一种用于降低氧气中氢含量的电解水制氢系统的制作方法

本技术涉及电解水制氢，具体涉及一种用于降低氧气中氢含量的电解水制氢系统。

背景技术：

1、氢能作为一种绿色、低碳的二次能源，在新能源格局中占据着不可或缺的角色。柔性电解水制氢技术通过先进的制氢技术和智能管理系统，实现制氢过程与可再生能源发电的深度耦合和灵活调节。这种制氢方式能够充分适应光伏、风电功率的快速波动和间歇特性，实现制氢过程的稳定、高效和智能化。

2、在碱性电解槽内，使用隔膜将电解室分为阳极和阴极小室。水电解的反应过程就是在电解槽的阳极小室发生氧化反应，将水分子中的阳离子氧化生成氧气，同时生成的氢离子透过隔膜进入阴极小室，发生还原反应生成氢气。隔膜将生成的氢气和氧气分隔开来，分别进入后续的分离纯化流程，而同时，隔膜也需要有一定的空隙，确保氢离子可以通过进入阴极室。由于隔膜的空隙直径大小通常在1~10微米之间，远大于氢气分子动力学直径（0.289nm），当阴极压力高于阳极时，氢气就可能被压入阳极室，与生成的氧气混合。由于柔性制氢的生产负荷在一定范围内波动调节，当电解水装置在低负荷下运行时，水电解制氢生成的氢气和氧气量下降，但是通过隔膜渗透进阳极室的氢气量并不受氢气产量的影响，这便会导致氧气出口端的氢氧混合比提高。当氢气在氧气中的体积浓度达到4%~94%时，若存在点火源，则会引发爆炸。因此，当电解水制氢系统处于低负荷运转时，氧分离模块中的气体具有较高的爆炸危险性。

3、针对此项安全生产隐患，公开号为cn119411146a的中国专利“降低氧中氢含量的碱性电解制氢装置及方法”，提出通过向碱性电解槽的阳极小室中插入第三电极与碱性电解槽的阳极构成氢氧燃料电池回路，使得碱性电解槽阳极小室中的渗透氢能够发生电化学逆反应而被脱除，从而降低碱性电解水制氢系统中氧中氢浓度，提升系统的安全性。此种方法虽然可以从理论上降低氧中氢浓度，但引入的第三电极，增加了电解槽设备的制造成本，并且没有在大规模工业生产中进行应用，其设备运行的稳定性有待考证。

4、公开号为cn117144416a的中国专利“一种适应宽功率波动的碱液电解制氢控制方法”中，介绍了一种通过动态调节氢氧侧压力以及碱液循环速度，降低氢氧混合程度，提升产氢纯度的方法。其中提到降低碱液循环速度，减少溶液中溶解的氧气、氢气随碱液流动到另一侧，造成氢氧混合；同时减小氢氧侧压力比，从而降低氢气透过碱性隔膜的可能性。此法不仅可以有效解决低载工况下产氢纯度问题，也同时降低了氧气侧的氧中氢浓度。但是，由于氧中氢的主要来源为透过隔膜进入氧分离系统的氢气，因此，不论是降低碱液循环速度还是减小压力比，只能减少氧气中氢的含量，不能从本质上解决氧中氢超标的问题，确保氢氧混合比维持在爆炸极限以下。

5、因此，现有技术存在缺陷，有待改进与发展。

技术实现思路

1、实用新型实施例提供一种用于降低氧气中氢含量的电解水制氢系统，用于解决现有技术中当电解水制氢系统处于低负荷运转时，氧分离模块中的气体具有较高的爆炸危险性的问题。

2、本实用新型实施例提供一种用于降低氧气中氢含量的电解水制氢系统，包括电解槽，所述电解槽的阴极侧通过管道依次连接有氢分离器、第一洗涤塔、第一气体冷却器、纯化撬块，以将在所述电解槽中生成的氢气依次经过液气分离、氢气洗涤、氢气冷却、氢气纯化后获得氢气产品；

