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文档序号:36405003发布日期:2023-12-16 11:04阅读:15来源:国知局
一种可逆质子交换膜电解槽系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及电解槽技术领域,特别涉及一种可逆质子交换膜电解槽系统及其控制方法



背景技术:

2.在众多的可再生能源中,氢的质量能量密度是所有化学燃料中最高的,这意味着同等质量的氢可以提供比其他燃料更多的能量

更为重要的是,当氢气被转化为能量时,它的唯一产物是水,这意味着它不会产生任何有害的气体或排放

因此,氢气被认为是一种清洁的储能介质

3.一般的氢气储能系统包括电解水制氢系统

氢气压缩系统

氢气存储系统和燃料电池系统,电解水制氢系统用于制备氢气,制备得到的氢气经由压缩系统压缩,并存入氢气存储系统中,发电时,氢气被送入燃料电池系统,氢气在阳极上放出电子,电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子

离子在电场作用下,通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应,构成回路,产生电流

4.整套氢气储能系统结构复杂且未考虑能量的集成利用,也导致系统整体的效率较低

比如,氢气存储系统中存储的氢气压力较高,但燃料电池系统由于空压机的限制,需要运行在低压工况,为此氢气在进入燃料电池前还需要进行减压操作,导致能量的无效损失



技术实现要素:

5.为了解决上述问题,本发明提供了一种可逆质子交换膜电解槽系统及其控制方法,集电解系统和燃料电池系统为一体,可简化氢气储能系统的复杂性,减少能量的损失

6.为此,本发明的技术方案是:一种可逆质子交换膜电解槽系统,包括电解槽

氢气罐

氧气罐

水罐

分水器和散热器;所述电解槽内设有双极板,双极板为三腔结构,由氢气腔

水腔和氧气腔组成,电解槽的第一极侧

水腔均单独与水罐相连通;所述电解槽第一极侧连接氧气罐,电解槽的第二极侧的气体出口连接氢气罐,液体出口连接分水器;还包括散热器,散热器的冷却水出口端连接双极板的水腔

7.在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述双极板由两个面板构成;第一面板弯折形成多个矩形凸起,第二面板弯折形成多个矩形凹槽,第一面板与第二面板固定在一起,相对侧上的矩形凸起与矩形凹槽位置相对,形成水腔,第一面板

第二面板的相反侧分别为氢气腔和氧气腔

8.在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述电解槽具有两种工作模块,电解水模式和燃料电池模式;电解水模式下,电解槽的第一极为电解阳极,第二极为电解阴极;燃料电池模式下,电解槽的第一极为电池阴极,第二极为电池阳极

9.在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述电解水模式下,电解槽第一极侧连接氧气罐,氧气罐接收氧气;所述电解槽第一极侧以及内部双极板的水腔连接水罐,水腔内充盈高压水;所述电解槽第二极侧连接氢气罐,氢气罐接收氢气

10.在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述燃料电池模式下,电解槽的第一极侧连接氧气罐,氧气罐提供氧气,电解槽的第二极侧连接氢气罐,氢气罐提供氢气,且第二极侧与分水器相连通;所述散热器的冷却水出口端与双极板的水腔相连通,散热器另一端连接水罐

11.在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述电解槽的第一极侧与氧气罐之间设有增湿器,燃料电池模式下,氧气罐通过增湿器与电解槽相连通,且增湿器与水罐相连通

12.在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述水罐上设有排气端和补气端

13.本发明的另一个技术方案是:上述可逆质子交换膜电解槽系统的控制方法,包括两种工作模块,电解水模式和燃料电池模式;
14.电解水模式下:水罐向电解槽的第一极侧和水腔供水,水腔内的水用于平衡压力以及平衡电解槽内温度;电解槽通电进行电解反应,第一极侧的出料为水

氧气混合物,进入氧气罐后进行气液分离,分离出的水流回水罐;第二极侧的出料为水

氢气混合物,进入氢气罐后进行气液分离,分离出的水流回水罐;
15.燃料电池模式下:氧气罐向电解槽的第一极侧提供氧气,其氧气经过增湿器加湿;氢气罐向电解槽的第二极侧提供氢气;电解槽内进行燃料电池的电极反应,第二极侧的产物为水,水经由分水器排出,使得第一极侧与第二极侧保持一定的压差;所述电解槽与散热器相连通,冷却水进入电解槽内降温

