[发明专利]一种自热启动电解水制氢系统及其运行方法

说明书

本申请提出一种自热启动电解水制氢系统及其运行方法，包括通过管路依次首尾连接的电解槽、气液分离装置、电解液缓冲罐和循环泵，所述电解液缓冲罐上缠绕设置有加热管，还包括催化燃烧器，所述催化燃烧器的进气口通过管路和所述气液分离装置连接，所述催化燃烧器的底端还设有出气口，利用电解产生的粗氢或者存储的高纯氢，通过催化燃烧在冷启动过程中为装置提供热源，加热电解液，实现了电解水制氢系统的快速冷启动，有效缩短了制氢系统达到额定工况的时间；通过辅热实现电解液温度的快速提升，对于降低制氢能耗具有显著效果；在冷启动结束后，催化燃烧装置还可以用来处理未被作为产品收集、排空的氢气，具有显著的环保效益。

技术领域

本申请涉及制氢设备技术领域，尤其涉及一种自热启动电解水制氢系统及其运行方法。

背景技术

氢气作为一种灵活、高效、零碳的能源载体，在助力加速脱碳进程和能源结构转型过程中扮演重要角色。氢气根据来源可分为以下几种：基于化石燃料制得的氢气属于灰色氢气；基于化石燃料并结合碳捕集、利用及储存技术制得的氢气属于蓝色氢气；基于可再生能源制得的氢气属于绿色氢气。随着风电、光伏等可再生电力的成本不断下降，基于可再生能源的电解水制氢工艺被视为最具发展前景的绿氢生产方式。

由于风力发电、光伏发电直接受天气影响，具有不可避免的间隙性和波动性。因此当电解水制氢与可再生能源发电进行耦合时，制氢过程将有别于传统的连续运行模式，出现不规律的停止和启动。电解槽是电解水制氢工中的核心装置，工作温度一般是70-90度左右，电解液是KOH溶液或纯水。电解槽冷启动时电解液为室温，电解液在没有加热辅助条件下升温很慢，启动后需要几个小时能达到额定运行温度。低温区间内电解液电阻大，导致电解制氢能耗高，制氢量也无法在短时间内提升至额定产量。

因此，本领域需要开发自热启动电解水制氢系统，解决电解槽冷启动慢、启动能耗高的技术难题。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的目的在于提出一种自热启动电解水制氢系统，通过在电解液缓冲罐外侧设置加热管，加热管和气液分离装置之间设置催化燃烧器，利用电解产生的粗氢或者存储的高纯氢，通过催化燃烧在冷启动过程中为装置提供热源，加热电解液，实现了电解水制氢系统的快速冷启动，有效缩短了制氢系统达到额定工况的时间；通过辅热实现电解液温度的快速提升，对于降低制氢能耗具有显著效果；在冷启动结束后，催化燃烧装置还可以用来处理未被作为产品收集、排空的氢气，具有显著的环保效益。

为达到上述目的，本申请提出的一种自热启动电解水制氢系统，包括通过管路依次首尾连接的电解槽、气液分离装置、电解液缓冲罐和循环泵，所述气液分离装置通过管路和氢气纯化装置连接，所述氢气纯化装置通过管路和氢气储罐连接，所述电解液缓冲罐上缠绕设置有加热管，还包括催化燃烧器，所述催化燃烧器的进气口通过管路和所述气液分离装置连接，所述催化燃烧器具有进风口，所述进风口通入的空气和所述进气口通入的粗氢在所述催化燃烧器内催化燃烧，所述催化燃烧器的底端还设有出气口，所述出气口用于输出高温气体，所述出气口通过管路分别与所述加热管的首尾两端连接。

进一步地，所述催化燃烧器的出气口与所述加热管连接的管路上设置有三通阀，所述三通阀的第一端通过管路和所述出气口连通，所述三通阀的第二端通过管路和所述加热管的进气口连通，所述三通阀的第三端通过管路和所述加热管的回气口的连通，其中，所述三通阀的第三端还连接有放空管路。

进一步地，所述氢气储罐用于存储经过所述氢气纯化装置纯化后的氢气，所述氢气储罐具有放气口，所述放气口通过管路和所述催化燃烧器的进气口连接，所述氢气储罐用于对所述催化燃烧器供应纯氢。

进一步地，所述进风口处设置有风机，所述进风口通入的空气和所述进气口通入的氢气体积流量比的范围为19:1～9:1，所述空气和氢气混合物在所述催化燃烧器中的体积空速的范围为5000～10000h^-1。