3、所述电解槽的阳极侧通过管道依次连接有脱氢反应器、氧分离器、第二洗涤塔、第二气体冷却器，以将在所述电解槽中生成的氧气依次经过脱除氢气、液气分离、氧气洗涤、氧气冷却后排放；所述脱氢反应器与所述氧分离器的管道之间还连接有用于压缩空气进入所述氧分离器的压缩空气管，所述压缩空气管上连接有阀门；所述第二气体冷却器用于排放氧气的排气管上还连接有氢气含量检测仪；

4、所述氢分离器的出液管、所述氧分离器的出液管分别连接于三通管的其中两个管口，所述三通管的剩余的一个管口通过管道依次连接碱液循环泵、碱液冷却器、所述电解槽。

5、进一步的，所述脱氢反应器为罐式反应容器且所述脱氢反应器的进料口位于底部、出料口位于顶部。

6、进一步的，所述脱氢反应器中填充的脱氢填料上附着有贵金属催化剂粉末。

7、进一步的，所述贵金属催化剂粉末为钯粉末、铂粉末和铑粉末中的一种。

8、进一步的，所述压缩空气管上连接的阀门为流量调节阀门。

9、进一步的，所述第一洗涤塔和所述第二洗涤塔均为逆流喷淋洗涤塔。

10、有益效果：

11、由以上技术方案可知，本实用新型提供了一种用于降低氧气中氢含量的电解水制氢系统，具有以下有益效果：

12、1.实现低负荷工况下氧气中氢含量的主动降低：通过在电解槽阳极侧依次设置脱氢反应器、氧分离器、第二洗涤塔和第二气体冷却器，并在脱氢反应器与氧分离器之间接入压缩空气管，构成针对氧气侧的专用脱氢与后处理流程。脱氢反应器中填充附着有贵金属催化剂粉末的脱氢填料，使渗透进入阳极室的氢气和氧气发生催化氧化反应，生成水并随后被氧分离器和第二洗涤塔从气相中移除，从而从源头上减少氧气中残余的氢。

13、2.兼顾氢气产品质量与电解碱液循环稳定性：在电解槽阴极侧设置氢分离器、第一洗涤塔、第一气体冷却器和纯化撬块，使阴极侧生成的氢依次经过液气分离、洗涤、冷却和纯化，从而获得氢气产品。同时，将氢分离器和氧分离器的出液管汇集至三通管，再通过碱液循环泵和碱液冷却器返回电解槽，使阴极和阳极侧分离出的碱液统一纳入循环回路，有利于维持电解槽内碱液组成和温度的稳定，减少局部气泡或溶解气体在液相中的积聚。

14、3.降低氧气排放管路的爆炸危险性：在第二气体冷却器用于排放氧气的排气管上设置氢气含量检测仪，可对氧气排放端的氢含量进行在线监测。当氢含量接近预设安全阈值时，可配合压缩空气管路上的气动阀门调节进入氧分离器的压缩空气量，进一步稀释氧气中的氢气或配合系统控制策略采取相应处理措施，从而降低氧气排放管路中氢氧混合气体进入可燃爆范围的风险。

15、4.提高系统整体运行可靠性：氢分离器和氧分离器采用带有填料层和除雾器的立式筒体结构，配合逆流喷淋结构的第一洗涤塔和第二洗涤塔，实现对氢气、氧气中夹带液滴和可溶性杂质的充分去除。配合第一气体冷却器和第二气体冷却器，可在气体排出和输送前降低温度并减少饱和水蒸气含量，有利于后续管道及设备的防腐蚀和稳定运行。

16、5.形成了适用于柔性电解水制氢的系统级安全控制基础：通过阳极侧脱氢反应、压缩空气引入、氧气在线氢含量检测以及阴极侧氢气产品纯化和统一碱液循环路径的综合配置，不仅在结构上构建了用于降低氧气中氢含量的专门系统，而且为柔性电解水制氢在宽负荷范围内长期运行提供了安全控制基础，有利于与波动性的可再生能源电源侧进行协同，实现安全、稳定和高效的制氢过程。

17、应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。

18、结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。