CN116837414A - 无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置及方法，涉及水电解制氢技术领域，所述装置包括电解槽、第一回流缓冲罐、第二回流缓冲罐、第一三通流量调节阀、循环泵、第二三通流量调节阀和板式换热器；所述电解槽通过管路与第一回流缓冲罐连接，所述第一回流缓冲罐通过管路与第二回流缓冲罐连接，所述第二三通流量调节阀分别通过管路与循环泵的出口、电解槽的水路入口和板式换热器连接，所述板式换热器通过管路与电解槽的水路入口相连。本发明提出设置小回流罐增设内部循环，分别通过控制冷料进料量，板式换热器冷却两种控温方案实现水电解制氢体系在无外部热源辅助的条件下快速冷启动过程。

Description

无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置及方法

技术领域

本发明涉及水电解制氢技术领域，具体而言，尤其涉及一种无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置及方法。

背景技术

水电解制氢系统使用纯水或碱液作为反应物料，在水电解制氢过程中当体系达到稳定时，反应物料的温度一般在50～80℃才能使电解反应达到额定功率。尤其在碱性电解水体系，低温区电解液的电阻较大，当电解液温度大于50℃时电流才能用于水电解反应。水电解制氢过程是一个持续的产热过程，因此传统的水电解槽冷启动方式为先通入小电流，利用自身产热量加热反应物料，逐步升温至反应温度。该过程一般需要长达2-3小时。缩短冷启动时间提升工作效率具有重要的意义，另外针对水电解测试台体系而言，在测试过程中存在频繁的启停过程。针对水电解制氢系统冷却过程慢的特点，常采用外部辅助热源加热的方式使循环体系中的物料温度快速升高至额定点温度。该方法存在以下缺陷，外加辅助热源加热设备成本高，导致体系的复杂性升高，能耗升高，增加制氢成本等。

当前水电解制氢系统或水电解测试台系统通常采用两种方案实现冷启动过程。方案一，依靠水电解槽自身的产热量使物料温度逐步升温至预设温度；方案二，采用加热辅助系统使冷物料温度快速升高至预设温度。方案一存在的问题在于，水电解系统为了快速移除反应热，提升反应速率，反应物纯水的进料量通常是实际反应量的几十倍到几百倍，在体系中通常会设置较大容积的回流罐，使得将反应体系中的纯水物料升温至预设反应温度时间较长。方案二能够实现快速升温，但同时增加了加热辅助系统的成本投入，增加了整个反应体系的功耗。

发明内容

根据上述提出现有水电解制氢系统气动方案启动时间长的技术问题，而提供一种无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置及方法。本发明提出设置小回流罐增设内部循环，分别通过控制冷料进料量，板式换热器冷却两种控温方案实现水电解制氢体系在无外部热源辅助条件下的快速冷启动过程。

本发明采用的技术手段如下：

一种无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置，包括电解槽、第一回流缓冲罐、第二回流缓冲罐、第一三通流量调节阀、循环泵、第二三通流量调节阀和板式换热器；

所述电解槽通过管路与第一回流缓冲罐连接，所述第一回流缓冲罐通过管路与第二回流缓冲罐连接，所述第一三通流量调节阀分别通过管路与第二回流缓冲罐、第一回流缓冲罐和循环泵的入口连接，所述第二三通流量调节阀分别通过管路与循环泵的出口、电解槽的水路入口和板式换热器连接，所述板式换热器通过管路与电解槽的水路入口相连。

进一步地，所述第一回流缓冲罐的容积为第二回流缓冲罐容积的1/3～1/50。

进一步地，所述第一回流缓冲罐上设置有液位计，所述第一回流缓冲罐与第二回流缓冲罐间的管路上设置有液位计控制调节阀，所述液位计与液位计控制调节阀采用无线或有线连接控制。

进一步地，所述循环泵的出口处管路上设置有第一温度传感器，所述第一温度传感器与第一三通流量调节阀采用无线或有线连接控制。

进一步地，所述电解槽的水路入口处管路上设置有第二温度传感器，所述第二温度传感器与第二三通流量调节阀采用无线或有线连接控制。。

进一步地，所述第一回流缓冲罐连接有第一放空出口，所述第二回流缓冲罐连接有第二放空出口。

进一步地，所述板式换热器分别连接冷却水入口和冷却水出口。

本发明还提供了一种无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动方法，基于上述任一项无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置实现，包括如下步骤：

