一种电解水制氢装置及系统的制作方法

1.本发明涉及氢气制取技术领域，具体涉及一种电解水制氢装置及系统。


背景技术：

2.电解水制氢装置主要由电解槽、氢侧分离器、氧侧分离器、电解液循环泵、电解液冷却器等组成。当电解槽接通工作电源，含氢气液混合物从电解槽氢侧出口出来，进氢侧分离器；含氧气液混合物从电解槽氧侧出口出来，进入氧侧分离器。氢侧分离器、氧侧分离器分离出来的电解液，经电解液冷却器降温后，再通过循环泵，泵入电解槽。氢侧分离器分离出的氢气混合物后续进行脱碱、脱水、降温等处理，氧侧分离器分理出的氧气混合物后续进行脱碱、脱水、降温等处理。
3.电解水制氢装置中，电解液循环流量控制十分重要，将直接影响分离器的分离效果，设备整体工作安全等。现有技术中，循环泵工作流量、压头固定，而且，一般循环泵选型配置时，额定流量会大于电解制氢系统最佳工况电解液流量，实际生产中，一般再通过循环泵出口阀门开度控制电解液循环量在合理区间。阀门内件受高温碱液冲刷腐蚀情况严重，阀杆经常动作，碱液从阀杆密封处渗漏情况普遍发生。阀门维护量大，损耗高。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明实施例提供了一种电解水制氢装置及系统，能够对电解液循环的流量进行精准的控制，同时可避免阀门内件收到高温碱液冲刷的现象。
5.根据本发明实施例的一个方面，提供了一种电解水制氢装置。电解水制氢装置包括电解槽、氢侧分离器、氧侧分离器、热交换器、流量计和变频循环泵，所述电解槽的出料端通过出氧管连通于所述氧侧分离器，所述电解槽的出料端通过出氢管连通于所述氢侧分离器，所述氢侧分离器和所述氧侧分离器的出料端均设置有出料管，两个所述出料管的另一端共同连通有总循环管的首端，所述总循环管的尾端连通于所述电解槽的入料端，所述总循环管上串联有热交换器、流量计以及变频循环泵。
6.在一些实施例中，变频循环泵为变频屏蔽泵或变频磁力泵。
7.在一些实施例中，还包括过滤器组，过滤器组串联在循环管上，过滤器组为通过管道相互并联的两个过滤器或过滤器组为通过管道并联的一个检修阀和一个过滤器。
8.在一些实施例中，热交换器、过滤器组和变频循环泵沿总循环管的首端向总循环管的尾端依次设置。
9.在一些实施例中，包括至少一个温度检测元件。
10.在一些实施例中，流量计为电磁流量计或转子流量计。
11.在一些实施例中，包括多个循环泵，多个循环泵中至少一个为变频循环泵，多个循环泵互相并联后构成一个循环泵组，循环泵组串联在总循环管上，循环泵组的支路中多个循环泵均串联有各自独立的止逆阀。
12.在一些实施例中，电解槽为多个，多个电解槽相互并联。
13.在一些实施例中，氢侧分离器和氧侧分离器底部通过联通管道连通。
14.基于上述的电解水制氢装置，本发明的另一个方面，提供了一种电解水制氢系统，包括多个电解槽组和多个循环泵组，电解槽组至少包括一个电解槽，多个电解槽组相互并联，循环泵组至少包括一个循环泵，多个循环泵组中至少包括一个变频循环泵，多个循环泵组与多个电解槽组对应设置，当一组以上电解槽组运行且剩余电解槽组停机时，停机的电解槽组所对应的循环泵组降频运行。
15.本技术中的有益效果是：本技术中出示了一种电解水制氢装置，通过设置变频循环泵，用于将电解液泵入电解槽，驱动电解液在电解水制氢装置内循环。电解水制氢装置内至少有1台循环泵为变频泵，其流量或压头等可调节。可以通过设置变频器参数，调节变频循环泵流量，也可以与流量计构成控制回路，实现设定流量自动控制。由于变频循环泵不需要通过阀门去调节其流量，故而不存在阀门被腐蚀的情况，自然也不会存在碱液从阀杆密封处渗漏的情况。且变频循环泵可与流量计构成控制回路，在plc或dcs 等控制系统的辅助下对电解液流量实现更加灵敏、更加自动化的调控，使得电解水制氢装置内的电解液流量始终保持在最佳状态，整个系统的工作效率得到充分的保证。基于上述的电解水制氢装置，本发明还提供了一种电解水制氢系统，效果同上。
