一种基于相变储热的余热利用水电解制氢系统的制作方法

本技术属于电解制氢，尤其涉及一种基于相变储热的余热利用水电解制氢系统。

背景技术：

1、氢气因其清洁无污染、热量高等优点，被誉为21世纪最具发展前景的清洁能源。电解水制氢是指在直流电作用下，水分子在电解槽中被分解生成氧气和氢气的过程，是目前最重要的绿氢制备手段之一，具有绿色环保、生产灵活和产品纯度高等特点，对解决可再生能源波动消纳具有重要意义。但是：

2、目前水电解制氢装置电解效率约在60％～80％，未利用的电能将转化为热能。这些热能中除了维持电解槽自身的温度(40-90℃)，一大部分被氢气、氧气和电解液从电解槽出口带出，排向环境而损失掉，造成大量热能浪费；

3、电解系统从冷启动开始到达到适宜的水电解温度需要较长时间，尤其是高寒地区大规模制氢系统更是需要2-3小时完整启动时间，严重影响电解效率；

4、电解水制氢过程中大量近室温的原料水的间歇性补入使得进入电解槽的原料水温高低大幅波动，影响电解系统的运行稳定性。

5、因此，如何通过热管理技术将水电解装置产生的热能进行高效回收转化利用并维持电解水装置的热稳态是亟待解决的问题之一。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种基于相变储热的余热利用水电解制氢系统，通过系统设计解决了水电解装置余热高效回收转化利用并维持系统热稳态的问题。

2、本实用新型目的通过下述技术方案来实现：

3、一种基于相变储热的余热利用水电解制氢系统，所述水电解制氢系统包括：电解槽、氢侧气液分离系统、氧侧气液分离系统、电解液循环泵、相变储热装置和散热器；

4、所述电解槽出氢口和出氧口分别与氢侧气液分离系统、氧侧气液分离系统相连，以完成相应电解气体的输出；

5、所述氢侧气液分离系统被配置为完成气液分离，将分离的氢气输出至外接设备，将分离的电解液输送至电解液循环泵的入口端；

6、所述氧侧气液分离系统被配置为完成气液分离，将分离的氧气输出至外接设备，将分离的电解液输送至电解液循环泵的入口端；

7、所述电解液循环泵出口端经管路依次与相变储热装置、散热器和电解槽连接，完成电解液循环输送；所述相变储热装置被配置为完成管路内电解液的温度调节，所述散热器被配置为选择完成管路内电解液的降温处理。

8、根据一个优选的实施方式，所述电解液循环泵出口端经旁路管线与散热器入口端直接相连；所述旁路管线上设置有第一阀体。

9、根据一个优选的实施方式，所述相变储热装置出口端设有第二阀体。

10、根据一个优选的实施方式，所述水电解制氢系统还包括电解液储箱，所述电解液储箱外接电解液输送单元，以向电解液储箱内输入电解液；且所述电解液储箱经补电解液泵、氧侧气液分离系统与电解液循环泵的入口端相连。

11、根据一个优选的实施方式，所述补电解液泵与氧侧气液分离系统之间设有第一止回阀。

12、根据一个优选的实施方式，所述相变储热装置与所述电解液储箱之间还设有换热管路，以实现电解液储箱内电解液的预热。

13、根据一个优选的实施方式，所述换热管路内设有电解液预热泵，以完成管路内换热介质的循环驱动。

14、根据一个优选的实施方式，所述相变储热装置内还设有第二温度测量仪。

15、根据一个优选的实施方式，所述氢侧气液分离系统与电解液循环泵之间的电解液输送管路上设有第二止回阀，以防止电解液回流至氢侧气液分离系统。

16、根据一个优选的实施方式，所述电解液循环泵的出口端设有第一温度测量仪，所述散热器的入口端设有第三温度测量仪，所述散热器与电解槽之间管路上设有第四温度测量仪。

17、本实用新型的工作原理如下：电解槽产生的氢气和氧气分别经气液分离系统排出。电解液经电解液循环泵进入相变储热装置，与相变储热装置中的相变材料发生热交换，电解液被加热或者被降温，再通过散热器达到电解合适温度，进入电解槽发生电解发应。相变储热装置通过装填合适的相变材料(40-90℃)，吸收存储电解系统中多余的热量，无法吸收的多余热量利用电解液预热泵通过换热管路预热电解液储箱中的电解液。随着电解发应的进行，电解循环系统中的电解液被逐渐消耗，补电解液泵及时将电解液储箱中已经被预热的电解液及时补充进入氧侧气液分离系统，参与水电解制氢循环。