冷启动；第一回流缓冲罐中存有电解液，启动装置，此时第一温度传感器检测到循环泵的出口温度未达到预设温度，使第一三通流量调节阀关闭与第二回流缓冲罐相连的管路；第二温度传感器检测到电解槽入口温度未到达到预设温度，控制第二三通流量调节阀不开启与板式换热器相连的管路；此时第一回流缓冲罐、第一三通流量调节阀、循环泵、第二三通调节阀、电解槽构成内循环回路，物料循环仅发生在内循环回路中；所述内循环回路通过电解槽自身产热达到预设温度，当所述内循环回路中的物料达到预设温度时开始第一次控温；

第一次控温；在第二回流缓冲罐中设置冷物料，电解槽持续产热，使内循环回路内的物料温度高于预设温度；第一温度传感器检测到循环泵出口温度高于预设温度，控制第一三通流量调节阀打开与第二回流缓冲罐相连的管路，使第二回流缓冲罐中的冷物料进入循环体系保证电解槽入口温度维持在预设温度；经循环，第一回流缓冲罐中的热物料液位会逐渐升高，到达液位计的检测上限；开启液位计控制调节阀，使第一回流缓冲罐中的热物料流入第二回流缓冲罐中使第二回流缓冲罐温度逐渐升高；经循环，第二温度传感器检测到电解槽的入口温度超过预设温度，开始第二次控温；

第二次控温；第二温度传感器控制第二三通流量调节阀打开与板式换热器相连的管路，热物料流经板式换热器降温，通过调节第二三通流量调节阀的开度实现稳定控温。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

与已有关于水电解制氢系统的快速冷启动方案相比较，本发明在无外部热源辅助的条件下，在原有体系中增设小容积回流缓冲罐，构建内部小循环体系，通过电解槽自身产热对小循环内少量电解液进行快速升温，到达额定点的预设温度，实现电解水制氢系统的冷启动过程，启动后能够通过冷液进料调控以及板式换热器两种控温方案共同调节的方式实现稳定的温度控制，并逐步加热制氢体系中剩余电解液，使体系最终达到稳态运行过程。该技术方案设备成本投入少，无外部辅助加热系统，不会提升原有系统的总体功耗。该控制方案对于碱水制氢系统，质子交换膜(PME)水电解制氢系统，阴离子膜水电解制氢系统，及相关水电解测试台系统能够降低设备成本，降低体系能耗，具有快速启动经济性高等增益效果。

传统的水电解槽体系采用单个回流罐，为保证物料供给充足，一般回流罐体积较大，单通过水电解槽自身热量完成物料液的自加热过程需要较长时间，冷启动过程慢。另外，为解决上述问题一般采用外部热源辅助加热系统给冷物料进行加热来实现快速的冷启动过程。但该方法需要增设外部热源加热辅助设备导致成本增加，系统能耗增加，系统复杂性增加。基于此本发明提出采用增设小体积回流罐，形成内循环回路的方式，通过两种温度控制策略，在无外部热源辅助的情况下实现水电解槽的快速冷启动过程。具备控制方案简单可行，成本低，能耗小等优点

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置图。

图中：1、电解槽；2、第一回流缓冲罐；3、液位计；4、液位计控制调节阀；5、第二回流缓冲罐；6、第一三通流量调节阀；7、循环泵；8、第一温度传感器；9、第二三通流量调节阀；10、板式换热器；11、第二温度传感器；12、冷却水入口；13、冷却水出口；14、第一放空出口；15、第二放空出口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。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讨论。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置，包括电解槽1、第一回流缓冲罐2、第二回流缓冲罐5、第一三通流量调节阀6、循环泵7、第二三通流量调节阀9和板式换热器10；

所述电解槽1通过管路与第一回流缓冲罐2连接，所述第一回流缓冲罐2过管路与第二回流缓冲罐5连接，所述第一回流缓冲罐2的容积为第二回流缓冲罐5容积的1/3～1/50。所述第一回流缓冲罐2上设置有液位计3，所述第一回流缓冲罐2与第二回流缓冲罐5间的管路上设置有液位计控制调节阀4，所述液位计3与液位计控制调节阀4无线或有线连接。所述第一三通流量调节阀6分别通过管路与第二回流缓冲罐5、第一回流缓冲罐2和循环泵7的入口连接，所述循环泵7的出口处管路上设置有第一温度传感器8，所述第一温度传感器8与第一三通流量调节阀6无线或有线连接。所述第二三通流量调节阀9分别通过管路与循环泵7的出口、电解槽1的水路入口和板式换热器10连接，所述板式换热器10通过管路与电解槽1的水路入口相连。所述电解槽1的水路入口处管路上设置有第二温度传感器11，所述第二温度传感器11与第二三通流量调节阀9无线或有线连接。所述第一回流缓冲罐2连接有第一放空出口14，所述第二回流缓冲罐5连接有第二放空出口15。第一放空出口14和第二放空出口15分别对第一回流缓冲罐2和第二回流缓冲罐5中产生的气体进行排放。所述板式换热器10分别连接冷却水入口12和冷却水出口13。板式换热器10使用公用工程冷却水进行冷却。

