一种利用电解槽余热制冷的气液分离系统及其工作方法

本发明属于电解槽余热利用及气液分离，具体涉及一种利用电解槽余热制冷的气液分离系统及其工作方法。

背景技术：

1、随着制氢装备向大功率、长周期、工程化方向发展，电解槽运行过程中的系统效率、安全性与运行稳定性问题愈发突出。其中，电解过程中氢气夹带电解液所引发的后处理难题，已成为制约制氢系统可靠运行和氢气品质提升的重要因素之一。

2、从能量利用角度看，制氢电解槽在高电流密度和高负荷工况下运行时，会不可避免地产生大量中低品位余热。现有工程系统中，该部分余热多通过冷却水或散热装置直接排放，未能得到有效回收利用，不仅造成能源浪费，也增加了系统的冷却负荷和运行成本。如何将电解槽产生的余热进行高效利用，实现“降温需求”与“余热消纳”的协同，是提升制氢系统整体能效水平、降低单位制氢成本的重要技术方向之一。

3、另外，在氢气后处理环节，电解制氢产生的氢气通常伴随电解液雾滴或微量液体夹带，若不能有效去除，容易在后续储氢、输氢及用氢环节引发腐蚀、催化剂中毒、安全风险及设备寿命下降等问题。现有气液分离技术主要依赖重力分离、旋流分离、机械过滤或冷凝除液等手段。这对于粒径较小、随气流高度耦合的电解液微液滴，分离效率有限，且往往需要额外的电力驱动或复杂的机械结构。这导致系统能耗上升、结构复杂度提高和维护成本增加。

4、为了解决以上问题，提出本发明。

技术实现思路

1、本技术提供了一种能够兼顾氢能产业发展需求、余热高效利用以及高效气液分离的新型技术方案。

2、本技术将制氢电解槽运行过程中产生的余热引入制冷过程，通过吸附式制冷等适合中低品位热源的技术路径，将热能转化为稳定冷量，并直接用于氢气夹带电解液的低温相变分离。这不仅可以显著提升气液分离效率，还能够实现电解液的回收与循环利用，从系统层面提升制氢装备的能效、安全性与运行可靠性。因此，从氢能产业规模化发展、制氢余热资源化利用以及高效气液分离技术升级的综合需求出发，开展利用电解槽余热制冷的高效气液分离方法研究，具有显著的工程应用价值和产业推广意义。

3、本技术第一方面提供一种利用电解槽余热制冷的气液分离系统，所述系统包含：吸附式制冷模块、电解液循环模块和氢气冷冻气液分离模块；

4、所述吸附式制冷模块包括以下部件：发生器2，换热器3，节流阀4，吸收器5，溶液泵6，冷凝器7，膨胀阀8，制冷蒸发器9，气液冷冻室10；

5、所述电解液循环模块包括以下部件：制氢电解槽1，气液冷冻室10，电解液混合器12，电解液回路15；

6、所述氢气冷冻气液分离模块包括以下部件：制氢电解槽1，制冷蒸发器9，气液冷冻室10，气固分离器11，储氢室13，氢气管道14；

7、上述各部件的连接关系如下：

8、所述制氢电解槽1的电解液出口与所述发生器2的热源入口连通，所述发生器2的溶液出口与所述换热器3的换热介质入口连通，所述换热器3的换热介质出口与所述节流阀4入口连通，所述节流阀4出口与所述吸收器5的流体入口连通，所述吸收器5溶液出口与所述溶液泵6入口连通，所述溶液泵6出口与所述换热器3工质入口连通，所述换热器3工质出口与所述发生器2的溶液入口连通；

9、所述发生器2的蒸汽出口与所述冷凝器7的蒸汽入口连通，所述冷凝器7的冷凝液出口与所述膨胀阀8入口连通，所述膨胀阀8出口与所述制冷蒸发器9入口连通，所述制冷蒸发器9出口与所述吸收器5的制冷剂蒸汽入口连通；

10、所述制冷蒸发器9位于所述气液冷冻室10内，所述制冷蒸发器9被配置为在所述气液冷冻室10内建立稳定的低温制冷环境；

11、所述制氢电解槽1的氢气出口经过所述氢气管道14与所述气固分离器11入口连通，所述气固分离器11位于所述气液冷冻室10内，所述气固分离器11的气体出口与所述储氢室13连通，所述气固分离器11的固体出口所述电解液混合器12入口连通，所述发生器2的热源出口也与所述电解液混合器12入口连通，所述电解液混合器12的出口与所述制氢电解槽1的电解液入口连通。

12、优选地，所述氢气管道14至少部分位于所述气液冷冻室10内。

13、本技术第二方面提供一种第一方面所述的利用电解槽余热制冷的气液分离系统的工作方法，所述工作方法采用第一方面任一项所述的气液分离系统进行，所述工作方法包括如下步骤：