16.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
17.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
18.图1为本技术实施例提供的电解水制氢装置的整体示意图；
19.图2为本技术实施例提供的具有多个循环泵的电解水制氢装置的示意图；
20.图3为本技术实施例提供的电解水制氢系统的示意图。
21.具体实施方式中的附图标号如下：
22.电解槽1、氢侧分离器2、氧侧分离器3、热交换器4、流量计5、循环泵6、温度检测元件7、过滤器8、阀门9、止逆阀10、总循环管11，检修阀12，联通管道13。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本技术技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本技术的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本技术的保护范围。
24.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术；本技术的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
25.电解水制氢装置主要由电解槽、氢侧分离器、氧侧分离器、电解液循环泵、电解液
冷却器等组成。当电解槽接通工作电源，含氢气液混合物从电解槽氢侧出口出来，进氢侧分离器；含氧气液混合物从电解槽氧侧出口出来，进入氧侧分离器。氢侧分离器、氧侧分离器分离出来的电解液，经电解液冷却器降温后，再通过循环泵，泵入电解槽完成循环。氢侧分离器分离出的氢气混合物后续进行脱碱、脱水、降温等处理，氧侧分离器分理出的氧气混合物后续进行脱碱、脱水、降温等处理。在电解水制氢装置中，电解液循环流量控制十分重要，主要体现在以下方面：
26.1.影响分离器分离效果，电解液循环流量过大，氢侧分离器和氧侧分离器未能完全将氢气、氧气和电解液分离开，未分离出的氢气和氧气将随着电解液循环并汇合，最终导致氢中氧含量，氧中氢含量超标，极端情况下将产生爆炸，威胁安全生产。
27.2.如果电解液循环流量过大可能导致电解槽隔膜损坏。
28.3.如果电解液循环流量过小，电解槽工作过程产生的热量无法及时被电解液带出，导致电解槽超温，严重时会损坏设备，或是会导致电解槽内部温度分布不均匀，降低电解槽电解效率。
29.具体地，为能够对电解水制氢装置中电解液的流量进行精准的控制，同时避免阀门内件受到高温碱液冲刷的现象，本技术出示了一种电解水制氢装置。请参考图1、图2 和图3，图1为本技术实施例提供的电解水制氢装置的整体示意图，图2为本技术实施例提供的具有多个变频循环泵的电解水制氢装置的示意图，图3为本技术实施例提供的电解水制氢系统的示意图，图3中；a-21至a-25为电解槽、b-21至b-24为氢侧分离器、 c-21至c-24为氧侧分离器、d-21和d-22为热交换器、e-21至e-24为流量计、f-21至 f-24为循环泵、g-21至g-29为温度检测元件、h-21和h22为过滤器、i-21-i-35为阀门、j-21至j-24为止逆阀。电解水制氢装置包括电解槽1、氢侧分离器2、氧侧分离器 3、热交换器4、流量计5和变频循环泵6，流量计5为电磁流量计或转子流量计。电解槽1的出料端通过出氧管连通于氧侧分离器3，电解槽1的出料端通过出氢管连通于氢侧分离器2，氢侧分离器2和氧侧分离器3的出料端均设置有出料管，两个出料管的另一端共同连通有总循环管11的首端，总循环管11的尾端连通于电解槽1的入料端，总循环管11上串联有热交换器4、流量计5以及变频循环泵6。
30.电解槽1至少有一个氢侧出口、至少有一个氧侧出口，至少有一个电解液入口。电解槽1的氢侧出口和氢侧分离器2的电解液入口通过管道相连；电解槽1的氧侧出口和氧侧分离器3的电解液入口通过管道相连。电解水制氢装置内电解槽1数量≥1。
