一种模块化碱性电解水制氢设备

本发明属于氢气生产，尤其涉及一种模块化碱性电解水制氢设备。

背景技术：

1、由于煤炭、石油和天然气等化石燃料的大量使用，温室效应日益严重，因此需要寻找其他清洁能源来减少温室气体的排放。氢能具有无碳、清洁、可再生、可储存和用途广泛等优点，被称为21世纪的“终极能源”。

2、目前，我国的制氢方式主要以化石燃料制氢为主，在获得氢气的同时，消耗大量化石能源。电解水制氢所占的制氢比例小，但是电解水是可再生能源大规模制氢的关键技术，“双碳”目标提出后，国内电解水制氢项目规划和推进逐步加快。碱性电解水作为最成熟的电解制氢方法在结构方面还存在一些缺点，比如电解制氢装置结构复杂和占地面积大。此外传统的碱性电解制氢装置的电解槽单体之间的电路、水路和气路之间串联，各单体之间相互影响，降低了电解制氢设备运行时的稳定性，增加了故障排除的难度。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的电解制氢装置结构复杂、占地面积大、稳定性差、故障排除、移动和运输难度大。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种模块化碱性电解水制氢设备。

2、本发明是这样实现的，一种模块化碱性电解水制氢设备，包括电解槽、plc控制室、直流电源、碱液循环系统、气体处理系统，电解槽由三个串联的模块化电解槽单体组成，电解槽可由功率不同的电解槽单体组成；plc控制室由制氢参数、制氢画面和报警画面模块组成；直流电源由三个并联的集成端口组成；碱液循环系统由碱液自动循环补充器、碱液循环管路，气液分离器组成；气体处理系统由氢气纯化装置和储氢钢瓶组成。

3、进一步，电解槽单体由多孔电极、隔膜、极板、绝缘密封垫片和端板组成。

4、进一步，每个电解槽单体的端板中心处设计了一个凸出的极耳，正负极耳分别与正负极板相连。

5、进一步，电解槽单体底部设有碱液入口，顶部设有碱液和气体混合物的出口，各个电解槽单体的碱液入口以及碱液与气体混合物的出口可拆卸的并联，电解槽单体与自动碱液箱之间通过碱液循环管路连接。

6、进一步，plc控制室的制氢参数模块设有温度、压力、液位高度及其上下限制值栏；制氢画面模块监测制氢过程的各个环节；当温度、压力和液位高度达到其上下限值时，报警画面发出蜂鸣声报警并显示报警参数。

7、进一步，自动碱液箱配备有密度检测装置、液位检测装置和温度监控装置，实时检测碱液的相应参数，保证碱液的供应。

8、进一步，气体处理系统设计了氢气放空阀，当工作压力达到制氢运行压力设定值后，开始计时，5分钟后，氢气放空阀自动关闭，产品气实现输出。

9、进一步，电解槽单体由螺母固定在电解堆的卡槽内。

10、进一步，碱性电解制氢装置底部安装四个万向轮。

11、本发明提供了一种模块化碱性电解水制氢设备的操作方法，该方法包括以下步骤：

12、a.通过直流电源的集成端口为电解槽提供所需的直流电；

13、b.碱液自动循环补充器向碱液循环管路补充碱液，碱液通过电解槽单体的碱液入口进入，与电解槽中的水发生电解反应产生氢气和氧气；

14、c.通过plc控制室的制氢参数模块设定并监控电解槽的工作温度、压力以及液位高度，当这些参数达到其设定的上下限制值时，报警画面模块发出蜂鸣声报警并显示报警参数；

15、d.气体处理系统接收电解槽产生的氢气和氧气混合物，通过氢气纯化装置提纯氢气并存储在储氢钢瓶中。

16、本发明提供了一种模块化碱性电解水制氢设备的维护方法，该方法包括以下步骤：

17、a.定期检查电解槽单体的多孔电极、隔膜、极板、绝缘密封垫片和端板的完好性和性能，确保电解槽的正常工作；

18、b.检查碱液自动循环补充器、碱液循环管路和气液分离器的连接和密封性，确保碱液循环系统的正常运行；

19、c.通过plc控制室的制氢画面模块监控制氢过程的各个环节，确保制氢过程的稳定性和效率；

20、d.当plc控制室的报警画面模块发出报警时，根据显示的报警参数进行相应的故障排查和修复。

21、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

22、第一，本发明提出了一种模块化的碱性电解水制氢设备，电解槽单体可在电解槽滑轨上滑动，电解槽单体的数量可根据需求增加或减少，电解槽整体空间利用率大大提高，制氢设备可用于不同功率需求的制氢场景，电解槽单体通过螺母固定在卡槽上，拆卸方便，利于电极更换和故障排除。本发明的制氢设备除了用于制氢外，还可同时对多个电极进行制氢性能测试，降低制氢电极性能测试的时间。

