于第二输入管路上靠近阳极侧入口一侧。
10.可选的，第三输入管路上，在三通阀和第一输入管路之间设置有第一流量阀。
11.可选的，第三输入管路上，在三通阀和第二输入管路之间设置有第二流量阀。
12.可选的，电解槽为零间隙双极碱性电解槽。
13.本发明还提供一种电解制氢方法，使用本发明提供的电解制氢系统；电解制氢系统具有两种工作模式，在第一工作模式下，包括以下步骤：开通第三输入管路；控制电解液在电解槽和第一气液分离器间循环流动，同时控制电解液在电解槽和第二气液分离器间循环流动，电解液仅从第三输入管路进入电解槽；从第一气液分离器将氢气分离出电解制氢系统；从第二气液分离器将氧气分离出电解制氢系统；在第二工作模式下，包括以下步骤：关闭第三输入管路；控制电解液在第一循环管路中循环流动，从第一气液分离器将氢气分离出电解制氢系统；控制电解液在第二循环管路中循环流动，从第二气液分离器将氧气分离出电解制氢系统。
14.可选的，电解制氢系统在电解槽的输入功率在大于电解槽的额定功率的40％时，使用第一工作模式；电解制氢系统在电解槽的输入功率在小于电解槽的额定功率的40％时，使用第二工作模式。
15.本发明的有益效果在于：
16.1.本发明的电解制氢系统，第一循环管路在阴极一侧，第二循环管路在阳极一侧，使得第一循环管路中的电解液基本只在阴极一侧循环，第二循环管路中的电解液基本只在阳极一侧循环，可以实现电解液的分离式循环，使得阴极生成的氢气和阳极生成的氧气不易在电解液横向流动的带动下混入另外一侧，从而降低氧气一侧的氢气含量。而第三输入管路连通第一循环管路、第二循环管路和电解槽，即间接连通电解槽和第一气液分离器、第二气液分离器也形成循环，可以实现混合式循环，相比分离式循环对液泵的功率需求降低，可以在高功率负荷下实现大量快速的生产的同时降低能耗。从而使得本发明的电解制氢系统可以通过管路流通的控制，分别实现不同的电解液循环，以应对不同的工作负荷。从而可以降低电解制氢系统的最低输入功率，解决电解制氢系统低负荷工作时消耗大或存在安全隐患的问题，同时高负荷生产时没有增加额外的消耗。
17.2.本发明的电解制氢系统，通过第一液泵、第二液泵的设置，特别是第一液泵靠近阴极侧入口一侧和第二液泵靠近阳极侧入口一侧的设置，一方面便于对两个循环管路中的流速进行控制，另一方面可以通过流速控制使得第一循环管路和第二循环管路中的电解液通过电解槽时间较短，从而难以在电解槽中横向流动，极大减少了阴极生成的氢气和阳极生成的氧气在电解液横向流动的带动下混入另外一侧。
18.3.本发明的电解制氢系统，通过第一流量阀和第二流量阀的设置，可以在使用混合式循环时辅助控制进入电解池的电解液的流量，也可以在电解制氢系统在进行模式切换时辅助控制第三输入管路的打开和关闭。
19.4.本发明的电解制氢方法，使用本发明提供的电解制氢系统，可以通过管路流通
的控制，分别实现不同的电解液循环，以应对不同的工作负荷。从而可以降低电解制氢系统的最低输入功率，解决电解制氢系统低负荷工作时消耗大或存在安全隐患的问题，同时高负荷生产时没有增加额外的消耗。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
21.图1为对比例的电解制氢系统的示意图；
22.图2为本发明的一实施例的电解制氢系统的示意图；
23.图3为分离式循环制氢和混合式循环制氢的氧气中氢含量随电流密度变化的关系曲线图。
具体实施方式
24.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。
26.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所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。
27.对比例
28.参考图1，一种电解制氢系统100，包括电解槽110、第一气液分离器121和第二气液分离器122。
29.电解槽110具有阴极侧出口。阴极侧出口靠近电解槽110的阴极(图中未示出阴极位置)，阴极侧出口适于电解液和阴极侧产生的气体(氢气)流出电解槽。电解槽的阴极侧出口通过第一气液输出管路141连通第一气液分离器121的入口。氢气在电解槽110的阴极产生，随电解液流出电解槽进入第一气液分离器121，从第一气液分离器121分离出去，同时电解液沿第一输入管路143继续循环。
