一种全浸式垂直单元水电解制氢系统及其使用方法与流程

1.本发明涉及氢能技术领域，更具体地说它是一种全浸式垂直单元水电解制氢系统。本发明还涉及这种全浸式垂直单元水电解制氢系统的使用方法。


背景技术：

2.众所周知,氢是自然界中最轻的元素并且它的用途十分广泛，几乎涉及到国民经济的各个领域。随着石油，煤等一次性用的化石燃料的日益枯竭以及本身此类能源污染性大，而氢作为一种清洁的可再生的能源，必将具有很大的应用前景；所以在制氢技术、储氢材料及氢能的利用方面等需进行开创性的研究。
3.由于水电解制氢对比其它方案具有较大的优势，因此，目前行业研究重点为水电解制氢，传统的电解水制氢系统主要面对以下两大难题：
4.1)制氢设备的对场地面积的要求大：无论采用碱液、pem质子交换膜还是固体氧化物方式，制氢设备以往大多采用平面布置，这种布置方式将根据单个电解槽的大小并排布置，占地面积会随着制氢规模的变大而剧增；在现实条件中，往往无法提供足够大的制氢场地，或为了满足制氢场地要求，而增加了大量的建造投资；因此，需对水电解制氢装置的结构形式进行优化设计。
5.2)水电解制氢是通过通电使相应的电解质溶液中的水分解产生氢气；而氢气是一种易燃易爆的气体，且渗透力大、穿透力强，在开敞空间易泄露，一旦聚集到一定的浓度遇火花，便可引起燃烧或爆炸；因此，对于制氢以及储氢过程，如何安全、可靠的防止或避免制氢泄露而造成安全事故非常关键。
6.因此，在既考虑节约占地又保证安全可靠的条件下，研发一种全浸式垂直单元水电解制氢系统很有必要。


