基于可再生能源的PEM电解水制氢系统及其工作方法与流程

基于可再生能源的pem电解水制氢系统及其工作方法
技术领域
1.本发明涉及氢气制备技术领域，具体讲是基于可再生能源的pem电解水制氢系统及其工作方法。


背景技术：

2.氢气是一种重要的工业用品，它广泛用于石油、化工、建材、冶金、电子、医药、电力、轻工、气象、交通等工业部门和服务部门。工业上制取氢气的方法很多，天然气石油及其制品经蒸汽转化、部分氧化制氢，煤气化制氢等，又如之前流行一时的氨分解制氢，近几年较为时髦的甲醇裂解制氢，此外，还有食盐水电解制氢及水电解制氢。在这些方法中，水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式和一定能量，则可使水分解。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75-85％，其工艺过程简单，无污染，且产品氢气的纯度高，但是水电解制氢的运行费用比较高，耗电量较大。
3.氢不仅是一种清洁能源而且也是一种优良的能源载体，具有可储的特性。储能是合理利用能量的一种方式。太阳能、风能分散间歇发电装置及电网负荷的峰谷差或有大量廉价电能都可以转化为氢能储存，供需要时再使用，这种储能方式分散灵活。氢能也具有可输的特性，如在一定条件下将电能转化为氢能，输氢较输电有一定的优越性。
4.氢能的开发与应用研究尚处于起步阶段，但随着技术进步，环境对清洁能源的要求不断提高，氢能利用是发展的必然趋势，对氢源供应的要求必将日益增加。


