一种电解槽阵列与电解水系统的制作方法

1.本技术涉及电解水技术领域，具体而言，涉及一种电解槽阵列与电解水系统。


背景技术：

2.随着新能源行业和特高压直流输电技术的快速发展，建设以新能源为主体的电力系统，以提高新能源电源的占比和清洁能源消纳能力至关重要。新能源发电具有波动性和间歇性，随着电力系统中新能源占比提升，电力调频辅助服务、电力调峰辅助服务的需求急剧增加。电解水制氢系统作为灵活可控的负荷可以提供电力辅助服务，提高电力系统的运行调度的灵活性和提升新能源电力的消纳能力。
3.目前市场中电解水制氢设备主要分为碱性电解水制氢设备、质子交换膜电解水制氢设备、固体氧化物电解水制氢设备。一般地，大型电解水制氢站建设均采用碱性电解水制氢设备配置一定比例锂电池储能。
4.然而，由于大型电解水制氢站一般包括多个电解槽，且每个电解槽均需分别连接一个氢气/液体分离装置与氧气/液体分离装置，因此导致整个电解水制氢系统的成本较高。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种电解槽阵列与电解水系统，以解决现有技术中存在的大型电解水制氢系统的成本较高的问题。
6.为了实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
7.一方面，本技术实施例提供了一种电解槽阵列，所述电解槽阵列包括多个气液分离装置与多个并联设置的电解槽组，所述电解槽组与变流器相连，每个电解槽组中包括多个串联设置的电解槽，所述气液分离装置的数量与所述电解槽组中电解槽的数量相同，其中，
8.多个所述电解槽组中顺序相同的电解槽均与同一气液分离装置连接。
9.可选地，多个所述电解槽组中顺序相同的电解槽的电解电压相同。
10.可选地，所述电解槽阵列还包括阀门与导管，每个所述电解槽均通过阀门与所述导管连接，且每个所述电解槽均通过导管与所述气液分离装置连通；其中，
11.所述阀门用于控制流入/流出所述电解槽中液体的量。
12.可选地，所述气液分离装置包括第一分离装置与第二分离装置，所述导管包括第一导管、第二导管以及第三导管，每个所述电解槽均包括第一出口、第二出口以及回液口，所述第一出口通过所述第一导管与所述第一分离装置连通，所述第二出口通过所述第二导管与所述第二分离装置连通，所述回液口通过所述第三导管分别与所述第一分离装置、所述第二分离装置连通。
13.可选地，所述气液分离装置还包括转接件，转接件分别与所述第一分离装置、所述第二分离装置的出液口连接，且所述电解槽通过所述第三导管与所述转接件相连。
14.可选地，所述气液分离装置包括绝缘层与壳体，所述绝缘层与所述壳体连接，且所述绝缘层与所述壳体的相同位置设置有入口、气体出口以及液体出口，所述入口、所述液体出口均与所述电解槽连接，所述气体出口用于与储气装置连接。
15.可选地，所述绝缘层设置于所述壳体的内表面。
16.可选地，所述电解槽阵列还包括控制器、变压器、整流器、气体纯化装置以及储气装置，所述变压器与所述整流器相连，每个所述电解槽组与一个所述整流器连接，所述气液分离装置与所述气体纯化装置连接，所述气体纯化装置还与所述储气装置连接，所述控制器分别与所述变压器、所述整流器、所述气体纯化装置、所述储气装置、所述电解槽以及所述气液分离装置连接。
17.另一方面，本技术实施例还提供了一种电解水系统，所述电解水系统包括多个的电解槽阵列，多个所述电解槽阵列并联设置。
18.相对于现有技术，本技术具有以下有益效果：
19.本技术提供了一种电解槽阵列与电解水系统，该电解槽阵列包括多个气液分离装置与多个并联设置的电解槽组，电解槽组与变流器相连，每个电解槽组中包括多个串联设置的电解槽，气液分离装置的数量与电解槽组中电解槽的数量相同，其中，多个电解槽组中顺序相同的电解槽均与同一气液分离装置连接。由于每个气液分离装置均能够与顺序相同的多个电解槽相连，因此实现多个电解槽共用同一个气液分离装置的效果，节省了成本。
20.为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
22.图1为现有技术中提供的电解槽系统的一种连接示意图。
23.图2为本技术实施例提供的电解槽阵列的模块示意图。
24.图3为本技术实施例提供的电解槽阵列的连接示意图。
25.图4为本技术实施例提供的电解槽与气液分离器之间的液体回路的连接示意图。
