一种宽功率电解水制氢系统的制作方法

本申请涉及电解制氢的领域，尤其是涉及一种宽功率电解水制氢系统。

背景技术：

目前，在新能源体系中，氢能是一种理想的二次能源，与其他能源相比，氢热值高，且燃烧产物为水，是最环保的能源。既能以气、液相的形式存储在高压罐中，也能以固相的形式储存在储氢材料中，因此，氢被认为是最有希望取代传统化石燃料的能源载体。目前，制氢的方法主要包括煤制氢、天然气重整制氢等，其中，通过水电解方式不仅无污染且获得的氢气纯度较高。但是水电解制氢存在成本高的问题，所以一直以来没有被推广应用。随着我国风电、光伏发电和潮汐发电等技术的大规模发展，利用可再生能源电解水制氢为氢能提供了绿色、低碳、低成本、可持续的生产方式。

然而由于风电、光伏等电源的波动性，对电解水制氢系统的耐功率波动范围和系统控制提出了更高的要求。公布号为cn111826669a的专利公开了具有宽功率波动适应性的大型电解水制氢系统及控制方法，其通过在并联的每个电解水制氢模组中设置多个不同功率等级的电解水制氢模组，该方案采用了灵活搭配不同功率等级电解水制氢模组的系统架构，有利于使各电解水制氢设备在宽功率波动条件下均处于最佳工作点附近，因此能够提升大型电解水在各输入工况下的制氢能耗效率，大幅提升电解水制氢系统的宽功率波动适应性。

相关的，水电解制氢技术中催化剂的使用也是造成该技术成本高的重要原因之一，中国科学技术大学的近期研究成果中将原先板状、片状的铂金属催化剂巧妙设计成了遍布针尖的“松球结构”催化剂，在保持催化制氢效果不变的情况下，与商业铂碳催化剂相比，铂金属的用量仅有原来的七十五分之一，大大降低了催化剂的成本。围绕该技术的进一步研究是需要做的工作，因此，如何设计一种既具有宽功率波动适用性，且更加高效节约的电解水制氢系统是需要解决的技术问题。

技术实现要素：

为了改善电解水制氢成本高、耐功率波动范围小的技术问题，本申请提供一种宽功率电解水制氢系统。

本申请提供的一种宽功率电解水制氢系统采用如下的技术方案：

包括多组并联的电解水制氢模组，每个电解水制氢模组中设置多个不同功率等级的电解水制氢模组，每个电解水制氢模组包括多个电解槽，每个电解槽内设置有多根铂催化棒，催化棒的外周固接有多个松果球状铂金属催化单元，催化棒通过驱动装置围绕催化棒的轴线进行转动。

通过采用上述技术方案，当电量大小变化时，可启用相应数量的电解水模组以及模组中相应数量的电解水模块，使得该系统能够适应风电和光伏电的功率波动；催化棒的外周固接有多个松果球状铂金属催化单元极大的增加了催化剂与碱性电解溶液中的反应物的接触面积；当催化棒在电解槽内转动时，松果球状铂金属催化单元与碱性电解溶液产生相对运动，使得催化单元表面产生的氢气或氧气气泡及时与催化剂脱离，从而使得碱性电解溶液能够更充分高效的与催化剂接触产生反应，进而提高反应速度。

可选的，相邻两根催化棒的转动方向相反。

通过采用上述技术方案，使得铂金属催化单元周围的碱性电解溶液产生相互冲击，更好的将气泡进行脱离。

可选的，每个电解槽内通过离子交换膜分隔成多个阴级反应区和阳级反应区，每个反应区的多根催化棒设置至少两排，并在电解槽内呈等间距梅花状布置。

通过采用上述技术方案，充分利用电解槽内空间，减小设备尺寸，提高反应效能。

可选的，电解槽设置有封闭的槽顶板，驱动装置安装在槽顶板的上表面，驱动装置的转轴与催化棒同轴连接，转轴与催化棒的接口处设置有绝缘段，通电导线与催化棒露出槽顶板部分的周壁抵接。

