基于热泵技术的电解水制氢联供系统

技术领域

本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其涉及一种基于热泵技术的电解水制氢联供系统。

背景技术

随着能源紧缺和环境污染现象的加剧，清洁能源和可再生能源的利用已成为大势所趋，其中，氢能因其清洁高效、可储运、应用场景丰富等优势逐渐得到广泛关注。氢气的高效制取是氢能利用的前提，当前主要的制氢方式有化石能源制氢、天然气重整制氢、电解水制氢等，其中，电解水制氢因其技术成熟、原料充足等优势发展迅速，正逐渐占据制氢市场的主导地位，但该方式仍然存在成本较高、能耗较大等问题。

电解水制氢依靠碱性水的电解，分别在正负电极上产生氧气和氢气，同时由于电流的热效应，碱液的浓度和温度同时上升，因而需要及时补充水并降温，此外，氢气的进一步脱氧提纯需要热量。然而，现有的电解水制氢系统中通常采用热交换器对电解槽及氧分离器和氢分离器进行循环冷却，冷却水通过调节阀进入碱液冷却器，冷却和调节循环电解液温度，并通过球阀调节开度，分别进入氢、氧气体冷却器，进行气体冷却。现有的电解水制氢系统成本较高，大量热能得不到充分利用而导致热量损失大，电能整体转换效率低，此外，制取的氢气和氧气分离提纯环节较复杂，需要额外提供热量，进一步提高了生产成本。

发明内容

本发明提供一种基于热泵技术的电解水制氢联供系统，用以解决现有技术中电解水制氢系统的热交换的效率低、热能损失大的问题。

本发明提供一种基于热泵技术的电解水制氢联供系统，包括：电解水制氢装置、热泵循环装置及冷水箱；

所述电解水制氢装置包括电解槽、分离器、碱液冷却器、氢冷却器及氧冷却器；所述电解槽用于电解水，所述分离器与所述电解槽连接，所述分离器设有第一出口、第二出口及第三出口，所述碱液冷却器、所述氢冷却器和所述氧冷却器分别与所述分离器的第一出口、第二出口和第三出口对应连接；

所述热泵循环装置与所述冷水箱连接，以构成形成第一循环回路、第二循环回路及第三循环回路；所述第一循环回路连接于所述碱液冷却器，用于对所述碱液冷却器内的碱液进行冷却，所述第二循环回路连接于所述氢冷却器，用于对所述氢冷却器内的氢气进行冷却，所述第三循环回路连接于所述氧冷却器，用于对所述氧冷却器内的氧气进行冷却。

根据本发明提供的基于热泵技术的电解水制氢联供系统，所述热泵循环装置包括蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀；

所述蒸发器的第一入口与所述碱液冷却器、所述氢冷却器和所述氧冷却器连接，所述压缩机的入口与所述蒸发器的第一出口连接，所述冷凝器的入口与所述压缩机的出口连接，所述膨胀阀的入口与所述冷凝器的第一出口连接，所述膨胀阀的出口与所述蒸发器的第二入口连接，以构建形成热泵回路。

根据本发明提供的基于热泵技术的电解水制氢联供系统，所述基于热泵技术的电解水制氢联供系统还包括冷水源及冷水泵，所述冷水源通过所述冷水泵与所述冷凝器连接，以向所述冷凝器中注入冷水进行换热。

根据本发明提供的基于热泵技术的电解水制氢联供系统，所述冷水箱设有第一出水管路；所述第一出水管路的出口与所述碱液冷却器的入口连接，所述碱液冷却器的出口与所述蒸发器的第一入口连接，所述蒸发器的第二出口与所述冷水箱的入口连接，以形成第一循环回路。

根据本发明提供的基于热泵技术的电解水制氢联供系统，所述冷水箱设有第二出水管路；所述第二出水管路的出口与所述氢冷却器的入口连接，所述氢冷却器的出口与所述蒸发器的第一入口连接，所述蒸发器的第二出口与所述冷水箱的入口连接，以形成第二循环回路。

根据本发明提供的基于热泵技术的电解水制氢联供系统，所述冷水箱设有第三出水管路；所述第三出水管路的出口与所述氧冷却器的入口连接，所述氧冷却器的出口与所述蒸发器的第一入口连接，所述蒸发器的第二出口与所述冷水箱的入口连接，以形成第三循环回路。

根据本发明提供的基于热泵技术的电解水制氢联供系统，所述基于热泵技术的电解水制氢联供系统还包括氢气提纯装置及氢气储存装置；

所述氢气提纯装置具有进气口和进液口，所述进气口与所述氢冷却器的出气口连接，所述进液口与所述冷凝器的第二出口连接，所述氢气储存装置与所述氢气提纯装置的出气口连接。

根据本发明提供的基于热泵技术的电解水制氢联供系统，所述电解水制氢装置还包括碱液回流组件，所述碱液冷却器的出口与所述碱液回流组件的入口连接，所述碱液回流组件的出口与所述电解槽连接。

