一种热管理系统及电解水制氢系统

技术领域

本发明涉及热管理技术领域，更具体地说，涉及一种热管理系统及电解水制氢系统。

背景技术

目前水电解制氢装置趋向于大型化、变功率制氢的方向发展；目前大型化设备采取的是多个电解槽对一套后处理系统的方式，制氢侧换热器和制氧侧换热器的冷却需求较大，系统运行成本较高。

综上所述，如何解决电解水制氢系统运行成本较高的问题已经成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种热管理系统及电解水制氢系统，以解决电解水制氢系统运行成本较高的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种热管理系统，用于电解水制氢系统，包括：

气液分离器；

第一换热器，用于对所述气液分离器输出的分离气进行冷却，且所述第一换热器的冷液进口通过第一管路与所述气液分离器的液体输出管路连通，所述第一换热器的冷液出口通过第二管路引流至所述气液分离器；

循环泵，用于为所述第一换热器、第一管路及第二管路内冷却液循环提供动力；

其中，所述第一管路上设置有第一管路切断阀。

可选地，还包括温度检测器，所述温度检测器用于检测所述气液分离器内或所述液体输出管路内电解液温度。

可选地，还包括控制器，所述第一管路切断阀为电控阀，所述控制器分别与所述温度检测器和所述第一管路切断阀通讯连接，以用于根据所述温度检测器检测的电解液温度值控制所述第一管路切断阀开闭。

可选地，当所述温度检测器检测的电解液温度值超出预设温度上限值时，所述控制器控制所述第一管路切断阀关闭；当所述温度检测器检测的电解液温度值低于预设温度下限值时，所述控制器控制所述第一管路切断阀开启。

可选地，还包括用于对所述第一换热器输出的气流进行换热冷却的第二换热器，所述第二换热器所连接的冷却循环管路上设置有流量控制阀，所述流量控制阀与所述控制器通讯连接，当所述第一管路切断阀关闭时，所述控制器能够控制所述流量控制阀的流量变大；当所述第一管路切断阀开启时，所述控制器能够控制所述流量控制阀的流量变小或关闭。

可选地，所述气液分离器为氢气气液分离器和/或氧气气液分离器。

可选地，所述液体输出管路为氢气气液分离器的液体导出管路和氧气气液分离器的液体导出管路的汇流管路。

可选地，所述第二管路上还设置有用于防止所述气液分离器中气体进入所述第一换热器内部的第二管路止回阀。

可选地，所述第一换热器的气体流通腔体还设置有用于收集冷凝液的集液结构，所述集液结构通过第三管路与所述气液分离器连通。

可选地，所述循环泵设置于所述液体输出管路上，且位于所述第一管路与所述液体输出管路的连接节点的上游。

可选地，所述循环泵设置于所述第一管路上。

相比于背景技术介绍内容，上述热管理系统，用于电解水制氢系统，包括：气液分离器；第一换热器，用于对气液分离器输出的分离气进行冷却，且第一换热器的冷液进口通过第一管路与气液分离器的液体输出管路连通，第一换热器的冷液出口通过第二管路引流至气液分离器；循环泵，用于为第一换热器、第一管路及第二管路内冷却液循环提供动力；其中，第一管路上设置有第一管路切断阀。该热管理系统，在实际应用过程中，由于第一换热器的冷液进口通过第一管路与气液分离器的液体输出管路连通，第一换热器的冷液出口通过第二管路引流至气液分离器，当气液分离器内电解液的温度较低时，可以通过开启第一管路切断阀和循环泵，即可将气液分离器的液体输出管路内的电解液输送至第一换热器，通过第一换热器对气液分离器输出的分离气进行换热冷却，充分利用了温度较低的电解液，继而能够减少分离气的冷却换热器的冷却水的用量，甚至可以关闭分离气的冷却换热器，从而有助于降低电解水制氢系统的运行成本。

另外，本发明还提供了一种电水解制氢系统，包括热管理系统，该热管理系统为上述任一方案所描述的热管理系统。由于该热管理系统具有上述技术效果，因此具有该热管理系统的电解水制氢系统也应具有相应的技术效果，在此不再赘述。

