本技術涉及電解制氫，尤其涉及一種電解制氫系統(tǒng)的設計方法、一種電解制氫系統(tǒng)。

背景技術：

1、以可再生能源為基礎的電解水制氫，即綠氫制備，已成為從源頭上實現(xiàn)零碳綠氫生產(chǎn)，確保氫能應用全周期零碳排放的關鍵技術路徑。然而，可再生能源如風能和太陽能的固有波動性，為電解制氫系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。

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

技術實現(xiàn)思路

1、本公開提供一種電解制氫系統(tǒng)的設計方法、一種電解制氫系統(tǒng)，以至少解決相關技術中在偏離額定功率運行時氫氧摻混增加，增加了系統(tǒng)的安全風險的問題。

2、本技術第一方面實施例提出了一種電解制氫系統(tǒng)的設計方法，包括：確定電解制氫系統(tǒng)的氧氣側氣液分離器對應的第一氣體體積；獲取預設的第一最優(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氣液分離器對應的第一總體積；確定電解制氫系統(tǒng)的氫氣側氣液分離器對應的第二氣體體積；獲取預設的第二最優(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氣液分離器對應的第二總體積；根據(jù)第一總體積和第二總體積進行電解制氫系統(tǒng)的設計。

3、根據(jù)本技術的一個實施例，確定電解制氫系統(tǒng)的氧氣側氣液分離器對應的第一氣體體積，包括：獲取電解制氫系統(tǒng)在功率下限運行情形下對應的第一相關參數(shù)，第一相關參數(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、預設的功率下限運行時長、電解槽工作時的額定電流密度、氧氣側氣液分離器允許的氧中氫含量上限、電解制氫系統(tǒng)在額定工況下運行時氧氣側氣液分離器的氧中氫含量；根據(jù)第一相關參數(shù)確定氧氣側氣液分離器對應的第一候選氣體體積；獲取電解制氫系統(tǒng)在停車情形下對應的第二相關參數(shù)，第二相關參數(shù)包括電解槽隔膜的總有效面積、預設的停車時長、氧氣側氣液分離器允許的氧中氫含量上限、電解制氫系統(tǒng)在額定工況下運行時氧氣側氣液分離器的氧中氫含量；根據(jù)第二相關參數(shù)確定氧氣側氣液分離器對應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)最大值確定氧氣側氣液分離器對應的第一氣體體積，第一氣體體積大于或者等于最大值。

4、根據(jù)本技術的一個實施例，確定電解制氫系統(tǒng)的氫氣側氣液分離器對應的第二氣體體積，包括：獲取電解制氫系統(tǒng)在功率下限運行情形下對應的第三相關參數(shù)，第三相關參數(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、預設的功率下限運行時長、電解槽工作時的額定電流密度、氫氣側氣液分離器允許的氫中氧含量上限、電解制氫系統(tǒng)在額定工況下運行時氫氣側氣液分離器的氫中氧含量；根據(jù)第三相關參數(shù)確定氫氣側氣液分離器對應的第二氣體體積。

5、根據(jù)本技術的一個實施例，根據(jù)第一相關參數(shù)確定氧氣側氣液分離器對應的第一候選氣體體積的計算公式為：

6、

7、上式中，pmin是電解制氫系統(tǒng)的功率下限，表現(xiàn)為額定功率的百分數(shù)；se是電解制氫系統(tǒng)的電解槽隔膜的總有效面積；i是電解槽工作時的額定電流密度，t1是預設的功率下限運行時長；htom是氧氣側氣液分離器允許的氧中氫含量上限；htoi為電解制氫系統(tǒng)在額定工況下運行時氧氣側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)的結構、操作參數(shù)有關的系數(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)在功率下限運行時允許的最小工作壓力；是電解制氫系統(tǒng)隔膜兩側的壓力差系數(shù)；η是電解液的動力粘度；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)在功率下限運行時允許的電解液最小循環(huán)流量。

10、根據(jù)本技術的一個實施例，根據(jù)第二相關參數(shù)確定氧氣側氣液分離器對應的第二候選氣體體積的計算公式為：

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)下對應的預設的停車時長；htom是氧氣側氣液分離器允許的氧中氫含量上限；htoi為電解制氫系統(tǒng)在額定工況下運行時氧氣側氣液分離器的氧中氫含量；y21，y22，y31，y32為與電解制氫系統(tǒng)的結構、操作參數(shù)有關的系數(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)隔膜兩側的壓力差系數(shù)；η是電解液的動力粘度；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)本技術的一個實施例，根據(jù)第三相關參數(shù)確定氫氣側氣液分離器對應的第二氣體體積的計算公式為：

16、

17、上式中，pmin是電解制氫系統(tǒng)的功率下限，表現(xiàn)為額定功率的百分數(shù)；se是電解槽隔膜的總有效面積；i是電解槽工作時的額定電流密度，t1是預設的功率下限運行時長；othm是氫氣側氣液分離器允許的氫中氧含量上限；othi為電解制氫系統(tǒng)在額定工況下運行時氫氣側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)的結構、操作參數(shù)有關的系數(shù)。

18、根據(jù)本技術的一個實施例，htoi的計算公式為：

19、

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

21、根據(jù)本技術的一個實施例，othi的計算公式為：

22、

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

24、本技術第二方面實施例提出了一種電解制氫系統(tǒng)，包括電解槽、氧氣側氣液分離器、氫氣側氣液分離器和循環(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、氧氣側氣液分離器采用上述第一實施例介紹的電解制氫系統(tǒng)的設計方法所設計的氧氣側氣液分離器，氧氣側氣液分離器的進料管與氧出口連通；

27、氫氣側氣液分離器采用上述第一實施例介紹的電解制氫系統(tǒng)的設計方法所設計的氫氣側氣液分離器，氫氣側氣液分離器的進料管與氫出口連通；

28、循環(huán)泵具有進口和出口，進口同時與氧氣側氣液分離器的第一排液管和氫氣側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)本技術的一個實施例，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、本公開的實施例提供的技術方案至少帶來以下有益效果：本技術實施例提出的電解制氫系統(tǒng)的設計方法，專注于優(yōu)化電解制氫系統(tǒng)的氣液分離器設計，通過氧氣側、氫氣側氣液分離器體積的確定，以確保在功率波動條件下，系統(tǒng)仍能安全高效地運行，同時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)定性帶來的挑戰(zhàn)，特別是在低功率運行和短暫停車期間，確保產(chǎn)氫純度達標并滿足安全標準。設計的電解制氫系統(tǒng)能夠在功率波動中穩(wěn)定運行，即使在新能源發(fā)電量低或電網(wǎng)調(diào)度導致的缺電情況下，也能保證氧中氫的純度達標，不影響氫氣純度，使其滿足后續(xù)純化系統(tǒng)的要求；同時也考慮了短期停車的場景，即使在新能源發(fā)電量不足或電網(wǎng)調(diào)度要求停機時，也能在停車期間保持氧中氫的純度達標，確保重啟時系統(tǒng)的安全性和氫氣純度不受影響。

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