自流补水式高压PEM制氢系统及其制氢方法与流程

本发明属于电解制氢，尤其涉及自流补水式高压pem制氢系统及其清洗方法。

背景技术：

1、在现有的pem(质子交换膜)电解水制氢系统中，主要包括以下几个工序：氧气排空、纯水补水与循环、电解制氢、气液分离、氢气冷却、氢气干燥以及安全通风。该系统通过电解水生成氢气，产生的氢气压力一般为3mpa左右，氧水侧(氧水分离器)的压力状态可以分为常压和正压，其中正压状态下又可细分为差压(氧水侧压力低于氢侧压力)和等压(氧水侧压力等于氢侧压力)。

2、目前，氧水侧(氧水分离器)为正压的pem电解水制氢系统中，由于氧水侧(氧水分离器)的压力高于大气压，因此在纯水补水过程中需要使用补水泵将纯水从纯水罐泵入氧水分离器内，尤其是在氧水侧(氧水分离器)压力等于氢侧压力的等压pem电解水制氢系统中，需要采用高压补水泵来完成补水，这不仅增加了整个系统的成本，同时也提高了能耗，影响了系统的整体经济性和效率。

技术实现思路

1、本发明的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本技术的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

2、本发明提出一种自流补水式高压pem制氢系统及其清洗方法，解决了现有氧水侧(氧水分离器)为高压的pem制氢系统中在纯水补水过程中需要使用补水泵才能完成补水，增加了系统成本和能耗的技术问题，具有可减少补水泵的使用，同时降低了系统成本和能耗的技术特点。

3、本发明一方面公开了自流补水式高压pem制氢系统，包括纯水罐、变压罐和氧水分离罐，纯水罐的进水口通过纯水管路与纯水连接，纯水管路上设有第一阀门；变压罐设于纯水罐的下方，变压罐的进水口通过第一输水管路与纯水罐的出水口相连，第一输水管路上设有第二阀门，变压罐的一端通过第一排气管路与大气相连通，第一排气管路上设有第三阀门；氧水分离罐设于变压灌的下方，氧水分离罐的进水口通过第二输水管路与变压罐的出水口相连，第二输水管路上设有第四阀门，氧水分离罐与变压罐之间设有第二排气管路，第二排气管路上设有第五阀门；其中，氧水分离罐内的压力为正压，当氧水分离罐内需要补水时，依次打开第三阀门和第二阀门，使得变压灌内的压力变为常压，纯水罐内的纯水通过重力自流至变压灌内，待变压灌内纯水充满后，关闭第三阀门和第二阀门，打开第四阀门和第五阀门，此时变压灌内的压力与氧水分离罐内的压力相同均为正压，此时，变压灌内的纯水通过重力自流至氧水分离罐内，当变压灌内纯水完全流入氧水分离罐内时，关闭第四阀门和第五阀门，再次依次打开第三阀门和第二阀门，使得变压灌内的压力变为常压，纯水罐内的纯水通过重力自流至变压灌内，如此循环往复，直至氧水分离罐内充满纯水。

4、在其中一些实施例中，氧水分离罐上设有第一液位开关，第一液位开关自上而下依次对应上故障位la，停止补水位lb，补水位lc，下故障位ld，当氧水分离罐内液位位于停止补水位lb时，关闭第四阀门和第五阀门，停止对氧水分离罐补水，当氧水分离罐内液位位于补水位lc时，打开第四阀门和第五阀门，对氧水分离罐补水，当氧水分离器液位位于上故障位la或下故障位ld时，则判定为出现故障，需停机保护。

5、在其中一些实施例中，变压灌上设有第二液位开关，第二液位开关自上而下依次对应上液位l上和下液位l下，当变压灌内的液位位于上液位l上时，关闭第三阀门和第二阀门，停止向变压灌内补水，当变压灌内的液位位于下液位l下时，依次打开第三阀门和第二阀门，继续向变压灌内补水。