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为本发明实施例提供的热管理系统的原理图；

图2为本发明实施例提供的热管理系统布置于电解水制氢系统的氢气侧的原理图；

图3为本发明实施例提供的热管理系统布置于电解水制氢系统的氧气侧的原理图；

图4为本发明实施例提供的热管理系统在电解水制氢系统的氢气侧和氧气侧同时布置且两侧采用独立循环泵提供动力的原理图；

图5为本发明实施例提供的热管理系统在电解水制氢系统的氢气侧和氧气侧同时布置且两侧采用共用循环泵提供动力的原理图。

其中，图1-图5中：

气液分离器1、氢气气液分离器1a、氧气气液分离器1b、液体输出管路2、氧气换热器3a、氢气换热器3b、氧气管路调节阀4、氧气放空管路切断阀5、氧气出口管路切断阀6、氧气出口管路止回阀7、第一换热器8、第一管路81、第二管路82、第二换热器9、氢气管路调节阀10、氢气出口管路切断阀11、氢气出口管路止回阀12、氢气放空管路切断阀13、第二管路止回阀14、循环泵15、第一管路切断阀16、电解液换热器17、电解槽18、温度检测器19。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种热管理系统及电解水制氢系统，以解决电解水制氢系统运行成本较高的问题。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1本发明实施例提供的热管理系统布置于电解水制氢系统的氢气侧的原理图。

本发明实施例提供了一种热管理系统，用于电解水制氢系统，包括气液分离器1、第一换热器8和循环泵15；其中，第一换热器8用于对气液分离器1输出的分离气进行冷却，且第一换热器8的冷液进口通过第一管路81与气液分离器的液体输出管路2连通，第一换热器8的冷液出口通过第二管路82引流至气液分离器1；循环泵15用于为第一换热器8、第一管路81及第二管路82内冷却液循环提供动力；第一管路81上设置有第一管路切断阀16。

该热管理系统，在实际应用过程中，由于第一换热器8的冷液进口通过第一管路81与气液分离器1的液体输出管路2连通，第一换热器8的冷液出口通过第二管路82引流至气液分离器，当气液分离器1内电解液的温度较低时，可以通过开启第一管路切断阀16和循环泵15，即可将气液分离器1的液体输出管路2内的电解液输送至第一换热器8，通过第一换热器8对气液分离器1输出的分离气进行换热冷却，充分利用了温度较低的电解液，继而能够减少分离气的冷却换热器的冷却水的用量，甚至可以关闭分离气的冷却换热器，从而有助于降低电解水制氢系统的运行成本；另外，通过上述热管理系统，能够更好地利用电解液预先换热，会使进入后续第一换热器8的氢气含水量更低，使气液分离效果更好，所得到的氢气露点更低有助于提高氢气品质。

在一些具体的实施方案中，热管理系统在电解水制氢系统中的具体应用方式可以有以下几种形式：

第一种形式，参照图2本发明实施例提供的热管理系统布置于电解水制氢系统的氢气侧的原理图，上述气液分离器1具体可以是位于电解水制氢系统的氢气侧的氢气气液分离器1a，对应的第一换热器8用于对氢气气液分离器1a分离后的氢气进行冷却。

第二种形式，参照图3本发明实施例提供的热管理系统布置于电解水制氢系统的氧气侧的原理图，上述气液分离器1具体可以是位于电解水制氢系统的氧气侧的氧气气液分离器1b，对应的第一换热器8用于对氧气气液分离器1b分离后的氧气进行冷却，该种方式与第一种形式类似，只是第一种形式为热管理系统应用于电解水制氢系统中的制氢侧的热管理，而第二种形式为热管理系统应用于电解水制氢系统中的制氧侧的热管理。

第三种形式，参照图4本发明实施例提供的热管理系统在电解水制氢系统的氢气侧和氧气侧同时布置且两侧采用独立循环泵提供动力的原理图，气液分离器1具体可以是同时包括氢气气液分离器1a和氧气气液分离器1b，此时第一换热器8具体为两个，其中一个为对应氢气气液分离器1a的氢气输送管路上设置的第一换热器8，用于对氢气进行冷却；另一个为对应氧气气液分离器1b分离后的氧气输送管路上设置的第一换热器8，用于对氧气进行冷却，该种方式是上面第一种形式和第二种形式的结合，原理类似，并且该种形式中，制氢侧的热管理和制氧侧的热管理所采用驱动源为独立的循环泵15为各自的电解液循环提供动力。