技术实现要素：

5.因此，为了解决上述不足，本发明在此提供基于可再生能源的pem电解水制氢系统，可对氢气压力、氧气压力、整流器电流、整流器电压、电解液温度、碱罐内的液位、水泵运行状态信号、电解液的流量信号等进行实时监控，并对工作参数进行自动控制，实现氢气制备的自动控制。
6.本发明是这样实现的，构造基于可再生能源的pem电解水制氢系统，包括电解槽、碱液箱、冷却装置、循环泵以及智能控制单元，所述冷却装置与循环泵连接通，所述循环泵进水口与冷却装置连接通，出水口与电解槽连接通；
7.所述智能控制单元包括控制器、温度传感器、高液位传感器、低液位传感器、电解液流量传感器以及终端，所述温度传感器、高液位传感器、低液位传感器、电解液流量传感器以及终端均与控制器保持连接，所述控制器与冷却装置以及循环泵保持连接，所述温度传感器探头设置在电解槽内，所述高液位传感器与低液位传感器分别设置在电解槽内上部与下部，所述电解液流量传感器设置在循环泵与电解槽连通处。
8.进一步的，还包括与电解槽的氧气侧和氢气侧连接通的氢氧分离器。
9.此设置的目的在于，氢氧分离器对电解槽电解产生的氢气与氧气进行气液分离，以保证氢气与氧气的纯度。
10.进一步的，所述氢氧分离器的碱液排出口与循环泵连接通，所述循环泵与电解槽连通处设置有过滤器。
11.此设置的目的在于，氢氧分离器分离出来的碱液在循环泵的带动下重新泵入电解槽内，以实现碱液的再利用，过滤器对碱液的杂质进行过滤，避免碱液中的杂质在电解过程中吸附在电极上，影响电极寿命。
12.进一步的，还包括探头设置在电解槽氢气侧的氢气压力传感器、探头设置在电解槽氧气侧的氧气压力传感器以及与控制器保持连接的报警装置。
13.此设置的目的在于，氢气压力传感器与氧气压力传感器对氢气、氧气的气压进行检测，并反馈至控制器内，当气压大于预设值时，控制器控制报警装置报警，以便于工作人员及时处理故障。
14.进一步的，还包括为电解槽提供电力的可再生能源发电装置。
15.进一步的，可再生能源包括太阳能、风力、潮汐能、地热能等。
16.此设置的目的在于，通过可再生能源发电装置发电为电解槽电解水制氢提供能量，不但能够大规模的有效利用可再生能源，通过大规模的可再生能源发电，实现可再生能源的能量储备和能源转换，而且为电解水制氢提供了有效的多种电源供给，为大规模电解水制氢技术提供了良好的发展前景。
17.进一步的，还包括能源管理单元、电流传感器以及电压传感器，能源管理单元与可再生能源发电装置、电解槽以及智能控制单元保持连接，所述控制器与能源管理单元保持连接，所述电流传感器与电压传感器均设置在电解槽接线电路中。
18.此设置的目的在于，电流传感器与电压传感器对电解槽的工作电流、电压实时监控，并反馈至控制器内，以便于控制器根据实际工作情况控制电流、电压的大小。
19.进一步的，还包括与控制器、能源管理单元保持连接的储能单元。
20.此设置的目的在于，能源管理单元将尚未用到的电能输送至储能单元进行储备，以便于在可再生能源发电装置无法发电的情况下继续为电解槽工作提供能量。
21.本发明具有如下优点：
22.通过各个传感器对电解槽电解制氢的各个参数进行监控，并将监控的参数以电信号的方式传输至控制器内，控制器对电信号进行判断分析，根据参数与预设参数进行比较，再控制执行机构执行相应的动作，实现了电解水制氢的智能控制；
23.通过可再生能源发电装置发电为电解槽电解水制氢提供能量，不但能够大规模的有效利用可再生能源，通过大规模的可再生能源发电，实现可再生能源的能量储备和能源转换，而且为电解水制氢提供了有效的多种电源供给，为大规模电解水制氢技术提供了良好的发展前景；
24.源管理单元将尚未用到的电能输送至储能单元进行储备，以便于在可再生能源发电装置无法发电的情况下继续为电解槽工作提供能量；
25.氢氧分离器的碱液排出口与循环泵连接通，循环泵与电解槽连通处设置有过滤器，氢氧分离器分离出来的碱液在循环泵的带动下重新泵入电解槽内，以实现碱液的再利用，过滤器对碱液的杂质进行过滤，避免碱液中的杂质在电解过程中吸附在电极上，影响电极寿命。
26.该系统的优点是能够利用可再生能源直接转化为氢能源，从而减少对化石能源的
依赖。同时，该系统产生的氢气可以作为清洁能源使用，不会产生对大气的有害物质。
附图说明
27.图1：产品结构示意图；
28.图2：电解槽结构示意图；
29.图3：智能控制单元的结构示意图
30.图中：1、可再生能源发电装置；2、能源管理单元；3、储能单元；4、电解槽；5、智能控制单元；501、控制器；502、温度传感器；503、电流传感器；504、电压传感器；505、氢气压力传感器；506、氧气压力传感器；507、终端；508、报警装置；509、电解液流量传感器；510、低液位传感器；511、高液位传感器；6、氢氧分离器；7、碱液箱；8、冷却；9、循环泵；10、过滤器。
具体实施方式
