CN103882466B - 一种中高压固体聚合物水电解装置 - Google Patents

一种中高压固体聚合物水电解装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种中高压固体聚合物电解质水电解装置，系统主要包括核心部件电解池堆及水气热管理系统。水供应及管理过程部件包括：水箱、循环水泵、高压补水泵、两位两通电磁阀、水净化装置；气体分离及管理过程部件包括：阳极侧气水分离器、阴极侧气水分离器、单向阀、两位两通电磁阀、氢储箱、氧储箱。本发明流程简单、系统效率高，适用于各种高纯氢、高纯氧需要的场合，尤其是中高压高纯氢、高纯氧需要的场合，如作为大型火力发电机组的冷却介质、半导体行业硅单品制备的保护气、以及高效储能等。本发明与燃料电池组合，可以构成可再生燃料电池系统，广泛适用于UPS电源、高高空以及空间站等场所的储能和用电。

Description

一种中高压固体聚合物水电解装置
技术领域
本发明涉及固体聚合物电解质水电解，尤其涉及阳极供水的中高压固体聚合物电解质水电解系统和流程。
背景技术
固体聚合物电解质(SPE)水电解池由于使用全氟磺酸膜为电解质，因而具有电化学效率高、环境优化、系统维护简单，寿命长等优点。SPE水电解池是一种酸性电解池，它的电极反应如下：
2H2O→4H＋＋4e＋O2（阳极）
4H+＋4e→2H2（阴极）
与传统碱性水电解技术相比，SPE水电解技术的优势主要表现在：(1)以固体聚合物膜为电解质，膜内含有磺酸基团，被水湿润后具有优良的离子导电能力，相对与碱性水电解技术不需要使用碱性液体作电解质，因此SPE水电解过程中没有碱流失、腐蚀等问题；(2)全氟磺酸膜具有透水阻气的特性，因而气体纯度高；（3）全氟磺酸膜具有聚四氟材料高强度的物理特性，在较好支撑下可承受较高的压差，因而有利于提高系统的安全性；(4)SPE水电解池通常将阴阳极与膜合为一体，堪称零极距电池，因而电解效率高。
SPE水电解的突出优势使其在军事、特殊用途及未来氢能经济中具有现实及潜在应用前景。该技术早期应用于潜艇及空间站的供氧。高纯氢气可以作为冷却剂，用于大型火力发电机组的冷却；此外高纯氢气可以作为还原剂或保护气，如作为半导体行业硅单品制备的保护气等。氢气作为储能介质，具有质量能量密度高、环境友好的特点，采用可再生能源如风能等现场制氢储存，需要时可用燃料电池再转换为电能。
水电解池本质上是燃料电池的逆过程，它把电能转化为化学能并储存起来，实现上述过程需要连续不断的输入电能和水，并连续排出电解生成气和废热。因此电解池系统包括电解池、水供应及管理流程、气体分离及管理流程和冷却流程。电解池的供水方式有三种：阳极供水、阴极供水、静态供水。阳极供水方式直接将水供入阳极，由于水在阳极发生电解，因此有利于电解池在电流密度较大的条件下工作。而对于阴极供水和静态供水，水需要通过电解质膜扩散进入阳极供电解消耗，因而电解速率受到扩散速率的限制，从而限制了电解池的工作电流密度。但静态和阴极供水系统流程比较简化。静态供水不需要气水分离器，阴极供水需要一个气水分离器，而阳极需要二个气水分离器。为了保证电解效率，通常条件下均选择阳极供水方式。
专利CN101010354A提供了一种固体聚合物水电解系统。该专利SPE水电解系统包括供水装置、电解装置、吹扫装置和供电装置，供水装置和电解装置分别处于各自的整体密封结构中，吹扫装置用于向整体密封结构内通入吹扫气体。该专利同时提供了一种控制方法，应用于供水装置、电解装置、气体净化装置、吹扫装置和供电装置的SPE水电解系统中。该专利提供的SPE水电解系统由于供水装置和电解装置封装在各自的整体密封结构中，需要增加吹扫装置，因而系统整体结构复杂，制造难度较大。
