一种PEM电解水制氢系统氮气置换装置及控制方法与流程

本发明涉及电解水制氢，尤其是指一种pem电解水制氢系统氮气置换装置及控制方法。

背景技术：

1、pem(proton exchange membrane)电解水制氢系统，是一种通过输入电能和水，在pem电解槽中发生电化学反应产出氢气及副产物氧气的装置。氢气是一种易燃（点火能量低）易爆（爆炸浓度范围宽）的气体，应避免氢气与氧气或空气在制氢系统内部发生接触混合，因此在pem电解水制氢系统停机和开机的过程中，通常都需要进行氮气置换的操作。其中，在停机过程中进行氮气置换的操作，主要目的是排出pem电解槽以及氢气管路中残存的氢气，防止氢气与氧气互窜引起氢氧混合；而开机过程中的氮气置换操作，主要目的是排出pem电解槽氢气管路中窜入的空气，避免电解产生的氢气与空气中的氧气发生混合。

2、现有pem电解水制氢系统氮气置换技术一般采取固定的氮气置换方式，有待改进的技术点有：

3、1、现有技术并没有针对性的氮气置换必要性判断、氮气置换起始和结束的判断方法；

4、2、现有技术并没有对氮气置换所用的氮气湿度进行控制；

5、3、现有技术无法灵活的控制氮气置换的次数和时长。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种pem电解水制氢系统氮气置换装置及控制方法，在控制方法中包含自动判断氮气置换起始及结束条件，具备氮气加湿功能，氮气置换过程自动计算等，以提高pem电解水制氢系统氮气置换的适应性和效率，实现自动氮气置换。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种pem电解水制氢系统氮气置换装置，包括pem电解槽、氢气气液分离器、电控阀a、电控阀b、电控阀c、电控阀d、电控三通阀、集水器、氮气气源和循环水泵；

3、所述pem电解槽的氢气出口分别与所述氢气气液分离器入口端以及所述电控阀a一端相连；

4、所述电控阀a另一端通过所述膜加湿器的内部气体通道与所述电控阀c一端相连，所述电控阀c另一端与所述氮气气源相连；

5、所述氢气气液分离器的气体出口与所述电控阀b一端相连且两者间设置有压力传感器，所述电控阀b另一端与所述电控三通阀的第一阀口相连，所述电控三通阀的第二阀口用于排空，所述电控三通阀的第三阀口连接至用氢端；

6、所述氢气气液分离器的排水口通过所述电控阀d与所述集水器入口相连；

7、所述集水器出水口与所述循环水泵入口相连，所述循环水泵出口与所述膜加湿器水路通道的一端相连，所述膜加湿器的水路通道另一端与所述集水器的回水口相连。

8、在本发明的一种实施方式中，所述氢气气液分离器和所述集水器均设置有液位传感器。

9、在本发明的一种实施方式中，所述的氢气气液分离器、所述集水器、所述循环水泵的布置存在高度差，其中，所述氢气气液分离器位置最高，所述循环水泵位置最低。

10、在本发明的一种实施方式中，还包括控制器，所述控制器分别与所述电控阀a、所述电控阀b、所述电控阀c、所述电控阀d和所述电控三通阀电连接。

11、本发明还提供一种pem电解水制氢系统氮气置换控制方法，其特征在于，利用所述的pem电解水制氢系统氮气置换装置，所述控制方法包括：

12、控制系统停机并关闭所述pem电解槽的供电；

13、控制所述电控阀b开启以及所述电控三通阀进行排空，使所述电控三通阀的第一阀口和第二阀口连通；

14、响应于所述压力传感器监测到的压力值低于预设的氢气排空压力门限值，进入停机阶段的氮气置换；

15、判断所述氢气气液分离器中的液位是否超过预设的液位第一门限值，若是，进行加湿步骤，否则，跳过加湿步骤；

16、控制所述电控阀d和所述循环水泵开启，使所述氢气气液分离器和所述收集器中的纯水流入膜增湿器，并保持循环流动；

17、响应于所述收集器的液位超过预设的液位第二门限值，控制关闭所述电控阀d；

18、进行单次氮气置换流程；

19、判断所述pem电解槽的电解小室电压平均值是否低于预设的电压第一门限值，若是，结束停机阶段的氮气置换流程，并控制关闭所述循环水泵，否则，继续执行单次氮气置换流程。

20、在本发明的一种实施方式中，在结束停机阶段的氮气置换流程后，还包括氮气保护控制流程，包括：

21、控制开启所述电控阀a和所述电控阀c，通过所述氮气气源向所述pem电解槽和氢气管道通入氮气；

22、响应于所述压力传感器监测到的压力值高于预设的氮气保护第一门限值，控制关闭所述电控阀a和所述电控阀c，记录当前时间t1。

23、在本发明的一种实施方式中，还包括开机阶段氮气置换流程，包括：

24、系统接收到开机指令，记录当前时间t2，计算t2与t1的间隔时间△t；

25、判断所述压力传感器监测到的是否低于预设的氮气保护第二门限，同时，间隔时间△t是否大于预设的停机时间门限，若是，进行开机阶段氮气置换，并计算氮气置换目标次数，否则，无需进行氮气置换，直接进入正常开机流程；

26、判断所述氢气气液分离器液位超过预设的液位第一门限值，若是，进行加湿步骤，否则，跳过加湿步骤；

27、控制所述电控阀d和所述循环水泵开启，使所述氢气气液分离器和所述收集器中的纯水流入膜增湿器，并保持循环流动；

28、响应于所述收集器的液位超过预设的液位第二门限值，控制关闭所述电控阀d；

29、进行单次氮气置换流程；

30、判断氮气置换实际次数是否大于或等于氮气置换目标次数，若是，则开机阶段氮气置换流程结束，控制关闭所述循环水泵，进入正常开机流程；否则，则继续执行单次氮气置换流程。

31、在本发明的一种实施方式中，所述单次氮气置换流程，包括：

32、控制关闭所述电控阀b；

33、控制开启电控阀a和所述电控阀c，所述氮气气源中的氮气进入氢气管道和所述pem电解槽，对残存的气体进行稀释和置换；

34、响应于所述压力传感器监测到的压力值大于预设的氮气置换压力上限值，控制关闭所述电控阀a和所述电控阀c、开启所述电控阀b，使氢气管道中的气体通过所述电控三通阀的第二阀口泄放到排空管路；

35、响应于压力传感器监测到的压力值小于预设的氮气置换压力下限值，控制关闭所述电控阀b，结束单次氮气置换流程。

36、在本发明的一种实施方式中，计算氮气置换目标次数，包括：

37、停机时间每超过24小时，则增加一次氮气置换次数，最多不超过6次。

38、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

39、本发明所述的一种pem电解水制氢系统氮气置换装置及控制方法，能够自动判断氮气置换的起始和结束，提高pem电解水制氢系统氮气置换的自动化程度和适应性。

40、本发明能够自动计算氮气置换的次数，提高pem电解水制氢系统氮气置换的效率，节省氮气使用量，缩短停机过程及开机过程的耗时。

41、本发明能够利用制氢系统氢气气液分离器和集水器中的纯水对氮气进行加湿，确保pem电解槽中质子交换膜处于湿润状态。