电解水制氢系统及其快速升温控制方法、运行控制方法与流程

本发明涉及电解水制氢，具体涉及一种电解水制氢系统及其快速升温控制方法、运行控制方法。

背景技术：

1、我国主流的电解水制氢技术路线是碱性(alkaline，alk)电解水制氢，该技术已十分成熟，缺点是速率难以快速调节，不利于与具有快速波动特性的可再生能源相配合；质子交换膜(proton exchange membrane，pem)电解水制氢是国际主流技术趋势之一，与alk制氢装置相比，pem制氢装置结构紧凑，工作电流更大(可达2a/cm2)，更容易与可再生能源进行配合(超功率极限为160％)。

2、由于现在的碱性电解制氢电解槽的额定电流密度是pem电解槽的1/3，所以在产生相同产氢量的情况下，碱性电解槽的体积较大。在产生相同气液分离效果的情况下，气液分离器的体积就较大，储存的koh溶液质量就较大。碱性电解槽的常温启动温度为25℃，额定工作温度是95±5℃，产热主要来自电解槽内电化学欧姆产热，这取决于电流大小，散热重点是考虑与空气换热，这导致功率为5mw的碱性电解槽常温启动到额定工作温度的时间为2h。碱性电解槽启动时的温度过低，制出的氢气氢和氧气的纯度不够，导致产生的氢气和氧气杂质较多，不能被利用，因此启动过程中产生的氢气和氧气就需要进行排空处理，这就造成了氢气的大量浪费。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有的碱性电解槽启动时间过长而造成氢气大量浪费的缺陷，从而提供一种电解水制氢系统及其快速升温控制方法、运行控制方法。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种电解水制氢系统，包括：

4、电解槽，具有氢气排出口和氧气排出口，所述电解槽与第一电源进行电性连接并通过第一电源进行加热；

5、碱液输送系统，与所述电解槽相连接，用于向所述电解槽输送碱液；

6、加热系统，设置在电解槽外部，并在所述电解槽启动时与通入至所述电解槽的碱液进行加热，以使所述电解槽能够快速启动。

7、进一步优化技术方案，还包括：

8、冷却系统，设置在电解槽外部，用于与通入至所述电解槽的碱液进行热交换，以进行所述电解槽的温度控制。

9、进一步优化技术方案，所述碱液输送系统包括：

10、碱液输送源，内部设置有碱液泵，用于进行碱液的输送；

11、碱液冷却器，内部具有碱液输送腔体，所述碱液输送腔体的进液端与碱液输送源相连接，所述碱液输送腔体的出液端与所述电解槽连接，所述碱液输送腔体内的碱液与所述加热系统或所述冷却系统进行热交换。

12、进一步优化技术方案，所述加热系统包括：

13、蓄热池，具有盛装有工质的腔体，所述腔体的外围设置有热阻元器件；

14、第二电源，与所述热阻元器件电性连接；

15、换热器，一侧与所述蓄热池进行热交换，另一侧与通入至所述碱液冷却器的碱液进行热交换。

16、进一步优化技术方案，所述第二电源的soc低于20％时进行充电，上限soc为90％。

17、进一步优化技术方案，还包括：

18、气液分离系统，与氧气排出口和氢气排出口连接，用于对经电解槽电解后的含液体氧气和氢气进行气液分离；

19、洗涤系统，用于对经气液分离后的氧气和氢气进行洗涤；

20、气体冷却系统，与所述冷却系统连接并通过所述冷却系统供给冷却介质，用于对经洗涤后的氧气和氢气进行冷却。

21、一种电解水制氢系统的快速升温控制方法，所述方法基于所述的电解水制氢系统进行，所述方法是在电解槽启动时，通过加热系统对通入至电解槽的碱液进行加热，以使电解槽快速启动。

22、进一步优化技术方案，在电解槽启动时，通过碱液输送系统控制输入至电解槽的碱液量减小，以使电解槽内的碱液快速升温。

23、一种电解水制氢系统的运行控制方法，所述方法基于所述的电解水制氢系统进行，所述方法是基于电解槽不同运行阶段，对电解槽内的碱液温度进行分别控制，所述方法包括以下步骤：

24、常温启动－额定工作温度工作阶段：采集电解槽出口处温度数据，对电解槽内的碱液温度进行实时判断；当电解槽内的碱液温度＜a时，通过加热系统对通入至电解槽的碱液进行加热；当电解槽内的碱液温度≥a时，加热系统停止运行，通过冷却系统对电解槽内的碱液温度进行控制；

25、额定工作温度工作阶段：通过冷却系统对电解槽内的碱液温度进行控制；

26、停机保温阶段：采集电解槽出口处温度数据，对电解槽内的碱液温度进行实时判断；当电解槽内的碱液温度＜b时，冷却系统停止运行，通过加热系统对通入至电解槽的碱液进行加热，以对电解槽的碱液进行保温处理。

