一种电解水制氢系统及压力控制方法与流程

本发明涉及电解水制氢测试，具体为一种电解水制氢系统及压力控制方法。

背景技术：

1、电解槽制氢系统通过电解水获得氢气和氧气。pem电解水制氢选用具备良好化学稳定性、质子传导性和气体分离性的全氟磺酸质子交换膜作为物理屏障对阴阳极介质进行分隔，能够高效的阻止电子传递，提高电解槽制氢的安全性；该制氢技术在加氢站现场制氢、可再生能源电解水制氢以及储能等领域得到了广泛应用。基于这种环境，设计一种既能保护pem电解槽质子交换膜的完整性从而制取高纯度的氧气和氢气、又能衡量pem电解槽制氢性能优劣和高效处理收集pem电解槽制取产物的pem电解槽测试系统是目前所面临至关重要的问题。

2、电解槽测试系统包括测试电源装置、电解槽制氢装置，氢气干燥装置、氧气干燥装置、氢气侧收集处理装置、氧气侧收集处理装置。对于整个电解槽测试系统和电解槽制氢装置而言，工作压力的调控既关系到电解槽测试系统的稳定性和能量消耗又会影响电解槽自身质子交换膜的使用寿命，因此采取何种方式调控整个系统的工况压力是至关重要的。目前pem电解槽测试系统及制氢装置的压力调控主要有两种方式：方法一，通过检测pem电解槽制氢系统中的氢气分离器和氧气分离器的液位平衡，实现电解水制氢测试系统中电解槽内部阴阳极室的压力平衡，避免阴阳极的压差过大导致质子交换膜受损，该方法的不足在于不能较为精准的控制电解槽的内部压力，并且对于整个测试系统而言，压力调控速度较慢，调控能力不足；方法二，通过安装压差传感器检测阴阳极分离罐的压力，进而调节阴阳极侧气罐后的阀门控制压差，该方法相较方法一其测试精度有较大提升。两种方法在电解槽制氢装置中都有广泛应用，除此之外，还可以采取辅助器械减小pem电解槽阴阳极两侧的压差进而保护质子交换膜的寿命，但该方法局限性较强，应用较少。对于整个pem电解槽测试系统的压力控制而言，要满足各种压力下的工作状况，意味着所应用的压力调控方法能够动态的调控整个测试系统的压力；不仅能够调控阴阳极两侧的运行工况压差还需保证整个测试系统能够达到稳定的高压、低压工况；高压工况可以降低pem电解槽测试系统在收集处理产物时所需的能量，避免测试系统在收集处理时需要额外提供供能装置，既能减小整个测试系统台架的体积，便于运输安装，又能够节约成本。

3、公布号为cn117107298a的中国专利文献公开了电解槽压力控制系统、电解槽压力控制方法及计算机设备，其公开了电解槽系统的基本组成：电解槽、压力检测装置、氢气分离器、氧气分离器。通过氢气分离器和氧气分离器之间的压力检测装置来对电解槽的阴阳极室压力进行控制，具体通过压力传感器对氢气分离器和氧气分离器进行实时压力检测，依据压力数据来控制氧气调节阀和氢气调节阀，进而控制两侧的压力差值，实现对质子交换膜的保护，提高电解槽制氢的纯度与氧气的纯度。该申请所述压力控制方法仅利用压力传感器配合阀门对电解槽阴阳极室压差进行调控，通过反馈回路来进行调控，当压力变化速率差异较大时，对调控方法及参数设置的要求较高，同时该申请中未具体说明参数及方法，实际应用局限性较强；且该方法应用于电解槽测试系统升压和降压过程时，仅通过阀门进行调控需要充分考虑膜所能承受的压力范围，如图1所示；无法确保稳定的进行动态升压和降压过程。

4、公布号为cn115558960a的中国专利文献公开了一种pem制氢水电解槽压力平衡舱系统，其中包括压力舱、pem制氢水电解槽、连接管路等。该系统将pem制氢水电解槽置于压力舱中，利用连接管路向压力舱中供应惰性气体提升压力舱内的压力。pem制氢电解槽在正常工作下，阴阳极室与环境的压力差将会由压力舱的压力进行弥补，减小了pem电解槽运行工况下所受的压力差，从而降低了pem电解槽对密封材料的要求。该申请利用外加装置的方法减小pem电解槽阴阳极所受的压力，对电解槽装置进行保护，其缺点在于需要安装压力舱并供应惰性气体，整个装置设备庞大，对现场的安装布局要求较高；该申请目的在于降低水电解槽密封材料的要求，因此无法稳定运行在高压工况下；且高压环境对于压力舱的制作要求较高，成本将随之提升。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何降低测试系统的整体能量消耗、节约成本，保护电解稳定性和质子交换膜的寿命。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种电解水制氢系统，包括电解槽、测试电源、氧气分离罐、氢气分离罐、阳极换热器、阴极换热器、阳极收集系统、阴极收集系统、第一背压阀、第二背压阀、压力控制装置；

