电解电堆、控制方法及制氢系统与流程

本发明涉及水电解，特别涉及电解电堆、控制方法及制氢系统。

背景技术：

1、质子交换膜(pem)制氢系统可用于制造绿氢。其中，质子交换膜电解电堆(以下称电堆)是制氢系统中的核心设备之一。电堆通常包括多个单电池，每个单电池由阳极、阴极和质子交换膜等单元组成。阳极须提供纯水作为反应物，并在通电过程中产生氧气，最后水和氧气的混合物流出电堆。

2、相关技术中，电堆的单电池存在局部气体体积分数不均匀和局部水流量不均匀的缺陷，若单电池的局部气体体积分数过大，易导致局部催化效率和电解效率降低，同时易导致局部产生过热点而影响使用寿命，若流经单电池的水流量过小，亦会导致该层单电池的电解效率降低，使用寿命降低。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种电解电堆，有利于提高电解电堆内单电池的气体体积分数和水流量的均匀性，提高电解电堆的使用寿命。

2、本发明还提供一种控制方法。

3、本发明还提供一种制氢系统。

4、根据本发明第一方面实施例的电解电堆，包括：电堆本体，内设有流道，流道连通有第一开口和第二开口，流道供氧气和添加水流动；第一控制阀，具有注水口、第一出水口和第二出水口，第一出水口与第一开口连通，第二出水口与第二开口连通；第二控制阀，具有第一进水口、第二进水口和排水口，第一进水口与第一开口连通，第二进水口与第二开口连通；其中，电解电堆被配置为具有第一导流状态和第二导流状态，第一导流状态为注水口、第一出水口、第一开口、第二开口、第二进水口和排水口依次连通，第二导流状态为注水口、第二出水口、第二开口、第一开口、第一进水口和排水口依次连通。

5、根据本发明实施例的电解电堆，至少具有如下有益效果：电堆本体设有流道，流道对应单电池的阳极设置，添加水可从第一开口和第二开口的其中之一通入流道，以使得添加水流动至单电池的阳极处，在电解作用下，单电池的阳极产生氧气，氧气混合未反应完全的添加水从第一开口和第二开口的另一流出流道；该电解电堆还包括第一控制阀和第二控制阀，通过第一控制阀和第二控制阀的控制，从而可改变添加水和氧气在流道内的流动方向，具体的，当注水口与第一出水口连通且第二出水口关闭，第二进水口与排水口连通且第一进水口关闭时，电解电堆处于第一导流状态，添加水依次流经注水口、第一出水口、第一开口、第二开口、第二进水口和排水口，即在第一导流状态下，流道内的添加水和氧气从第一开口往第二开口方向流动；当注水口与第二出水口连通且第一出水口关闭，第一进水口与排水口连通且第二进水口关闭时，电解电堆处于第二导流状态，添加水依次流经注水口、第二出水口、第二开口、第一开口、第一进水口和排水口，即在第二导流状态下，流道内的添加水和氧气从第二开口往第一开口方向流动；该电解电堆通过第一导流状态与第二导流状态之间的切换，可改变流道内氧气和添加水的流向，有利于使得电堆本体内单电池的气体体积分数更均匀、流经单电池的水流量更均匀，以平衡各位置的催化效率和电解效率，避免局部产生过热点的问题出现，提高电解电堆的使用寿命。

6、根据本发明的一些实施例，第二开口与第一开口呈上下间隔布置。

7、具体的，第二开口与第一开口呈上下间隔布置，即第二开口位于第一开口的上方，流道呈上下延伸设置，流道内的添加水可流经各个单电池，配合电解作用，以实现水的电解，获取氢气和氧气。

8、根据本发明的一些实施例，电堆本体包括上下依次布置的上端板、多个单电池和下端板，多个单电池的阳极均与流道连通，第一开口设于下端板，第二开口设于上端板。

9、具体的，电堆本体包括上下依次布置的上端板、多个单电池和下端板，即多个单电池夹设于上端板与下端板之间，第一开口设于下端板、第二开口设于上端板，上端板、多个单电池和下端板共同围成流道，流道可供添加水和氧气流动，以使得添加水能流动至单电池的阳极处，并使得阳极产生的氧气，氧气混合未反应完全的水排出电堆本体。