本发明还提供了一种无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动方法，分为三个阶段，第一阶段，通过电解槽1自身产生的热量来快速加热内循环回路内的少量的冷物料，使体系快速达到预设反应温度；第二阶段，当内循环回路中的物料温度达到预设温度，通过补充新的冷物料的方式维持恒定的预设反应温度；第三阶段，在电解持续产热过程中当冷物料无法实现预设温度控制时，板式换热器10介入，调控体系温度维持恒定的预设值。实际上当阶段一完成后已经实现水电解槽的冷启动过程，后续能够通过体系的自动调节保证体系在预设温度下进行工作。控制逻辑描述如下：第一阶段电解槽1启动开始阶段，第一回流缓冲罐2中存有较为少量的电解液，第一回流缓冲罐2、第一三通流量调节阀6、循环泵7、第二三通调节阀9、水电解槽1构成内循环回路。此时第一温度传感器8检测泵出口温度未达到预设温度T，关闭与第二回流缓冲罐5相连的旁路；第二温度传感器11监测电解槽入口温度未到达到预设温度T，不开启与板式换热器10相连的旁路。使物料循环仅发生在内循环回路中。该循环回路具有少量的物料能够通过电解槽自身产热很快达到预设温度T。当内循环回路1体系中的物料达到预设温度T时开始第二阶段，此时电解槽1持续产热会导致内循环回路内的物料温度高于预设值温度T，第一温度传感器8检测到循环泵出口温度高于预设值T，调节第一三通流量调节阀6开度，使第二回流缓冲罐5中的冷物料进入循环体系保证电解槽入口温度维持在预设值温度T，此时第二温度传感器11检测到的温度小于等于预设值温度T，不启用板式换热器10进行温度调节。经过一段时间的循环，第一回流缓冲罐2中的热物料液位会逐渐升高，到达液位计3的检测上限，开启调节阀4，低于检测下限关闭调节阀，热物料流入第二回流缓冲罐5中使回流罐温度逐渐升高。当第二回流缓冲罐5中液体温度逐渐升高至无法通过冷物料补偿的方式实现温度控制时，第一温度传感器8检测到温度高于预设值温度T，第一三通调节阀6使与第二回流缓冲罐5的旁路处于常开状态，此时第二温度传感器11检测到电解槽入口温度超过预设温度T，开始第三阶段，控制第二三通流量调节阀9通过板式换热器调节体系温度，此后体系温度仅通过板式换热器进行调节，实现稳定的控温过程。

实施例

以质子交换膜(PEM)水电解系统为实例进行控制方案的详细说明。PEM水电解系统的预设温度设置为80℃，反应物料为纯水初始温度为25℃，在测试开始前，第一回流缓冲罐2中存有能够满足系统平稳运行的最少纯水物料量，在预热开始第一阶段第一温度传感器8和第二温度传感器11检测到物料温度小于预设温度80℃，此时，第一三通流量调节阀6不开启与回流缓冲罐相连的旁路，第二三通流量调节阀9不开启与板式换热器相连的旁路。少量的纯水物料仅在由第一回流缓冲罐2、第一三通流量调节阀6、循环泵7、第二三通流量调节阀9与水电解槽1构成的小循环回路内进行循环，依靠电解槽自身产热能够很快将小循环内的物料加热至预设温度。当回流缓冲罐中的纯水温度达到预设温度80摄氏度时，此时电解槽持续产热，流经循环泵出口处的纯水物料温度高于80℃，第一温度传感器8检测到温度大于预设值，调控第一三通调节阀6开度，第二回流缓冲罐5中的冷水流入系统，通过调控冷水的流量控制体系温度稳定在预设值80℃。此时，第二温度传感器11检测到纯水物料的温度小于等于80℃，不开启板式换热器10旁路，板式换热器10不参与温度调控。冷液的补给量大于纯水的消耗量，被加热的纯水物料会在第一回流缓冲罐2中累积当达到其液位计3的检查上限时，开启调节阀4，热的物料流入第二回流缓冲罐5中，其内部液体温度会随之升高，当第二回流缓冲罐5中的温度达到一定数值，在第一三通流量调节阀6全开的条件下无法使体系中纯水物料的温度稳定在80℃。此时第二温度传感器11检测到电解槽入口温度高于预设值温度，开启第二三通调节阀9，板式换热器10介入温度调控。此后系统达到稳态，实际上第一阶段小循环系统中的纯水物料到达80℃预设值温度，冷启动过程即可视为完成。该控制方案的优势在于在没有外部辅助热源的条件下能够快速完成PEM水电解制氢系统的快速冷启动过程。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置，其特征在于：包括电解槽(1)、第一回流缓冲罐(2)、第二回流缓冲罐(5)、第一三通流量调节阀(6)、循环泵(7)、第二三通流量调节阀(9)和板式换热器(10)；

