电解水制氢设备中的氧气再循环系统及其氧气再循环方法技术方案

本申请提供了一种电解水制氢设备中的氧气再循环系统及其氧气再循环方法，通过设置气体分析仪，可以实时监测到氧气侧的气液分离器内的氧中氢浓度。同时，氧气侧的气液分离器、压缩机、储氧罐和调压阀依次连接，可以将储氧罐中的氧气再循环输入氧气侧的气液分离器中和/或输入电解水制氢设备的出氧端，这样即使电解水制氢设备在低输入功率工作时还可以降低氧气侧的气液分离器中的氧中氢浓度，拓展了电解水制氢设备负载范围，提高了安全性。采用该氧气在循环系统，电解水制氢设备可以安全工作在超低输入功率/电流密度下而不用停机，提高了可再生能源利用率的同时也可以有效的避免电解水制氢设备频繁启停，保证其性能的稳定运行。行。行。

【技术实现步骤摘要】
电解水制氢设备中的氧气再循环系统及其氧气再循环方法


[0001]本专利技术涉及制氢的
，特别涉及一种电解水制氢设备中的氧气再循环系统及其氧气再循环方法。

技术介绍

[0002]电解水制氢耦合可再生能源制取绿氢是实现碳中和与能源结构转变的关键手段，为了提高可再生能源场景下电解槽的寿命和利用率，就必须拓宽电解设备的负荷范围，提高工作压力。研究表明电解水制氢设备的阳极端的氧中氢浓度与其的工作电流密度或输入功率成反比，当电解水制氢设备工作在小电流密度时或者输入功率小时，电解水制氢设备内阳极端的氧中氢浓度就有很大的概率会超过2％，从而造成设备停机。而可再生能源电源是波动性电源，当其输出的功率低于电解水制氢设备额定功率的20％时，电解水制氢设备内阳极端的氧中氢浓度就有很大的概率会超过2％，从而造成设备停机。
[0003]其中，碱性电解水制氢设备在工作时，其核心部件为碱性电解槽，其内部会发生氢气跨膜扩散现象，且无法彻底避免，故在生成的氧气中将会混入一部分氢气。当阳极端的氧中氢浓度(HTO)超过4％后就达到了氢气的爆炸极限，在电解水制氢生产中一般HTO超过2％后，碱性电解槽就会被强制停机。研究表明阳极端的氧中氢浓度与碱性电解槽的工作电流密度或输入功率成反比，当碱性电解槽工作在小电流密度时，碱性电解槽内HTO就有很大的概率会超过2％，从而造成设备停机。
[0004]为了实现安全运行，碱性电解槽的工作负荷范围仅为20％
‑
100％。为了节省压缩成本，碱性电解槽通常需要加压操作，但是当工作压力增大时，碱性电解槽中的HTO问题更加严重。综上，HTO问题既限制了碱性电解槽的工作负荷范围，还阻碍碱性电解槽高压操作，同时还有很大的安全隐患。碱性电解槽耦合可再生能源制取绿氢是实现碳中和与能源结构转变的关键手段，为了提高可再生能源场景下碱性电解槽的寿命和利用率，就必须拓宽碱性电解槽的负荷范围，提高工作压力。实现这两个目标的关键就是始终将HTO维持在安全界限以内。
[0005]传统的方案都是考虑减少氢气扩散量，如使用复合隔膜代替传统的石棉隔膜和多孔织物隔膜，更换碱液循环形式，以及进行压力与流速控制等方法来改善电解设备HTO问题，但是这些方法对于减少氢气扩散量的作用有限，并无法使碱性电解槽在工作电流密度或输入功率比较低的情况下使氢气扩散量接近于0，也无法始终将HTO维持在安全界限内。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种电解水制氢设备中的氧气再循环系统，以解决现有技术中的电解水制氢系统的氧中氢高，安全性差，负载范围窄的技术问题。
[0007]为实现上述目的，本申请提供了一种电解水制氢设备中的氧气再循环系统，包括：
[0008]电解水制氢设备，用于电解水制取氢气和氧气；
[0009]氧气侧的气液分离器，与所述电解水制氢设备连接；对进入其内部的氧气和碱液
进行分离；
[0010]气体分析仪，设置在所述氧气侧的气液分离器内，以分析所述氧气侧的气液分离器内的氧中氢浓度；
[0011]压缩机，所述压缩机与所述氧气侧的气液分离器连接，对氧气进行增压；
[0012]储氧罐，与所述压缩机连接，以存储被压缩后的氧气；
[0013]调压阀，与所述储氧罐连接，以调节从所述储氧罐输出的氧气的压力；以使经过所述调压阀的氧气再循环输入所述氧气侧的气液分离器中和/或输入所述电解水制氢设备的出氧端；
[0014]三通阀，包括第一连接端口、第二连接端口和第三连接端口；所述第一连接端口与所述氧气侧的气液分离器连接，所述第二连接端口与所述压缩机连接，所述第三连接端口与外界连接；所述三通阀控制所述氧气侧的气液分离器中的氧气流入空气中或者流入所述压缩机中；