14、制氢电解槽1内的高温电解液从电解液出口流出并从所述发生器2的热源入口进入发生器2；

15、在所述发生器2中，所述发生器2内的吸附剂-制冷剂混合溶液在电解液余热作用下发生解吸过程，释放出高压制冷剂蒸汽，并得到解吸后的高温吸附剂贫溶液；

16、解吸后的高温吸附剂贫溶液从发生器2的溶液出口流出，通过所述换热器3的换热介质入口进入换热器3，与来自吸收器5的低温富溶液进行热量交换，实现溶液间的余热回收；

17、经换热降温后的贫溶液从换热器3换热介质出口排出，通过节流阀4节流降压后从所述吸收器5的流体入口流入吸收器5，来自制冷蒸发器9的制冷剂蒸汽从吸收器5的制冷剂蒸汽入口进入吸收器5，贫溶液和制冷剂蒸汽在吸收器5中完成制冷剂蒸汽的吸收过程，得到低温富溶液；

18、与此同时，吸收器5中的低温富溶液从溶液出口排出，在溶液泵6的作用下加压后，从所述换热器3的工质入口进入经换热器3被预热，再从所述发生器2的溶液入口返回发生器2，从而构成稳定的吸附式制冷溶液循环；

19、所述发生器2解吸产生的高压制冷剂蒸汽从所述发生器2的蒸汽出口排出后，通过所述冷凝器7的蒸汽入口进入冷凝器7，向外界环境放热并冷凝为液态制冷剂；液态制冷剂从所述冷凝器7的冷凝液出口排出，随后经膨胀阀8降温降压，进入制冷蒸发器9并发生蒸发吸热，以在气液冷冻室10内建立稳定的低温制冷环境；

20、同时，制氢电解槽1产生的含电解液夹带的氢气从氢气出口排出后经氢气管道14被引入气液冷冻室10，在低温作用下，氢气中夹带的电解液迅速降温并发生凝固或结晶形成电解液颗粒；气体与电解液颗粒混合物通过氢气管道14流入气固分离器11，在气固分离器11实现固态电解液颗粒与氢气的分离，分离后的高纯氢气从气固分离器11气体出口排出，进入储氢室13进行储存或后续利用；

21、被分离出的固态电解液颗粒从气固分离器11固体出口排出，然后通过电解液回路15进入电解液混合器12；同时，吸收器5内已完成余热利用的电解液从所述发生器2的热源出口排出进入电解液混合器12，电解液混合器12内固态电解液颗粒与已完成余热利用的电解液混合后，重新返回制氢电解槽1中。

22、本发明工作原理如下：

23、本技术将制氢电解过程中产生的中低品位余热，直接转化为可利用的冷量，并进一步利用该冷量使氢气中夹带电解液发生相态转变，从而实现高效、低能耗的气液分离。本技术本质是一种“热—冷能级转换”与“相变强化分离”相耦合的技术机理。从能量转化机理看，制氢电解槽在高电流密度运行条件下不可避免地产生大量余热，该余热通常难以通过常规方式高效回收。本技术利用吸附式制冷方式对热源温度适应性强的特点，以电解液作为载热介质，将制氢电解槽余热直接引入解吸过程，使吸附剂在无额外电加热条件下完成解吸，从而建立稳定的制冷循环。通过在制冷系统内部设置溶液间换热结构，使高温贫溶液与低温富溶液进行热量再分配，实现余热的梯级利用，降低系统整体热损失，并显著提升中低品位热能向冷量转化的有效性。

24、从相变分离机理看，电解制氢过程中产生的氢气通常夹带微量电解液雾滴，该类夹带物粒径小、随气性强，依靠重力、旋流或机械过滤等传统方法难以高效去除。本技术并非直接强化机械分离，而是通过构建低温环境，改变夹带物的物理状态，使电解液由液态转变为固态或半固态形态。相态变化导致夹带物密度、尺寸和惯性特性显著改变，从根本上削弱其随氢气运动的能力，使其在后续分离单元中更易被截留，从而实现对微细夹带电解液的高效去除。这种通过相变放大分离驱动力的方式，突破了传统气液分离对粒径和流速敏感的技术瓶颈。

25、从系统协同机理看，本技术将制冷过程与制氢过程在能量和物料层面进行深度耦合：制冷所需热量来源于制氢余热，而制冷产生的冷量又反向服务于制氢产物的纯化过程，形成“余热驱动—冷量生成—分离强化”的闭环协同关系。同时，被分离出的电解液不作为废物流排出，而是在系统内部完成回收、混合与再利用，重新返回电解体系参与反应，从而避免了电解液损耗和外排处理问题。

26、通过该耦合机理，系统在不增加额外高品位能源消耗的前提下，同时实现了余热资源化利用、氢气纯化效率提升以及制氢装置运行安全性与稳定性的整体优化。

27、通过上述“余热驱动制冷—低温相变固化—气固分离截留—电解液回收回用”的链式作用，本方法在不额外消耗高品位电能制冷的前提下，实现高效气液分离与系统能耗降低，并提升制氢系统运行的稳定性与安全性。