31.氢侧分离器2至少有个电解液入口、至少有1个电解液出口、至少有1个氢气混合物出口，氢侧分离器2数量≥1。氧侧分离器3至少有1个电解液入口、至少有1个电解液出口、至少有1个氧气混合物出口，氧侧分离器3数量≥1。如果有＞1个氢侧分离器 2，构成氢侧分离器组；如果有＞1个氧侧分离器3，构成氧侧分离器组。氢侧分离器组内各氢侧分离器2之间在底部可设置联通管道13进行连通，氧侧分离器组内各氧侧分离器3之间在底部可以设置联通管道13进行连通。氢侧分离器组和氧侧分离器组在底部可以设置联通管道13。一个氧侧分离器组或一个氢侧分离器2组可以连接≥1台电解槽1。
32.热交换器4用于控制电解液温度，可以加热或冷却电解液，保证电解液温度在合理区间(电解槽1的出口处温度需保证在90
±
5度，入口处温度需要保证在70
±
5度，故一般情况下热交换器4起到降温作用)。热交换器4可以位于氢侧分离器2、氧侧分离器3的电解液出口之后。也可以位于电解槽1的氧侧出口到氧侧分离器3的连接管路上；也可以位于氢侧分
离器2/氧侧分离器3的电解液出口管路上，或设置在总循环管11上；也可以位于电解液循环管路其他位置，或是位于以上任意的1个以上的位置的组合，热交换器4数量≥1个，具体位置不做限制。
33.变频循环泵6用于将电解液泵入电解槽1，驱动电解液在电解水制氢装置内循环。电解水制氢装置内至少有1台循环泵为变频循环泵6，其流量或压头等可调节。可以通过设置变频器参数，调节变频循环泵6中电解液的流量，也可以与流量计5构成控制回路，实现设定流量自动控制。由于变频循环泵6可以不需要通过阀门9去调节其流量，故而不存在阀门9被腐蚀的情况，自然也不会存在碱液从阀门9的阀杆密封处渗漏的情况。且变频循环泵6可与流量计5构成控制回路，在plc或dcs等控制系统的辅助下实现更加灵敏、自动化的调控，使得电解水制氢装置内的电解液流量始终保持在最佳状态，整个系统的工作效率得到充分的保证。
34.在一些实施例中，变频循环泵6为变频屏蔽泵或变频磁力泵。
35.电解水制氢装置正常工作时，电解液温度较高(一般为50～95℃)，腐蚀性强，同时电解液有一定压力(一般为1.6mpa)。优选使用变频屏蔽泵、变频磁力泵等，变频屏蔽泵和变频磁力泵具有良好的防渗功能，能够有效防止电解液从泵体渗漏出来。
36.在一些实施例中，请参考图2，还包括过滤器组，过滤器组串联在循环管上，过滤器组为通过管道相互并联的两个过滤器8或过滤器组为通过管道并联的一个检修阀12和一个过滤器8。过滤器8用于过滤电解液中的杂质，防止杂质进入电解槽1、变频循环泵 6、流量计5等器件中，造成堵塞或设备损坏，优选位置在变频循环泵6的入口之前，氢侧分离器2/氧侧分离器3之后(如图2中过滤器8位置)。变频循环泵6的首端和/或变频循环泵6的尾端可设置流量阀，通过流量阀可以增加一种控制电解液流量的方式。过滤器8位置、数量不做限制。关于过滤器8的设置有以下两个可选方案。
37.可选方案一：如图3所示，两个以上的过滤器8并联，每个过滤器8进口和出口均设置阀门9，以便可以在设备运行时切换过滤器8。进行清理维护(如图3过滤器h-21、 h-22进口、出口并联)。
38.可选方案二：如图2所示，在过滤器8进口、出口设置阀门9(图2中i-1、i-2)，同时设置跨线，跨线直接联通过滤器8的进口阀门前管线和过滤器8的出口阀门后管线，跨线上设有检修阀12，通过上述方式实现过滤器8与检修阀门12的并联。用以在电解水制氢装置运行时，清理过滤器8。正常运行时，检修阀门12关闭，过滤器8的进口、出口阀门(图2中i-1、i-2)打开。清理过滤器8时，打开检修阀门12，再关闭过滤器8 的进口、出口阀门(图2中i-1、i-2)，拆卸过滤器8，清理或更换过滤器8的滤芯后，再打开过滤器8的进口、出口阀门(图2中i-1、i-2)、关闭检修阀门12，即可恢复正常运行。