第四种形式，参照图5本发明实施例提供的热管理系统在电解水制氢系统的氢气侧和氧气侧同时布置且两侧采用共用循环泵提供动力的原理图，此时，气液分离器1具体可以是同时包括氢气气液分离器1a和氧气气液分离器1b，此时第一换热器8具体为两个，其中一个为对应氢气气液分离器1a的氢气输送管路上设置的第一换热器8，用于对氢气进行冷却；另一个为对应氧气气液分离器1b分离后的氧气输送管路上设置的第一换热器8，用于对氧气进行冷却，该种方式是上面第三种形式的区别在于，制氢侧的热管理和制氧侧的热管理所采用驱动源为共用循环泵15提供电解液循环动力。

实际应用过程中，可以根据实际需求进行具体选择配置对应的热管理形式，在此不做更具体的限定。

另外需要说明的是，对应单侧热管理系统(也即如图2所示，热管理系统布置于制氢侧，或如图3所示，热管理系统布置于制氧侧)所采用的循环泵15，具体可以设置于液体输出管路2上，且位于第一管路81与液体输出管路2的连接节点的上游。这样仅通过一个循环泵15即可同时满足第一换热器8、第一管路81及第二管路82的电解液循环动力和液体输出管路2向电解槽18回流的动力。

当然可以理解的是，上述循环泵15的布置方式，仅仅是本发明实施例的举例而已，实际应用过程中，还可以将循环泵15设置于第一管路81上，此时第一换热器8、第一管路81及第二管路82的电解液循环采用独立的动力源，不受整个电解水制氢系统运行的影响，实际应用过程中，可以根据实际需求进行选择配置，再次不做更具体的限定。

在一些更具体的实施方案中，上述液体输出管路2具体可以为氢气气液分离器1a的液体导出管路和氧气气液分离器1b的液体导出管路的汇流管路。通过将液体输出管路2设计为汇流管路，能够对氢气气液分离器1a的液体导出管路内的低温电解液和氧气气液分离器1b的液体导出管路内的低温电解液同时利用，利用率更高。当然可以理解的是，实际应用过程中，上述液体输出管路2还可以仅是氢气气液分离器1a的液体导出管路，也可以仅是氧气气液分离器1b的液体导出管路，可以根据实际需求进行具体配置。

在一些具体的实施方案中，参照图1及图2-图5所示，上述热管理系统，还可以包括温度检测器19，该温度检测器19具体可以是设置于气液分离器上以用于检测气液分离器内的电解液温度，也可以是设置在液体输出管路2上用于检测液体输出管路2内的电解液温度。通过布置温度检测器19，能够实时检测气液分离器内的电解液温度，继而可以方便对第一管路切断阀16进行操作，比如，系统内在长时间低功率制氢时，系统内电解液温升很慢，当温度检测器19检测的电解液温度值较低时，可以控制第一管路切断阀16开启，继而系统利用自身低温的电解液与气液分离器所分离出的气体进行换热，可以减少甚至是关闭后处理中的冷却换热器的冷却水量；当电解液温度值较高时，可以控制第一管路切断阀16关闭，此时后处理中的冷却换热器按照相应的冷却水量进行冷却，大大降低了系统运行成本。

进一步的实施方案中，上述热管理系统，还可以包括控制器，其中，第一管路切断阀16具体可以为电控阀，控制器分别与温度检测器19和第一管路切断阀16通讯连接，从而控制器能够根据温度检测器19检测的电解液温度值控制第一管路切断阀16开闭。通过设计控制阀，避免了人工手动操作，可以实现第一管路切断阀16的自动化开闭，更加智能。

更进一步的实施方案中，控制器控制第一管路切断阀16开闭的具体方式，可以为：当温度检测器19检测的电解液温度值超出预设温度上限值时，控制器控制第一管路切断阀16关闭；当温度检测器19检测的电解液温度值低于预设温度下限值时，控制器控制第一管路切断阀16开启。通过将第一管路切断阀16开闭设计成上述方式，能够避免到达临界开启值时，第一管路切断阀16频繁执行开闭操作，有助于提升第一管路切断阀16的使用时间寿命。

更进一步的实施方案中，上述热管理系统，还可以包括用于对第一换热器8输出的气流进行换热冷却的第二换热器9，第二换热器9所连接的冷却循环管路上设置有流量控制阀，流量控制阀与控制器通讯连接，当第一管路切断阀16关闭时，控制器能够控制流量控制阀的流量变大，从而来满足气液分离器所分离气体的冷却需求；当第一管路切断阀16开启时，控制器能够控制流量控制阀的流量变小或关闭，充分利用较低温度的电解液进行换热冷却。

