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  1.本技术涉及电解水制氢技术领域，且特别涉及一种碱性电解水制氢系统、其氧气除杂保护设施及保护方法。

  2.电解水制氢技术是将电能转化为化学能的非常有前景的技术，在波动性可再次生产的能源的利用领域中有极大的发展空间。利用电解水装置能将波动性的光伏、风电、富裕水电、波浪能、潮汐能等可再次生产的能源产生的电能直接转化为氢气中的化学能，进而转化为其他化工产品或将其用作燃料，实现能量的大规模、长时间储存。也可以将电解水装置用于电力系统的调峰调频场景。碱性电解水制氢技术是目前最为成熟的大规模制氢技术，但是碱性电解水制氢系统的性能受到系统内氧气中氢气杂质的含量限制，在低负载工作时系统内氧气中氢气的含量会超过4％这一安全值(工业要求通常为2％)，有导致爆炸的风险。碱性电解水制氢系统分为独立碱液循环和混合碱液循环两种策略类型，其中混合碱液循环策略类型因为更简洁的系统结构和控制策略被普遍的使用，但该类型系统的缺陷是氧气中氢气杂质的含量增加。

  3.为了解决碱性电解水制氢系统低负载下氧气中氢气杂质含量增加带来的系统灵活运行范围较小的问题，需要设计的具体方案减少氧气分离器中的氢气杂质含量。中国专利

  5.cn111663150b涉及了一种波动型功率输入的电解水制氢方法和装置，将波动型输入功率分配为电解功率和蓄热功率，蓄热功率用于设备的冷启动，电解功率用于为电解水提供电能。该专利从电源侧功率分配解决了波动型电源输入的问题，但是波动性可再次生产的能源的波动幅度相当大并且很多时候不能够达到电解槽的电解功率，因此该专利并不能缓解碱性电解水系统低负载工作时氧气中氢气杂质超标的问题。

  6.cn113005470a涉及了一种制氢操控方法及装置、电子设备和存储介质，基于氢氧比实时控制电解质制备氢气的输出摩尔流量，以控制氢氧比远离爆点，提高制氢的安全性，进而提高制备氢气的灵活性。该专利不要增加额外的设备，但要变化系统的压力，会对后续氢气处理系统的运行产生影响。

  7.鉴于上述现存技术的状态而做出本技术。本技术的目的是提供一种碱性电解水制氢系统、其氧气除杂保护设施及保护方法，能够更好的降低碱性电解水制氢系统的氧气中氢气杂质的含量，确保碱性电解水制氢系统在低负载时安全运行。

  8.本技术的实施方式提供一种碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护设施，所述保护

  装置用于连接所述碱性电解水制氢系统的氧气分离器；所述保护设施包括氧气纯化设备、氧气存储设备、第一截止阀和空气泵；

  9.所述氧气纯化设备连接到所述氧气分离器，用于对来自所述氧气分离器的粗氧进行纯化除杂，所述氧气纯化设备还连接到所述氧气存储设备，用于将得到的纯氧存入所述氧气存储设备；

  10.所述氧气存储设备通过所述空气泵和所述第一截止阀连接到所述氧气分离器，用于在所述碱性电解水制氢系统处于低负载工作模式时将所储存的氧气通过所述空气泵、所述第一截止阀通入所述氧气分离器，以降低所述氧气分离器中氧气内氢气杂质的含量。

  11.在至少一个可能的实施方式中，所述的碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护设施，还包括第一调节阀、第二截止阀和第三截止阀，所述氧气纯化设备通过所述第一调节阀和所述第二截止阀连接到所述氧气分离器，所述氧气纯化设备通过所述第三截止阀连接到所述氧气存储设备。

  12.在至少一个可能的实施方式中，所述的碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护设施中，所述氧气纯化设备有两套设备组，所述两套设备组经由各自的所述第二截止阀和所述第三截止阀并联接入所述氧气分离器和所述氧气存储设备之间，使得所述两套设备组能够交替进入纯化和再生阶段。

  13.在至少一个可能的实施方式中，所述的碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护设施，还包括连接到所述氧气存储设备且用于调节所述氧气存储设备中的压力的第二调节阀。

  14.在至少一个可能的实施方式中，所述的碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护设施中，所述氧气纯化设备仅有一套设备组，所述保护设施还包括氧气排空流路，所述氧气排空流路经由所述第一调节阀连接到所述氧气分离器，所述氧气排空流路中包括第四截止阀，用于将不流经所述氧气纯化设备的氧气排放出去。