31.下面将结合附图1-图3对本发明进行详细说明，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。
32.本发明通过改进在此提供基于可再生能源的pem电解水制氢系统，包括电解槽4、碱液箱7、冷却装置8、循环泵9以及智能控制单元5，所述冷却装置8与循环泵9连接通，所述循环泵9进水口与冷却装置8连接通，出水口与电解槽4连接通；
33.所述智能控制单元5包括控制器501、温度传感器502、高液位传感器511、低液位传感器510、电解液流量传感器509以及终端512，所述温度传感器502、高液位传感器511、低液位传感器510、电解液流量传感器509以及终端512均与控制器501保持连接，所述控制器501与冷却装置8以及循环泵9保持连接，所述温度传感器502探头设置在电解槽4内，所述高液位传感器511与低液位传感器510分别设置在电解槽4内上部与下部，所述电解液流量传感器509设置在循环泵9与电解槽4连通处。
34.所述温度传感器选用pt100热电阻传感器，并带有一体化变送器，其测温范围为1～100℃，标准输出信号为0～5v。
35.在本实施例中，还包括与电解槽4的氧气侧和氢气侧连接通的氢氧分离器6，氢氧分离器6对电解槽4电解产生的氢气与氧气进行气液分离，以保证氢气与氧气的纯度。
36.在本实施例中，所述氢氧分离器6的碱液排出口与循环泵9连接通，所述循环泵9与电解槽4连通处设置有过滤器10，氢氧分离器6分离出来的碱液在循环泵9的带动下重新泵入电解槽4内，以实现碱液的再利用，过滤器10对碱液的杂质进行过滤，避免碱液中的杂质在电解过程中吸附在电极上，影响电极寿命。
37.在本实施例中，还包括探头设置在电解槽4氢气侧的氢气压力传感器505、探头设置在电解槽4氧气侧的氧气压力传感器506以及与控制器501保持连接的报警装置508，压力传感器选用标准压力传感器，并带有一体化变送器，其测量范围，为0～1.6mpa，标准输出信号为0～10ma的电流信号，氢气压力传感器505与氧气压力传感器506对氢气、氧气的气压进行检测，并反馈至控制器501内，当气压大于预设值时，控制器501控制报警装置508报警，以便于工作人员及时处理故障。
38.在本实施例中，还包括为电解槽4提供电力的可再生能源发电装置1，通过可再生能源发电装置1发电为电解槽4电解水制氢提供能量，不但能够大规模的有效利用可再生能源，通过大规模的可再生能源发电，实现可再生能源的能量储备和能源转换，而且为电解水制氢提供了有效的多种电源供给，为大规模电解水制氢技术提供了良好的发展前景。
39.在本实施例中，还包括能源管理单元2、电流传感器503以及电压传感器504，能源管理单元2与可再生能源发电装置1、电解槽4以及智能控制单元5保持连接，所述控制器501与能源管理单元2保持连接，所述电流传感器503与电压传感器504均设置在电解槽4接线电路中，电压传感器选用标准的霍尔电压传感器，并带有一体化变送器，其测量范围为1～150v，标准输出信号为0～5v，电流传感器选用标准的霍尔电流传感器，并带有一体化变送器，其测量范围为0～500a，标准输出信号为0～5v。，电流传感器503与电压传感器504对电解槽4的工作电流、电压实时监控，并反馈至控制器501内，以便于控制器501根据实际工作情况控制电流、电压的大小。
40.在本实施例中，还包括与控制器501、能源管理单元2保持连接的储能单元3，能源管理单元2将尚未用到的电能输送至储能单元3进行储备，以便于在可再生能源发电装置1无法发电的情况下继续为电解槽4工作提供能量。
41.工作原理：
42.当再生能源强度高和储能单元3处于既能充电又能放电的荷电状态时，其能量主要部分提供给电解槽用于电解水，把电能转化为氢能储存，而多余的部分能量则给储能单元3充电，从而储存在储能单元3中。
43.当再生能源辐射强度高而储能单元3处于满荷电状态时。由于储能单元3不能再充电，否则就会过充电(蓄电池过充电会加重蓄电池的水损失，加速板栅腐蚀和活性物质软化，会增加蓄电池变形的几率)，能源管理单元2会停止向储能单元3充电，全力将能量提供给电解槽4用于电解水。
44.当可再生能源强度不足，且储能单元3荷电状态不低时，系统输出能量不能满足负载的能量需求，这时就需要缓冲储能单元供给能量，能源管理单元2会将储能单元3内能量调出，输送到电解槽4用于电解水。
45.当再生能源发电装置1无能量输出且由于储能单元4长时间为负载供电，可能会处于过放状态，为了保护缓冲储能单元，能源管理单元2不工作，因而都处于关断模式，
46.电解槽4上电后，循环泵9将碱液箱7内碱液泵入电解槽5内，直至电解槽5内碱液液位达到高液位传感器511位置后，循环泵9停止将碱液箱7内碱液泵入电解槽4内，同时电解槽4将碱液电解成氢气和氧气，分别从氢气侧、氧气侧排出到氢氧分离器6内气液分离，经分离的气体自氢氧分离器6排气口排出，碱液则在循环泵9的作用下自排液口随管道重新回流到电解槽3内，当电解槽4内碱液液位低于低液位传感器510时，控制器501控制循环泵9将碱液箱7内碱液泵入电解槽4内；
