一种适用于现场制氢加氢站的碱性电解水制氢系统

本发明涉及加氢站，尤其是一种适用于现场制氢加氢站的碱性电解水制氢系统。

背景技术：

1、化石燃料的供应减少和环境污染的影响促使研究人员探索环保和可再生能源。氢被认为是传统化石燃料的替代品，特别是未来几年的汽车燃料。其中，氢燃料电池汽车（hfcev）被认为是交通运输业绿色低碳发展的有效途径之一。加氢站是给hfcev加注氢气的重要的基础设施，加氢站的普及程度和技术性能在很大程度上决定了hfcev的加氢效率和成本。国际能源署2023年度《全球氢能评估报告》，截至2023年6月，全球约有1100个hrs投入运营，计划再增加数百个加氢站。2022年亚洲的hrs网络扩张最为强劲。sk e&s和plugpower的合资企业sk plug hyverse计划到2025年为止在韩国建设40多座hrs，中国上海计划建设70多座hrs。

2、 根据制氢技术的位置，可将加氢站分为现场制氢加氢站和非现场制氢加氢站。氢气储运成本是影响终端氢气价格主要因素之一。现场制氢加氢站是一个很有吸引力的解决方案，因为它消除了氢气储运问题。水电解制氢被认为是现场制氢加氢站中常用的绿色制氢工艺，近年来被许多研究者关注。目前，碱性水电解(alkaline electrolysis cell,aec)、质子交换膜(或聚合物电解质膜)电解(protonexchange membrane electrolysiscell, pemec)和固体氧化物电解(solid oxide electrolysis cell, soec)三种可用的电解水技术路线被广泛应用和研究。其中，碱性电解水制氢技术已经被大规模商业化，并且具有成本低，相对稳定，技术成熟等许多优点。

3、碱性电解槽的工作温度为60-80℃，工作压力一般小于30bar，工作电流为0.2-0.4a/cm2。电解槽的工作温度，工作压力和电流密度会影响制氢性能，在实际生产工作中需要稳定工况。工作温度受电解槽放出热量的影响较大，需要冷却系统对其进行冷却。碱性电解槽的主要的缺点有氢气纯度低，存在氢氢交叉现象，特别是在低电流密度工作时氢氢交叉现象更为显著。气体纯度是一个重要的安全指标，特别是当电解槽在部分负荷下运行时，当h2在常压和80◦c下，h2/o2混合物的爆炸下限(lel)和爆炸上限(uel)分别为3.8和95.4mol%。通常情况下，工业电解槽必须在测量到2vol %的外来气体(约为lel或uel的50%)含量时立即关闭。并且其产气压力低、输入功率高、能源效率低、最高制氢效率发生在低电流密度区域、电解槽内部集成复杂等缺点。但是，现场电解水制氢加氢站需要降低生产能耗和成本，加氢站对氢气具有特殊要求，包括氢气高纯度，要求纯度99.9995%以上；氢气高压力，压力高至90mpa；氢气低温，预冷温度低至-40℃。

技术实现思路

1、本发明提出一种适用于现场制氢加氢站的碱性电解水制氢系统，适用于现场碱性电解水制氢加氢站的制氢系统，其生产的氢气纯度高，压力高，温度低，为能量效率更高的无内部集成水冷却方法的电解水制氢系统，克服了现有技术中的现场电解水制氢加氢站中，碱性电解水制氢系统需要外部能源的冷却能耗较高、制氢系统效率较低、最高制氢效率发生在低电流密度区域、氢气纯度低、气压力低和电解槽系统内部集成复杂的问题。

2、本发明采用以下技术方案。

3、一种适用于现场制氢加氢站的碱性电解水制氢系统，制氢系统包括电解槽和与之相连的的恒温单元，电解槽输出气路经纯化单元与加氢站相连；所述恒温单元包括设于电解槽出口端气路阴极侧、阳极侧处的水冷却器组件，还包括电解槽进口端pi流量控制器（19）；所述水冷却器组件通过水流量控制器调节水冷却器的流体出口温度；所述电解槽进口端pi流量控制器根据电解槽的工作温度和水冷却器的流体的出口温度调节电解槽进口端电解循环液流量；所述纯化单元包括气液分离器、催化脱氧反应器、催化脱氢反应器和高压深冷装置，其通过脱氧、脱氢以及高压深冷处理以输出高纯度、高压力的低温氢气。

4、所述电解槽为碱性电解槽（21），其工作时，koh水溶液进入电解槽内部，通过水电解反应在阳极、阴极处分别生成氧气、氢气；电解槽出口处设有阴极侧氧气浓度检测装置（24）和阳极侧氢气浓度检测装置（25），恒温单元通过控制水冷却器的流体出口温度和电解槽进口端电解循环液流量来提升水冷却效率以提高系统能量效率。