根据本发明提供的基于热泵技术的电解水制氢联供系统，所述碱液回流组件包括混合器、循环泵及过滤器；

所述混合器的第一入口与所述碱液冷却器的出口连接，所述循环泵的入口与所述混合器的出口连接，所述过滤器的入口与所述循环泵的出口连接，所述过滤器的出口与所述电解槽连接。

根据本发明提供的基于热泵技术的电解水制氢联供系统，所述冷水箱的出口还与所述混合器的第二入口连接，所述冷水箱用于向所述混合器中注入水，以形成碱性溶液。

本发明提供的基于热泵技术的电解水制氢联供系统，包括：电解水制氢装置、热泵循环装置和冷水箱，其中，电解水制氢装置能够分离出碱液、氢气和氧气，采用热泵循环装置与冷水箱连接，构建三个循环回路，分别与碱液冷却器、氢冷却器和氧冷却器连接，采用热泵循环装置代替常规的热交换器，第一方面能够冷却氢气和氧气，第二方面能够为碱液冷却器提供冷量，降低碱液温度，维持电解槽的正常运行，第三方面为氢气脱氧提纯环节供给热量，从而同时实现电解水制氢系统的冷热联供。该系统实现了冷热源的高效利用，提高了能源利用率，降低了生产能耗，减少了环境污染，有利于电解水制氢工艺的进一步推广。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于热泵技术的电解水制氢联供系统的示意图；

附图标记：

1：电解水制氢装置；11：电解槽；12：分离器；13：碱液冷却器；14：氢冷却器；15：氧冷却器；16：碱液回流组件；161：混合器；162：循环泵；163：过滤器；2：热泵循环装置；21：蒸发器；22：压缩机；23：冷凝器；24：膨胀阀；3：冷水箱；31：第一出水管路；32：第二出水管路；33：第三出水管路；4：冷水泵；5：氢气提纯装置；6：氢气储存装置；7：阀门。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1描述本发明实施例提供的基于热泵技术的电解水制氢联供系统。

本发明实施例中的基于热泵技术的电解水制氢联供系统，包括：电解水制氢装置1、热泵循环装置2及冷水箱3。

电解水制氢装置1包括电解槽11、分离器12、碱液冷却器13、氢冷却器14及氧冷却器15；电解槽11用于电解水，分离器12与电解槽11连接，分离器12设有第一出口、第二出口及第三出口，碱液冷却器13、氢冷却器14和氧冷却器15分别与第一出口、第二出口和第三出口对应连接。

热泵循环装置2与冷水箱3连接，以构成形成第一循环回路、第二循环回路及第三循环回路；第一循环回路连接于碱液冷却器13，用于对碱液冷却器13内的碱液进行冷却，第二循环回路连接于氢冷却器14，用于对氢冷却器14内的氢气进行冷却，第三循环回路连接于氧冷却器15，用于对氧冷却器15内的氧气进行冷却。

具体地，电解槽11用于电解水以制备得到氢气和氧气，此处的电解槽11内可以为碱性溶液，如图1所示，电解槽11的出口与分离器12的入口连接，分离器12设有三个出口，即第一出口、第二出口和第三出口，第一出口流出碱液，第一冷却器第二出口释放氢气，第三出口释放氧气，分别与碱液冷却器13、氢冷却器14和氧冷却器15对应连接，即经电解而浓缩升温的碱液进入碱液冷却器13，在正负极上产生氧气和氢气分别进入氧冷却器15和氢冷却器14。

在碱液冷却器13、氢冷却器14和氧冷却器15分别与冷水箱3和热泵循环装置2连接，以构建形成三条循环回路，通过冷水箱3和热泵循环装置2的配合作用，冷水箱3的冷水经过管道分别进入碱液冷却器13、氢冷却器14和氧气冷却器，实现碱液、氢气和氧气的高效冷却，吸热蒸发后的水流经热泵循环装置2冷却降温后再流入冷水箱3，以供循环利用。

上述的装置之间均通过管道实现连通，在管道上可以设置阀门，以对应调节该管道的流速和开关。

本发明实施例提供的基于热泵技术的电解水制氢联供系统，包括：电解水制氢装置1、热泵循环装置2和冷水箱3，其中，电解水制氢装置1能够分离出碱液、氢气和氧气，采用热泵循环装置2与冷水箱3连接，构建三个循环回路，分别与碱液冷却器13、氢冷却器14和氧冷却器15连接，采用热泵循环装置2代替常规的热交换器，第一方面能够冷却氢气和氧气，第二方面能够为碱液冷却器13提供冷量，降低碱液温度，维持电解槽11的正常运行。

因此，本发明实施例提供的基于热泵技术的电解水制氢联供系统，相较于现有技术，提高了能源利用率，降低了生产能耗，减少了环境污染，有利于电解水制氢工艺的进一步推广。

在可选的实施例中，热泵循环装置2包括蒸发器21、压缩机22、冷凝器23及膨胀阀24。

蒸发器21的第一入口与碱液冷却器13、氢冷却器14和氧冷却器15连接，压缩机22的入口与蒸发器21的第一出口连接，冷凝器23的入口与压缩机22的出口连接，膨胀阀24的入口与冷凝器23的第一出口连接，膨胀阀24的出口与蒸发器21的第二入口连接，以构建形成热泵回路。