47.智能控制单元5上电后，自动检测电解液温度，对启动循环泵后，当按下启动键后，智能控制单元5进入软启动状态，即根据温度与电解液电导率的关系计算最大的整流电流，在2s内将电流从0升至工作电流，然后进入控制状态；
48.在温度小于65℃时，根据温度变化决定工作电流，同时检测氢气和氧气压力，若氢气和氧气的压差大于0.3mpa报警；
49.当电解液温度超过65℃时，进入恒流控制，控制整流器电流为300a。控制器501控制冷却装置8工作，循环泵9将碱液箱7内碱液泵入到冷却装置8内，碱液经冷却装置8冷却后再注入到电解槽4内，对电解槽4内电解液降温，同时也测氢气和氧气压力。若氢气和氧气压差大于0.3mpa报警。
50.若氢气压力大于0.8mpa，逐步降低控制整流器电流，当达到0.9mp时，电流降为0a；
51.若电解液温度超过85℃，降低控制整流器电流为0并报警；
52.当运行过程中，系统发生过流、或氢气和氧气压差小于0.08mpa，报警并将电流降为0。
53.各个传感器检测得到的参数会反映在终端512上，便于工作人员掌握工作状况，同时工作人员可通过终端设置参数，以控制各个设备的工作。
54.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.基于可再生能源的pem电解水制氢系统，其特征在于，包括电解槽(4)、碱液箱(7)、冷却装置(8)、循环泵(9)以及智能控制单元(5)，所述冷却装置(8)与循环泵(9)连接通，所述循环泵(9)进水口与冷却装置(8)连接通，出水口与电解槽(4)连接通；所述智能控制单元(5)包括控制器(501)、温度传感器(502)、高液位传感器(511)、低液位传感器(510)、电解液流量传感器(509)以及终端(512)，所述温度传感器(502)、高液位传感器(511)、低液位传感器(510)、电解液流量传感器(509)以及终端(512)均与控制器(501)保持连接，所述控制器(501)与冷却装置(8)以及循环泵(9)保持连接，所述温度传感器(502)探头设置在电解槽(4)内，所述高液位传感器(511)与低液位传感器(510)分别设置在电解槽(4)内上部与下部，所述电解液流量传感器(509)设置在循环泵(9)与电解槽(4)连通处。2.根据权利要求1所述的基于可再生能源的pem电解水制氢系统，其特征在于，还包括与电解槽(4)的氧气侧和氢气侧连接通的氢氧分离器(6)。3.根据权利要求2所述的基于可再生能源的pem电解水制氢系统，其特征在于，所述氢氧分离器(6)的碱液排出口与循环泵(9)连接通，所述循环泵(9)与电解槽(4)连通处设置有过滤器(10)。4.根据权利要求3所述的基于可再生能源的pem电解水制氢系统，其特征在于，还包括探头设置在电解槽(4)氢气侧的氢气压力传感器(505)、探头设置在电解槽(4)氧气侧的氧气压力传感器(506)以及与控制器(501)保持连接的报警装置(508)。5.根据权利要求4所述的基于可再生能源的pem电解水制氢系统，其特征在于，还包括为电解槽(4)提供电力的可再生能源发电装置(1)。6.根据权利要求5所述的基于可再生能源的pem电解水制氢系统，其特征在于，还包括能源管理单元(2)、电流传感器(503)以及电压传感器(504)，能源管理单元(2)与可再生能源发电装置(1)、电解槽(4)以及智能控制单元(5)保持连接，所述控制器(501)与能源管理单元(2)保持连接，所述电流传感器(503)与电压传感器(504)均设置在电解槽(4)接线电路中。7.根据权利要求6所述的基于可再生能源的pem电解水制氢系统，其特征在于，还包括与控制器(501)、能源管理单元(2)保持连接的储能单元(3)。

技术总结
本发明公开了本发明在此提供基于可再生能源的PEM电解水制氢系统，可对氢气压力、氧气压力、整流器电流、整流器电压、电解液温度、碱罐内的液位、水泵运行状态信号、电解液的流量信号等进行实时监控，并对工作参数进行自动控制，实现氢气制备的自动控制，包括电解槽、碱液箱、冷却装置、循环泵以及智能控制单元，所述冷却装置与循环泵连接通，所述循环泵进水口与冷却装置连接通，出水口与电解槽连接通，通过各个传感器对电解槽电解制氢的各个参数进行监控，并将监控的参数以电信号的方式传输至控制器内，控制器对电信号进行判断分析，根据参数与预设参数进行比较，再控制执行机构执行相应的动作，实现了电解水制氢的智能控制。实现了电解水制氢的智能控制。实现了电解水制氢的智能控制。


技术研发人员：罗斌峰 罗钦予 张薇薇 甘新伟
受保护的技术使用者：四川金星石油化工机械设备有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/7/18