39.在一些实施例中，热交换器4、过滤器组和变频循环泵6沿总循环管11的首端向总循环管11的尾端依次设置。经实测，在上述连接顺序下，系统整体运行效率较高，故障率低。
40.在一些实施例中，包括至少一个温度检测元件7。
41.温度检测元件7用于检测电解液温度。优选位于电解槽1的氢侧出口到氢侧分离器 2的电解液入口连接管路上(如图2中g-1)或电解槽1氧侧出口到氧侧分离器3电解液入口连接管路上(如图3中g-2)，也可以位于氢侧分离器2设备本体上、氧侧分离器3设备本体上，或是总循环管11其他位置，或是位于以上任意位置的组合，温度检测元件7 数量≥1个，不做
限制。
42.在一些实施例中，请继续参考图3，包括多个循环泵，多个循环泵中至少一个为变频循环泵6。多个循环泵互相并联后共同串联在总循环管11上，循环泵的支路中多个循环泵均串联有各自独立的止逆阀10。
43.将2台或2台以上的循环泵组成1组，其中至少有一台是变频循环泵6，各循环泵出、入口并联。正常工况，1组循环泵内有1台循环泵运行，其余停机备用。1组循环泵可以给多台电解槽1提供电解液，1组循环泵出口连接≥1台电解槽1的电解液入口(如图3，循环泵组f-22、f-23同时连接2台电解槽a-22、a-23)，电解水制氢装置内可以设置＞1组电解液循环泵(如图3，循环泵f-21为第一组，f-22、f-23为第二组，f-24 为第三组)。每台循环泵前或泵后设置阀门9，或泵前后都设置阀门9，以便多台循环泵之间可以切换运行状态(如图2循环泵f-1、f-2前后都设置了阀门i-5、i-6、i-7、i-8)，方便检修隔离。电解水制氢装置内存在＞1个电解槽1或＞1个循环泵时(或两者同时满足)，可以在循环泵至电解槽1入口之间，或循环泵入口前设置止逆阀10。防止电解液在电解槽1、循环泵中逆流(如图2循环泵f-1后设置止逆阀j-1，循环泵f-2后设置止逆阀j-2)。
44.在一些实施例中，电解槽1为多个，多个电解槽1相互并联。
45.当供电不足，不能保证电解水制氢装置电解槽1全部运行时，有≥1台电解槽1(图3中a-21和/或a-22和/或a-23和/或a-24和/或a-25)停机。此时可使停机电解槽1 对应的变频循环泵6降频运行，电解水制氢装置中温度较高的电解液以较低流量通过停机的电解槽1，以维持该电解槽1内的温度，方便该电解槽1后续可以随时快速开机运行(工作时，电解槽1的电解液入口温度需要维持在70
±
5度)。此外，因停机的电解槽1可以散发一定流经电解液的热量，故工作电解槽1中的电解液在以低流量通过停机的电解槽1时，可以起到一定降温的作用，从而能够降低热交换器4的换热负荷，节约能耗。
46.在一些实施例中，请参考图2，氢侧分离器2和氧侧分离器3底部通过联通管道13 连通。
47.氢侧分离器2底部、氧侧分离器3底部有联通管道13。以更好的调整电解槽1氢侧、氧侧压力、压差。
48.请参考图3，基于上述的电解水制氢装置，本发明的另一个方面，提供了一种电解水制氢系统，包括多个电解槽组和多个循环泵组，电解槽组至少包括一个电解槽，多个电解槽组相互并联，循环泵组至少包括一个循环泵，多个循环泵组中至少包括一个变频循环泵，多个循环泵组与多个电解槽组对应设置，当一组以上电解槽组运行且剩余电解槽组停机时，停机的电解槽组所对应的循环泵组降频运行。本电解水制氢系统中设置有至少一个变频循环泵，其作用和有益效果同上，此处不再赘述。
49.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参阅前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本技术的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本技术并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。