30.电解槽110具有阳极侧出口。阳极侧出口靠近电解槽110的阳极(图中未示出阳极位置)，阳极侧出口适于电解液和阳极侧产生的气体(氧气)流出电解槽。电解槽的阳极侧出口通过第二气液输出管路142连通第二气液分离器122的入口。氧气在电解槽110的阳极产生，随电解液流出电解槽进入第二气液分离器122，从第二气液分离器122分离出去，同时电解液沿第二输入管路144继续循环。
31.电解槽110具有供循环电解液流入的入口，入口位于电解槽的正中，第三输入管路145连通该入口，并且连通第一气液分离器121的液体出口的第一输入管路143和连通第二
气液分离器122的液体出口的第二输入管路144分别连通该输入管路145，从第一气液分离器121和第二气液分离器122流出的电解液汇入第三输入管路145，进入电解液，形成混合式循环。同时第三输入管路145上设置有液泵130，以控制液体的流量。
32.这样的电解制氢系统，在低功率下，由于整个系统内电解液流动相对缓慢，电解速率也相对较低，电解槽中存在一定量的气体随电解液横向流动，特别是阴极侧的氢气容易流动至阳极侧，进而随电解液和氧气从阳极侧的第二气液分离器离开系统，使得氧气侧的氧气中氢含量较高，容易接近危险值，存在安全隐患。因此为了安全生产，通常电解槽最低负荷设置的输入功率相对较高(一般设定输入功率的最低负荷为额定功率的40％)。
33.实施例1
34.参考图2，本实施例提供一种电解制氢系统200，包括电解槽210、第一气液分离器221和第二气液分离器222。
35.其中，电解槽为零间隙双极碱性电解槽。
36.电解槽210的阴极一侧和第一气液分离器221通过第一循环管路直接连通。
37.电解槽210的阳极一侧和第二气液分离器222通过第二循环管路直接连通。
38.电解制氢系统200还包括第三输入管路245，第三输入管路245分别连通第一循环管路、第二循环管路和电解槽210。
39.具体的，第一循环管路包括第一气液输出管路241和第一输入管路243。
40.电解槽210具有阴极侧出口，阴极侧出口靠近电解槽210的阴极(图中未示出阴极位置)，阴极侧出口适于电解液和阴极侧产生的气体(氢气)流出电解槽210。电解槽210的阴极侧出口通过第一气液输出管路241连通第一气液分离器221的入口。电解槽210还包括阴极侧入口，阴极侧入口靠近电解槽210的阴极，位于阴极侧出口的相对一侧，阴极侧入口适于电解液流入电解槽210。第一输入管路243连通第一气液分离器221的液体出口和阴极侧入口。
41.第二循环管路包括第二气液输出管路242和第二输入管路244。
42.电解槽210具有阳极侧出口。阳极侧出口靠近电解槽210的阳极(图中未示出阳极位置)，阳极侧出口适于电解液和阳极侧产生的气体(氧气)流出电解槽210。电解槽210的阳极侧出口通过第二气液输出管路242连通第二气液分离器222的入口。电解槽210还包括阳极侧入口，阳极侧入口靠近电解槽210的阳极，位于阳极侧出口的相对一侧，阳极侧入口适于电解液流入电解槽210。第二输入管路244连通第二气液分离器222的液体出口和阳极侧入口。
43.电解槽210还包括第三入口，第三入口位于阳极侧入口和阴极侧入口之间，例如可以位于电解槽210的正中。第三输入管路245通过第三入口连通电解槽210。
44.本实施例的电解制氢系统200，第一循环管路在阴极一侧，第二循环管路在阳极一侧，可以实现电解液的分离式循环。而第三输入管路连通第一循环管路、第二循环管路和电解槽210，即间接连通电解槽210和第一气液分离器221、第二气液分离器220也形成一个循环，可以实现混合式循环。
45.参考图3，根据图3显示，可以明显看出，在电流密度较高时，氧气中氢气含量处于较低水平，而随着电流密度的降低(即负荷功率的降低)，氧气中氢气含量有明显的提高。而对于分离式循环和混合式循环，分离式循环在较低电流密度(即低负荷功率时)时氧气中氢