在一些更具体的实施方案中，上述第二管路82上还设置有用于防止气液分离器中气体进入第一换热器8内部的第二管路止回阀14。通过设计第二管路止回阀14能够保证气液分离器1内的分离气(氢气或氧气)不会传到第一换热器8内，保证了系统运行的安全性。

在一些具体的实施方案中，上述第一换热器8的气体流通腔体还可以设置有用于收集冷凝液的集液结构，集液结构通过第三管路与气液分离器1连通。通过设计集液结构及第三管路，能够通过集液结构收集气体流通腔体内冷凝的电解液，然后通过第三管路回流至气液分离器1，有助于提升气液分离效果，同时还能够降低电解液的消耗。

另外，本发明还提供了一种电解制水氢系统，包括热管理系统，且该热管理系统为上述任一方案所描述的热管理系统，由于上述热管理系统具有前述技术效果，因此具有该热管理系统的电解制水氢系统也应具有相应的技术效果，在此不再赘述。

需要说明的是，参照图2-图5，电解水制氢系统一般包括氢气气液分离器1a、氧气气液分离器1b、氧气换热器3a、氢气换热器3b、氧气管路调节阀4、氧气放空管路切断阀5、氧气出口管路切断阀6、氧气出口管路止回阀7、第二换热器9、氢气管路调节阀10、氢气出口管路切断阀11、氢气出口管路止回阀12、氢气放空管路切断阀13、第二管路止回阀14、循环泵15(此处是指与电解槽18连通的液体输出管路2上的循环泵)、第一管路切断阀16、电解液换热器17、电解槽18和温度检测器19等。

电解水制氢系统的工作原理：参照图2-图5，电解槽18正常工作时，氢气侧的电解液会和氢气一同进入氢气气液分离器1a，氧气侧的电解液会和氧气一同进入氧气气液分离器1b，气液分离之后电解液会通过循环泵15(此处是指与电解槽18连通的液体输出管路2上的循环泵)进入电解液换热器17进行换热之后回到电解槽18内。

参照图2，以氢气侧布置上述热管理系统为例，氢气气液分离器1a分离出的氢气分别通过第一换热器8、第二换热器9之后，利用后续管路上设置的氢气管路调节阀10、氢气出口管路切断阀11、氢气出口管路止回阀12和氢气放空管路切断阀13等进行后续处理或放空等操作；氧气气液分离器1b分离后的氧气通过氧气换热器3a换热之后，利用后续管路上设置的氧气管路调节阀4、氧气放空管路切断阀5、氧气出口管路切断阀6和氧气出口管路止回阀7等进入后续处理或放空等操作。

参照图3，以氧气侧布置上述热管理系统为例，氧气气液分离器1b分离出的氧气分别通过第一换热器8、第二换热器9之后，利用后续管路上设置的氧气管路调节阀4、氧气放空管路切断阀5、氧气出口管路切断阀6和氧气出口管路止回阀7等进入后续处理或放空等操作；氢气气液分离器1a分离后的氢气通过氢气换热器3b换热之后，利用后续管路上设置的氢气管路调节阀10、氢气出口管路切断阀11、氢气出口管路止回阀12和氢气放空管路切断阀13等进行后续处理或放空等操作。

参照图4和图5，以氢气侧和氧气侧同时布置上述热管理系统为例，氢气气液分离器1a分离出的氢气分别通过第一换热器8、第二换热器9之后，利用后续管路上设置的氢气管路调节阀10、氢气出口管路切断阀11、氢气出口管路止回阀12和氢气放空管路切断阀13等进行后续处理或放空等操作；氧气气液分离器1b分离出的氧气分别通过第一换热器8、第二换热器9之后，利用后续管路上设置的氧气管路调节阀4、氧气放空管路切断阀5、氧气出口管路切断阀6和氧气出口管路止回阀7等进入后续处理或放空等操作。

其中，图4和图5的区别在于，图4中氢气侧布置的热管理系统与氧气侧布置的热管理系统所用的动力源为相互独立布置的两个循环泵；图5中氢气侧布置的热管理系统与氧气侧布置的热管理系统所用的动力源为共用一个循环泵。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

应当理解，本申请中如若使用了“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”，仅是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

其中，在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。

以下，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者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

本申请中如若使用了流程图，则该流程图是用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。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的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。