16.在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述电解水模式

燃料电池模式下都需要实时调节水罐的压力;即在水罐顶部封存有一段气体,当水罐压力高于设定压力时,进行放气;当水罐压力低于设定压力时,进行补气

17.与现有技术相比,本发明的有益效果是:
18.1、
将电解水制氢系统和燃料电池系统集合在同一电解槽内进行,电解阳极产物为水和氧气的混合物,氧气存储于氧气罐内,并可作为燃料电池模式下的氧化气,相较于传统燃料电池的空气来说,氧气可大大提高了反应物的浓度,改善了化学反应的动力学;而电解阴极产物为水和氢气的混合物,氢气存储于氢气罐内,并可作为燃料电池模式下的燃料气,燃料电池反应后并不会产生尾排气,产物仅为水,水经过分水器排放,可保证两个极之间维持一定的压差

19.2、
电解槽内的双极板设置成三腔结构,在电解模式下,水腔内的水起到平衡压力

启动时加热

电解槽高温时冷却电解槽

平衡电解槽的温度分布,冷却电解槽后,进入阳极反应的水的流量可以比常规的电解槽水量可以大大减少;在燃料电池模式下,冷却水进入水腔,用于降温散热

20.3、
在水罐上设置排气端和补气端,当水罐压力高于设定压力时进行放气,当水罐压力低于设定压力时进行补气,实时调整水罐的压力,使得降低水腔与氧气腔

氢气腔的压差,保证电解模式

燃料电池模式顺序进行

附图说明
21.以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明
22.图1为本发明的系统结构图;
23.图2为本发明电解模式下系统结构图;
24.图3为本发明燃料电池模式下系统结构图;
25.图4为本发明双极板的结构示意图

26.图中标记为:氧气罐
1、
增湿器
2、
电解槽
3、
双极板
31、
氢气腔
32、
水腔
33、
氧气腔
34、
面板
35、
矩形凸起
36、
矩形凹槽
37、
氢气罐
4、
水罐
5、
分水器
6、
散热器
7、
第一控制阀门
8、
第二控制阀门
9、
第一水泵
10、
第三控制阀门
11、
第四控制阀门
12、
第二水泵
13、
排气控制阀门
14、
补气控制阀门
15、
第六控制阀门
16、
第五控制阀门
17、
第七控制阀门
18。
具体实施方式
27.在本发明的描述中,需要说明的是,对于方位词,如有术语“中心”,“横向
(x)”、“纵向
(y)”、“竖向
(z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于叙述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位

以特定方位构造和操作,不能理解为限制本发明的具体保护范围

28.此外,如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量

由此,限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征,在本发明描述中,“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定

29.参见附图

本实施例所述可逆质子交换膜电解槽系统,包括氧气罐
1、
增湿器
2、
电解槽
3、
氢气罐
4、
水罐
5、
分水器6和散热器
7。
30.所述电解槽3内设有双极板
31
,双极板为三腔结构,由氢气腔
32、
水腔
33
和氧气腔
34
组成;具体的说,所述双极板由两个面板
35
构成;第一面板弯折形成多个矩形凸起
36
,第二面板弯折形成多个矩形凹槽
37
,第一面板与第二面板焊接固定在一起或者
3d
打印为一体,两个相对侧上的矩形凸起
36
与矩形凹槽
37
位置相对,从而拼合成一个个矩形的水腔
33
,第一面板另一侧为氧气腔
34
,第二面板的另一侧为氢气腔
32。
31.所述电解槽3上具有第一极和第二极,电解水模式下,电解槽的第一极为电解阳极,第二极为电解阴极;燃料电池模式下,电解槽的第一极为电池阴极,第二极为电池阳极

32.所述电解槽3第一极侧连接增湿器
2、
水罐5和氧气罐
1。
所述增湿器2包括气路和水路,气路两端进出口分别连接电解槽3和氧气罐1,同时,气路上并联设有第一旁路,第一旁路上设有第一控制阀门8;所述水路上并联设有第二旁路,第二旁路上设有第二控制阀门
9。
所述氧气罐1具有气液分离功能,接收到电解阳极产物后,可以分离水和氧气,氧气存储在罐内,水通过第七控制阀门
18
被送回水罐内

