一种冷启动碱性电解制氢装置及制氢方法

本发明涉及碱性水电解制氢，特别是涉及一种冷启动碱性电解制氢装置及制氢方法。

背景技术：

1、碱性水电解制氢是当前以及未来商业化电解制氢的主要方式，具备规模化程度高、设备成本相对低的显著优点。但是常规碱性水电解制氢受限于电耗高且电流密度低的缺点，由此导致设备笨重、体积庞大、启动速度慢。通常，工业碱性水电解槽需运行在70～95℃来保障运行电流密度达到2000～4000a/m2的常规范围。从室温运行时，通常需要2～5h升温到70～95℃来达到额定电解制氢电流密度。过长的升温启动时间，不仅导致制氢有效时长占比低，而且初期的小电流密度(数百到2000a/m2)下氢气纯度相对低，导致了过高的能量损失和物质损失，这在可再生电力电解制氢场景下，表现得尤为突出。

2、现有技术公开了一种自热启动电解水制氢系统及其运行方法，该技术通过在电解液缓冲罐上缠绕设置有加热管，还包括催化燃烧器提供热源来实现电解槽的快速升温。但是由于需要高温催化燃烧器，增加了电解制氢设备的安全风险。现有技术还公开了一种具有加热电解液功能的水电解制氢系统，通过设置加热装置、温度传感器，用于对电解液进行加热，使制氢系统的冷启动时间大大缩短。此外，现有技术还公开了一种加快电解制氢设备方法，将制氢电源内部产生的热量通过水热散热器传递给电解槽对电解槽进行加热，充分利用了电源产生的热能，缩短了电解槽的启动时间。上述技术中，无论采用加热装置对电解液进行加热，还是利用电解电源的热量进行换热加热，易造成能量消耗增加或设备水电安全隐患。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种冷启动碱性电解制氢装置及制氢方法，以解决上述问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、第一方面，本发明提供了一种冷启动碱性电解制氢装置，包括：电解槽、电源、中控系统、动态液位气液分离器、备用预热器、换热器、过滤器、碱液罐和水箱；

4、所述电解槽的出液管路与所述动态液位气液分离器的进液管路连通；所述动态液位气液分离器的出液管路与所述换热器的进液管路连通；所述换热器的出液体管路与所述过滤器的进液管路连通，且所述碱液罐的出液管路与所述过滤器的进液管路连通，所述水箱的出水管路与所述过滤器的进液管路连通，所述过滤器的出液管路与所述电解槽的进液管路连通；所述备用预热器通过换热管路与所述换热器的壳程或管程连通；所述电源用于为所述电解槽供电；所述中控系统用于在电解启动温度上升、电流密度增加时，控制碱液罐动态补充碱液到电解液循环体系中，进而实现动态液位气液分离器在启动时的低液位到高温、高电流密度时的高液位的动态跟随。

5、可选地，所述电解槽包括双极板、镍基高活性析氧阳极和非金属掺杂镍钼类高活性析氢阴极；所述双极板包括阴极侧极板和阳极侧极板；所述阴极侧极板与所述非金属掺杂镍钼类高活性析氢阴极形成阴极室，所述阳极侧极板与所述镍基高活性析氧阳极形成阳极室，所述镍基高活性析氧阳极和所述非金属掺杂镍钼类高活性析氢阴极之间有隔膜。

6、可选地，所述电解槽的最大电流密度设计值范围为10000～25000a/m2。

7、可选地，所述冷启动碱性电解制氢装置的冷启动温度为室温，室温温度典型范围为10～45℃。

8、可选地，还包括补液泵、补水泵和循环泵；所述碱液罐的出液管路通过所述补液泵与所述过滤器的进液管路连通，所述水箱的出水管路通过所述补水泵与所述过滤器的进液管路连通；所述过滤器的出液管路通过所述循环泵与所述电解槽的进液管路连通。

9、第二方面，本发明提供了一种冷启动碱性电解制氢方法，应用于第一方面所述的一种冷启动碱性电解制氢装置，该制氢方法包括：

10、在停机、室温状态下，动态液位气液分离器保持在低液位高度；所述低液位高度对应电解槽维持在2000～4000a/m2工作时，动态液位气液分离器所需碱液液位的最低高度，所述低液位高度为动态液位气液分离器设计的最高液位的1/6～1/3；

11、在电解槽中的电解液为室温无预热下，电源施加电压到电解槽，控制单室电压≤2v，在1分钟以内电解槽达到工业碱性电解制氢常规电流密度范围2000～4000a/m2，实现冷启动；

