1.本發(fā)明屬于可再生能源水電解制氫設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置及制氫方法。

背景技術(shù)：

2.氫能是一種理想的二次能源，與其他能源相比，氫熱值高，且燃燒產(chǎn)物為水，是最環(huán)保的能源，氫能被認(rèn)為是未來人類社會的終極能源。隨著碳中和目標(biāo)的提出，清潔氫能源的發(fā)展勢在必行，可再生能源制氫可以很好利用棄風(fēng)棄光能源，使得低成本電制氫成為可能。

3.電解水過程能耗較高且由于風(fēng)電、光伏等電源的波動性，因此對電解水制氫系統(tǒng)的耐功率波動范圍和系統(tǒng)控制提出了更高的要求，另外可再生能源制氫目前還存在成本較高、經(jīng)濟性較差、系統(tǒng)配置困難、能量利用率低以及能源管理等問題，在現(xiàn)有的制氫系統(tǒng)單元中，需要配置大量的電氣元件用于電力轉(zhuǎn)換以及實體設(shè)備配置，從而造成了低能量利用率，因此高效的可再生能源制氫方式是目前急需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

4.為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本技術(shù)提出一種大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，包括：

5.電解槽，所述電解槽內(nèi)包括多個小室，在各個小室的內(nèi)部水被電解為氫氣和氧氣；

6.氣體洗滌系統(tǒng)，通過管道與所述電解槽內(nèi)每個小室連通，用于將所述電解槽產(chǎn)生的氫氣和氧氣進行氣液分離及冷卻，同時通過洗滌系統(tǒng)保證出口氣體品質(zhì)；

7.堿液循環(huán)系統(tǒng)，用于將所述氣體洗滌器中的液體與所述電解槽連通，實現(xiàn)堿液的循環(huán)利用；

8.出氣端控制系統(tǒng)，所述氣體洗滌器的出氣口經(jīng)由所述出氣端控制系統(tǒng)連接大氣或用戶，用于實現(xiàn)出氣端的智能控制。

9.進一步的，所述氣體洗滌系統(tǒng)包括：

10.氫分離洗滌器和氧分離洗滌器，所述氫分離洗滌器和所述氧分離洗滌器之間設(shè)有液位控制系統(tǒng)，通過對比兩個洗滌器的實際液位進行系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)。

11.進一步的，所述液位控制系統(tǒng)包括：

12.液位計，用于顯示所述氫分離洗滌器和所述氧分離洗滌器內(nèi)洗滌液的液位；

13.差壓變送器，用于測量所述氫分離洗滌器和所述氧分離洗滌器內(nèi)的壓力；

14.液位差控制器，用于根據(jù)液位計的顯示結(jié)果以及差壓變送器的測量結(jié)果，對系統(tǒng)各種工況進行判定，并控制出氣端控制系統(tǒng)作出相應(yīng)動作，保證系統(tǒng)長期處于安全液位范圍內(nèi)。

15.進一步的，所述堿液循環(huán)系統(tǒng)包括連接于所述氣體洗滌系統(tǒng)的出液口與所述電解槽之間的循環(huán)管道，所述循環(huán)管道上設(shè)有：

16.管道過濾器，用于防止進入電解槽的堿液中含有雜質(zhì)；

17.堿液循環(huán)泵，選用變頻泵，用于根據(jù)系統(tǒng)需求以不同轉(zhuǎn)速輸出；

18.氣動閥門，連接于堿液循環(huán)泵兩端的循環(huán)管道上，構(gòu)成所述堿液循環(huán)泵的旁路，配合堿液循環(huán)泵用于滿足系統(tǒng)不同工況下對堿液流量的需求；

19.堿液流量計，用于實時測量循環(huán)管道內(nèi)堿液的流量。

20.進一步的，所述出氣端控制系統(tǒng)包括：

21.兩個薄膜調(diào)節(jié)閥并聯(lián)成的第一調(diào)節(jié)管路，所述第一調(diào)節(jié)管路與所述氣體洗滌系統(tǒng)的出氣口連通；