6、在其中一些实施例中，纯水罐上设有第三液位开关，第三液位开关自上而下依次对应l1、l2和l3三个液位控制点，当纯水罐内的液位位于l2时，打开第一阀门，使得系统外的纯水通过纯水管路进入纯水罐内，当纯水罐内的液位位于l1时，关闭第一阀门，停止向纯水罐内补水，当纯水罐内的液位位于l3时，则判定为出现故障，需停机保护。

7、在其中一些实施例中，所述氧水分离罐上分别设有第一安全阀和第一背压阀，第一背压阀用以将氧水分离罐内的压力设置为正压。

8、在其中一些实施例中，还包括循环水泵、换热器和电解槽，循环水泵的一端与氧水分离罐的出水口相连；换热器的一端与循环水泵的另一端相连；电解槽的一端与换热器的另一端相连，电解槽上设有氧气出口和氢气出口，氧气出口与氧水分离罐相连，氢气出口与氢气干燥装置相连，氢气干燥装置用以将氢气干燥后输送给用户。

9、在其中一些实施例中，氢气干燥装置上设有第二安全阀和第二背压阀，第二背压阀用以将电解槽内产生的氢气压力设置为用户需要的压力。

10、本发明另一方面公开了自流补水式高压pem制氢系统的制氢方法，包括以下步骤：

11、打开纯水罐纯水管路上的第一阀门，将系统外的纯水进入纯水罐内，并储存纯水；

12、依次打开变压灌的第一排气管路上的第三阀门和变压灌的第一输水管路上的第二阀门，使变压灌内的压力变为常压，纯水罐内的纯水通过重力自流至变压灌内；

13、当变压灌内的纯水充满后，关闭第三阀门和第二阀门；

14、打开第二输水管路上的第四阀门和氧水分离罐与变压灌之间的第二排气管路上的第五阀门，使变压灌内的压力与氧水分离罐内的压力相同，均为正压；

15、变压灌内的纯水通过重力自流至氧水分离罐内；

16、当变压灌内的纯水完全流入氧水分离罐内时，关闭第四阀门和第五阀门；

17、再次依次打开第三阀门和第二阀门，使得变压灌内的压力变为常压，纯水罐内的纯水通过重力自流至变压灌内；

18、重复上述步骤，直至氧水分离罐内充满纯水。

19、在其中一些实施例中，所述自流补水式高压pem制氢系统的制氢方法还包括以下步骤：

20、当氧水分离罐内液位位于停止补水位lb时，关闭第四阀门和第五阀门，停止对氧水分离罐补水；

21、当氧水分离罐内液位位于补水位lc时，打开第四阀门和第五阀门，对氧水分离罐补水；

22、当氧水分离罐液位位于上故障位la或下故障位ld时，判定为出现故障，需停机保护。

23、在其中一些实施例中，所述自流补水式高压pem制氢系统的制氢方法还包括以下步骤：

24、当变压灌内的液位位于上液位l上时，关闭第三阀门和第二阀门，停止向变压灌内补水；

25、当变压灌内的液位位于下液位l下时，依次打开第三阀门和第二阀门，继续向变压灌内补水；

26、当纯水罐内的液位位于l2时，打开第一阀门，使外部纯水进入纯水罐；

27、当纯水罐内的液位位于l1时，关闭第一阀门，停止补水；

28、当纯水罐内的液位位于l3时，判定为出现故障，需停机保护。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

30、1、本发明公开了自流补水式高压pem制氢系统，利用电解槽电解后的副产物氧气的压力，交替对变压罐进行加压和减压，从而实现不需要补水泵便能将纯水罐内的纯水借助于变压罐通过重力自流方式进入氧水分离器的目的。不仅节约了补水泵，降低了系统的成本和能耗，提高了系统的经济性和制氢效率，同时也提高了系统的稳定性、可靠性和环保性能，为pem制氢技术的发展提供了一种高效、经济和环保的解决方案。

31、2、本发明中氧水分离罐内的压力为正压，通过在氧水分离罐上设置背压阀，电解槽电解后源源不断产生的氧气使氧水分离罐内的压力不断增加，当压力达到背压阀设置的压力时，产生的过多的氧气通过背压阀排放掉，以维持氧水分离器内的压力不再升高。