专利ZL200920021752.0提供了一种自循环SPE纯水电解制氢设备。该专利制氢装置主要由进水通道、氧气通道、氢气通道和与这三个通道相连的至少一个电解单元组。电解单元组包括有一个水槽和连接在水槽上至少一个SPE电解池组。水槽及电堆端板表面带有散热片，因而该专利一个显著的优点是不需要提高进水压力，不额外增加散热设备。但该专利也存在明显的局限性，第一，为了散热需要，专利采用的电解池组为2-20个，因而该专利不利于组建紧凑型系统；第二，为了安装多个电解池组，水槽必须适当放大，这样不利于组建中高压水电解系统。
目前以固体聚合物为电解质的水电解池的研究已经成为当前国际上的热点，但研究主要集中在关键材料或部件的制备工艺上，如催化剂、MEA等。而对于系统方面的研究则相对较少，现有的SPE系统存在系统复杂、维护困难、不适用于中高压操作等不足，因此需要开发一种高效的适合中高压操作的SPE水电解系统。
发明内容
本发明的目的是为了优化SPE水电解池水气热管理，简化系统流程，提供一种中高压SPE水电解系统及流程。
本发明技术方案如下：
一种中高压固体聚合物水电解装置，包括：核心部件电解池堆、水热管理过程部件、及气体分离及管理过程部件；
水热管理过程部件包括：水箱、循环水泵、高压补水泵、第一两位两通电磁阀、第一水净化装置、第二水净化装置、换热器；
气体分离及管理过程部件包括：阳极侧气水分离器、阴极侧气水分离器、第一单向阀、第二单向阀、氢储箱、氧储箱；
电解池堆的阳极进水口通过管路经循环水泵、第一水净化装置与阳极侧气水分离器的底部出水口相连；电解池堆的阳极侧水气出口通过管路与阳极侧气水分离器的水气入口相连；电解池堆的阴极侧水气出口通过管路与阴极侧气水分离器的水气入口相连；
阳极侧气水分离器的气体出口经第二单向阀与氧储箱相连；
水箱通过管路经高压补水泵与阳极侧气水分离器底部或底部的出水口相连；阴极侧气水分离器的底部出水口经第一两位两通电磁阀、第二水净化装置与水箱相连；阴极侧气水分离器的气体出口经第一单向阀与氢储箱相连。
阴极侧气水分离器和阳极侧气水分离器的顶部分别设置有压力调节口，压力调节口上分别连接有第一两位两通电磁阀、第三两位两通电磁阀。
本发明所述的水电解系统水供应及管理流程为：以阳极侧分水器底部作为水箱采用循环水泵进行阳极侧供水，目的有两个：一方面用于电解消耗，另一方面用于带出电解反应的废热；阳极侧分水器内部装有液位传感器，用于控制分水器内部水位。由于水电解消耗及向阴极侧迁移，阳极侧分水器水位下降，当水位下降到下液位时，在液位传感器的控制下启动补水泵开始补水；当水位上涨到上液位时，在液位传感器的控制下补水泵停止工作。由于水从阳极向阴极渗透，阴极侧分水器水位上升，当水位上涨到上液位时，在液位传感器的控制下分水器底部电磁阀打开，水向储水箱排放；当水排放水位降低到下液位时，在液位传感器的控制下电磁阀关闭，防止电解生成的氢气排放到水箱。水箱与大气相通，因此需选用有高压补水能力的泵如往复泵用于补水。
本发明所述的水电解系统气体分离及管理流程为：阳极侧电解生成的氧气经分水器分水后，气体经单向阀进入氧储箱储存；阴极侧电解生成的氢气经分水器分水后，气体经单向阀进入氢储箱储存。此外为防止电解池固体聚合物膜两侧压差过大，在氢氧器单向阀前均装有排放口并且装有常闭型两位两通电磁阀，用于两侧生成气的排放，以维持两侧压差在一个合理范围内。当气体压力超过控制范围时，打开压力高侧电磁阀排放气体直至气体两侧压差控制在合理范围；排放时，由于单向阀的作用，只排放单向阀前的气体，而不会排放储箱中的气体。
本发明所述的水电解系统热管理流程有两种方式：1）循环水经过电解池带走电解反应废热，通过阳极侧分水器散热片或水冷夹套排放废热保持系统热平衡；2）循环水经过电解池带走电解反应废热，通过阳极侧散热器排放废热保持系统热平衡。
本发明具有如下优点：
1、电解池阴极侧水排放到与大气相通的储水箱中，这样即使因电磁阀控制故障或其他原因排放氢气到储水箱中，也不会产生安全隐患，有利于提高系统安全性；