22.兩個氣動球閥并聯(lián)成的第二調(diào)節(jié)管路，所述第二調(diào)節(jié)管路與大氣連通；

23.所述第一調(diào)節(jié)管路與所述第二調(diào)節(jié)管路串聯(lián)。

24.進一步的，所述氣體洗滌器的出氣口與所述第二調(diào)節(jié)管路之間還設(shè)有放空旁路，所述放空旁路上設(shè)有放空閥門。

25.進一步的，所述電解槽的極板上設(shè)置有小室電壓監(jiān)測裝置，所述氣體洗滌系統(tǒng)的出液口和出氣口設(shè)有測溫裝置，所述小室電壓監(jiān)測裝置和所述測溫裝置均與所述液位控制系統(tǒng)、所述出氣端控制系統(tǒng)電連接，參與整個裝置的自動控制。

26.進一步的，還包括：

27.補水系統(tǒng)，包括與所述氣體洗滌系統(tǒng)連接的氫側(cè)氣動閥門、氧側(cè)氣動閥門以及及后級止回閥組成；

28.冷卻水系統(tǒng)，包括與分離器的內(nèi)部盤管相連接，用于系統(tǒng)的冷卻。

29.一種如上述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置的制氫方法，包括以下步驟：

30.正常運行時，堿液在電解槽的小室內(nèi)被電解，生成氧氣和氫氣；

31.氫氣處理后輸送給用戶，氧氣處理后排入大氣；

32.運行負(fù)荷低于閾值時，出氣端控制系統(tǒng)采用單通道形式工作；

33.運行負(fù)荷高于閾值時，出氣端控制系統(tǒng)采用雙通道形式工作。

34.進一步的，還包括以下步驟：

35.正常停機時，出氣端控制系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和堿液循環(huán)系統(tǒng)均正常工作，保證電解槽內(nèi)部的氣體帶出；

36.非正常停機時，根據(jù)氫、氧不同的液位差值進行判斷，當(dāng)氫側(cè)液位低于下限連鎖值時，按照正常停機邏輯執(zhí)行；當(dāng)氫側(cè)液位進一步低于聯(lián)鎖值一定液位后，或氧側(cè)液位高于上限聯(lián)鎖值時，關(guān)閉氫氧側(cè)后級的氣動閥門，使系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，避免氫氧串氣。

37.本發(fā)明提出的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于：

38.通過在氫、氧氣出口設(shè)計雙調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)大容量制氫設(shè)備的寬功率調(diào)節(jié)變化時的全工況響應(yīng)，同時原三通閥設(shè)計修改為雙直通球閥可以進一步提升系統(tǒng)的安全性；

39.通過采用變頻泵以及旁路自動球閥設(shè)計，改變離心泵轉(zhuǎn)速來改變泵的特性曲線位置，最大化匹配電解槽的不同氣量條件下的堿液需求流量，該方法沒有附加的能量損失，經(jīng)濟高效，同時可以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)，提升了系統(tǒng)的寬功率波動適應(yīng)性；

40.通過區(qū)分氫氧液位的不同條件，提升系統(tǒng)停機的安全性，同時采用液位分檔的方式，對系統(tǒng)的不同異常工況加以判定，最大化保證了系統(tǒng)波動工況下的系統(tǒng)安全；

41.通過同時監(jiān)測單個小室的電壓可以有效判斷系統(tǒng)流量分布、反應(yīng)情況，有效輔助系統(tǒng)的安全運行，同時可減少人員的操作進一步提升了安全性能。