[0015]以及，
[0016]控制器，所述气体分析仪、所述调压阀、所述三通阀均与所述控制器连接；所述控制器根据所述气体分析仪分析的所述氧气侧的气液分离器内的氧中氢浓度控制所述三通阀开启所述第二连接端口或者所述第三连接端口；所述控制器根据所述气体分析仪分析的所述氧气侧的气液分离器内的氧中氢浓度控制所述调压阀对调节从所述储氧罐输出的氧气的压力到达预设条件。
[0017]可选的，在所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统中，当所述氧气侧的气液分离器内的氧中氢浓度高于0.8％
‑
1.2％时，所述控制器控制所述三通阀开启所述第三连接端口。
[0018]可选的，在所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统中，当所述氧气侧的气液分离器内的氧中氢浓度低于0.8％时，所述控制器控制所述三通阀开启所述第二连接端口。
[0019]可选的，在所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统中，当所述氧气侧的气液分离器内的氧中氢浓度大于等于1.2％时，所述控制器控制所述调压阀对调节从所述储氧罐输出的氧气的压力到达预设的压力条件。
[0020]可选的，在所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统中，所述氧气侧的气液分离器上还设有第一压力检测器，所述第一压力检测器检测所述氧气侧的气液分离器的压力；所述第一压力检测器与所述控制器连接，并将检测到的所述氧气侧的气液分离器的压力发送给所述控制器。
[0021]可选的，在所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统中，所述储氧罐上设有第二压力检测器，所述第二压力检测器检测所述储氧罐内的压力；所述第二压力检测器与所述控制器连接，并将检测到的所述储氧罐内的压力发送给所述控制器。
[0022]可选的，在所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统中，所述预设的压力条件为所述储氧罐输出的氧气压力比所述电解水制氢设备中压力值高0.2MPa
‑
0.5MPa。
[0023]可选的，在所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统中，所述电解水制氢设备中的氧气再循环系统还包括第三压力检测器；所述第三压力检测器用于检测经过所述调压阀的氧气的压力。
[0024]可选的，在所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统中，所述电解水制氢设备
中的氧气再循环系统还包括压差阀，所述压差阀设置在所述电解水制氢设备与所述调压阀之间，或者，设置在所述氧气侧的气液分离器与所述调压阀之间；所述压差阀与所述控制器连接，所述控制器根据经过所述调压阀的氧气的压力与所述氧气侧的气液分离器的压差控制所述压差阀的开启和关闭。
[0025]可选的，在所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统中，所述调压阀与所述氧气侧的气液分离器通过单向管接头连接；和/或，所述调压阀与所述电解水制氢设备的出氧端通过单向管接头连接。
[0026]可选的，在所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统中，所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统还包括气动流量调节阀，所述气动流量调节阀用于调节经过所述调压阀的氧气输入所述氧气侧的气液分离器中和/或输入所述电解水制氢设备的出氧端的开度。