  15.本技术的实施方式还提供一种碱性电解水制氢系统，包括：电堆、循环泵、氢气分离器和氧气分离器，所述氢气分离器和所述氧气分离器经由所述循环泵连接到所述电堆；以及前述的碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护设施。

  16.本技术的实施方式还提供一种碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护方法，在所述碱性电解水制氢系统处于低负载工作模式时，将所述氧气存储设备所储存的氧气通过所述空气泵、所述第一截止阀通入所述氧气分离器，以降低所述氧气分离器中氧气内氢气杂质含量；在所述碱性电解水制氢系统处于高负载工作模式时，所述空气泵和所述第一截止阀关闭，所述保护设施不对所述氧气分离器进行除杂保护工作。

  17.在至少一个可能的实施方式中，所述的碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护方法，在所述碱性电解水制氢系统处于低负载工作模式时，向所述氧气分离器通入氧气的速率是额定运行时的氧气流量，或者在所述碱性电解水制氢系统处于低负载工作模式时，向所述氧气分离器通入氧气的速率是根据所述碱性电解水制氢系统的电堆负载计算的优化通氧量。

  18.本技术的实施方式还包括一种碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护方法，使用所述的碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护设施，其中，在所述碱性电解水制氢系统处于低负载工作模式时，将所述氧气存储设备所储存的氧气通过所述空气泵、所述第一截止阀通

  入所述氧气分离器，以降低所述氧气分离器中氧气内氢气杂质含量；在所述碱性电解水制氢系统处于高负载工作模式时，所述空气泵和所述第一截止阀关闭，所述保护设施不对所述氧气分离器进行除杂保护工作，由所述第一调节阀调节所述氧气分离器中的压力。

  19.本技术的实施方式还包括一种碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护方法，使用所述的碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护设施，其中，在所述碱性电解水制氢系统处于低负载工作模式时，将所述氧气存储设备所储存的氧气通过所述空气泵、所述第一截止阀通入所述氧气分离器，以降低所述氧气分离器中氧气内氢气杂质含量，

  20.在所述碱性电解水制氢系统处于高负载工作模式时，所述空气泵和所述第一截止阀关闭，所述保护设施不对所述氧气分离器进行除杂保护工作，所述氧气纯化设备间歇工作，如果所述氧气存储设备中氧气不足，则通过所述第一调节阀、所述第二截止阀从所述氧气分离器抽取一部分氧气除杂并存入所述氧气存储设备中备用。

  22.图2为根据本技术的第一实施方式的包括纯氧回流保护设施的碱性电解水制氢系统的示意图。

  23.图3为根据本技术的第二实施方式的包括部分氧循环保护设施的碱性电解水制氢系统的示意图。

  41.为了更加清楚的阐述本技术的上述目的、特征和优点，下面参照附图描述本技术的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申

  42.本技术的实施方式提供一种碱性电解水制氢系统(下面，有时简称“系统”)、碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护设施及保护方法(下面，有时简称“保护装置”、“保护方法”)。

  44.如图1、图2、图3所示，碱性电解水制氢系统能包含电堆100、循环泵200、氢气分离器300、氧气分离器500、冷水器(图中未示出，不同的工艺冷却器处于不同的位置)。对氢气纯度有要求的系统能配备氢气纯化设备400和氢气存储设备(图中未示出)，需要利用氧气的系统还可以配备氧气纯化设备33、42和氧气存储设备34、44。

  45.如图1、图2、图3所示，电堆100利用电能将水分解为氢气和氧气，气体从氢气流路与氧气流路分别进入到氢气分离器300和氧气分离器500实现气体和碱液分离。碱液能够最终靠重力作用和循环泵200重新泵入到电堆100中形成回路。氢气则可以经过氢气流路调节阀11、氢气流路截止阀12、13进入氢气纯化设备400，纯化后的氢气能够最终靠氢气流路截止阀14进入氢气存储设备。氧气能够最终靠氧气流路上的第一调节阀21和第四截止阀22排出。或者通过第一调节阀21和第二截止阀31、32、41进入氧气纯化设备33、42，纯化后的氧气能够最终靠第三截止阀36、37、43进入氧气存储设备34、44。

  46.碱性电解水制氢系统还可以包含冷水器，冷水器可以对碱液和气体进行冷却。冷却水可以在氢气分离器300和氧气分离器500前、内、后进行冷却，对氢气与氧气的冷却能够大大减少水蒸气杂质的含量。

