CN114717607A - 高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水电解制氢设备技术领域，具体为一种高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统及控制方法，包括氢分离器、氧分离器、碱液循环泵、电解槽、氢侧缓冲罐和氧侧缓冲罐，氢分离器、氧分离器的出液口分别通过管路依次连接碱液循环泵、电解槽进液口，电解槽出气口分别通过管路连接至氢分离器、氧分离器的进气口，氢侧缓冲罐的进液口连接氢分离器的出液口，氢侧缓冲罐的出液口连接碱液循环泵，氧侧缓冲罐的进液口连接氧分离器的出液口，氧侧缓冲罐的出液口连接碱液循环泵，氢侧缓冲罐具有氢排气口，氧侧缓冲罐具有氧排气口。有效避免氢氧相互混合，提高了设备运行的安全性；提高了电解槽阴极侧氢气纯度和阳极侧氧气的纯度。
Description
技术领域
本发明涉及建筑环保设备技术领域，具体为一种高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统及控制方法。
背景技术
电解水制氢工艺，按照电解质不同，分为碱性电解水(AWE)、质子交换膜电解水(PEM)和固体氧化物电解水(SOEC)三种技术，目前碱性电解水和质子交换膜电解水已经工业化，固体氧化物电解水处于实验室阶段。碱性电解水制氢技术最为成熟，具有电解槽结构简单、运行寿命长、售价低廉等特点，碱性电解水需要借助25-30％的KOH或者NaOH水溶液作为电解质，KOH或者NaOH水溶液进行循环电解。
传统的碱液循环系统，如图1，电解后的碱液分两部分从电解槽中出来，一部分伴随氢气从电解槽阴极电解小室出来，到氢分离器进行气液分离，氢气到下游，碱液送到碱液循环泵；另一部分伴随氧气从电解槽阳极电解小室出来，到氧分离器进行气液分离，氧气到下游，碱液送到碱液循环泵。来自氢分离器和氧分离器的碱液，通过碱液循环泵、碱液冷却器、碱液流量计回到电解槽的阴极电解小室和阳极电解小室，再次进行电解，完成一个循环。
传统的碱液循环系统，来自氢分离器的碱液，会溶解少量氢气，来自氧分离器的碱液，会溶解少量氧气，两部分碱液混合后，进入电解槽的阴极电解小室和阳极电解小室，溶解在碱液中的氧气会影响阴极电解小室氢气的纯度，溶解在碱液中的氢气会影响阳极电解小室氧气的纯度，电解槽低负荷操作时，产气量小，这种影响越明显，既降低氢气和氧气纯度，又存在安全隐患，还导致低负荷下(＜30％负荷)，碱性电解制氢设备不能运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统及控制方法，以解决碱液中的溶解气体影响电解槽阴阳极气体纯度以及安全性问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统包括氢分离器、氧分离器、碱液循环泵、电解槽，所述氢分离器、氧分离器的出液口分别通过管路依次连接碱液循环泵、电解槽进液口，所述电解槽出气口分别通过管路连接至氢分离器、氧分离器的进气口，在现有技术的基础上，本发明进一步作出如下改进：还包括氢侧缓冲罐和氧侧缓冲罐，所述氢侧缓冲罐的进液口连接氢分离器的出液口，所述氢侧缓冲罐的出液口连接碱液循环泵，所述氧侧缓冲罐的进液口连接氧分离器的出液口，所述氧侧缓冲罐的出液口连接碱液循环泵，所述氢侧缓冲罐具有氢排气口，所述氧侧缓冲罐具有氧排气口。
优选的，还包括氢侧液位控制器和氧侧液位控制器，所述氢侧液位控制器设置在氢分离器和氢侧缓冲罐之间的管路上，所述氧侧液位控制器设置在氧分离器和氧侧缓冲罐之间的管路上。
优选的，还包括第一压力控制器和第二压力控制器，所述第一压力控制器设置在氢侧缓冲罐氢排气口所在的管路上，所述第二压力控制器设置在氧侧缓冲罐氧排气口所在的管路上。
