本技術(shù)涉及電解制氫，尤其涉及一種電解制氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、一種電解制氫系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、以可再生能源為基礎(chǔ)的電解水制氫，即綠氫制備，已成為從源頭上實(shí)現(xiàn)零碳綠氫生產(chǎn)，確保氫能應(yīng)用全周期零碳排放的關(guān)鍵技術(shù)路徑。然而，可再生能源如風(fēng)能和太陽(yáng)能的固有波動(dòng)性，為電解制氫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。

2、在偏離額定功率運(yùn)行，尤其是處于較低功率水平時(shí)，電解制氫設(shè)備的性能表現(xiàn)顯著下降。此時(shí)，電解效率降低，導(dǎo)致產(chǎn)氫純度降低，氫氧摻混增加，增加了系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，優(yōu)化電解制氫系統(tǒng)在非理想工況下的運(yùn)行效率和安全性，成為了亟待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本公開提供一種電解制氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、一種電解制氫系統(tǒng)，以至少解決相關(guān)技術(shù)中在偏離額定功率運(yùn)行時(shí)氫氧摻混增加，增加了系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)的問題。

2、本技術(shù)第一方面實(shí)施例提出了一種電解制氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，包括：確定電解制氫系統(tǒng)的氧氣側(cè)氣液分離器對(duì)應(yīng)的第一氣體體積；獲取預(yù)設(shè)的第一最優(yōu)氣液比，并根據(jù)第一最優(yōu)氣液比和第一氣體體積確定氧氣側(cè)氣液分離器對(duì)應(yīng)的第一總體積；確定電解制氫系統(tǒng)的氫氣側(cè)氣液分離器對(duì)應(yīng)的第二氣體體積；獲取預(yù)設(shè)的第二最優(yōu)氣液比，并根據(jù)第二最優(yōu)氣液比和第二氣體體積確定氫氣側(cè)氣液分離器對(duì)應(yīng)的第二總體積；根據(jù)第一總體積和第二總體積進(jìn)行電解制氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3、根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例，確定電解制氫系統(tǒng)的氧氣側(cè)氣液分離器對(duì)應(yīng)的第一氣體體積，包括：獲取電解制氫系統(tǒng)在功率下限運(yùn)行情形下對(duì)應(yīng)的第一相關(guān)參數(shù)，第一相關(guān)參數(shù)包括電解制氫系統(tǒng)的功率下限、電解制氫系統(tǒng)的電解槽隔膜的總有效面積、預(yù)設(shè)的功率下限運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、電解槽工作時(shí)的額定電流密度、氧氣側(cè)氣液分離器允許的氧中氫含量上限、電解制氫系統(tǒng)在額定工況下運(yùn)行時(shí)氧氣側(cè)氣液分離器的氧中氫含量；根據(jù)第一相關(guān)參數(shù)確定氧氣側(cè)氣液分離器對(duì)應(yīng)的第一候選氣體體積；獲取電解制氫系統(tǒng)在停車情形下對(duì)應(yīng)的第二相關(guān)參數(shù)，第二相關(guān)參數(shù)包括電解槽隔膜的總有效面積、預(yù)設(shè)的停車時(shí)長(zhǎng)、氧氣側(cè)氣液分離器允許的氧中氫含量上限、電解制氫系統(tǒng)在額定工況下運(yùn)行時(shí)氧氣側(cè)氣液分離器的氧中氫含量；根據(jù)第二相關(guān)參數(shù)確定氧氣側(cè)氣液分離器對(duì)應(yīng)的第二候選氣體體積；確定第一候選氣體體積和第二候選氣體體積中的最大值；根據(jù)最大值確定氧氣側(cè)氣液分離器對(duì)應(yīng)的第一氣體體積，第一氣體體積大于或者等于最大值。