27、进一步优化技术方案，还包括基于电解槽不同运行阶段对输入电解槽碱液量的控制方法，包括以下步骤：

28、常温启动－额定工作温度工作阶段：当电解槽内的碱液温度＜a时，通过碱液输送系统控制输入至电解槽的碱液量为a；

29、额定工作温度工作阶段：通过碱液输送系统控制输入至电解槽的碱液量为b；

30、停机保温阶段：当电解槽内的碱液温度＜b时，通过碱液输送系统控制输入至电解槽的碱液量为a；

31、其中，a＜b。

32、本发明技术方案，具有如下优点：

33、1.本发明提供的一种电解水制氢系统，在电解槽启动时，通过加热系统对碱液进行加热，进而缩短了电解槽常温启动到额定工作温度的时间，减小了电解槽启动时所制氢气的浪费。

34、2.本发明提供的一种电解水制氢系统，加热系统包括蓄热池、第二电源和换热器，当热阻元器件通电时，可进行制热，蓄热池产生的热量与换热器进行热交换，而换热器与碱液冷却器进行热交换，进而使得蓄热池产生的热量将碱液冷却器的碱液进行加热。

35、3.本发明提供的一种电解水制氢系统，电解水制氢系统还包括冷却系统，运行过程中的电解槽一方面通过第一电源进行加热，另一方面通过冷却系统进行温度控制，使得电解槽内的碱液温度始终控制在合适的温度范围内，保证制氢效率。

36、4.本发明提供的一种电解水制氢系统，第二电源的soc低于20％时进行充电，上限soc为90％，能够保证第二电源处于最佳的充放电soc区间，延长电池的寿命。

37、5.本发明提供的一种电解水制氢系统的运行控制方法，基于电解槽不同运行阶段，对电解槽内的碱液温度进行分别控制，同时对输入至电解槽的碱液量进行控制，能够在常温启动－额定工作温度工作阶段实现碱性电解槽快速启动的目的，在额定温度工作阶段实现电解槽的正常运行并保证氢氧气与koh溶液进行有效分离，在停机保温阶段保持电解槽进行正常产氢。

38、6.本发明提供的一种电解水制氢系统的运行控制方法，设置了停机保温阶段的温度控制，因此本发明能够与风电和光伏进行协调离网制氢。

技术特征：

1.电解水制氢系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的电解水制氢系统，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求2所述的电解水制氢系统，其特征在于，所述碱液输送系统包括：

4.根据权利要求3所述的电解水制氢系统，其特征在于，所述加热系统包括：

5.根据权利要求4所述的电解水制氢系统，其特征在于，所述第二电源(5)的soc低于20％时进行充电，上限soc为90％。

6.根据权利要求2所述的电解水制氢系统，其特征在于，还包括：

7.电解水制氢系统的快速升温控制方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1－6中任一项所述的电解水制氢系统进行，所述方法是在电解槽(1)启动时，通过加热系统对通入至电解槽(1)的碱液进行加热，以使电解槽(1)快速启动。

8.根据权利要求7所述的电解水制氢系统的快速升温控制方法，其特征在于，在电解槽(1)启动时，通过碱液输送系统控制输入至电解槽(1)的碱液量减小，以使电解槽(1)内的碱液快速升温。

9.电解水制氢系统的运行控制方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1－6中任一项所述的电解水制氢系统进行，所述方法是基于电解槽(1)不同运行阶段，对电解槽(1)内的碱液温度进行分别控制，所述方法包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的电解水制氢系统的运行控制方法，其特征在于，还包括基于电解槽(1)不同运行阶段对输入电解槽(1)碱液量的控制方法，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种电解水制氢系统及其快速升温控制方法、运行控制方法，所述电解水制氢系统，包括：电解槽，具有氢气排出口和氧气排出口，电解槽与第一电源进行电性连接并通过第一电源进行加热；碱液输送系统，与电解槽相连接，用于向电解槽输送碱液；加热系统，设置在电解槽外部。本发明在电解槽启动时，通过加热系统对碱液进行加热，进而缩短了电解槽常温启动到额定工作温度的时间，减小了电解槽启动时所制氢气的浪费。本发明基于电解槽不同运行阶段，对电解槽内的碱液温度进行分别控制，同时对输入至电解槽的碱液量进行控制，能够在常温启动－额定工作温度工作阶段实现碱性电解槽快速启动的目的，在停机保温阶段保持电解槽进行正常产氢。

技术研发人员：陈凡,石平,何鹏,叶褚华,周纯,曹文红,杜正良,黄国明,夏明,邝周凌
受保护的技术使用者：浙江蓝能氢能科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27