CN111705331A - 电解水制氢系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电解水制氢系统及方法，其中系统包括：制氢系统，用于将纯水电解、分离、纯化、干燥后生成纯净的氢气；压力预设装置，用于预设所述制氢系统的工作压力；所述制氢系统根据预设的工作压力执行，所述工作压力范围为：1.5‑3.0Mpa。本发明通过制氢系统根据预设的工作压力制氢，且预设的工作压力为3Mpa，通过提高制氢系统的工作压力以减少整个制氢集装箱设备的体积，从而保证小体积的制氢集装箱设备也能够产出高产量的氢气。

Description

电解水制氢系统及方法

技术领域

本发明涉及制氢的技术领域，尤其是涉及一种电解水制氢系统及方法。

背景技术

随着氢燃料电池的快速发展，氢燃料电池汽车应运而生，对应的前端加氢站的建设更是成为了主要的关注点。因燃料电池对氢气的品质的要求，电解水制氢制备的氢气最为符合。

国内的电解水制氢设备发展成熟，设备安全性能高，但主要还是以建设传统的制氢站为主，现在的建站所需的土地却越来越小，集装箱式电解水制氢设备的出现弥补了这一缺点。集装箱式电解水制氢设备的特点是集成高，占地面积小，但是集装箱电解水制氢设备的制氢量少，当需要制备更高产量的氢气则需要更大体积的集装箱电解水制氢设备，则导致占地面积更大，不利于集装箱式的小型化。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提出一种电解水制氢系统，能够通过泡沫镍电极电解产生更高量的氢气，从而提高氢气产量。

本发明还提出一种电解水制氢方法。

第一方面，本发明的一个实施例提供了一种电解水制氢系统，包括：

制氢系统，用于将纯水电解、分离、纯化、干燥后生成纯净的氢气；

压力预设装置，用于预设所述制氢系统的工作压力；

所述制氢系统根据预设的工作压力执行，所述工作压力范围为：1.5-3.0Mpa。

本发明实施例的一种电解水制氢系统至少具有如下有益效果：制氢系统根据预设的工作压力制氢，且预设的工作压力为3Mpa，通过提高制氢系统的工作压力以减少整个制氢集装箱设备的体积，从而保证小体积的制氢集装箱设备也能够产出高产量的氢气。

根据本发明的另一些实施例的一种电解水制氢系统，所述制氢系统包括：电解槽，所述电解槽内采用泡沫镍电极电解纯水以产生氢气和氧气。

根据本发明的另一些实施例的一种电解水制氢系统，所述制氢系统还包括：

制氢装置，用于将所述电解槽产生的氢气和氧气进行气液分离、冷却；

纯化装置，用于将通过所述制氢装置后的氢气进行提纯、脱氧和干燥；

缓冲罐，用于将通过所述纯化装置后的氢气进行稳压以输出。

根据本发明的另一些实施例的一种电解水制氢系统，4.所述制氢装置包括：

氢氧分离器，用于将所述电解槽产生的氢气和氧气进行气液分离；

气体冷却器，用于将通过所述氢氧分离器后的氢气和氧气进行气体冷却；

捕滴器，用于收集通过所述气体冷却器后的氢气和氧气留下的水滴。

根据本发明的另一些实施例的一种电解水制氢系统，所述气体冷却器倾斜安装于所述氢氧分离器顶部。

根据本发明的另一些实施例的一种电解水制氢系统，所述氢氧分离器内部设有布散管，所述布散管用于将氢气和氧气中的水分分离。

根据本发明的另一些实施例的一种电解水制氢系统，所述布散管底部开设有若干出液孔，所述布散管两侧开设有若干排气孔。

根据本发明的另一些实施例的一种电解水制氢系统，还包括：辅助系统，所述辅助系统设置于所述制氢系统旁，所述辅助系统用于提供所述制氢系统电解需要的纯水和直流电。

第二方面，本发明的一个实施例提供了一种电解水制氢方法，包括：

制氢系统将纯水电解、分离、纯化、干燥后生成氢气；

预设压力装置预设工作压力；

所述制氢系统纯化和干燥过程具体包括：

脱氧塔将氢气中含有少量的氧气去除；

根据预设的工作压力控制干燥塔内工作压力以取出氢气中携带的少量水分，预设的所述工作压力为1.5-3.0Mpa。

本发明实施例的一种电解水制氢方法至少具有如下有益效果：制氢系统根据预设的工作压力制氢，且预设的工作压力为3Mpa，通过提高制氢系统的工作压力以减少整个制氢集装箱设备的体积，从而保证小体积的制氢集装箱设备也能够产出高产量的氢气。