10、根据本发明的一些实施例，该电解电堆还包括控制器和用于检测各个单电池电压的电压传感器，第一控制阀和第二控制阀均为电控阀，电压传感器和第一控制阀均与控制器电连接，电压传感器和第二控制阀均与控制器电连接。

11、电解电堆还包括控制器和用于检测各个单电池电压的电压传感器，控制器根据各个单电池的电压值，可计算电解电堆在流道两端的电压偏差，通过电压偏差与第一预设偏差比较，以判断电解电堆内部的工作状况是否均衡、稳定，当电压偏差超出第一预设偏差后，控制器可通过第一控制阀和第二控制阀的控制，以驱使电解电堆在第一导流状态与第二导流状态之间切换，即改变流道内的添加水和氧气的流向，以平衡电解电堆在流道两端的催化效率和电解效率，进而减小电解电堆在流道两端的电压偏差。

12、根据本发明的一些实施例，该电解电堆还包括控制器和用于检测各个单电池温度的温度传感器，第一控制阀和第二控制阀均为电控阀，温度传感器和第一控制阀均与控制器电连接，温度传感器和第二控制阀均与控制器电连接。

13、电解电堆还包括控制器和用于检测各个单电池的极板温度的温度传感器，控制器根据各个单电池的极板温度，可计算电解电堆在流道两端的温度偏差，通过温度偏差与第二预设偏差比较，以判断电解电堆内部的工作状况是否均衡、稳定，当温度偏差超出第二预设偏差后，控制器可通过第一控制阀和第二控制阀的控制，以驱使电解电堆在第一导流状态与第二导流状态之间切换，即改变流道内的添加水和氧气的流向，以平衡电解电堆在流道两端的催化效率和电解效率，进而减小电解电堆在流道两端的温度偏差。

14、根据本发明的一些实施例，第一开口的朝向与第二开口的朝向相反。

15、具体的，第一开口的朝向与第二开口的朝向相反，可便于实现第一开口与第一控制阀和第二控制阀的连接，以及第二开口与第一控制阀和第二控制阀的连接。

16、根据本发明第二方面实施例的控制方法，应用于第一方面任一项所示的电解电堆；控制方法，包括：

17、根据电解电堆的工作状态，控制电解电堆在第一导流状态与第二导流状态之间切换，第一导流状态为注水口、第一出水口、第一开口、第二开口、第二进水口和排水口依次连通，第二导流状态为注水口、第二出水口、第二开口、第一开口、第一进水口和排水口依次连通。

18、根据本发明实施例的控制方法，至少具有如下有益效果：电堆本体设有流道，流道对应单电池的阳极设置，添加水可从第一开口和第二开口的其中之一通入流道，以使得添加水流动至单电池的阳极处，在电解作用下，单电池的阳极产生氧气，氧气混合未反应完全的添加水从第一开口和第二开口的另一流出流道；该电解电堆还包括第一控制阀和第二控制阀，通过第一控制阀和第二控制阀的控制，从而可改变添加水和氧气在流道内的流动方向，具体的，当注水口与第一出水口连通且第二出水口关闭，第二进水口与排水口连通且第一进水口关闭时，电解电堆处于第一导流状态，添加水依次流经注水口、第一出水口、第一开口、第二开口、第二进水口和排水口，即在第一导流状态下，流道内的添加水和氧气从第一开口往第二开口方向流动；当注水口与第二出水口连通且第一出水口关闭，第一进水口与排水口连通且第二进水口关闭时，电解电堆处于第二导流状态，添加水依次流经注水口、第二出水口、第二开口、第一开口、第一进水口和排水口，即在第二导流状态下，流道内的添加水和氧气从第二开口往第一开口方向流动；该控制方法可根据电解电堆的实际工作状态，从而控制电解电堆在第一导流状态与第二导流状态之间的切换，以改变流道内氧气和添加水的流向，有利于使得电堆本体内单电池的气体体积分数更均匀、流经各个单电池的水流量更均匀，以平衡各位置的催化效率和电解效率，避免局部产生过热点的问题出现，提高电解电堆的使用寿命。