通过采用上述技术方案，实现了催化棒既能转动又能处于通电状态进行催化反应。

可选的，电解槽的槽顶板下表面与离子交换膜对应位置固接多道隔断板，水平穿过隔断板的氢气收集管将氢气收集至氢气气液分离器，水平穿过隔断板的氧气收集管将氧气收集至氧气气液分离器。

通过采用上述技术方案，实现氢气氧气的分别回收，避免二者混合。

可选的，松果球状铂金属催化单元包括垂直固接于催化棒外周面的中心杆以及中心杆外周面固接的多层花瓣状的反应片。

通过采用上述技术方案，极大的增加了催化剂与碱性电解溶液中的反应物的接触面积，而且反应片基本处于竖直状态，方便气泡的排出。

可选的，所述电解槽的槽内底部设置有将碱性电解溶液从底部向上流动的扇叶装置；

通过采用上述技术方案，不仅进一步使得催化剂表面产生的气泡及时与催化剂脱离，而且能够使产生的气泡快速上升至碱性电解溶液表面，从而进一步提高反应速度，提高效率。

可选的，所述电解槽连通有净化器，电解槽内碱性电解溶液通过净化器净化后用循环泵泵入电解槽内。

通过采用上述技术方案，由于电解槽内的碱性电解溶液一直处于运动状态，容易与电解槽的槽壁及槽内其它设施产生反应形成杂质，影响了碱性电解溶液的浓度，且形成的杂质附着在铂金属催化单元表面，造成催化效果的降低，因此，通过将电解槽内溶液进行净化，然后再泵入电解槽，使得溶液接近最佳的浓度，保证了氢气反应的正常进行。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过设置并联的多个电解水模组以及不同功率的电解槽，使得该系统能够适应风电和光伏电的功率波动；催化棒及松果球状铂金属催化单元的设置使得催化剂与碱性电解溶液中接触面积增加；催化棒在电解槽内转动时，松果球状铂金属催化单元与碱性电解溶液产生相对运动，使得催化单元表面产生的氢气或氧气气泡及时与催化剂脱离，从而使得碱性电解溶液能够更充分高效的与催化剂接触产生反应，进而提高反应速度；

2.通过设置扇叶装置，进一步使得催化剂表面气泡及时脱离，而且能够使产生的气泡快速上升至碱性电解溶液表面，从而进一步提高反应速度，提高效率；

3.通过设置净化器，将电解槽内溶液进行净化，然后再泵入电解槽，使得溶液接近最佳的浓度和纯度，保证了氢气反应的正常进行。

附图说明

图1是宽功率电解水制氢系统整体示意图；

图2是电解槽的结构示意图；

图3是图2中a部分的局部放大示意图；

图4是重点体现电解槽内梅花状布置催化棒和碱性电解溶液净化循环路径的结构示意图（俯视图）。

附图标记说明：1、催化棒；11、中心杆；12、反应片；2、离子交换膜；3、驱动装置；4、导电弹片；5、槽顶板；6、隔断板；71、氢气收集管；72、氧气收集管；8、扇叶装置；81、扇叶片；82、防水型驱动电机；91、排液管；92、进液管。

具体实施方式

以下结合附图1-2对本申请作进一步详细说明。

本申请公开的一种宽功率电解水制氢系统，参照图1，包括整流变压器和多组并联的电解水制氢模组，每个电解水制氢模组中设置多个不同功率等级电解槽，风电和光伏电等经过整流变压器转化成直流电后传送给电解水制氢模组；制氢系统还包括氢气气液分离器、氧气气液分离器、氢气冷却器和氧气冷却器。电解水制氢模组反应制出的氢气依次通过氢气气液分离器进行水分分离，再经过氢气冷却器进行洗涤和冷却，最后进行储藏。电解水制氢模组反应制出的氧气依次通过氧气气液分离器进行水分分离，再经过氧气冷却器进行洗涤和冷却，最终进行储藏。此外，制氢系统还包括用于将电解槽内碱性电解溶液净化处理的净化器。净化器上还连接有用于补充碱性电解溶液的补液器。