附图说明

图1是本发明实施例中电解水制氢系统的一具体实施例模块框图；

图2是本发明实施例中电解水制氢系统中电解槽和制氢装置的一具体实施例系统结构图；

图3是本发明实施例中电解水制氢系统中纯化装置和缓冲罐的一具体实施例系统结构图；

图4是本发明实施例中电解水制氢系统中氢氧分离器和气体冷却器的一具体实施例结构示意图；

图5是本发明实施例中电解水制氢系统中制备纯水子系统的一具体实施例系统结构图；

图6是本发明实施例中电解水制氢系统中配电子系统的一具体实施例系统结构图；

图7是本发明实施例中电解水制氢方法的一具体实施例流程示意图。

附图标记：100、制氢系统；110、电解槽；120、制氢装置；121、氢氧分离器；122、气体冷却器；123、捕滴器；124、布散管；130、纯化装置；131、脱氧塔；132、干燥塔；140、缓冲罐；200、辅助系统；210、制备纯水子系统；220、配电子系统；230、空压子系统；300、压力预设装置。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。

在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

一般电解水产生的氢气含量都比较低，针对移动式电解水制氢系统产生的氢气容量更无法满足目前氢气容量的需求。目前最大的集装箱电解水制氢设备的最大产量在200Nm3/h，不能满足大量氢气的要求，因此本发明实施例提供一种电解水制氢系统，能够生产300Nm3/h的集装箱电解水制氢设备，且在相同的空间和纯水量的条件下能够产生更高容量的氢气，以满足目前人们对氢气的需求。

参照图1，本发明实施例公开了一种电解水制氢系统，包括：制氢系统100和压力预设装置300，制氢系统100用于将纯水进行电解后生成氢气和氧气，然后制氢系统100再将电解生成的氢气和氧气进行分离，分离后得到的氢气需要通过制氢系统100后再进行纯化、干燥以生成纯净干燥的氢气。压力预设装置300预设制氢系统100的工作压力，制氢系统100根据预设的工作压力执行，且在本实施例中制氢系统的工作压力为1.5-3.0Mpa。

由于电解产生的氢气体积比以往的体积大，因此不能集中放置在集装箱内，若需要根据氢气体积设定对应体积的集装箱则导致整个集装箱设备体积大难以移动。现有的制氢系统100采用的普通压力为1.6Mpa，但是随着制氢系统100产出氢气的体积变大，因此本实施例采用的工作压力为3Mpa，因此随着提高制氢系统100的工作塔里，从而减少制氢系统产出氢气中的水分，从减少整个制氢集装箱设备的体积。

其中制氢系统100包括电解槽110，电解槽110内采用泡沫镍电极电解纯水以产生氢气和氧气。

其中，电解槽110内采用泡沫镍电极，由于泡沫镍电极能够承受很大的电流密度，因为通过电流密度的增大，同样体积的电解槽110能够产生更高产量的氢气，或者在产生相同产量的氢气的前提下，减小了电解槽110的体积。因此，通过采用泡沫镍电极电解相同体积电解槽110内的纯水，产生更高产量的氢气，从而在不改变电解槽110体积的前提下提高了氢气的产量。

举例而言，泡沫镍电极在相同体积内的电解槽110内电解相同体积的水，由于泡沫镍电极能够承受更高的电流密度，所以泡沫镍电极能够电解出更高产量的氢气和氧气，因此在相同体积的电解槽110内能够产生更高产量的氢气，以满足人们对氢气的需求。

在一些实施例中，参照图1、图2和图3，制氢系统100还包括：制氢装置120、纯化装置130以及缓冲罐140，制氢装置120用于将电解槽110电解产生的氢气和氧气进行气液分离且冷却；纯化装置130用于将分离和冷却后的氢气进行提纯、脱氧和干燥，通过纯化装置130得到干净且干燥的氢气；缓冲罐140用于将干净且干燥的氢气进行稳压以输出稳定的氢气。

电解槽110电解纯水后生成氢气和氧气，制氢装置120将电解后的氢气和氧气进行分离和冷却，由于氢气和氧气在高温下可以反应生产水。因此纯化装置130将冷却后的氢气通过高温进行提纯，以去除氢气中含有的少量氧气，从而通过纯化装置130生成干燥且干净的氢气。提纯后的氢气通过缓冲罐140进行稳压，缓冲罐140的作用主要稳定氢气压力，减少波动，从而得到稳定的氢气。

参照图1和图2，在一些实施例中，制氢装置120包括：氢氧分离器121、气体冷却器122以及捕滴器123，氢氧分离器121用于将电解槽110产生的氢气和氧气进行气液分离，气体冷却器122用于收集通过氢氧分离器121后的氢气和氧气进行气体冷却，捕滴器123用于收集通过气体冷却器122后的氢气和氧气留下的水滴。