技术实现要素：

7.本发明的第一目的是为了克服上述背景技术的不足之处，而提供一种全浸式垂直单元水电解制氢系统。
8.本发明的第二目的是为了提供这种全浸式垂直单元水电解制氢系统的使用方法。
9.为了实现上述第一目的，本发明的技术方案为：一种全浸式垂直单元水电解制氢系统，其特征在于：包括多组垂直阵列制氢单元、全浸入式附属系统，每组所述垂直阵列制氢单元由下到上依次包括多个电解槽、气液分离器、干燥提纯装置和氢气加压装置，多组垂直阵列制氢单元平行间隔布置；
10.所述全浸入式附属系统包括水密封容器、位于水密封容器内顶部的储存系统、与水密封容器连接的冷却循环系统、与水密封容器连接的图像监控系统；
11.所述垂直阵列制氢单元位于水密封容器内底部，所述氢气加压装置与储存系统连接。
12.在上述技术方案中，所述全浸入式附属系统还包括泄漏收集贮气间，所述泄漏收
集贮气间位于水密封容器顶部，泄漏收集贮气间顶部与排气管连接，所述排气管上有排气阀。
13.在上述技术方案中，所述冷却循环系统包括补水管和出水管,所述补水管和出水管均与水密封容器内底部的侧面连接，所述补水管上有补水阀，所述出水管上有出水阀。
14.在上述技术方案中，所述水密封容器内顶部的侧面与泄水管连接，水密封容器内底部的侧面与放空管连接，所述泄水管上有泄水阀，所述放空管上有放空阀。
15.在上述技术方案中，所述水密封容器顶部有透明盖板。
16.为了实现上述第二目的，本发明的技术方案为：一种全浸式垂直单元水电解制氢系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
17.步骤1：打开补水阀，补水管往水密封容器里注水，关闭出水阀和放空阀，打开排气阀，直至水密封容器内的水位线和观察窗平齐，然后关闭补水阀和排气阀，系统开始正常运行；
18.步骤2：当发生气体泄漏时，泄漏气体在水中会形成气泡，可通过水密封容器顶部的透明盖板观测气泡形态或图像监控系统检测气泡运动轨迹和形态，来判断泄露情况，并开启泄漏收集贮气间进行气体回收或将气体排出；
19.步骤3：当气体泄漏量超过图像监控系统阈值时，图像监控系统直接关闭垂直阵列制氢单元。
20.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
21.1)本发明在常规平面布置水电解制氢系统的结构形式的基础上进行了优化设计，改变传统制氢站各功能区分开布置的方式，采用垂直阵列布置，充分利用垂直高度空间，减少水平长度的约束。
22.2)本发明垂直阵列制氢单元和储存系统均内置于水密封容器中，垂直阵列制氢单元和储存系统通过管道连接，垂直阵列制氢单元和储存系统将水密封容器内分隔为两个水下空间；水密封容器内充满水，垂直阵列制氢单元和储存系统均至于水下，可保证更好的冷却效果。
23.3)本发明结合图像监控系统，监控各种异常问题，并进行报警与控制；同时，利用氢气不溶于水的特性，将泄露氢气收集至泄漏收集贮气间集中回收或排放至室外，做到氢气泄露及时观察发现及时回收处理，降低建筑物布置要求，综合实现高空间利用率、安全稳定运行的水电解制氢系统。
附图说明
24.图1为本发明垂直阵列制氢单元的结构示意图。
25.图2为本发明的结构示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
27.参阅附图可知：一种全浸式垂直单元水电解制氢系统，其特征在于：包括多组垂直阵列制氢单元1、全浸入式附属系统2，每组所述垂直阵列制氢单元1由下到上依次包括多个
电解槽11、气液分离器12、干燥提纯装置13和氢气加压装置14，多组垂直阵列制氢单元1平行间隔布置；
28.所述全浸入式附属系统2包括水密封容器21、位于水密封容器21内顶部的储存系统22、与水密封容器21连接的冷却循环系统23、与水密封容器21连接的图像监控系统24；
29.所述垂直阵列制氢单元1位于水密封容器21内底部，所述氢气加压装置14与储存系统22连接。
30.所述全浸入式附属系统2还包括泄漏收集贮气间25，所述泄漏收集贮气间25位于水密封容器21顶部，泄漏收集贮气间25顶部与排气管251连接，所述排气管251上有排气阀252。
31.所述冷却循环系统23包括补水管231和出水管232,所述补水管231和出水管232均与水密封容器21内底部的侧面连接，所述补水管231上有补水阀233，所述出水管232上有出水阀234。
32.所述水密封容器21内顶部的侧面与泄水管211连接，水密封容器21内底部的侧面与放空管212连接，所述泄水管211上有泄水阀213，所述放空管212上有放空阀214。
33.所述水密封容器21顶部有透明盖板215。