26.图5为现有技术中提供的电解槽系统的另一种连接示意图。
27.图6为本技术实施例提供的气液分离装置的结构示意图。
28.图7为本技术实施例提供的电解水系统的连接示意图。
29.图中：100-电解槽阵列；110-电解槽；120-气液分离装置；121-壳体；122-绝缘层。
具体实施方式
30.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
32.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
34.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.随着风电、光伏等新能源和特高压直流输电的大规模发展，电力系统逐渐向高比例可再生能源交直流混联电网的方向转变，电力系统中转动惯量逐渐减少。由于风电、光伏等新能源发电具有波动性、间歇性，其发电占比逐渐提升使得电力系统中电力调频、电力调峰等辅助服务的需求量快速增加。为了保障电力系统的安全性和可靠性，用户侧可控负荷成为提供电力辅助服务的重要供应商。电解水制氢设备是用户侧重要的可控负荷，通过接受电网调度下发的电力辅助服务指令或则电力需求响应指令，可以提供电力辅助服务。此外，随着能源系统向清洁低碳安全高效方向转型，电解水制氢成为新能源清洁发展和交通工业领域脱碳的重要技术，具有广阔的发展前景。
36.目前市场中电解水制氢设备主要分为碱性电解水制氢设备、质子交换膜电解水制氢设备、固体氧化物电解水制氢设备。碱性电解水制氢设备技术较为成熟，已经实现了大规模工业化生产与应用，但是其设备调节灵活性较差，功率调节范围为30％～110％。在低于30％负载状态下，碱性电解水制氢设备存在安全隐患。质子交换膜制氢设备处于产业化初期，且需要贵金属催化剂，导致其设备成本较高，但是其设备调节灵活性较好，功率调节范围为5％～130％。固体氧化物电解水制氢设备尚处于实验室研发阶段，技术成熟度难以工程应用的需要。
37.目前大型电解水制氢站建设均采用碱性电解水制氢设备配置一定比例锂电池储能，由于锂电池储能的成本较高且寿命较短，导致大型电解水制氢站的投资增加较多，影响电解水制氢站的投资运营经济性。质子交换膜电解水制氢设备的单机规模较小且设备成本较高，导致建设运营大规模质子交换膜电解水制氢站的经济性较差。
38.为了降低大型电解制氢站的投资成本，需要通过电解槽串联方式降低大型电制氢系统中变压整流设备、气液分离装置和纯化装置等辅助设备的投资，以提高大型电制氢系统的集成度和调控灵活性。
39.目前大型电制氢系统的集成方案为多个电解水制氢设备并联连接，其典型连接方式为多个电解制氢模块并联，单个电解制氢模块包括整流器、电解槽、气液分离装置、气体纯化装置。目前行业的大型电制氢系统集成技术方案中整流器的成本占比为25％～29％，气液分离装置和纯化装置的成本占比为10％～13％，是需要通过系统集成技术进行降本的重要部分。
40.目前大容量碱性电解水制氢槽为兆瓦级，其设备容量范围为1mw～5mw。5mw电解水制氢槽的直流侧额定电压为500v～750v，设备额定电流为8200a，其变流器属于典型的低电压大电流设备，设备成本较高。由于光伏逆变器行业规模大，产品技术成熟，且设备超高电压低电流方式发展，其1500v直流母线已经成为行业趋势，因此导致高电压低电流类型的整流设备成本显著低于目前电解水制氢行业的低电压大电流类型的整流设备成本。
41.由于碱性电解水制氢设备容量较小，导致其单台设备的产氢和产氧量较小。1mw～5mw电解水制氢槽的产气量为200nm3/h～1000nm3/h，其设备产气量小使得气液分离装置的容量较小。目前碱性电解水制氢设备的气液分离装置主要定制化的小型气液分离装置为主，该小型气液分离装置如化工领域使用的大型气液分离装置相比气液分离体积较小且分离能力较差。因此多个电解槽共用大型气液分离装置的系统集成方案可以使用化工领域通用的大型气液分离装置，可以有效地降低大容量电解水制氢系统中气液分离装置的投资。
42.因此，大容量电解水制氢系统可以通过电解槽串联降低大型电制氢系统中变压整流设备、气液分离装置和纯化装置等辅助设备的投资。电解槽串联集成方案可以提高整流设备交流侧和直流侧电压等级，通过使用高电压大电流类型的整流设备替换多个低电压大电流类型的整流设备，不仅可以有效地降低变压器的投资和能量损耗，而且可以减少单台整流设备的成本和整流设备数量。电解槽串联集成方案可以使用大容量通用的大型气液分离装置，可以有效地降低大容量电解水制氢系统中气液分离装置的投资。