4、所述测试电源与电解槽阴阳极电连接；

5、所述电解槽的氧侧出口连接氧气分离罐入口，氧气分离罐出口连接阳极换热器入口，阳极换热器出口连接阳极收集处理系统入口，通过阳极换热器出口与阳极收集处理系统入口管道上的第一背压阀对氧侧压力进行调控；

6、所述电解槽的氢侧出口连接氢气分离罐入口，氢气分离罐出口连接阴极换热器入口，阴极换热器出口连接阴极收集处理系统入口，通过阴极换热器出口与阴极收集处理系统入口管道上的第二背压阀对氢侧压力进行调控；

7、所述压力控制装置的两个入口分别连接电解槽的氧侧出口和电解槽的氢侧出口，压力控制装置根据采集到的阴阳极侧的压力调整第一背压阀和第二背压阀的开度，用于控制阴阳极两侧压差。

8、本发明不仅可以动态的进行升压使系统达到高压工况，从而降低测试系统的整体能量消耗,节约成本；而且可以动态调控升降压过程中阴阳极两侧的压差，对保护电解稳定性和质子交换膜的寿命起到了关键作用。

9、优选地，所述压力控制装置包括第一压力传感器、第二压力传感器和压差传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器分别设置在电解槽的氧侧出口和电解槽的氢侧出口，所述压差传感器连接第一压力传感器和第二压力传感器，用于监控电解槽阴阳极室的压力及压差。

10、优选地，所述阳极换热器还通过管道与阳极换热水箱连接。

11、优选地，所述阴极换热器通过管道与阴极换热水箱进行连接。

12、优选地，所述氧气分离罐和氢气分离罐分别设置有第三压力传感器和第四压力传感器。

13、优选地，所述氧气分离罐和氢气分离罐均设有温度传感器。

14、优选地，本发明还包括一种电解水制氢系统的压力控制方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

15、步骤一：设定进行调控的终端压力为p，记录阴阳极的起始压力为p0，设定压力步进值δp，设定允许步进的压差δpallow，设定压力等待时间δt；

16、步骤二：设定参数完毕后，升降和压环节开始，利用压力控制装置实时监测电解槽阴阳极的压力数值pn以及两侧的压差δpn，同时记录达到步进压力后的停留时间δt1；

17、步骤三：判断当前工况电解槽阴阳极的压差δpn是否小于允许步进的压差δpallow，若满足条件，则进行步骤四，若不满足，则调整第一背压阀和第二背压阀的开度后返回步骤一；

18、步骤四：判断压力停留时间δt1是否超过设定的压力等待时间δt，若满足条件，则进行步骤五，若不满足条件，则调整第一背压阀和第二背压阀的开度后保持压力，进行等待并再次执行步骤四；

19、步骤五：对电解槽阴阳极压力进行步进升压，步进值为δp；

20、步骤六：通过检测电解槽阴阳极当前压力是否达到步进后的压力值，若满足条件，则进行步骤七，若不满足条件，则调整第一背压阀和第二背压阀的开度并进行等待，再次执行步骤六；

21、步骤七：判断当前压力pn是否达到设定终端压力p，若满足条件，则升压或降压过程结束，系统保持终端压力p；若不满足条件，则返回步骤三。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、1、本发明能够动态的调控电解槽阴阳极室的压差以及整个测试系统的工况压力稳定性。通过设定每次的压力步进值δp，步进停留时间δt，以及允许步进的阴阳极压差δpallow，动态的对整个系统进行升压和降压。在制氢系统运行工况下，采取压力步进的方式升压可以确保电解槽内的阴阳极的压差在质子交换膜的允许范围之内，延长了质子交换膜的使用寿命，提高了制取产物的纯度；设定步进的停留时间可以在质子交换膜允许压差下分别控制电解槽的两侧的压力，使运行工况充分达到操作人员的要求，此外，步进停留时间的设定可以控制整个制氢系统达到终端压力的时间，降低了制氢系统部件对于压力持续变化带来的负荷，增强了整个系统及各部件对于压力改变的适应性，能够让整个测试系统的处于平稳的工况压力下；对允许步进的阴阳极压差进行调控能够保证在制氢系统在允许压力范围内进行快速的响应，对于追求快速的升压工况和测试系统出现问题下的降压速率有很大提升。

24、2、利用阴阳极协同控压的方式动态调控电解槽1两侧的压差处于质子交换膜允许的范围内并让测试系统压力达到高压工况下，可以利用高压工况下产物自身所具备的能量进行测试系统对产物的收集与处理，节约收集处理过程所需的能量，节约了成本，减小了整个测试系统的体积，有利于测试系统的安装布局。

25、3、阴阳极协同控压方法既能确保升压或降压过程中测试系统的稳定性和安全性；还能确保电解槽的质子交换膜的使用寿命。

26、4、该制氢系统中的阴阳极分离罐的换热器，既能作为产物收集系统的冷却装置，实现汽水分离，还能实现降压过程中的冷却辅助降压，节约时间，使系统压力快速稳定的降低到目标值，达到了一物多用的作用。