参照图2，每个电解槽通过离子交换膜2分隔成多个阴级和阳级反应区，每个反应区内均设置有多根铂催化棒1，催化棒1的外周固接有多个松果球状铂金属催化单元。如图3所示，松果球状铂金属催化单元包括垂直固接于催化棒1外周面的中心杆11以及中心杆11外周面固接的多层花瓣状的反应片12。多层反应片12沿中心杆11轴向排布，每层设置有3-6个反应片12，呈花瓣状均匀的固接在中心杆11外周面。

结合图2与图3，电解槽设置有封闭的槽顶板5，所有催化棒1伸出槽顶板5并通过驱动装置3围绕催化棒1的轴线进行转动。驱动装置3可以是安装在槽顶板5的上表面电机，驱动装置3的转轴与催化棒1同轴连接，转轴与催化棒1的接口处设置有绝缘段，通电导线与催化棒1露出槽顶板5部分的周壁抵接。较佳地，可以设置导电弹片4，导电弹片4的一端与通电导线连接并固定在电解槽顶板5上，另一端抵压在催化棒1的周壁上。参考图4，每个阴极反应区和每个阳级反应区的多根催化棒1可以设置为两排或多排，为了节约空间，多排催化棒1在电解槽内呈等间距梅花状布置。为了提高碱性电解溶液对催化单元表面的冲击，相邻的两根催化棒1的转动方向相反。

回看图2，电解槽的槽顶板5下表面与离子交换膜2对应位置固接多道隔断板6，隔断板6的底部伸入碱性电解溶液中，并与电解离子交换膜2连接。隔断板6将电解槽顶部空间分隔成多个独立空间，避免生成的氢气和氧气混合。氢气收集管71与氧气收集管72水平穿过多道隔断板6，氢气收集管71在氢气反应区开设进气口，氧气收集管72在氧气反应区开设进气口。氢气收集管71与氢气气液分离器连通，氧气收集管72与氧气气液分离器连通。

为了将碱性电解溶液中的气体加速排出，在电解槽的槽内底部安装有将碱性电解溶液从底部向上流动的扇叶装置8，扇叶装置8包括扇叶片81和防水型驱动电机82。

如图4所示，电解槽连通有净化器，电解槽内碱性电解溶液通过净化器净化后用循环泵泵入电解槽内。每个反应区的两个相对的电解槽槽壁上分别开设有排液口和进液口，所有排液口均设置在贴近槽底板位置，排液口采用排液管91连通后与净化器连接。所有进液口均设置在靠近槽顶板5的位置，采用进液管92连通后与净化器的出口连接。

本申请实施例一种宽功率电解水制氢系统的实施原理为：当电量较大时，启用所有的电解水模组以及模组中所有的电解槽；当电量较小时，选择部分电解水模组进行开启，根据电量大小，对不同功率的电解槽选择性开启，使得该系统能够适应风电和光伏电的功率波动；通电后的电解槽内开始产生氢气和氧气，催化棒1在电解槽内转动，松果球状铂金属催化单元与碱性电解溶液产生相对运动，使得催化单元表面产生的氢气或氧气气泡及时与催化剂脱离，在扇叶的搅动下，气泡随上升的碱性电解溶液快速排出，从而整体上提高了反应速度，提高了产氢产氧的效率。在生产一段时间后，电解槽内的碱性电解溶液中存在了较多的杂质，此时，将电解槽内的碱性电解溶液通过排液管91排至净化器，净化器将碱性电解溶液净化后再经由进液管92将碱性电解溶液通入电解槽内。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。