43.目前大容量电解水制氢系统的典型连接方式为多个电解槽单机并联，其每个整流装置连接一个电解槽和气液分离装置，多个整流装置则并联接入交流电网。大型电解槽并联连接方式如图1所示。该单个电解槽并联连接的系统集成方案，每个电解槽链接一个整流器、一个氢气/液体分离装置、一个氧气/液体分离装置，导致变压器、变流器、气液分离装置的成本较高，导致大容量电制氢系统的投资成本较高。该方案中整流器为低电压大电流设备，其成本较高；而气液分离装置为定制小容量设备其成本较高。
44.因此，现有技术中提供的电解水制氢系统至少包括以下问题：
45.1、单个电解槽并联集成方案导致系统所需的变流器数量较多，需要采用低电压大电流类型的变流设备，导致大容量电解水制氢系统的变压整流部分投资较大，且变压和整流环节的能量损耗较大。例如，由图可知，每个电解槽均需要连接一个变流器，导致系统中电解槽的数量必须与变流器的数量一致，变流器的设备成本较高。
46.2、单个电解槽并联集成方案中每个电解槽可以独立控制，提高了大容量电解水制氢系统的调控灵活性。由于不同电解槽的运行控制是独立的，其气液分离装置难以共用，导致每个电解槽需要配置一个气液分离装置。因此，该方案需要气液分离装置数量较多，小型定制化气液分离装置的成本较高。
47.综上，现有技术中提供电解水制氢系统中存在成本较高的问题。为了解决上述问题，本技术提供了一种电解槽阵列与电解水系统，通过将电解槽按照阵列排布，并利用共用变流器和气液分离器的方式，达到降低成本的目的。
48.下面对本技术提供的电解槽阵列进行示例性说明：
49.作为一种实现方式，请参阅图2，该电解槽阵列100包括多个气液分离装置120与多个并联设置的电解槽110组，每个电解槽110组中包括多个串联设置的电解槽110，气液分离装置120的数量与电解槽110组中电解槽110的数量相同，其中，多个电解槽110组中顺序相
同的电解槽110均与同一气液分离装置120连接。
50.通过设置电解槽阵列100的方式，使得多个电解槽110可以共用同一个气液分离装置120，并且，每个电解槽110组中可以通过一个变流器进行供电，因此实现了节约成本的目的。
51.可以理解地，电解槽阵列100可以包括n个电解槽110组并联、电解槽110组内m个电解槽110串联，其中，m与n为大于1的整数。其中单个电解槽110可以采用市场最大规模的电解槽110单体。且电解槽110组中电解槽110串联，可以通过电解槽110内电解小室串联，且电解槽110内部碱液流道分段设计，其效果与电解槽110单机串联类似。
52.一般地，电解槽阵列100中电解槽110组的数量可以大于等于2，但电解槽110组并联的数量受到分离装置中气液分离能力的限制。因此根据经济与性能的平衡，作为一种实现方式，电解槽110组的数量可以为3～10个，优选地，电解槽110组的数量为4、5或6个。并且，每个电解槽110组内电解槽110串联数量大于2，一组中电解槽110串联的数量受到变流器直流电压和气液分离装置120绝缘能力共同限制。根据经济与性能的平衡，每个电解槽110中电解槽110的数量可以为3～10个，例如可以为4个。
53.作为一种实现方式，为了保证与气液分离装置120的电解槽110的电压等级相同，多个电解槽110组中顺序相同的电解槽110的电解电压相同，进而可以有效地保证电解槽110气液出口、碱液进口、气液分离装置120三者的电位相同，避免因为气液分离装置120中碱液回路存在电势差而产生旁路电流；同时气液分离装置120具有绝缘能力可以避免发生电解液与接地点发生电流，影响设备安全。
54.请参阅图3，本技术以4*4的电解槽阵列100为例，对其工作原理进行具体说明：
55.如图3所示，4*4的电解槽阵列100中共有四组并联的电解槽110组，每个电解槽110组为4个电解槽110串联。在电解槽110电解槽阵列100内4个电压等级相同电解槽110共用一套气液分离装置120，共有四套气液分离装置120，使得16个电解槽110仅需使用4个气液分离装置120，节约了成本。