12、随着电解开始进行，电解液的温度值和电流密度值均相对室温开始升高，中控系统依据电流密度值动态补充新的碱液和水到电解液循环体系中，并控制动态液位气液分离器的液位高度随温度值和电流密度值的同步上升；其中，电流密度值达到电解槽设计的最大电流密度值时，动态液位气液分离器中的氧气动态液位气液分离器和氢气动态液位气液分离器的液位高度均同时达到设计最高液位100％，进行高温、高电流密度产氢。

13、可选地，该制氢方法还包括：

14、在高电流密度继续运行时，电解过程中产生的多余热量，通过换热器交换，给备用预热器储热。

15、可选地，该制氢方法还包括：

16、电解结束后，电解槽和液路系统中的温度逐渐下降，当长时间停机时，通过切换碱液罐与补碱液管道之间阀门走向，将动态液位气液分离器液体通过补液泵反向退回碱液罐，保持下次冷启动时动态液位气液分离器的低液位状态。

17、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

18、本发明可以实现室温冷启动碱性电解制氢，在应用于光伏、风电等可再生电力电解制氢时，可跟随光伏、风电快速启动，且随着光伏、风电输入功率的增加，同步提高制氢产量，具有契合光伏、风电快速启动性能好的显著优点。同时本发明避免了常规碱性电解槽无法冷启动的重大缺陷，提高了光伏、风电驱动碱性电解制氢的效率，降低了制氢能耗。

19、附图说明

20、为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

21、图1为本发明实施例提供的一种冷启动碱性电解制氢装置的结构示意图；

22、图2为本发明实施例提供的一种冷启动碱性电解制氢装置的方法的流程示意图。

技术特征：

1.一种冷启动碱性电解制氢装置，其特征在于，包括：电解槽、电源、中控系统、动态液位气液分离器、备用预热器、换热器、过滤器、碱液罐和水箱；

2.根据权利要求1所述的一种冷启动碱性电解制氢装置，其特征在于，所述电解槽包括双极板、镍基高活性析氧阳极和非金属掺杂镍钼类高活性析氢阴极；所述双极板包括阴极侧极板和阳极侧极板；所述阴极侧极板与所述非金属掺杂镍钼类高活性析氢阴极形成阴极室，所述阳极侧极板与所述镍基高活性析氧阳极形成阳极室，所述镍基高活性析氧阳极和所述非金属掺杂镍钼类高活性析氢阴极之间有隔膜。

3.根据权利要求1所述的一种冷启动碱性电解制氢装置，其特征在于，所述电解槽的最大电流密度设计值范围为10000～25000a/m2。

4.根据权利要求1所述的一种冷启动碱性电解制氢装置，其特征在于，所述冷启动碱性电解制氢装置的冷启动温度为室温，室温温度典型范围为10～45℃。

5.根据权利要求1所述的一种冷启动碱性电解制氢装置，其特征在于，还包括补液泵、补水泵和循环泵；所述碱液罐的出液管路通过所述补液泵与所述过滤器的进液管路连通，所述水箱的出水管路通过所述补水泵与所述过滤器的进液管路连通；所述过滤器的出液管路通过所述循环泵与所述电解槽的进液管路连通。

6.一种冷启动碱性电解制氢方法，其特征在于，所述冷启动碱性电解制氢方法应用于权利要求1-5任一项所述的冷启动碱性电解制氢装置，所述冷启动碱性电解制氢方法包括：

7.根据权利要求6所述的一种冷启动碱性电解制氢方法，其特征在于，还包括：

8.根据权利要求6所述的一种冷启动碱性电解制氢方法，其特征在于，还包括：

技术总结
本发明公开了一种冷启动碱性电解制氢装置及制氢方法，涉及碱性水电解制氢技术领域，主要包括将碱液罐的电解液泵入电解槽的进液口，并使动态液位气液分离器的液位达到初始启动高度。在电解液为室温无预热下，施加一定电压到电解槽，在1分钟以内电流密度达到2000～4000A/m<supgt;2</supgt;。随着电解进行，电解温度和电流密度均逐渐升高，依据电流密度值动态补充新的碱液和水到电解液循环体系中，并控制动态液位气液分离器的液位高度随温度值和电流密度值的同步上升。该方法不仅实现了快速冷启动电解，也降低了从冷启动到进入高温、高电流密度的升温时间。

技术研发人员：唐阳,谢鳌,万平玉,陈咏梅
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15