具体地，如图1所示，蒸发器21的出口与压缩机22的入口连接，压缩机22的出口与冷凝器23的入口连接，冷凝器23的出口与膨胀阀24的入口连接，膨胀阀24的出口与蒸发器21的第二入口连接，形成一个热泵循环。

冷水箱3的水经由碱液冷却器13、氢冷却器14和氧冷却器15三个冷却器后由蒸发器21的第一入口进入蒸发器21中与制冷剂进行逆流换热，制冷剂吸热后自蒸发器21的出口进入压缩机22，再依次经过冷凝器23和膨胀阀24，最后冷却后流入蒸发器21中，制冷剂在热泵循环装置2循环往复，以实现换热。

其中，热泵循环装置2中填充的有制冷剂，在一些实施例中，该制冷剂可以为二氧化碳介质，二氧化碳平常是气态，当变成固态的时候就成了干冰，在干冰挥发，需要从周围的环境中吸收热量，使周围的温度降低。

在可选的实施例中，基于热泵技术的电解水制氢联供系统还包括冷水源及冷水泵4，冷水源通过冷水泵4与冷凝器23连接，以向冷凝器23中注入冷水进行换热。

具体地，如图1所示，为了进一步提高能源的利用效率，在冷凝器23处还设置有冷水泵4，使用冷水泵4将抽取至冷凝器23中，利用换热的热量对冷水进行加热，以得到热水，该热水可以为氢气脱氧提纯环节供给热量，也可以直接转运用作他处需要热水的地方。

进一步地，对于三个循环回路的具体介绍如下：冷水箱3设有第一出水管路31；第一出水管路31的出口与碱液冷却器13的入口连接，碱液冷却器13的出口与蒸发器21的第一入口连接，蒸发器21的第二出口与冷水箱3的入口连接，以形成第一循环回路。

冷水箱3设有第二出水管路32；第二出水管路32的出口与氢冷却器14的入口连接，氢冷却器14的出口与蒸发器21的第一入口连接，蒸发器21的第二出口与冷水箱3的入口连接，以形成第二循环回路。

冷水箱3设有第三出水管路33；第三出水管路33的出口与氧冷却器15的入口连接，氧冷却器15的出口与蒸发器21的第一入口连接，蒸发器21的第二出口与冷水箱3的入口连接，以形成第三循环回路。

在可选的实施例中，基于热泵技术的电解水制氢联供系统还包括氢气提纯装置5及氢气储存装置6。

氢气提纯装置5具有进气口和入口，进气口与氢冷却器14的出气口连接，入口与冷凝器23的第二出口连接，氢气储存装置6与氢气提纯装置5的出气口连接。

具体地，氢气经冷却后进一步进入氢气提纯装置5，在氢气的提纯过程中，需要供给热量才能实现杂质气体的完全脱除。

制冷剂经蒸发器21吸收经由碱液冷却器13、氢冷却器14和氧冷却器15流出的热水的热量后进入压缩机22，加压后进入冷凝器23，与经冷水泵4送入的冷水进行逆流换热，制冷剂温度下降，然后，经过膨胀阀24，其压力进一步下降，再流入蒸发器21中，以实现完整的热泵循环。

同时，在冷凝器23中吸热升温的热水进入氢气提纯装置5，为该环节提供需求热量，经脱氧提纯后的氢气进入氢气储存装置6中储存。

如图1所示，在氢气储存装置6与氢气提纯装置5之间还可以设置阀门，以控制氢气的流通。

在可选的实施例中，电解水制氢装置1还包括碱液回流组件16，碱液冷却器13的出口与碱液回流组件16的入口连接，碱液回流组件16的出口与电解槽11连接。

进一步地，碱液回流组件16包括混合器161、循环泵162及过滤器163。

混合器161的第一入口与碱液冷却器13的出口连接，循环泵162的入口与混合器161的出口连接，过滤器163的入口与循环泵162的出口连接，过滤器163的出口与电解槽11连接。

冷水箱3的出口还与混合器161的第二入口连接，冷水箱3用于向混合器161中注入水，以形成碱性溶液。

具体地，为了实现碱液的循环利用，如图1所示，电解水制氢装置1为碱液循环装置，冷水箱3的水经管道流入混合器161中，与冷却后的碱液进行混合，可通过控制管道阀门开度实现水流量的调节，经调节达到合适浓度及温度的碱液经由循环泵162，再经过过滤器163进入电解槽11，实现电解水制氢过程的稳定持续进行。

本发明实施例提供的基于热泵技术的电解水制氢联供系统采用热泵装置代替常规的热交换器，一方面冷却氢气和氧气，同时为碱液冷却器13提供冷量，降低碱液温度，维持电解槽11的正常运行；另一方面为氢气脱氧提纯环节供给热量，从而同时实现电解水制氢系统的冷热联供。该系统实现了冷热源的高效利用，降低了生产能耗，减少了环境污染。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。