56.需要说明的是，上述的顺序，可以依据电解槽110的编号实现，例如，在第一个电解槽110组中，包括电解槽11、电解槽12、电解槽13以及电解槽14，4个电解槽串联，且4个电解槽共用一个整流器，节约成本。电解槽11、电解槽12、电解槽13以及电解槽14从上到下的电解电压依次降低。并且，在第二个电解槽组中的第一个电解槽编号为21，在第三个电解槽组中的第一个电解槽编号为31，在第四个电解槽组中的第一个电解槽编号为41，则电解槽11、电解槽21、电解槽31以及电解槽41的电解电压相同，保证了与同一个气液分离装置120连接的电解槽的电压一致。
57.还需要说明的是，本技术中，每个气液分离装置120连接的电解槽110的数量也可能不同，例如，前面三个气液分离装置120均分别与4个电解槽110连接，最后一个气液分离装置120与三个电解槽110连接，处于相同电压等级的另一个电解槽110可以与一个气液分离器单独连接，在此不做限定。
58.可选的，电解槽阵列100还包括阀门与导管，每个电解槽110均通过阀门与导管连接，且每个电解槽110均通过导管与气液分离装置120连通；其中，阀门用于控制流入/流出电解槽110中液体的量。图4示出了电解水系统中电解槽阵列100内并联电解槽110共用一套气液分离装置120的结构示意图。其中，电解槽阵列100内并联电解槽110中氢气/碱液混合
物通过管道进入到氢气/碱液分离器中进行分离，碱液在分离器下部，氢气通过上部出气口，进入后续氢气纯化设备；氧气/碱液混合物通过管道进入到氧气/碱液分离器中进行分离，碱液在分离器下部，氧气通过上部出气口，进入后续氧气纯化设备或则排空。氢气碱液分离器和氧气碱液分离器中碱液经过汇流，重新进入并联电解槽110中，电解槽110的碱液入口处安装电控联动互锁阀，根据需求启动进液口阀门。
59.碱性电解水制氢系统中系统控制器会根据需要控制并联电解槽110的碱液入口阀，通过依次按照固定时间间隔t启动阀门。通过依次按固定时间间隔启动阀门，可以解决电解槽110性能离散后碱液入口电位出现偏差而产生旁路电流的问题，可以保证共用气液分离器不影响电制氢系统的电解制氢效率。利用具有绝缘功能气液分离器，可以实现并联电解槽110共用气液分离器，可以通过一个大型气液分离装置120代替多个小型气液分离器，降低气液分离器的投资成本。
60.气液分离装置120包括第一分离装置与第二分离装置，导管包括第一导管、第二导管以及第三导管，每个电解槽110均包括第一出口、第二出口以及回液口，第一出口通过第一导管与第一分离装置连通，第二出口通过第二导管与第二分离装置连通，回液口通过第三导管分别与第一分离装置、第二分离装置连通。
61.对于分解水而言，第一分离装置与第二分离装置分别为氧气/液体分离器和氢气/液体分离器，两种分离器底部相通，以保障氢侧和氧侧的碱液压力相同。可选的，气液分离装置120还包括转接件，转接件分别与第一分离装置、第二分离装置的出液口连接，且电解槽110通过第三导管与转接件相连。
62.继续以图3为例，在电解槽110电解槽阵列100运行过程中需要控制氧气/液体分离器和氢气/液体分离器中两个液面高度相同，避免两者底部相连位置由于存在液位差而带入气体杂质。第1组和第2组中相同电压等级的电解槽110内氧气碱液混合物从电解槽110出口a1位置出来，通过a2进入氧气液体分离器；第3组和第4组中相同电压等级的电解槽110内氧气碱液混合物从电解槽110出口a1位置出来，通过a3进入氧气液体分离器，在氧气液体分离器中4个电解槽110氧气碱液混合物进行分离，氧气从分离器上部离开，进入到下游管道，碱液从分离器下部与氢气分离下部出来的碱液在c1出混合，碱液然后经过c2点重新进入电解槽110中。第1组和第2组中相同电压等级的电解槽110内氢气碱液混合物从电解槽110出口b1位置出来，通过b2进入氢气液体分离器；第3组和第4组中相同电压等级的电解槽110内氢气碱液混合物从电解槽110出口b1位置出来，通过b3进入氢气液体分离器，在氢气液体分离器中4个电解槽110氧气碱液混合物进行分离，氢气从分离器上部离开，进入到下游管道，碱液从分离器下部与氧气分离下部出来的碱液在c1出混合，碱液然后经过c2点重新进入电解槽110中。并且，通过阀门可以调控输入/输出电解槽110中碱液的量，四个电解槽110中碱液的量保持相对平衡，电解槽110碱液入口的阀门可以接受控制器的指令进行启停操作，且可以控制阀门的开度。
63.此外，目前还存在的电解水制氢系统的电解槽110串联面临气液分离装置120中液体回路存在电位差和设备绝缘的问题。在现有技术的多个电解槽110直接串联且每个电解槽110连接一套气液分离装置120的集成方案中，气液分离装置120的碱液回路中存在电势差导致旁路电流出现，难以满足电解水制氢系统的设计安全要求且会导致系统电解制氢的效率降低。