2、阳极侧分水器起到分水器、循环水箱及散热器等三重功效，从而有利于简化系统；
3、大流量的冷却循环供水采用循环水泵实现，小流量的补充水采用高压补水泵实现，有利于降低系统的内部功耗，从而提高系统的效率；
4、采用单向阀防止储箱中的气体逆流排放，有利于提高系统的效率；相对于采用电磁阀等控制元件，减少了控制点，有利于提高系统的可靠性；
5、系统流程简单，易于实现。
附图说明
本发明有附图三幅，
图1为SPE水电解系统流程图，尤其适用于小型系统，主要部件为：氧储箱（1）、水箱（2）、高压补水泵（3）、第一水净化装置（4）、第二水净化装置（5）、循环水泵（6）、第一两位两通电磁阀（7）、第二两位两通电磁阀（11）、第三两位两通电磁阀（13）、阴极侧气水分离器（8）、氢储箱（9）、第一单向阀（10）、第二单向阀（15）、电解池堆（12）、阳极侧气水分离器（14）。
图2为分水器结构图，该分水器兼具气水分离器、阳极供水储水罐、散热器三重功效。
图3为SPE水电解系统流程图，尤其适用于大型系统，主要部件在图1的基础上增加阳极侧散热器（16），阳极侧分水器可不额外设计水冷夹套或散热片等换热措施。
具体实施方式：
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1所示，为本发明中高压固体聚合物电解质水电解系统流程示意图，由电解池堆、气体分离及管理流程、水供应及管理流程和冷却部分流程组成。电解池堆采用阳极侧供水方式，阳极分水器结构如图2所示，外部带有水冷夹套，从而兼具气水分离器、阳极供水储水罐、散热器三重功效，该实施例尤其适用于小型系统，不需要额外增加散热设备。本实施例中氢气产气量为1Nm3/h，具体流程如下。
阳极侧分水器14下部储存的纯水经循环水泵6注入水电解池12阳极，经过电化学反应后，部分水电解为氧气，产生的水和氧气混合物进入阳极分水器14进行气水分离，水分离后经分水器外部散热片换热后继续循环，分离后的氧气通过单向阀15进入氧储箱1储存。阳极侧分水器14水量通过往复泵3补充，由装在阳极分水器内部的浮球液位计进行控制补水过程，具体控制逻辑为：当水位下降到下液位时启动往复泵3开始补水；当水位上升到上液位时往复泵3停止工作。
阴极侧电解产生氢气和从阳极侧扩散的水在氢气的带动下进入阴极分水器8，分离后的氢气通过单向阀10进入氢储箱9储存，水分离后储存在分水器下部并通过装在底部的第一两位两通电磁阀7控制排放，阴极分水器8同样在内部装有浮球液位计，用于控制阴极侧水排放，具体控制逻辑为：当水位上涨到上液位时分水器底部第一两位两通电磁阀7打开，水向储水箱2排放；当水排放水位降低到下液位时第一两位两通电磁阀7关闭。为了控制第一两位两通电磁阀7的排水通量，通常在其排放口增加阻尼板，本实施例中阻尼孔直径为0.5mm。此外，还应关注阀的开启时间，这也是控制排量的一个关键参数。
此外，为防止电解池固体聚合物膜两侧压差过大，系统流程上在氢氧气单向阀前均装有排放口并且装有常闭型第二两位两通电磁阀11和第三两位两通电磁阀13，用于控制两侧压差在0.5Bar范围内。具体控制逻辑为：当两侧压差超过0.5Bar时，打开压力高侧电磁阀排放气体直至两侧气体压差小于0.5Bar。排放及停车过程中，由于单向阀的作用，只排放单向阀前的气体，而不会排放储箱中的气体。同上所述，采用阻尼板及控制阀的开启时间来控制第二两位两通电磁阀11和第三两位两通电磁阀13的排气量。本实施例中氢侧阻尼孔直径为0.6mm，氧侧直径为1.0mm。
实施例2：
图3为SPE水电解系统流程图，主要部件在图1的基础上增加阳极侧散热器16，该实施例尤其适用于大型系统。
阳极侧散热器16设置于电解池堆12的阳极侧水气出口与阳极侧气水分离器14的水气入口间的管路上。