33.所述水罐5的第一出口经过第一水泵
10
连接增湿器2的水路进口,增湿器2的水路出口分为两路,一路经由第三控制阀门
11
连接水罐5入口,另一路通过第四控制阀门
12
连接电解槽3第一极侧

所述水罐5的第二出口通过第二水泵
13
连接至电解槽3双极板的水腔内

34.同时,所述水罐5上设有排气端和补气端,排气端设有排气控制阀门
14
,补气端设有补气控制阀门
15。
为了让水腔的压力与氧气腔

氢气腔的压差较小,实时调整水罐的压


35.电解槽3第二极侧的气体出口连接氢气罐4,氢气罐4通过第六控制阀门
16
连接水罐
5。
所述氢气罐4具有气液分离功能,接收到电解阴极产物后,可以分离水和氢气,氢气存储在罐内,水被送回水罐内

电解槽3第二极侧的液体出口连接分水器6,可以排放燃料电池反应后的产物

36.同时,散热器7的冷却水出口端通过第五控制阀门
17
接入连接双极板的水腔内,进行冷却散热

37.所述电解槽系统具体两种工作模块,电解水模式和燃料电池模式

38.1、
电解水模式:
39.打开增湿器2上两个旁路的第一控制阀门
8、
第二控制阀门9,关闭第三控制阀门
11
,打开第四控制阀门
12
,打开第五控制阀门
17
,打开第六控制阀门
16
,也就是说增湿器2不进入工作状态,散热器7进入工作状态

40.第一水泵
10、
第二水泵
13
打开,第一水泵
10
从水罐5中抽取水,经由第二控制阀门
9、
第三控制阀门
11
送入电解槽3的第一极侧
(
电解阳极
)
;同时,第二水泵
13
从水罐5中抽取水,送入电解槽3双极板的水腔内

41.电解槽3通电后进行水电解反应,第一极侧
(
电解阳极
)
的出料是水和氧气的混合物,水和氧气的混合物经由第一控制阀门8送入氧气罐1内,氧气罐1还起到气液分离器的作用,分离出的水再回流至水罐

电解槽3第二极侧
(
电解阴极
)
的出料是水和氢气的混合物,水和氢气的混合物送入氢气罐内,氢气罐还起到气液分离器的作用,分离出的水再回流至水罐

42.同时,随着氧气

氢气的生成,整个系统的压力也是变动的,为了让水腔的压力与氧气腔

氢气腔的压差较小,实时调整水罐的压力,即维持水罐的液位在一定水平,使水罐的上方存在一定的气体,然后,当水罐压力高于设定压力时,进行放气;当水罐压力低于设定压力时进行补气

43.2、
燃料电池模式:
44.关闭增湿器上两个旁路的第一控制阀门
8、
第二控制阀门9,打开第三控制阀门
11
,关闭第四控制阀门
12
,打开第五控制阀门
17
,关闭第六控制阀门
16
,也就是说增湿器

散热器进入工作状态

45.第一水泵
10
从水罐5中抽水,送入增湿器2的水路,氧气罐1内的氧气经由增湿器加湿后,被送入电解槽3的第一极侧
(
电池阴极
)
,且与常规燃料电池不同,第一极侧
(
电池阴极
)
没有常规尾排气

所述氢气罐4内的氢气被送入电解槽的第二极侧
(
电池阳极
)
,在电解槽3内发生燃料电池的化学反应,从而向电网供电

第二极侧
(
电池阳极
)
的产物为水,水经由分水器6排出,可以使阴极与阳极维持一定的压差

工作期间,散热器7向电解槽双极板的水腔内供给冷却水,起到降温的作用

46.在燃料电池模式下,随着氧气

氢气的消耗,整个系统的压力也是变动的,为了让水腔的压力与氧气腔

氢气腔的压差较小,实时调整水罐的压力,即维持水罐的液位在一定水平,使水罐的上方存在一定的气体,然后,当水罐压力高于设定压力时,进行放气;当水罐压力低于设定压力时进行补气

47.以上所述仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施
例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围

应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围

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