附圖說明

42.圖1為本發(fā)明制氫裝置的原理框架圖；

43.圖2為本發(fā)明電解槽槽壓調(diào)節(jié)的原理示意圖；

44.圖3為本發(fā)明液位控制系統(tǒng)的原理示意圖；

45.圖4為本發(fā)明冷卻水系統(tǒng)的原理示意圖；

46.圖5為本發(fā)明整流輸出的原理示意圖；

47.圖6為本發(fā)明補水系統(tǒng)的原理示意圖。

48.附圖序號及名稱：1、電解槽，2、氫氣分離洗滌器，3、氧氣分離洗滌器，4、氫側(cè)氣水分離器，5、氧側(cè)氣水分離器，6、管道過濾器，7、堿液循環(huán)泵，8、堿液流量計，9、小室電壓測試系統(tǒng)，10、電解槽氫側(cè)出口壓力變送器，11、電解槽氧側(cè)出口壓力變送器，12、電解槽氫側(cè)出口鉑電阻，13、電解槽氧側(cè)出口鉑電阻，14、氫分離洗滌器第一液位計，15、氫分離洗滌器第一差壓變送器，16、氫分離洗滌器第二差壓變送器，17、氧分離洗滌器液位計，18、氧分離洗滌器第一差壓變送器，19、氧分離洗滌器第二差壓變送器，20、液位差控制器，21、氫分離洗滌器第二液位計，22、氫分離洗滌器第三差壓變送器，23、氧分離洗滌器第二液位計，24、氧分離洗滌器第三差壓變送器，25、氫分離洗滌器第一溫度計/鉑電阻，26、氧分離洗滌器第一溫度計/鉑電阻，27、氫分離洗滌器第二溫度計/鉑電阻，28、氧分離洗滌器第二溫度計/鉑電阻，29、氫純化前壓力變送器，30、氧純化前壓力變送器，31、氫側(cè)第一氣動球閥，32、氫側(cè)第一薄膜調(diào)節(jié)閥，33、氫側(cè)第二氣動球閥，34、氫側(cè)第二薄膜調(diào)節(jié)閥，35、氫側(cè)旁路放空閥門，36、氧側(cè)第一薄膜調(diào)節(jié)閥，37、氧側(cè)第一氣動球閥,38、氧側(cè)第一薄膜調(diào)節(jié)閥，39、氧側(cè)第一氣動球閥，40、氧側(cè)旁路放空閥，41、系統(tǒng)壓力變送器，42、管道過濾器進口閥門，43、泵進口鉑電阻，44、循環(huán)泵進口閥門，45、循環(huán)泵出口閥門，46、循環(huán)泵出口止回閥，47、堿液流量計后級閥門，48、電解槽進口鉑電阻，49、氫側(cè)補水氣動閥門，50、氧側(cè)補水氣動閥門，51、冷卻水旁路氣動閥門，52、冷卻水旁路球閥,53、冷卻水主路薄膜調(diào)節(jié)閥，54、氣動閥門。

具體實施方式

49.為使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步的說明。

50.如圖1所示，本技術(shù)提出的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其具體包括：

51.氫、氧氣體系統(tǒng)

52.從電解槽出來的氫氣和堿液混合物一起通過極框上陰極側(cè)的出氣孔流過氫氣道，匯集后進入氫分離器，在重力作用下進行氣液分離，分離出的氫氣進入氫氣換熱器冷卻，再進入氫氣洗滌器進行冷卻、洗滌，經(jīng)捕滴網(wǎng)捕滴，進入氫側(cè)氣水分離器進行最后一步氣水分離，從而最大限度減少氣體中的含堿量和含水量，最終經(jīng)氫側(cè)薄膜調(diào)節(jié)閥排出，進入后級氫氣純化裝置進行處理或放空。

53.氧氣處理過程參照上述氫氣處理過程。

54.堿液循環(huán)系統(tǒng)

55.氫、氧分離器中的電解液經(jīng)連通管匯集，電解液經(jīng)堿液換熱器冷卻并流經(jīng)管道過濾器去除機械雜質(zhì)進入堿液循環(huán)泵，在堿液循環(huán)泵的作用下，經(jīng)流量開關(guān)打入電解槽，電解后分別流至氫、氧分離器，形成閉環(huán)系統(tǒng)。

56.控制系統(tǒng)

57.制氫設(shè)備和氫氣純化設(shè)備共同使用一套plc(西門子系列)控制，對裝置的主要參數(shù)：壓力、溫度、氫氧液位差可進行自動調(diào)節(jié)。對制氫裝置的工作壓力、溫度、氫液位、氧液位、氫氣純度和氧氣純度能集中顯示。若氫閥后壓力、冷卻水壓力、氣源壓力、氫氧液位上下限、氫氧純度產(chǎn)生一定的偏差時能自動聲光報警：

58.當(dāng)氫側(cè)液位低于下限連鎖值時，按照正常停機邏輯執(zhí)行；當(dāng)氫側(cè)液位進一步低于聯(lián)鎖值一定液位后，或氧側(cè)液位高于上限聯(lián)鎖值時，關(guān)閉氫氧側(cè)后級的氣動閥門，使系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，避免氫氧串氣

59.若裝置的主要參數(shù)壓力、溫度、氫氧液位、堿液循環(huán)量、氣源壓力偏離正常值太大，又不能及時處理時，該裝置能自動聲光報警停車；為了進一步提高本裝置的安全運行系數(shù)，裝置的主要參數(shù)壓力，設(shè)置了雙重獨立系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)壓力控制失靈，裝置的運行狀態(tài)達到危險值時，該獨立系統(tǒng)可使裝置自動聲光報警并聯(lián)鎖停車。