优选的，还包括第三压力控制器和第四压力控制器，所述第三压力控制器设置在氢分离器出气口所在的管路上，所述第四压力控制器设置在氧分离器出气口所在的管路上。
优选的，所述第四压力控制器控制氧分离器出气口压力在1.6-3.2Mpa，所述第三压力控制器控制氢分离器出气口压力在1.6-3.2Mpa，且所述第三压力控制器控制氢分离器出气口压力高于氧分离器出气口压力0.5-1kpa。
优选的，所述氢侧缓冲罐内部压力通过第一压力控制器控制为＜0.01Mpa，所述氧侧缓冲罐内部压力通过第二压力控制器控制为＜0.01Mpa。
本发明还提供一种高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统控制方法，所述控制方法步骤如下：
1)电解后的碱液分两部分从电解槽中出来，一部分伴随氢气从电解槽阴极出来，到氢分离器进行气液分离，分离出的氢气送到下游；
2)氢分离器分离出的碱液送到氢侧缓冲罐减压后，溶解在碱液中的气体在氢侧缓冲罐进行释放，所述气体包括大部分氢气，还有微量氧气，所述气体从氢侧缓冲罐的氢排出口放空；
3)释放气体后的碱液从氢侧缓冲罐送至碱液循环泵；
4)电解后的另一部分碱液，伴随氧气从电解槽阳极出来，到氧分离器进行气液分离，分离出的氧气送到下游；
5)氧分离器分离出的碱液送到氧侧缓冲罐后，溶解在碱液中的气体在氧缓冲罐进行释放，所述气体包括大部分氧气，还有微量氢气，所述气体从氧侧缓冲罐的氧排出口放空；
6)释放气体后的碱液从氧侧缓冲罐送至碱液循环泵；
7)来自氢侧缓冲罐和氧侧缓冲罐的碱液在碱液循环泵混合后，通过碱液循环泵回到电解槽的阴极和阳极电解小室，再次进行电解，完成一个循环。
优选的，所述氧分离器的压力控制在1.6-3.2MPa，所述氢分离器的压力控制在1.6-3.2MPa，且控制所述氢分离器的压力高于氧分离器压力0.5-1kpa。
优选的，所述步骤1氢侧缓冲罐压力＜0.01Mpa，所述步骤5氧侧缓冲罐压力＜0.01Mpa。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
有效解决了氢气通过碱液进入阳极电解小室以及氧气通过碱液进入阴极电解小室的问题，避免氢氧相互混合，提高了设备运行的安全性；可提高电解槽阴极侧氢气纯度和阳极侧氧气的纯度；提高了低负荷运行下氢气的纯度，解决了碱性电解制氢设备不能低负荷运行的问题，拓宽了碱性电解制氢设备的负荷运行区间。
附图说明
图1为现有技术电解水碱液循环系统结构示意图；
图2为本发明电解水碱液循环系统结构示意图。
图中：氢分离器1、氧分离器2、碱液冷却器3、碱液流量计4、碱液循环泵5、电解槽6、第一温度计7、第二温度计8、氢侧缓冲罐9、氧侧缓冲罐10、氢排气口90、氧排气口100、氢侧液位控制器11、氧侧液位控制器12、第一压力控制器13、第二压力控制器14、第三压力控制器15、第四压力控制器16。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
请参阅图2，本发明提供一种高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统，包括氢分离器1、氧分离器2、碱液冷却器3、碱液流量计4、碱液循环泵5、电解槽6，所述氢分离器1、氧分离器2的出液口分别通过管路依次连接碱液循环泵5、碱液冷却器3、碱液流量计4、电解槽6进液口，所述电解槽6出气口分别通过管路连接至氢分离器1、氧分离器2的进气口，所述电解槽6出气口与氢分离器1进气口连接的管路上还设有第一温度计7，电解槽6出气口与氧分离器2进气口连接的管路上还设有第二温度计8。本实施例的电解水碱液循环系统还包括氢侧缓冲罐9和氧侧缓冲罐10，所述氢侧缓冲罐9的进液口连接氢分离器1的出液口，所述氢侧缓冲罐9的出液口连接碱液循环泵5，所述氧侧缓冲罐10的进液口连接氧分离器2的出液口，所述氧侧缓冲罐10的出液口连接碱液循环泵5，所述氢侧缓冲罐9具有氢排气口90，所述氧侧缓冲罐10具有氧排气口100。所述氢侧缓冲罐9和氧侧缓冲罐10起到对气液分离后的碱液暂存和释压的作用，释压后碱液中混杂的气体排出缓冲罐，然后再循环回到电解槽，一方面避免碱液中混杂的氢气和氧气进入电解槽，提高了系统安全性；一方面也提高了氢气和氧气的纯度。