18、本实用新型能将电解槽产生的多余的热能通过相变储热装置转化为相变材料的内能进行储存，也可以将相变材料的内能通过相变储热装置转化为热能用以加热电解液和电解槽，以维持水电解制氢系统低负荷运行或者停机时的温度。通过将相变储热装置与电解液储箱相连，将系统长周期运行的多余热量直接预热电解液，既解决近室温电解液间歇性补入电解系统使得进入电解槽的电解液温度高低大幅波动的问题，又能解决系统长周期运行余热回收利用问题。通过本实用新型提高了水电解制氢系统的能量转换及利用效率，具有安全性高、适用性广泛、储热密度大、输出温度和能量稳定等优点。

19、前述本实用新型主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本实用新型可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本实用新型方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本实用新型所要保护的技术方案，在此不做穷举。

20、本实用新型的有益效果：

21、1、本实用新型水电解制氢系统通过热能回收再利用实现水电解制氢系统热量的有效利用和管控，提高了水电解制氢系统的能量转换及利用效率；

22、2、设置了相变储热装置，实现水电解制氢系统产生的热能与相变材料内能的相互转换，其储热密度高、输出温度和能量稳定。

23、3、通过简单设计，将系统长周期运行的多余热量直接预热电解液，既解决近室温电解液间歇性补入电解系统使得进入电解槽的电解液温度高低大幅波动的问题，又能解决系统长周期运行余热回收利用问题。

技术特征：

1.一种基于相变储热的余热利用水电解制氢系统，其特征在于，所述水电解制氢系统包括：电解槽(1)、氢侧气液分离系统(3)、氧侧气液分离系统(4)、电解液循环泵(5)、相变储热装置(6)和散热器(7)；

2.如权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述电解液循环泵(5)出口端经旁路管线与散热器(7)入口端直接相连；所述旁路管线上设置有第一阀体(16)。

3.如权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述相变储热装置(6)出口端设有第二阀体(17)。

4.如权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述水电解制氢系统还包括电解液储箱(9)，所述电解液储箱(9)外接电解液输送单元(2)，以向电解液储箱(9)内输入电解液；

5.如权利要求4所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述补电解液泵(11)与氧侧气液分离系统(4)之间设有第一止回阀。

6.如权利要求4所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述相变储热装置(6)与所述电解液储箱(9)之间还设有换热管路(8)，以实现电解液储箱(9)内电解液的预热。

7.如权利要求6所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述换热管路(8)内设有电解液预热泵(10)，以完成管路内换热介质的循环驱动。

8.如权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述相变储热装置(6)内还设有第二温度测量仪(13)。

9.如权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述氢侧气液分离系统(3)与电解液循环泵(5)之间的电解液输送管路上设有第二止回阀，以防止电解液回流至氢侧气液分离系统(3)。

10.如权利要求1所述的水电解制氢系统，其特征在于，所述电解液循环泵(5)的出口端设有第一温度测量仪(12)，所述散热器(7)的入口端设有第三温度测量仪(14)，所述散热器(7)与电解槽(1)之间管路上设有第四温度测量仪(15)。

技术总结
本技术公开了一种基于相变储热的余热利用水电解制氢系统，包括：电解槽、氢侧气液分离系统、氧侧气液分离系统、电解液循环泵、相变储热装置和散热器；所述电解槽出氢口和出氧口分别与氢侧气液分离系统、氧侧气液分离系统相连；所述氢侧气液分离系统被配置为完成气液分离，将分离的电解液输送至电解液循环泵的入口端；所述氧侧气液分离系统被配置为完成气液分离，将分离的电解液输送至电解液循环泵的入口端；所述电解液循环泵出口端经管路依次与相变储热装置、散热器和电解槽连接，完成电解液循环输送；所述相变储热装置被配置为完成管路内电解液的温度调节，所述散热器被配置为选择完成管路内电解液的降温处理。

技术研发人员：闫旭东,杨锦,陈明,张文帅,孙浩然,李历浪,何东旭
受保护的技术使用者：东方电气集团东方锅炉股份有限公司
技术研发日：20240410
技术公布日：2024/11/28