60.保證各設(shè)備及系統(tǒng)在啟停、運行及事故情況下的工藝參數(shù)顯示，同時也要保證系統(tǒng)各設(shè)備的正常啟停、安全運行及事故報警功能，實現(xiàn)系統(tǒng)及各設(shè)備自動控制和聯(lián)鎖功能，數(shù)據(jù)共享。

61.氫氣純化設(shè)備通過plc控制，實現(xiàn)干燥器的自動切換，氫氣純度和露點的檢測，干燥塔的溫度顯示、控制，純度及露點的超限連鎖等。氫氣純化裝置通過plc控制三臺干燥器的自動切換、再生溫度、再生時間。通過安裝在純化裝置出口的微量氧分析儀、露點儀，在線監(jiān)測氫氣中的氧含量和露點值，當(dāng)在線數(shù)值超過設(shè)定值時，plc控制純化裝置出口處的氣動球閥自動切換，把不合格的氫氣放空。

62.對照圖2-圖6，本技術(shù)控制系統(tǒng)的工作原理如下：

63.水電解制氫單元部分的自動控制系統(tǒng)主要任務(wù)是在裝置運行時，對系統(tǒng)壓力、溫度進行自動調(diào)節(jié)及控制，以保持系統(tǒng)壓力及溫度的穩(wěn)定；對氫、氧液位進行調(diào)節(jié)，使氫液位、氧液位始終保持平衡；根據(jù)制氫裝置的實際運行狀態(tài)自動進行整流輸出的電流給定；裝置運行時根據(jù)一定的條件能對裝置的補水進行自動控制；能對水電解后產(chǎn)出的氫氣及氧氣純度進行在線分析，并根據(jù)氣體純度自動判斷是否使氫氣進入下一工藝流程；當(dāng)裝置運行異常時及時發(fā)出報警信號，如果裝置的主要受控參數(shù)超出規(guī)定的極限值時，自動發(fā)出連鎖信號切斷整流柜輸出直流電流，使電解槽停止工作。本自動控制系統(tǒng)還設(shè)置了槽壓的二次保護功能，即當(dāng)自動控制系統(tǒng)失靈時，槽壓的超上限信號通過防爆電接點壓力表或壓力開關(guān)直接聯(lián)鎖整流柜直流電流輸出，從而保障裝置的安全穩(wěn)定運行。

64.綜上，僅為本發(fā)明之較佳實施例，不以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡依本發(fā)明專利范圍及說明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆為本發(fā)明專利涵蓋的范圍之內(nèi)。技術(shù)特征：

1.一種大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于，包括：電解槽，所述電解槽內(nèi)包括多個小室，在各個小室的內(nèi)部水被電解為氫氣和氧氣；氣體洗滌系統(tǒng)，通過管道與所述電解槽內(nèi)每個小室連通，用于將所述電解槽產(chǎn)生的氫氣和氧氣進行氣液分離及冷卻，同時通過洗滌系統(tǒng)保證出口氣體品質(zhì)；堿液循環(huán)系統(tǒng)，用于將所述氣體洗滌器中的液體與所述電解槽連通，實現(xiàn)堿液的循環(huán)利用；出氣端控制系統(tǒng)，所述氣體洗滌器的出氣口經(jīng)由所述出氣端控制系統(tǒng)連接大氣或用戶，用于實現(xiàn)出氣端的智能控制。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于，所述氣體洗滌系統(tǒng)包括：氫分離洗滌器和氧分離洗滌器，所述氫分離洗滌器和所述氧分離洗滌器之間設(shè)有液位控制系統(tǒng)，通過對比兩個洗滌器的實際液位進行系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于，所述液位控制系統(tǒng)包括：液位計，用于顯示所述氫分離洗滌器和所述氧分離洗滌器內(nèi)洗滌液的液位；差壓變送器，用于測量所述氫分離洗滌器和所述氧分離洗滌器內(nèi)的壓力；液位差控制器，用于根據(jù)液位計的顯示結(jié)果以及差壓變送器的測量結(jié)果，對系統(tǒng)各種工況進行判定，并控制出氣端控制系統(tǒng)作出相應(yīng)動作，保證系統(tǒng)長期處于安全液位范圍內(nèi)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于，所述堿液循環(huán)系統(tǒng)包括連接于所述氣體洗滌系統(tǒng)的出液口與所述電解槽之間的循環(huán)管道，所述循環(huán)管道上設(shè)有：管道過濾器，用于防止進入電解槽的堿液中含有雜質(zhì)；堿液循環(huán)泵，選用變頻泵，用于根據(jù)系統(tǒng)需求以不同轉(zhuǎn)速輸出；氣動閥門，連接于堿液循環(huán)泵兩端的循環(huán)管道上，構(gòu)成所述堿液循環(huán)泵的旁路，配合堿液循環(huán)泵用于滿足系統(tǒng)不同工況下對堿液流量的需求；堿液流量計，用于實時測量循環(huán)管道內(nèi)堿液的流量。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于，所述出氣端控制系統(tǒng)包括：兩個薄膜調(diào)節(jié)閥并聯(lián)成的第一調(diào)節(jié)管路，所述第一調(diào)節(jié)管路與所述氣體洗滌系統(tǒng)的出氣口連通；兩個氣動球閥并聯(lián)成的第二調(diào)節(jié)管路，所述第二調(diào)節(jié)管路與大氣連通；所述第一調(diào)節(jié)管路與所述第二調(diào)節(jié)管路串聯(lián)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于：所述氣體洗滌器的出氣口與所述第二調(diào)節(jié)管路之間還設(shè)有放空旁路，所述放空旁路上設(shè)有放空閥門。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于：所述電解槽的極板上設(shè)置有小室電壓監(jiān)測裝置，所述氣體洗滌系統(tǒng)的出液口和出氣口設(shè)有測溫裝置，所述小室電壓監(jiān)測裝置和所述測溫裝置均與所述液位控制系統(tǒng)、所述出氣端控制系統(tǒng)電連接，參與整個裝置的自動控制。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于，還包括：