电解槽110电解产生的氢气和氧气，电解后的氢气和氧气会经过不同的管道输送到氢氧分离器121，氢氧分离器121对电解后的氢气和氧气进行气液分离后以将氢气和氧气分别进行气体冷却器122进行气体冷却，冷却后的氢气和氧气分别进入捕滴器123后输出氢气和氧气，从而使整个电解后的氢气和氧气能够正常分离出来。

参照图1和图4，在一些实施例中，氢氧分离器121上设有布散管124，布散管124设置在氢氧分离器121上，通过布散管124能够更好地进行气液分离。通过布散管124能够更好的对氢气和氧气进行气液分离。

在一些实施例中，布散管124底部开设有若干出液孔，且布散管124的两侧开设有若干排气孔。其中布散管124的形状为圆柱形，且位于固定于氢氧分离器121内部的中上位置。

当氢气或氧气通入布散管124时，由于重力作用，带处理器氢气或氧气中的碱液会直接滴落在布散管124底部，且碱液通过出液孔排出布散管124，排除布散管124的碱液掉落至氢氧分离器121内底部。而气体从布散管124上两侧的排气孔112排出，从而实现带处理氢气和氧气的高效分离，且滴落在氢氧分离器121内的碱液可以进行回收，回收的碱液可以再次使用。

在一些实施例中，气体冷却器122倾斜设置于氢氧分离器121顶部，且气体冷却器122与氢氧分离器121连通。

现有的气体冷却器122一般垂直或水平设置，而通过气体冷却器122的氢气或氧气掉落的冷凝水积累在气体冷却器122内部难以拍出。通过倾斜设置在氢氧分离器121上的气体冷却器122能够将冷却后滴落的冷凝水沿气体冷却器122内部的倾斜面回流到氢氧分离器121内，从而会冷凝水回收。

参照图1和图3，在一些实施例中，纯化装置130包括：脱氧塔131和干燥塔132，脱氧塔131用于去除通过捕滴器123后的氢气中的少量氧气，干燥塔132用于去除经过脱氧塔131后的氢气中的少量水分。

其中，压力预设装置为薄膜调节阀，通过薄膜调节阀预设工作压力，且预设的工作压力具体设置干燥塔132内的工作压力。

根据预设工作压力调节干燥塔132内的工作压力值。一般干燥塔132的工作压力值在1.6Mpa，而在本实施例中预设工作压力为3.0Mpa，通过干燥塔132内采用3.0Mpa的工作压力值以减少氢气中所携带的水分，且减少干燥塔132的体积。

由于氢气和氧气通过捕滴器123后各自分离，但是氢气中还含有少量的氧气，则脱氧塔131在高温的条件下将氢气中少量的氧气和少量的氢气反应生成水，由于少量氢气和氧气反应产生水，因此氢气中携带微量水分。则干燥塔132对氢气进行干燥以去除氢气中的少量水分，从而得到干燥且纯净的氢气。

在一些实施例中，一种电解水制氢系统还包括：辅助系统200，辅助系统200用于提供制氢系统100电解需要的纯水和直流电。

制氢系统100所需要的消耗的原料主要为纯水和直流电，由于市政自来水含有杂质无法满足制氢系统100的纯水要求，且制氢系统100采用直流电，而电网直接输出的电源属于高压交流电，因此需要辅助系统200将市政自来水提纯以得到纯水，对高压交流电进行整流转换生成直流电。辅助系统200将市政自来水经过提纯后得到制氢系统100电解需要的纯水，且辅助系统200将电网的10KV高压交流电接入整流变压后得到制氢系统100电解需要的直流电，从而使制氢系统100能够正常工作，且制氢系统100和辅助系统200集成在一起，节省了制氢系统100的操作步骤，提高了整个制氢系统100的效率。

参照图1、图5和图6，辅助系统200包括：制备纯水子系统210和配电子系统220，制备纯水子系统210用于将市政自来水提纯以得到纯水，配电子系统220用于将高压交流电进行整流变压得到直流电。通过制备纯水子系统210将市政自来水转换成制氢系统100电解需要的纯水，配电子系统220将电网的高压交流电整流变压成制氢系统100电解需要的直流电，从而使制氢系统100能够正常进行制氢操作，简化了整个制氢过程。

制备纯水子系统210包括：纯水设备、水箱、碱液箱、冷水机、泵，纯水设备用于将市政自来水提纯成制氢系统100电解需要的纯水，水箱用于储备已提纯后的纯水，碱液箱用于配置碱液，冷水机用于提供制氢系统100中冷凝器需要的冷冻水。泵用于为制氢系统100提供纯水、冷却水和压缩空气，其中泵包括原料水泵和冷却水泵。

在一些实施例中，辅助系统200还包括空压子系统230，空压子系统230用于提供制氢装置120和纯化装置130需要的执行气。其中，空压子系统230包括空气呀，制氢装置120和纯化装置130设有气动球阀来驱动，空压机用于提供制氢装置120和纯化装置130中的气动球阀提供执行气。