23、第二，本发明采用模块化设计，设备的安装过程简化，电极更换和维修检查更加方便，对于损耗大的模块，可以批量生产更换，提高设备的整体使用寿命，降低设备的运行成本。本发明制氢设备还可以用于制氢电极性能测试，由于电解槽单体的数量可以按照需求增加或减少，一次可对多种电极进行测试，同时对电极性能进行比较，大大降低了电极测试时间和成本。

24、本发明制氢设备的电路、水路、气路形成并联，互不影响，某一支路的故障不会对其他支路产生影响，设备运行的稳定性大大提高，本发明电解槽单体的极耳为极板的中心处，使得电解槽的电压分布均匀，延长电极的使用寿命，提高电解的效率。本发明电解槽的电解槽单体数量可根据产品气需求增加或减少。本发明制氢设备的底座安装有万向轮，移动和运输过程中的难度降低。

25、第三，本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：碱性电解水技术已发展的十分成熟，已实现工业化运用，但其仍存在一些急待解决的缺点，如电解效率低、电解设备占地面积大、运行和维护成本高、故障排除困难。本发明提出的模块化碱性电解水制氢设备对电解设备的核心部件采用模块化设计，每个电解槽单体独立工作，电解槽单体可在电解槽滑轨上滑动，可根据风力和光伏发电的输出，调整电解槽单体的数量以适应输入功率，充分利用间歇性的可再生能源，优化了能源利用率，突破了依赖单一功率输入的传统绿色氢生产系统的局限。该制氢设备还可同时对多个电极进行制氢性能测试，使得多个制氢电极在相同的实验条件下的性能得以同步评估。

26、第四，本发明提供的模块化碱性电解水制氢设备的描述，以下是该设备的显著技术进步：

27、1.模块化设计：电解槽由三个串联的模块化电解槽单体组成，这种模块化设计不仅提高了设备的可扩展性(可以容易地增加或减少电解槽单体以满足不同的产能需求)，还有助于维护和修理(只需更换或修理有问题的模块，而不是整个系统)。

28、2.灵活性：电解槽可由功率不同的电解槽单体组成，这增加了系统的灵活性，允许用户根据实际需求调整产氢速率。

29、3.智能控制：plc控制室集成了制氢参数、制氢画面和报警画面模块，提供了直观的用户界面，使得操作更加简便，同时能够实时监控制氢过程并在异常情况下发出报警。

30、4.高效的碱液循环系统：通过碱液自动循环补充器、碱液循环管路和气液分离器的组合，实现了碱液的高效循环利用，减少了碱液的浪费和更换频率。

31、5.安全性增强：气体处理系统配备了氢气纯化装置和储氢钢瓶，确保了氢气的纯度和安全存储。此外，氢气放空阀的设计使得氢气收集具有较高的初始纯度，避免了氢气纯化剂的浪费。

32、6.电解槽单体的优化：每个电解槽单体都配备了多孔电极、隔膜、极板、绝缘密封垫片和端板，这些组件的优化设计提高了电解效率。特别是端板中心处的凸出极耳设计，简化了正负极的连接。

33、7.便捷的维护：电解槽单体底部和顶部的接口设计使得碱液和气体的流动更加顺畅，且接口可拆卸并联，便于清洁和维护。

34、8.全面的监控：自动碱液箱配备的密度、液位和温度监控装置确保了碱液供应的稳定性和安全性。

35、9.易于移动：碱性电解制氢装置底部安装的万向轮使得整个设备可以轻松地移动到需要的位置，提高了设备的机动性。

36、10.环保与节能：通过模块化设计和高效的循环系统，该设备在实现高效制氢的同时，也降低了能耗和废液排放，符合环保和可持续发展的要求。