4、根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例，確定電解制氫系統(tǒng)的氫氣側(cè)氣液分離器對(duì)應(yīng)的第二氣體體積，包括：獲取電解制氫系統(tǒng)在功率下限運(yùn)行情形下對(duì)應(yīng)的第三相關(guān)參數(shù)，第三相關(guān)參數(shù)包括電解制氫系統(tǒng)的功率下限、電解槽隔膜的總有效面積、預(yù)設(shè)的功率下限運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、電解槽工作時(shí)的額定電流密度、氫氣側(cè)氣液分離器允許的氫中氧含量上限、電解制氫系統(tǒng)在額定工況下運(yùn)行時(shí)氫氣側(cè)氣液分離器的氫中氧含量；根據(jù)第三相關(guān)參數(shù)確定氫氣側(cè)氣液分離器對(duì)應(yīng)的第二氣體體積。

5、根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例，根據(jù)第一相關(guān)參數(shù)確定氧氣側(cè)氣液分離器對(duì)應(yīng)的第一候選氣體體積的計(jì)算公式為：

6、

7、上式中，pmin是電解制氫系統(tǒng)的功率下限，表現(xiàn)為額定功率的百分?jǐn)?shù)；se是電解制氫系統(tǒng)的電解槽隔膜的總有效面積；i是電解槽工作時(shí)的額定電流密度，t1是預(yù)設(shè)的功率下限運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)；htom是氧氣側(cè)氣液分離器允許的氧中氫含量上限；htoi為電解制氫系統(tǒng)在額定工況下運(yùn)行時(shí)氧氣側(cè)氣液分離器的氧中氫含量；x1，x21，x22，x31，x32為與電解制氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)有關(guān)的系數(shù)，具體地：

8、

9、上式中，f是法拉第常數(shù)；∈是電解制氫系統(tǒng)隔膜的孔隙率；τ是電解制氫系統(tǒng)隔膜的曲折度；d是電解制氫系統(tǒng)隔膜的厚度；dh2，do2分別是氫氣、氧氣在電解液中的擴(kuò)散系數(shù)；k是電解制氫系統(tǒng)隔膜的滲透性參數(shù)；p1是電解制氫系統(tǒng)在功率下限運(yùn)行時(shí)允許的最小工作壓力；是電解制氫系統(tǒng)隔膜兩側(cè)的壓力差系數(shù)；η是電解液的動(dòng)力粘度；sh2，so2分別是氫氣、氧氣在電解液中的溶解度；q1是電解制氫系統(tǒng)在功率下限運(yùn)行時(shí)允許的電解液最小循環(huán)流量。

10、根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例，根據(jù)第二相關(guān)參數(shù)確定氧氣側(cè)氣液分離器對(duì)應(yīng)的第二候選氣體體積的計(jì)算公式為：

11、

12、上式中，se是電解槽隔膜的總有效面積；t2是電解制氫系統(tǒng)在停車狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)的停車時(shí)長(zhǎng)；htom是氧氣側(cè)氣液分離器允許的氧中氫含量上限；htoi為電解制氫系統(tǒng)在額定工況下運(yùn)行時(shí)氧氣側(cè)氣液分離器的氧中氫含量；y21，y22，y31，y32為與電解制氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)有關(guān)的系數(shù)，具體地：

13、

14、上式中，∈是電解制氫系統(tǒng)隔膜的孔隙率；τ是電解制氫系統(tǒng)隔膜的曲折度；d是電解制氫系統(tǒng)隔膜的厚度；dh2，do2分別是氫氣、氧氣在電解液中的擴(kuò)散系數(shù)；k是電解制氫系統(tǒng)隔膜的滲透性參數(shù)；p2是電解制氫系統(tǒng)在停車狀態(tài)下允許的最小工作壓力；是電解制氫系統(tǒng)隔膜兩側(cè)的壓力差系數(shù)；η是電解液的動(dòng)力粘度；sh2，so2分別是氫氣、氧氣在電解液中的溶解度；q2是電解制氫系統(tǒng)在停車狀態(tài)下允許的電解液最小循環(huán)流量。

15、根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例，根據(jù)第三相關(guān)參數(shù)確定氫氣側(cè)氣液分離器對(duì)應(yīng)的第二氣體體積的計(jì)算公式為：