34.一种全浸式垂直单元水电解制氢系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
35.步骤1：打开补水阀233，补水管231往水密封容器21里注水，关闭出水阀234和放空阀214，打开排气阀252，直至水密封容器21内的水位线和观察窗平齐，然后关闭补水阀233和排气阀252，系统开始正常运行；
36.步骤2：当发生气体泄漏时，泄漏气体在水中会形成气泡，可通过水密封容器21顶部的透明盖板215观测气泡形态或图像监控系统24检测气泡运动轨迹和形态，来判断泄露情况，并开启泄漏收集贮气间25进行气体回收或将气体排出；
37.步骤3：当气体泄漏量超过图像监控系统24阈值时，图像监控系统24直接关闭垂直阵列制氢单元1。
38.实际使用中，垂直阵列制氢单元1的功能介绍如下：
39.电解槽11：用于电解水制氢气、氧气，整个电解过程均在电解槽11中发生；电解槽11槽体内部，通电及碱液系统均采用密封设备与外界隔离，其他防护外壳均可直接浸入水下。
40.气液分离器12：电解槽11中的水在直流电的作用下被分解成h2与o2，并与循环电解液一起分别进入氢(氧)分离器进行气液分离。分离后的氢(氧)气由调节阀控制输出，进入下一工艺处理过程。
41.干燥提纯装置13：用于进行氢气的干燥和提纯。
42.氢气压缩装置14：采用压缩机，使氢气压力达到存储或输送要求。
43.碱液箱：碱液箱为初次配制碱液和通过碱液泵向制氢系统输送碱液用，维修时可用来储存从制氢系统退回的碱液，与补水系统联合使用。
44.补水系统：补水系统为制氢用水而设的储存器，通过补水泵自动向制氢系统补充纯水，维修时也可用来储存从制氢系统退回的碱液。
45.垂直阵列结构支架15：采用不锈钢或其他金属结构件，组成扁平、盒状的整体结构框架，可分为电解槽、分离、提纯干燥、加压储存四层垂直布置空间；为加强、加重、安全、防
倾覆、防变形整体支架基础，并能实现快速、后置式安装和扩展。
46.全浸入式附属系统2的功能介绍如下：
47.水密封容器21：容器内装有水，将电解槽11、储存系统22内置于水中淹没，防止氢气泄露至外部空间，形成安全隐患；顶部有透明盖板215，用于全程、全方位观测装置的运行情况。
48.储存系统22：用于分级储存电解水制成的氢气和氧气，存储可采用金属材质或新型轻质复合材料，相关要求需满足gb 4962
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2008《氢气使用安全技术规程》等相关标准、规范规定。
49.图像监控系统24：电解水气压、温度、循环水流量等全套配电、控制系统。
50.泄漏收集贮气间25：用于氢气一旦发生泄露时及时回收或排放，配套观测间和排气阀252。
51.冷却循环系统23：外接循环泵，对水密封容器21内的水进行循环冷却，排除制氢过程中的设备散热量。
52.本发明在常规平面布置水电解制氢系统的结构形式的基础上进行了优化设计，改变传统制氢站各功能区分开布置的方式(当电解水制氢规模为10mw或1000nm3/h时，传统平面布置需要1000m2)，采用垂直阵列布置(框架式结构)，充分利用垂直高度空间，减少水平长度的约束；同时制氢系统和储氢系统均内置于水密封容器，两者通过管道连接，为水密封容器内分隔的两个水下空间。水密封容器内充满水，制氢、含氢设备均至于水下，可保证更好的冷却效果。
53.本发明结合图像监控系统24，监控各种异常问题，并进行报警与控制。同时，利用氢气不溶于水的特性，将泄露氢气收集至贮气装置集中回收或排放至室外，做到氢气泄露及时观察发现及时回收处理，降低建筑物布置要求。综合实现高空间利用率、安全稳定运行的水电解制氢系统。
54.如图1所示，本发明每组垂直阵列制氢单元1采用垂直四层布置，四个制氢单元，每个制氢单元碱液电解系统最大功率约5mw，产氢率1000nm3/h；如图2所示，每组垂直阵列制氢单元1间隔2m，多组并联运行，产生的氢气经加压储存于储存系统22中；
55.每组垂直阵列制氢单元1内部水电解制氢的工艺流程与常规的水电解制氢工艺流程基本相同，区别在于：
56.1)如图1所示，电解槽11、气液分离器12、干燥提纯装置13、氢气压缩装置14等采用垂直阵列布置，各部件通过管路联通；电解槽11内接收补水系统及碱液箱补充的电解液，然后通过配电控制柜向电解槽11提供电能，电解产生氢气和氧气，并经以上设备工艺处理制备出高纯度氢气和氧气。
57.2)含氢设备均至于装有水的水密封容器21中，各设备均考虑了水压对本体的影响；连接储氢、储氧装置的氧气输送管道和氢气输送管道设置防静电接地；仪器仪表及电控设备等构件的连接电缆均为防水型，并采用水下耐腐蚀密封管道作为保护套管。
58.其它未说明的部分均属于现有技术。