  47.本技术的碱性电解水制氢系统的运作流程包括纯氧吹扫的环节，示意图如图1所示。在氧气分离器500上增加纯氧通入流路进行吹扫，纯氧通入流路可以包括第一截止阀23、空气泵24。在系统低负载模式时将纯氧通入氧气分离器500进行除杂保护，保证在系统低负载模式时氧气分离器500中有足够多的纯氧流量，从而稀释由碱性电解水制氢系统带来的氢气杂质，达到降低氧气分离器500内氢气杂质含量进而保护碱性电解水制氢系统的目的。

  48.进一步的，上述保护方法人为增大氧气分离器500内的氧气流量，就可以实现碱性电解水制氢系统氧气中氢气杂质含量的大幅度降低，帮助碱性电解水制氢系统安全度过低负载阶段。

  49.示例性的，本技术根据碱性电解水制氢系统的目标产物可大致分为利用氢气和氧气与仅利用氢气两种，具体设计两种碱性电解水制氢系统、其氧气除杂保护设施及保护方法。

  51.该实施方式对氧气进行大规模收集，适用于医用氧气的生产等应用场景。

  53.如图2所示，本技术的第一实施方式的氧气除杂保护设施可以包括第一调节阀21、第二调节阀35、第一截止阀23、第二截止阀31和32、第三截止阀36和37、氧气纯化设备33、氧气存储设备34、空气泵24。

  54.具体的，对氧气进行大规模收集利用的碱性电解水制氢系统可以配备有相应的氧气纯化设备33，来自氧气分离器500的包括氢气杂质和水蒸气杂质的粗氧通过冷却器(图中未示出)、捕滴器(图中未示出)等除去大部分水蒸气杂质。再通过氧气纯化设备33内的催化

  55.进一步的，氧气纯化设备33的除杂效果会因杂质积累而下降，故氧气纯化设备33需要周期性地进行纯化和再生阶段。纯化阶段氧气纯化设备33正常运作，以前述方式除去粗氧中的杂质，向氧气存储设备34中存入除杂后的氧气；再生阶段，关闭第二截止阀31、32和第三截止阀36、37，向氧气纯化设备33通入高温气体，吸附并带出气体杂质(图中未示出)，以维护氧气纯化设备33的除杂功能能够正常运行。

  56.示例性的，氧气纯化设备33可以有两套设备组，通过控制第二截止阀31、32和第三截止阀36、37的通断，使两组设备交替进入纯化和再生阶段，保证氧气纯化设备33的有序平稳连续运行。

  58.当碱性电解水制氢系统工作在高负载模式时，产氧量足够大，此时氧气分离器500通过第一调节阀21排出足够多的气体，即使不使用循环氧气也能维持氧气分离器500内较低的氧气中氢气杂质含量。因此高负载时保护装置不进行除杂保护工作，即：空气泵24和第一截止阀23关闭，控制第一调节阀21维持氧气分离器500的内部压力，控制第二调节阀35控制氧气存储设备34的内部压力。

  59.当碱性电解水制氢系统工作在低负载模式时，产氧量相对不足，此时氧气分离器500通过第一调节阀21排出的氧气变少，带来氧气分离器500中的杂质累积，不足以维持氧气分离器500内较低的氧气中氢气杂质含量。此时保护装置工作，即：空气泵24和第一截止阀23开启，氧气存储设备34以一定速率向氧气分离器500中注入纯氧，同时控制第一调节阀21维持氧气分离器500的内部压力，控制第二调节阀35控制氧气存储设备34的内部压力

  60.优选的，通入氧气的速率可以是额定运行时的氧气流量，也可以是根据碱性电解水制氢系统的电堆负载计算的优化通氧量。

  61.优选的，第一调节阀21可以是薄膜调节阀，第一截止阀23可以是空气阀门。

  63.该实施方式不对氧气进行大规模收集，仅将产生的含杂质氧气抽取一小部分进行纯化并存储。

  65.如图3所示，本技术的第二实施方式的氧气除杂保护装置能包括第一调节阀21、第一截止阀23、第二截止阀41、第三截止阀43、氧气纯化设备42、氧气存储设备44、空气泵24。该保护装置还可以包括氧气排空流路，氧气排空流路包括第四截止阀45，用于将不流经氧气纯化设备42的氧气排放出去，例如，直接排放到环境或大气中。