[0027]可选的，在所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统中，所述储氧罐的储氧量与所述电解水制氢设备的产氢量的关系满足本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电解水制氢设备中的氧气再循环系统，其特征在于，包括：电解水制氢设备，用于电解水制取氢气和氧气；氧气侧的气液分离器，与所述电解水制氢设备连接；对进入其内部的氧气和碱液进行分离；气体分析仪，设置在所述氧气侧的气液分离器内，以分析所述氧气侧的气液分离器内的氧中氢浓度；压缩机，所述压缩机与所述氧气侧的气液分离器连接，对氧气进行增压；储氧罐，与所述压缩机连接，以存储被压缩后的氧气；调压阀，与所述储氧罐连接，以调节从所述储氧罐输出的氧气的压力；以使经过所述调压阀的氧气再循环输入所述氧气侧的气液分离器中和/或输入所述电解水制氢设备的出氧端；三通阀，包括第一连接端口、第二连接端口和第三连接端口；所述第一连接端口与所述氧气侧的气液分离器连接，所述第二连接端口与所述压缩机连接，所述第三连接端口与外界连接；所述三通阀控制所述氧气侧的气液分离器中的氧气流入空气中或者流入所述压缩机中；以及，控制器，所述气体分析仪、所述调压阀、所述三通阀均与所述控制器连接；所述控制器根据所述气体分析仪分析的所述氧气侧的气液分离器内的氧中氢浓度控制所述三通阀开启所述第二连接端口或者所述第三连接端口；所述控制器根据所述气体分析仪分析的所述氧气侧的气液分离器内的氧中氢浓度控制所述调压阀对调节从所述储氧罐输出的氧气的压力到达预设条件。2.根据权利要求1所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统，其特征在于，当所述氧气侧的气液分离器内的氧中氢浓度高于0.8％
‑
1.2％时，所述控制器控制所述三通阀开启所述第三连接端口。3.根据权利要求1所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统，其特征在于，当所述氧气侧的气液分离器内的氧中氢浓度低于0.8％时，所述控制器控制所述三通阀开启所述第二连接端口。4.根据权利要求1所述电解水制氢设备中的氧气再循环系统，其特征在于，当所述氧气侧的气液分离器内的氧中氢浓度大于等于1.2％时，所述控制器控制所述调压阀对调节从所述储氧罐输出的氧气的压力到达预设的压力条件。5.根据权利要求4所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统，其特征在于，所述氧气侧的气液分离器上还设有第一压力检测器，所述第一压力检测器检测所述氧气侧的气液分离器的压力；所述第一压力检测器与所述控制器连接，并将检测到的所述氧气侧的气液分离器的压力发送给所述控制器。6.根据权利要求5所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统，其特征在于，所述储氧罐上设有第二压力检测器，所述第二压力检测器检测所述储氧罐内的压力；所述第二压力检测器与所述控制器连接，并将检测到的所述储氧罐内的压力发送给所述控制器。7.根据权利要求6所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统，其特征在于，所述预设的压力条件为所述储氧罐输出的氧气压力比所述电解水制氢设备中压力值高0.2MPa
‑
0.5MPa。8.根据权利要求1所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统，其特征在于，所述电解水制氢设备中的氧气再循环系统还包括第三压力检测器；所述第三压力检测器用于检测经过所述调压阀的氧气的压力。9.根据权利要求1或8所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统，其特征在于，所述电解水制氢设备中的氧气再循环系统还包括压差阀，所述压差阀设置在所述电解水制氢设备与所述调压阀之间，或者，设置在所述氧气侧的气液分离器与所述调压阀之间；所述压差阀与所述控制器连接，所述控制器根据经过所述调压阀的氧气的压力与所述氧气侧的气液分离器的压差控制所述压差阀的开启和关闭。10.根据权利要求1所述的电解水制氢设备中的氧气再循环系统，其特征在于，所述调压阀与所述氧气侧的气液分离器通过单向管接头连接；和/或，所述调压...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋凌珺，张涛，姚昌晟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：