作为本实施例的一个优选实施方式，所述电解水碱液循环系统还包括氢侧液位控制器11和氧侧液位控制器12，所述氢侧液位控制器11设置在氢分离器1和氢侧缓冲罐9之间的管路上，所述氧侧液位控制器12设置在氧分离器2和氧侧缓冲罐10之间的管路上。所述氢侧液位控制器11用于控制氢分离器1的液位，所述氧侧液位控制器12用于控制氧分离器2的液位。
作为本实施例的一个优选实施方式，所述电解水碱液循环系统还包括第一压力控制器13和第二压力控制器14，所述第一压力控制器13设置在氢侧缓冲罐9的氢排气口90所在的管路上，所述第二压力控制器14设置在氧侧缓冲罐10的氧排气口100所在的管路上。所述氢侧缓冲罐9内部压力通过第一压力控制器13控制为＜0.01Mpa(微正压)，所述氧侧缓冲罐10内部压力通过第二压力控制器14控制为＜0.01Mpa(微正压)。
作为本实施例的一个优选实施方式，所述电解水碱液循环系统还包括第三压力控制器15和第四压力控制器16，所述第三压力控制器15设置在氢分离器1出气口所在的管路上，所述第四压力控制器16设置在氧分离器2出气口所在的管路上。所述第四压力控制器16控制氧分离器2出气口压力在1.6-3.2Mpa；所述第三压力控制器15控制氢分离器1出气口压力在1.6-3.2Mpa，且高于氧分离器2出气口压力0.5-1kpa。
本实施例的高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统的控制方法如下：
1)电解后的碱液分两部分从电解槽6中出来，一部分伴随氢气从电解槽6阴极出来，到氢分离器1进行气液分离，并通过第三压力控制器15控制氢分离器1的压力在1.6-3.2MPa，且高于氧分离器2的压力0.5-1kpa将氢气送到下游；
2)通过氢侧液位控制器11控制氢分离器1的液位，并将碱液送到氢侧缓冲罐9，控制氢侧缓冲罐9压力＜0.01Mpa(微正压)，氢分离器1的碱液到氢侧缓冲罐9减压后，溶解在碱液中的气体(大部分为氢气，含有微量氧气)在此进行释放，通过第一压力控制器13控制氢侧缓冲罐9的压力并将释放的气体放空；
3)释放气体后的碱液从氢侧缓冲罐9送至碱液循环泵5；
4)电解后的另一部分碱液，伴随氧气从电解槽6阳极出来，到氧分离器2进行气液分离，并通过第四压力控制器16控制氧分离器2的压力在1.6-3.2MPa，将氧气送到下游，保持氢分离器1的压力比氧分离器2压力高0.5-1kpa左右；
5)通过氧侧液位控制器12控制氧分离器2的液位，并将碱液送到氧侧缓冲罐10，氧侧缓冲罐10压力＜0.01Mpa(微正压)，氧分离器2的碱液到氧侧缓冲罐10减压后，溶解在碱液中的气体(大部分为氧气，含有微量氢气)在此进行释放，通过第二压力控制器14控制氧侧缓冲罐10的压力并将释放的气体放空；
6)释放气体后的碱液从氧侧缓冲罐10送至碱液循环泵5；
7)来自氢侧缓冲罐9和氧侧缓冲罐10的碱液，在碱液循环泵5混合后，通过碱液循环泵5、碱液冷却器3、碱液流量计4回到电解槽6的阴极和阳极电解小室，再次进行电解，完成一个循环。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统，包括氢分离器、氧分离器、碱液循环泵、电解槽，所述氢分离器、氧分离器的出液口分别通过管路依次连接碱液循环泵、电解槽进液口，所述电解槽出气口分别通过管路连接至氢分离器、氧分离器的进气口，其特征在于：还包括氢侧缓冲罐和氧侧缓冲罐，所述氢侧缓冲罐的进液口连接氢分离器的出液口，所述氢侧缓冲罐的出液口连接碱液循环泵，所述氧侧缓冲罐的进液口连接氧分离器的出液口，所述氧侧缓冲罐的出液口连接碱液循环泵，所述氢侧缓冲罐具有氢排气口，所述氧侧缓冲罐具有氧排气口。