通过纯水设备、水箱、碱液箱、冷水机、空压机、泵分别对制氢系统100中的各个设备提供原料，使得制氢系统100能够正常运行，从而保证了氢气的正常产出。

配电子系统220包括：整流变压器、整流柜、配电柜、程序控制柜，整流变压器用于将电网传输的高压交流电整流变压成直流电，整流柜、配电柜以及程序控制柜主要为制氢系统100提供电解所必需的直流电和为制氢系统100提供稳定可靠的控制系统，使得制氢系统100能够稳定地制备氢气。

其中整流变压器由传统的油浸式变压器变为干式变压器，采用干式变压器能够减小整流变压器的放置空间，从而节省整个制氢集装箱的体积。

由于电解槽110的电解过程需要消耗地原料为纯水和直流电，因此，市政自来水经过过纯水设备制备成电解槽110电解所需要的纯水，而电解需要的直流电则由电网的10KV高压交流电通过整流变压器变为直流电，直流电传输至整流柜后由整流柜提供电解槽110电解所需要的直流电。空压设备的作用是提供制氢装置120和纯化装置130中气动阀门的执行气，从而使制氢系统100能够正常、稳定地产出氢气。

参照图7，本发明另一实施例公开了一种电解水制氢方法，包括：

S1、制氢系统将纯水电解、分离、纯化、干燥后生成氢气；

S2、压力预设装置预设制氢系统的工作压力。

其中制氢系统电解过程具体包括：

S11、在电解槽内通过泡沫镍电极电解纯水以产生氢气和氧气。

制氢系统的分离过程具体包括：

S12、电解后的氢气和氧气通过氢氧分离器进行气液分离；

S13、分离出来的氢气和氧气通过气体冷却却进行气体冷却；

S14、冷却后的气体通过捕滴器后分别得到氢气和氧气；

制氢系统纯化和干燥过程具体包括：

S15、脱氧塔将氢气中含有少量的氧气去除；

S16、根据预设工作压力控制干燥塔内工作压力以取出氢气中携带的少量水分。

其中预设的工作压力为1.5～3Mpa。干燥后的氢气会在提供给用户之前经过一个氢气缓冲罐，氢气缓冲罐将氢气进行稳压后以输出稳定的氢气。

其中，一种电解水制氢方法的具体过程参照上述的一种电解水制氢系统，此处不在赘述。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.一种电解水制氢系统，其特征在于，包括：

制氢系统，用于将纯水电解、分离、纯化、干燥后生成纯净的氢气；

压力预设装置，用于预设所述制氢系统的工作压力；

所述制氢系统根据预设的工作压力执行，所述工作压力的范围为：1.5-3.0Mpa。

2.根据权利要求1所述的电解水制氢系统，其特征在于，所述制氢系统包括：电解槽，所述电解槽内采用泡沫镍电极电解纯水以产生氢气和氧气。

3.根据权利要求2所述的电解水制氢系统，其特征在于，所述制氢系统还包括：

制氢装置，用于将所述电解槽产生的氢气和氧气进行气液分离、冷却；

纯化装置，用于将通过所述制氢装置后的氢气进行提纯、脱氧和干燥；

缓冲罐，用于将通过所述纯化装置后的氢气进行稳压以输出。

4.根据权利要求3所述的电解水制氢系统，其特征在于，所述制氢装置包括：

氢氧分离器，用于将所述电解槽产生的氢气和氧气进行气液分离；

气体冷却器，用于将通过所述氢氧分离器后的氢气和氧气进行气体冷却；

捕滴器，用于收集通过所述气体冷却器后的氢气和氧气留下的水滴。

5.根据权利要求4所述的电解水制氢系统，其特征在于，所述气体冷却器倾斜安装于所述氢氧分离器顶部。

6.根据权利要求4所述的电解水制氢系统，其特征在于，所述氢氧分离器内部设有布散管，所述布散管用于将氢气和氧气中的水分分离。

7.根据权利要求6所述的电解水制氢系统，其特征在于，所述布散管底部开设有若干出液孔，所述布散管两侧开设有若干排气孔。

8.根据权利要求1所述的电解水制氢系统，其特征在于，还包括：辅助系统，所述辅助系统设置于所述制氢系统旁，所述辅助系统用于提供所述制氢系统电解需要的纯水和直流电。

9.一种电解水制氢方法，其特征在于，包括：

制氢系统将纯水电解、分离、纯化、干燥后生成氢气；

预设压力装置预设工作压力；

所述制氢系统纯化和干燥过程具体包括：

脱氧塔将氢气中含有少量的氧气去除；

根据预设的工作压力控制干燥塔内工作压力以取出氢气中携带的少量水分，预设的所述工作压力为1.5-3.0Mpa。

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