16、

17、上式中，pmin是電解制氫系統(tǒng)的功率下限，表現(xiàn)為額定功率的百分?jǐn)?shù)；se是電解槽隔膜的總有效面積；i是電解槽工作時(shí)的額定電流密度，t1是預(yù)設(shè)的功率下限運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)；othm是氫氣側(cè)氣液分離器允許的氫中氧含量上限；othi為電解制氫系統(tǒng)在額定工況下運(yùn)行時(shí)氫氣側(cè)氣液分離器的氫中氧含量；x1，x21，x22，x31，x32為與電解制氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)有關(guān)的系數(shù)。

18、根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例，htoi的計(jì)算公式為：

19、

20、上式中，c1～c9、e1～e9為擬合參數(shù)，預(yù)先經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到；t為電解制氫系統(tǒng)額定工況下的運(yùn)行溫度；p為電解制氫系統(tǒng)額定工況下的運(yùn)行壓力；i是電解槽工作時(shí)的額定電流密度。

21、根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例，othi的計(jì)算公式為：

22、

23、上式中，m1～m9、n1～n9為擬合參數(shù)，預(yù)先經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到；t為電解制氫系統(tǒng)額定工況下的運(yùn)行溫度；p為電解制氫系統(tǒng)額定工況下的運(yùn)行壓力；i是電解槽工作時(shí)的額定電流度。

24、本技術(shù)第二方面實(shí)施例提出了一種電解制氫系統(tǒng)，包括電解槽、氧氣側(cè)氣液分離器、氫氣側(cè)氣液分離器和循環(huán)泵，其中：

25、電解槽具有氫出口、氧出口和回液口，電解槽用于存放電解液；

26、氧氣側(cè)氣液分離器采用上述第一實(shí)施例介紹的電解制氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的氧氣側(cè)氣液分離器，氧氣側(cè)氣液分離器的進(jìn)料管與氧出口連通；

27、氫氣側(cè)氣液分離器采用上述第一實(shí)施例介紹的電解制氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的氫氣側(cè)氣液分離器，氫氣側(cè)氣液分離器的進(jìn)料管與氫出口連通；

28、循環(huán)泵具有進(jìn)口和出口，進(jìn)口同時(shí)與氧氣側(cè)氣液分離器的第一排液管和氫氣側(cè)氣液分離器的第二排液管連通，出口與回液口連通。

29、根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例，電解制氫系統(tǒng)還包括過濾裝置和換熱器，循環(huán)泵、過濾裝置、換熱器和電解槽順次連通。

30、本公開的實(shí)施例提供的技術(shù)方案至少帶來(lái)以下有益效果：本技術(shù)實(shí)施例提出的電解制氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，專注于優(yōu)化電解制氫系統(tǒng)的氣液分離器設(shè)計(jì)，通過氧氣側(cè)、氫氣側(cè)氣液分離器體積的確定，以確保在功率波動(dòng)條件下，系統(tǒng)仍能安全高效地運(yùn)行，同時(shí)保證氫氣和氧氣的純度。該方法旨在解決可再生能源供電不穩(wěn)定性帶來(lái)的挑戰(zhàn)，特別是在低功率運(yùn)行和短暫停車期間，確保產(chǎn)氫純度達(dá)標(biāo)并滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)的電解制氫系統(tǒng)能夠在功率波動(dòng)中穩(wěn)定運(yùn)行，即使在新能源發(fā)電量低或電網(wǎng)調(diào)度導(dǎo)致的缺電情況下，也能保證氧中氫的純度達(dá)標(biāo)，不影響氫氣純度，使其滿足后續(xù)純化系統(tǒng)的要求；同時(shí)也考慮了短期停車的場(chǎng)景，即使在新能源發(fā)電量不足或電網(wǎng)調(diào)度要求停機(jī)時(shí)，也能在停車期間保持氧中氫的純度達(dá)標(biāo)，確保重啟時(shí)系統(tǒng)的安全性和氫氣純度不受影響。

31、應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本公開。