補水系統(tǒng)，包括與所述氣體洗滌系統(tǒng)連接的氫側(cè)氣動閥門、氧側(cè)氣動閥門以及及后級止回閥組成；冷卻水系統(tǒng)，包括與分離器的內(nèi)部盤管相連接，用于系統(tǒng)的冷卻。9.一種如權(quán)利要求8任意一項所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置的制氫方法，其特征在于，包括以下步驟：正常運行時，堿液在電解槽的小室內(nèi)被電解，生成氧氣和氫氣；氫氣處理后輸送給用戶，氧氣處理后排入大氣；運行負(fù)荷低于閾值時，出氣端控制系統(tǒng)采用單通道形式工作；運行負(fù)荷高于閾值時，出氣端控制系統(tǒng)采用雙通道形式工作。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制氫方法，其特征在于，還包括以下步驟：正常停機時，出氣端控制系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和堿液循環(huán)系統(tǒng)均正常工作，保證電解槽內(nèi)部的氣體帶出；非正常停機時，根據(jù)氫、氧不同的液位差值進行判斷，當(dāng)氫側(cè)液位低于下限連鎖值時，按照正常停機邏輯執(zhí)行；當(dāng)氫側(cè)液位進一步低于聯(lián)鎖值一定液位后，或氧側(cè)液位高于上限聯(lián)鎖值時，關(guān)閉氫氧側(cè)后級的氣動閥門，使系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，避免氫氧串氣。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明提出了一種大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，包括電解槽，電解槽內(nèi)包括多個小室；氣體洗滌系統(tǒng)，通過管道與電解槽內(nèi)每個小室連通；堿液循環(huán)系統(tǒng)，用于將氣體洗滌器中的液體與電解槽連通，實現(xiàn)堿液的循環(huán)利用；出氣端控制系統(tǒng)，氣體洗滌器的出氣口經(jīng)由出氣端控制系統(tǒng)連接大氣或用戶，用于實現(xiàn)出氣端的智能控制。本發(fā)明可以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)，提升了系統(tǒng)的寬功率波動適應(yīng)性；同時采用液位分檔的方式，對系統(tǒng)的不同異常工況加以判定，最大化保證了系統(tǒng)波動工況下的系統(tǒng)安全。保證了系統(tǒng)波動工況下的系統(tǒng)安全。保證了系統(tǒng)波動工況下的系統(tǒng)安全。

技術(shù)研發(fā)人員：焦文強 李闖 譚建鑫 宋時莉 張世淵 井延偉 郝珍 肖寵 孫俊凱

受保護的技術(shù)使用者：中國船舶重工集團公司第七一八研究所

技術(shù)研發(fā)日：2022.09.27

技術(shù)公布日：2023/2/3