气的含量有明显降低。原因在于，例如本实施例的电解制氢系统200，第一循环管路中的电解液基本只在阴极一侧循环，第二循环管路中的电解液基本只在阳极一侧循环，使得阴极生成的氢气和阳极生成的氧气不易在电解液横向流动的带动下混入另外一侧，从而可以降低氧气一侧的氢气含量。而另一方面，混合式循环相比分离式循环，对液泵的功率需求降低(只需要一个液泵)，可以在高功率负荷下实现大量快速的生产的同时保持相对较低的能耗。
46.因此本实施例的电解制氢系统200可以通过管路流通的控制，分别实现不同的电解液循环，以应对不同的工作负荷。从而可以降低电解制氢系统的最低输入功率，解决电解制氢系统低负荷工作时消耗大或存在安全隐患的问题，同时高负荷生产时没有增加额外的消耗。
47.进一步的，第三输入管路245上设置有三通阀253，三通阀253为双入单出阀，两个入口分别连通第一输入管路243和第二输入管路244，一个出口连通第三入口。
48.第三输入管路上还设置有第三液泵233，第三液泵233设置于三通阀253和第三入口之间。
49.此外第一循环管路上设置有第一液泵231。第二循环管路上设置有第二液泵232。
50.在本实施例中，第一液泵231设置于第一输入管路243上靠近阴极侧入口一侧，第二液泵232设置于第二输入管路244上靠近阳极侧入口一侧。
51.通过第一液泵231、第二液泵232的设置，特别是第一液泵231靠近阴极侧入口一侧和第二液泵232靠近阳极侧入口一侧的设置，一方面便于对两个循环管路中的电解液的流速进行控制，另一方面可以通过流速控制使得第一循环管路和第二循环管路中的电解液通过电解槽210时间较短，从而极少发生在电解槽210中的横向流动，极大减少了阴极生成的氢气和阳极生成的氧气在电解液横向流动的带动下混入另外一侧，特别是减少了氢气向氧气一侧的流动，从而可以极大减少氧气一侧氧气中氢气的含量。
52.此外，第三输入管路245上，在三通阀253和第一气液输入管路241之间设置有第一流量阀251，在三通阀253和第二输入管路244之间设置有第二流量阀252。
53.通过第一流量阀251和第二流量阀252的设置，可以在使用混合式循环时辅助控制进入电解池210的电解液的流量，也可以在电解制氢系统在进行模式切换时(即在分离式循环和混合式循环间切换时)辅助控制第三输入管路245的打开和关闭。
54.实施例2
55.参考图2，本实施例提供一种电解制氢方法，使用上述实施例1中提供的电解制氢系统200进行电解制氢。
56.电解制氢系统200具有两种工作模式。
57.在第一工作模式下，包括以下步骤：
58.开通第三输入管路245。具体到本实施例中，打开三通阀253、第一流量阀251和第二流量阀252。
59.控制电解液在电解槽210和第一气液分离器221间循环流动，同时控制电解液在电解槽210和第二气液分离器222间循环流动。从第一气液分离器221将氢气分离出电解制氢系统200，同时从第二气液分离器222将氧气分离出电解制氢系统200。具体到本实施例中，开通第三液泵233，关闭第一液泵231和第二液泵232。电解液仅从第三输入管路245进入电
解槽。从而可以实现电解液的混合式循环。
60.在第二工作模式下：关闭第三输入管路245。具体到本实施例中，关闭三通阀253、第一流量阀251和第二流量阀252。
61.控制电解液在第一循环管路中循环流动，从第一气液分离器221将氢气分离出电解制氢系统200。控制电解液在第二循环管路中循环流动，从第二气液分离器222将氧气分离出电解制氢系统。具体到本实施例中，关闭第三液泵233，同时开启第一液泵231和第二液泵232。从而可以实现电解液的分离式循环。
62.在实际应用中，可以选择电解制氢系统200在电解槽210的输入功率在大于额定功率的40％时，使用第一工作模式。电解制氢系统200在电解槽210的输入功率在小于额定功率的40％时，使用第二工作模式。
63.本实施例的电解制氢方法，使用上述实施例1提供的电解制氢系统200，可以通过管路流通的控制，分别实现不同的电解液循环，以应对不同的工作负荷。从而可以降低电解制氢系统200的最低输入功率，解决电解制氢系统低负荷工作时消耗大或存在安全隐患的问题，同时高负荷生产时没有增加额外的消耗。
64.本发明所公开的技术方案已通过实施例说明如上。相信本领域技术人员可通过上述实施例的说明了解本发明。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。