19、根据本发明的一些实施例，根据电解电堆的工作状态，控制电解电堆在第一导流状态与第二导流状态之间切换，包括：

20、获取电解电堆内各个单电池的电压；

21、根据各个单电池的电压，计算电解电堆在流道两端的电压偏差；

22、当电压偏差超出第一预设偏差，则控制电解电堆在第一导流状态与第二导流状态之间切换。

23、具体的，考虑到电解电堆需要在不同的工况下工作，不同工况易引起电解电堆两端的单电池的电压不一致，该控制方法可通过检测电解电堆各个单电池的电压，并根据各个单电池电压，计算电解电堆在流道两端的电压偏差，并将电压偏差与第一预设偏差比较，以判断电解电堆内部的工作状况是否均衡、稳定，当电压偏差超出第一预设偏差后，控制器可通过第一控制阀和第二控制阀的控制，以驱使电解电堆在第一导流状态与第二导流状态之间切换，即改变流道内的添加水和氧气的流向，以平衡电解电堆在流道两端的催化效率和电解效率，进而减小电解电堆在流道两端的电压偏差。

24、根据本发明的一些实施例，根据电解电堆的工作状态，控制电解电堆在第一导流状态与第二导流状态之间切换，包括：

25、获取电解电堆内各个极板的温度；

26、根据各个极板的温度，计算电解电堆在流道两端的温度偏差；

27、当温度偏差超出第二预设偏差，则控制电解电堆在第一导流状态与第二导流状态之间切换。

28、具体的，考虑到电解电堆需要在不同的工况下工作，不同工况易引起电解电堆两端的单电池的极板温度不一致，该控制方法可通过检测电解电堆各个单电池的极板温度，并根据各个单电池的极板温度，计算电解电堆在流道两端的温度偏差，并将温度偏差与第二预设偏差比较，以判断电解电堆内部的工作状况是否均衡、稳定，当温度偏差超出第二预设偏差后，控制器可通过第一控制阀和第二控制阀的控制，以驱使电解电堆在第一导流状态与第二导流状态之间切换，即改变流道内的添加水和氧气的流向，以平衡电解电堆在流道两端的催化效率和电解效率，进而减小电解电堆在流道两端的温度偏差。

29、根据本发明第三方面实施例的制氢系统，包括第一方面任一项所示的电解电堆。

30、根据本发明实施例的制氢系统，至少具有如下有益效果：电堆本体设有流道，流道对应单电池的阳极设置，添加水可从第一开口和第二开口的其中之一通入流道，以使得添加水流动至单电池的阳极处，在电解作用下，单电池的阳极产生氧气，氧气混合未反应完全的添加水从第一开口和第二开口的另一流出流道；该电解电堆还包括第一控制阀和第二控制阀，通过第一控制阀和第二控制阀的控制，从而可改变添加水和氧气在流道内的流动方向，具体的，当注水口与第一出水口连通且第二出水口关闭，第二进水口与排水口连通且第一进水口关闭时，电解电堆处于第一导流状态，添加水依次流经注水口、第一出水口、第一开口、第二开口、第二进水口和排水口，即在第一导流状态下，流道内的添加水和氧气从第一开口往第二开口方向流动；当注水口与第二出水口连通且第一出水口关闭，第一进水口与排水口连通且第二进水口关闭时，电解电堆处于第二导流状态，添加水依次流经注水口、第二出水口、第二开口、第一开口、第一进水口和排水口，即在第二导流状态下，流道内的添加水和氧气从第二开口往第一开口方向流动；该电解电堆通过第一导流状态与第二导流状态之间的切换，可改变流道内氧气和添加水的流向，有利于使得电堆本体内单电池的气体体积分数更均匀、流经单电池的水流量更均匀，以平衡各位置的催化效率和电解效率，避免局部产生过热点的问题出现，提高电解电堆的使用寿命。

31、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。