5、所述碱性电解槽以外部发电厂（1）供电，对30%的koh水溶液进行电解，当阴极侧氧气浓度检测装置或阳极侧氢气浓度检测装置测量到2vol %的外来气体含量，即外来气体含量约为lel或uel的50%时，立即关闭生成过程；碱性电解槽断开供电。

6、所述水冷却器组件设于电解槽处氧气浓度检测装置和氢气浓度检测装置的后方，用于冷却含有电解液的氢气和氧气；水冷却器组件经水泵与冷却水源（9）相通；所述冷却水源包括外部的湖泊或河流；所述水泵包括阴极侧水泵（8）、阳极侧水泵（10），两处水泵均设有用于控制水流量的pi流量控制器。

7、所述电解槽还经去离子水水路的去离子水泵（17）与去离子水储罐（16）相通，通过去离子水水路来补充制氢系统消耗的水源；所述去离子水泵设于去离子水储罐处，用于使去离子水水路的水压与制氢系统的电解槽的循环电解压力一致；去离子水水路处还设有去离子水流量控制器（18）；所述去离子水流量控制器用以计算制氢系统消耗的水量，进而控制去离子水流量，维持制氢系统稳定。

8、水冷却器组件包括阴极侧水冷却器（6）和阳极侧水冷却器（12）；阴极侧水冷却器和阳极侧水冷却器的出口处均设有温度传感器；阴极侧水冷却器通过与其相连的阴极侧水流量控制器（7）控制其流体出口温度；所述阳极侧水冷却器通过与其相连的阳极侧水流量控制器（11）控制其流体出口温度。

9、所述水冷却器组件后方的气路处设有用于从氧气、氢气处分离电解液的气液分离器；气液分离器包括阴极气液分离器（5）、阳极气液分离器（13）；阴极气液分离器后方的氢气气路处设有用于去除氧气的催化脱氧反应器（4）；阳极气液分离器后方的氧气气路处设有用于去除氢气的催化脱氢反应器（14）。

10、所述催化脱氧反应器后方的氢气气路处设有高压深冷分离装置；高压深冷分离装置通过深冷分离工艺，利用氢气和水组分的相对挥发度的差异来去除氢气中的水，对氢气进行分离和提纯，并使氢气处于高压低温状态。

11、所述纯化单元的高压深冷分离装置经氢气气路与气体存储单元相连；所述高压深冷分离装置包括在气路上顺序设置的多级压缩机和冷却分馏塔；经过催化脱氧处理后含杂质水的氢气先经多级压缩机压缩到20mpa后，再进入冷却分馏塔冷却至-10℃，并使氢气纯度达到99.9995%以上，以满足氢燃料电池汽车要求，再把纯化后的氢气从冷却分馏塔的顶部输出至气体存储单元的绝热氢气储罐。

12、所述气体存储单元为现场制氢加氢站内具有恒温功能的氢气储罐（2）；高压深冷分离装置经氢气气路向氢气储罐输出压力不低于20mpa、温度不高于-10℃、氢气纯度高于99.9995%的高纯度氢气。

13、本发明方案中，恒温单元、外部纯化单元、供水单元、供能单元和气体存储单元都位于电解槽外部，从而降低了碱性电解槽内部的集成的复杂程度。

14、本发明技术方案，具有如下优点和用途：

15、1、本发明提供的一种碱性电解水制氢系统，包括：电解槽单元、外部恒温单元、外部纯化单元、供水单元、供能单元和气体存储单元。当电解槽运行在恒定功率条件时，气体通过催化脱氧装置和催化脱氢装置后不仅提高了气体的纯度而且还保证了系统安全稳定运行。传统技术的变压吸附法(psa)纯化氢气的最大的缺点是吸附过程需要压缩机提供外部能量，并且产品的回收率一般只有75%，产生氢气纯度最大只为99.999%。而本发明采用的催化脱氧法最大的优点是反应过程无需外部能量的输入，并且能产生纯度大于99.9995%的氢气，并且气体回收大于99%。这样进一步了降低了整个现场制氢加氢站能耗，长远来看也降低了制氢成本。

16、2、在外部恒温单元中，采用水冷却方法来恒定电解槽的工作温度，进一步的降低了系统能耗，并且可以实现在较高电流密度区域到达最高能量利用率。通过外部水源流量pi流量控制器设定水冷却的出口温度，进而实时调节电解槽进口端pi流量控制器，达到稳定电解槽的工作温度，使制氢系统一直处于最高的能量利用率，进一步降低能耗和制氢成本。

17、3、本发明提供的一种电解水制氢系统，通过高压深冷装置将氢气的纯度到达加氢站的要求。并且使氢气的高压和低温状态达到加氢站需要，降低氢气进入加氢站压缩机的温度，可以降低压缩机能耗，进一步降低了成本，本发明的高压深冷装置能产生高纯度、高压力和低温度氢气，提高了制氢系统的安全性，相比传统变压吸附，降低了整现场制氢加氢站能耗，也降低了加氢站压缩机能耗。