本发明流程简单、系统效率高，适用于各种高纯氢、高纯氧需要的场合，尤其是中高压高纯氢、高纯氧需要的场合，如作为大型火力发电机组的冷却介质、半导体行业硅单品制备的保护气、以及高效储能等。本发明与燃料电池组合，可以构成可再生燃料电池系统，广泛适用于UPS电源、高高空以及空间站等场所的储能和用电。

Claims (8)

1.一种中高压固体聚合物水电解装置，包括：核心部件电解池堆(12)、水热管理过程部件、及气体分离及管理过程部件；
水热管理过程部件包括：水箱(2)、循环水泵(6)、高压补水泵(3)、第一两位两通电磁阀(7)、第一水净化装置(4)、第二水净化装置(5)、换热器(16)；气体分离及管理过程部件包括：阳极侧气水分离器(14)、阴极侧气水分离器(8)、第一单向阀(10)、第二单向阀(15)、氢储箱(9)、氧储箱(1)；
电解池堆(12)的阳极进水口通过管路经循环水泵(6)、第一水净化装置(4)与阳极侧气水分离器(14)的底部出水口相连；电解池堆(12)的阳极侧水气出口通过管路与阳极侧气水分离器(14)的水气入口相连；电解池堆(12)的阴极侧水气出口通过管路与阴极侧气水分离器(8)的水气入口相连；
阳极侧气水分离器(14)的气体出口经第二单向阀(15)与氧储箱(1)相连；水箱(2)通过管路经高压补水泵(3)与阳极侧气水分离器(14)底部或底部的出水口相连；阴极侧气水分离器(8)的底部出水口经第一两位两通电磁阀(7)、第二水净化装置(5)与水箱(2)相连；阴极侧气水分离器(8)的气体出口经第一单向阀(10)与氢储箱(9)相连。
2.根据权利要求1所述的水电解装置，其特征在于：
于阴极侧气水分离器(8)和阳极侧气水分离器(14)的顶部分别设置有压力调节口，压力调节口上分别连接有第二两位两通电磁阀(11)、第三两位两通电磁阀(13)。
3.根据权利要求1所述的水电解装置，其特征在于：
所述的阳极侧气水分离器(14)的外部安装有散热片或水冷夹套，及时排除电解过程废热，而不需要额外增加散热设备；
阳极侧气水分离器(14)，分水器下方出水口与循环水泵相连，为电解池阳极侧供水；这样分水器具有分水及水箱双重功效，即分水器上部用于气水分离，下部作为循环泵供水箱。
4.根据权利要求1所述的水电解装置，其特征在于：
所述阳极侧气水分离器(14)内部装有液位传感器，液位传感器输出的上下液位信号作为控制高压补水泵(3)工作的控制信号；当水位降低到下液位时，补水泵开始补水；当水位上涨到上液位时，补水泵停止工作。
5.根据权利要求1所述的水电解装置，其特征在于：
所述阴极侧气水分离器(8)内部装有液位传感器、底部或与底部连接的管道上装有第一两位两通电磁阀(7)，通过两者组合控制分水器中水的排放；
当阳极侧水向阴极侧转移导致水位上升到上液位时，通过液位传感器输出的上液位信号控制分水器底部电磁阀打开排水，通过液位传感器输出的下液位信号控制电磁阀关闭。
6.根据权利要求1所述的水电解装置，其特征在于：
所述阴极侧气水分离器(8)阴极侧水向水箱(2)排放，而不是碱水电解向阳极侧分水器转移，这样可以避免因电磁阀故障导致氢氧混合的危险情况发生，从而有效提高系统的安全性。
7.根据权利要求1所述的水电解装置，其特征在于：
于阴极侧气水分离器(8)和阳极侧气水分离器(14)的顶部分别设置有压力调节口，压力调节口上分别连接有第二两位两通电磁阀(11)、第三两位两通电磁阀(13)，它们为常闭型两位两通电磁阀，用于控制两侧生成气的排放，以维持两侧压差在一个合理范围内，防止电解池固体聚合物膜因两侧压差过大而破裂；当两侧压差超过控制范围时，压力高侧电磁阀打开排放气体直至压差在合理范围。
8.根据权利要求1所述的水电解装置，其特征在于：在排放口之后、储箱前气体管路上装有第一单向阀(10)、第二单向阀(15)，排放及停车过程中由于单向阀的作用，只排放单向阀前的气体，而不会排放储箱中的气体。
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