所述电解槽(1)通过管路与第一回流缓冲罐(2)连接，所述第一回流缓冲罐(2)通过管路与第二回流缓冲罐(5)连接，所述第一三通流量调节阀(6)分别通过管路与第二回流缓冲罐(5)、第一回流缓冲罐(2)和循环泵(7)的入口连接，所述第二三通流量调节阀(9)分别通过管路与循环泵(7)的出口、电解槽(1)的水路入口和板式换热器(10)连接，所述板式换热器(10)通过管路与电解槽(1)的水路入口相连。

2.根据权利要求1所述的无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置，其特征在于，所述第一回流缓冲罐(2)的容积为第二回流缓冲罐(5)容积的1/3～1/50。

3.根据权利要求1所述的无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置，其特征在于，所述第一回流缓冲罐(2)上设置有液位计(3)，所述第一回流缓冲罐(2)与第二回流缓冲罐(5)间的管路上设置有液位计控制调节阀(4)，所述液位计(3)与液位计控制调节阀(4)采用无线或有线连接。

4.根据权利要求1所述的无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置，其特征在于，所述循环泵(7)的出口处管路上设置有第一温度传感器(8)，所述第一温度传感器(8)与第一三通流量调节阀(6)采用无线连或有线连接。

5.根据权利要求1所述的无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置，其特征在于，所述电解槽(1)的水路入口处管路上设置有第二温度传感器(11)，所述第二温度传感器(11)与第二三通流量调节阀(9)采用无线或有线连接。

6.根据权利要求1所述的无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置，其特征在于，所述第一回流缓冲罐(2)连接有第一放空出口(14)，所述第二回流缓冲罐(5)连接有第二放空出口(15)。

7.根据权利要求1所述的无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置，其特征在于，所述板式换热器(10)分别连接冷却水入口(12)和冷却水出口(13)。

8.一种无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动方法，基于权利要求1-7所述的任一项无外部热源辅助水电解制氢系统快速冷启动装置实现，其特征在于，包括如下步骤：

冷启动；第一回流缓冲罐(2)中存有电解液，启动装置，此时第一温度传感器(8)检测到循环泵(7)的出口温度未达到预设温度，使第一三通流量调节阀(6)关闭与第二回流缓冲罐(5)相连的管路；第二温度传感器(11)检测到电解槽(1)入口温度未到达到预设温度，控制第二三通流量调节阀(9)不开启与板式换热器(10)相连的管路；此时第一回流缓冲罐(2)、第一三通流量调节阀(6)、循环泵(7)、第二三通调节阀、电解槽(1)构成内循环回路，物料循环仅发生在内循环回路中；所述内循环回路通过电解槽(1)自身产热对第一回流缓冲罐(2)中存有的电解液进行加热达到预设温度，当所述内循环回路中的物料达到预设温度时开始第一次控温；

第一次控温；在第二回流缓冲罐(5)中设置冷物料，电解槽(1)持续产热，使内循环回路内的物料温度高于预设温度；第一温度传感器(8)检测到循环泵(7)出口温度高于预设温度，控制第一三通流量调节阀(6)打开与第二回流缓冲罐(5)相连的管路，使第二回流缓冲罐(5)中的冷物料进入循环体系保证电解槽(1)入口温度维持在预设温度；经循环，第一回流缓冲罐(2)中的热物料液位会逐渐升高，到达液位计(3)的检测上限；开启液位计控制调节阀(4)，使第一回流缓冲罐(2)中的热物料流入第二回流缓冲罐(5)中使第二回流缓冲罐(5)温度逐渐升高；经循环，第二温度传感器(11)检测到电解槽(1)的入口温度超过预设温度，开始第二次控温；

第二次控温；第二温度传感器(11)控制第二三通流量调节阀(9)打开与板式换热器(10)相连的管路，热物料流经板式换热器(10)降温，通过调节第二三通流量调节阀的开度实现稳定控温。