  66.具体的，不同于大规模氧气收集，只关注氢气生产的碱性电解水制氢系统并不需要引入价格昂贵的氧气纯化装置，因此本实施方式需要增加额外的氧气除杂和纯化设备。与第一实施方式相似，来自氧气分离器500的包括氢气杂质和水蒸气杂质的粗氧先经过冷却器(图中未示出)和捕滴器(图中未示出)除去水蒸气杂质，这两个部件成本较低；然后通过氧气纯化设备42将一部分氧气抽取除去氢气杂质并存入氧气存储设备44。

  67.具体的，该保护方法并不需要高纯度的纯氧，因此可以使用价格较低但除杂能力有限的氧气纯化设备42。由于对氧气的需求量不大，氧气纯化设备可以间歇工作。

  68.本实施方式可以分为高负载纯化、高负载再生、低负载纯化、低负载再生四种模

  69.当碱性电解水制氢系统工作在高负载纯化模式时，产氧量足够大，此时氧气分离器500通过第一调节阀21排出足够多的气体，即使不使用保护装置也能维持氧气分离器500内较低的氧气中氢气杂质含量。因此高负载时保护装置不进行除杂保护工作，即：空气泵24和第一截止阀23关闭，控制第一调节阀21维持氧气分离器500内部压力。如果氧气存储设备44中氧气不足，则开启第二截止阀41、第三截止阀43，氧气纯化设备42抽取一部分氧气除杂并存入氧气存储设备44中备用。

  70.当碱性电解水制氢系统工作在高负载再生模式时，氧气存储设备44中氧气充足，保护装置不进行除杂保护工作。将第二截止阀41、第三截止阀43关闭，向氧气纯化设备42通入高温气体，吸附并带出气体杂质(图中未示出)，以维护氧气纯化设备42的除杂功能能够正常运行。高负载再生模式后可以进入高负载纯化或低负载纯化模式。

  71.当碱性电解水制氢系统工作在低负载纯化模式时，系统产氧量不足，此时氧气分离器500通过第一调节阀21排出的氧气量减少，因此会带来氧气分离器500中的杂质累积。此时保护装置工作，即：空气泵24和第一截止阀23开启，氧气存储设备44以一定速率向氧气分离器500中注入纯氧，同时控制第一调节阀21维持氧气分离器500内部压力，控制第四截止阀45维持氧气存储设备44内部压力。

  72.当系统长时间处于低负载纯化模式时，碱性电解水制氢系统能进入低负载再生模式。氧气纯化设备42的除杂效果会因杂质积累下降，需要进行再生，此时打开第四截止阀45，关闭第二截止阀41、第三截止阀43对氧气纯化设备42通入高温气体，吸附并带出气体杂质(图中未示出)，以维护氧气纯化设备42的除杂功能能战场运行。空气泵24和第一截止阀23开启，利用氧气存储设备44中储存的氧气对氧气分离器500进行除杂保护。

  75.(i)本技术的碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护设施及方法，可以基于现有技术的设备结构做出改进，可除去系统内氧气中大部分的氢气杂质，确保碱性电解水系统在低负载工作时的安全运行，显著扩大了系统的运行功率范围。

  76.(ii)本技术的碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护设施及方法，利用了电解水制氢生产过程的副产物——氧气，作为保护设施的一部分，其可以通过简单的储气净化得到。

  77.(iii)本技术的碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护装置及方法，工艺原理简单，即利用纯氧调节氧气分离器中氢气杂质含量，能够正常的使用化工领域成熟的设备，容易进行工业实践与大规模应用。

  78.(iv)本技术的碱性电解水制氢系统的氧气除杂保护装置及方法，工作运行模式简单，运行过程中不需要改变系统的压力，适合于高压碱性电解水制氢系统的平稳运行，可以缓解系统压力变化带来的机械应力疲劳，并且可以扩大碱性电解水系统的运行压力范围。

  79.可以理解，在本技术中，未特别限定部件或构件的数量时，其数量可以是一个或多个，这里的多个是指两个或更多个。对于附图中示出和/或说明书描述了部件或构件的数量为例如两个、三个、四个等的具体数量的情况，该具体数量通常是示例性的而非限制性的，可以将其理解为多个，即两个或更多个，但是，这不意味着本技术排除了一个的情况。

  80.应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本技术。本领域技术人员可以

  在本技术的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本技术的范围。

  81.(i)例如，本技术可以有多种的氧气来源，包括外接储氧罐、空气分离纯氧、其他化工流程产氧、电解水制氢除杂氧气自用等方式。

  82.(ii)例如，本技术的氢气存储设备、氧气存储设备能是气瓶、气罐等。

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