64.为方便说明，本技术以图5为例，其中，a1、a2、c点均为电解槽110中间位置的等电势位置，其中a1点为氧气与碱液混合物从电解槽110出来的出口；a2点为氢气与碱液混合物从电解槽110出来的出口；c点为经过气液分离后碱液回到电解槽110的入口。由于采用串联连接，导致a1、a2、c点的电势为750v,而气液分离装置120接地为0v，又由于碱液是良好导体，因此会产生a1、a2、c点、气液分离装置120、接地点的电流。
65.为了解决电解槽110串联连接后，部分电解槽110电压过高，导致气液分离设备存在绝缘问题。作为一种实现方式，请参阅图6，气液分离装置120包括绝缘层122与壳体121，绝缘层122与壳体121连接，且绝缘层122与壳体121的相同位置设置有入口、气体出口以及液体出口，入口、液体出口均与电解槽110连接，气体出口用于与储气装置连接。
66.可选地，绝缘层122设置于所述壳体121的内表面。
67.其中，绝缘层122可采用绝缘塑料，气液分离装置120内表面绝缘塑料用于碱液与气液分离设备本身进行绝缘，以避免高电压电解槽110中碱液与接地设备之间发生漏电流，危险设备安全和降低电制氢系统效率。与气液分离器连接的气液混合物入口、气体出口、液体出口的均与绝缘塑料管相连接，避免管道导电，发生漏电流。该类型气液分离器主要功能为避免高电压电解槽110中碱液回路与气液分离设备之间产生漏电流，导致电解槽110出现旁路电流。旁路电流不仅导致电解槽110的电制氢效率降低，同时影响电制氢系统中与气液分离器相连的泵、阀、传感器等零部件的安全。气液分离器中换热器与外面的热管理系统外机相连，用于控制气液分离器内碱液温度，是电解槽110碱液温度控制的重要措施。
68.作为一种实现方式，可选地，气液分离器中含有碱液的壳体121和管道，与设备框架之间使用绝缘材料连接或者固定。
69.本技术提供的气液分离器内表面的绝缘材料，包括聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺等电绝缘塑料。
70.本技术提供的气液分离装置120包括丝网式分离器、离心式分离器、微孔过滤式分离器、填料式分离器、折流式分离器、重力沉降式分离器等。本专利优选离心式分离器和折流式分离器，更优选离心式分离器。
71.离心式气液分离器可以实现气液快速分离，有利于提高电制氢系统的氢气与碱液、氧气与碱液的分离速度和分离效率，以避免气液分离装置120内碱液回到电解槽110的过程中引入气体杂质。
72.此外，电解槽阵列100还包括控制器、变压器、整流器、气体纯化装置以及储气装置，变压器与整流器相连，每个电解槽110组与一个整流器连接，气液分离装置120与气体纯化装置连接，气体纯化装置还与储气装置连接，控制器分别与变压器、整流器、气体纯化装置、储气装置、电解槽110以及气液分离装置120连接。
73.其中，控制器连接外部调控指令通讯终端，接受外部调控指令或者内部生产计划安排指令，确定系统整体运行工况，同时连接变压器、整理器、电解槽110、气液分离器、气体纯化装置、储气装置等，控制系统的运行状态，以实现电制氢系统的控制目标。
74.并且，控制器还用于为根据外部调控制指令或内部生产计划安排，控制电制氢系统的电力、气液分离、补水、气液纯化，实现电制氢系统可以根据电力调节需求或者下游气体需要进行精准快速的调节。
75.基于上述实现方式，请参阅图7，本技术还提供了一种电解水系统，电解水系统包
括上述的多个电解槽阵列100，多个电解槽阵列100并联设置。
76.综上所述，本技术提供了一种电解槽阵列与电解水系统，该电解槽阵列包括多个气液分离装置与多个并联设置的电解槽组，电解槽组与变流器相连，每个电解槽组中包括多个串联设置的电解槽，气液分离装置的数量与电解槽组中电解槽的数量相同，其中，多个电解槽组中顺序相同的电解槽均与同一气液分离装置连接。由于每个气液分离装置均能够与顺序相同的多个电解槽相连，因此实现多个电解槽共用同一个气液分离装置的效果，节省了成本。
77.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
78.对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。