2.根据权利要求1所述的高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统，其特征在于：还包括氢侧液位控制器和氧侧液位控制器，所述氢侧液位控制器设置在氢分离器和氢侧缓冲罐之间的管路上，所述氧侧液位控制器设置在氧分离器和氧侧缓冲罐之间的管路上。
3.根据权利要求1所述的高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统，其特征在于：还包括第一压力控制器和第二压力控制器，所述第一压力控制器设置在氢侧缓冲罐氢排气口所在的管路上，所述第二压力控制器设置在氧侧缓冲罐氧排气口所在的管路上。
4.根据权利要求1所述的高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统，其特征在于：还包括第三压力控制器和第四压力控制器，所述第三压力控制器设置在氢分离器出气口所在的管路上，所述第四压力控制器设置在氧分离器出气口所在的管路上。
5.根据权利要求4所述的高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统，其特征在于：所述第四压力控制器控制氧分离器出气口压力在1.6-3.2Mpa，所述第三压力控制器控制氢分离器出气口压力在1.6-3.2Mpa，且所述第三压力控制器控制氢分离器出气口压力高于氧分离器出气口压力0.5-1kpa。
6.根据权利要求3所述的高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统，其特征在于：所述氢侧缓冲罐内部压力通过第一压力控制器控制为＜0.01Mpa，所述氧侧缓冲罐内部压力通过第二压力控制器控制为＜0.01Mpa。
7.一种高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统控制方法，其特征在于，所述控制方法步骤如下：
1)电解后的碱液分两部分从电解槽中出来，一部分伴随氢气从电解槽阴极出来，到氢分离器进行气液分离，分离出的氢气送到下游；
2)氢分离器分离出的碱液送到氢侧缓冲罐减压后，溶解在碱液中的气体在氢侧缓冲罐进行释放，所述气体包括大部分氢气，还有微量氧气，所述气体从氢侧缓冲罐的氢排出口放空；
3)释放气体后的碱液从氢侧缓冲罐送至碱液循环泵；
4)电解后的另一部分碱液，伴随氧气从电解槽阳极出来，到氧分离器进行气液分离，分离出的氧气送到下游；
5)氧分离器分离出的碱液送到氧侧缓冲罐后，溶解在碱液中的气体在氧缓冲罐进行释放，所述气体包括大部分氧气，还有微量氢气，所述气体从氧侧缓冲罐的氧排出口放空；
6)释放气体后的碱液从氧侧缓冲罐送至碱液循环泵；
7)来自氢侧缓冲罐和氧侧缓冲罐的碱液在碱液循环泵混合后，通过碱液循环泵回到电解槽的阴极和阳极电解小室，再次进行电解，完成一个循环。
8.根据权利要求7所述的高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统控制方法，其特征在于：所述氧分离器的压力控制在1.6-3.2MPa，所述氢分离器的压力控制在1.6-3.2MPa，且控制所述氢分离器的压力高于氧分离器压力0.5-1kpa。
9.根据权利要求7所述的高氢气纯度、高安全的电解水碱液循环系统控制方法，其特征在于：所述步骤1氢侧缓冲罐压力＜0.01Mpa，所述步骤5氧侧缓冲罐压力＜0.01Mpa。
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