CN112391641A - 一种电解水制氢装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电解水制氢装置及方法，所述装置包括发电系统、热水循环利用系统及电解水制氢系统；所述发电系统用于对水进行加热生产水蒸气，并利用水蒸气进行发电；所述电解水制氢系统用于利用所述发电系统提供的电能进行电解水制氢；所述热水循环利用系统用于对所述发电系统发电之后的热水进行循环处理和余热回收，并利用回收的余热对循环处理后的水进行加热，再将加热后的水送至电解水制氢系统用作电解液。本发明所提供的该电解水制氢装置及方法可以大幅度提高电解水制氢的效率。

Description

一种电解水制氢装置及方法
技术领域
本发明涉及一种电解水制氢装置及方法，属于电解水制氢技术领域。
背景技术
地热能是地球内部产生的一种绿色低碳、可再生能源，可直接用于供热或发电。近年来世界地热发电发展迅速，美洲地热发电市场以美国、墨西哥和尼加拉瓜为主，地热发电装机容量为3400MW。亚太地区的地热发电市场主要有印尼、日本、菲律宾和新西兰，地热发电装机容量为4500MW。2014年全球地热发电装机容量为12594MW。中国地热资源丰富、分布广，发展前景广阔，市场潜力巨大。地热能发电后还存在余热无法利用和地层水无法再循环利用等问题。
氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，具有燃烧清洁、发热值理想、运输方便等优点。氢能用途广泛，它既是一种化工原料，也是一种能源，还是一种储存介质，用以充当能源缓冲体，可以横跨电力、供热和燃料三个领域。氢能可与电能、热能进行协同互换，作为储存介质充当能源缓冲体，实现消纳可再生能源作用，提高能源系统的韧性。在电量过剩时，将电能转化为氢能储存；电量不足时，将氢能发电产生电能。电解水制氢技术具有氢气纯度高、操作灵活、生产能力可调性大的优点，市场利用前景十分广泛。目前，全球每年约有5％的氢气来自电解水，其中美国和日本电解水技术较为先进。我国每年电解水制氢约占我国总制氢量的1％，我国电解水技术与国际先进水平还存在一定距离。
目前制约电解水制氢技术发展的原因是制氢成本高和转化效率低。电价是决定制氢成本的关键因素，利用风能、太阳能和地热能等可再生能源发电的弃电进行制氢，可以大大降低制氢的成本。与风能、太阳能相比，地热能稳定性好，没有间歇性。利用地热能发电制氢可以降低制氢成本，同时氢能也可以作为储存介质，将地热能转化为氢能进行储存。电解液的温度是影响电解水转化效率的重要因素，升高电解液的温度可提高电解水的转化效率，同时可以降低用电量。利用地热发电后的余热来加热电解液可以升高电解液的温度，提高转化效率，同时还可以实现地热能发电后余热的回收和利用。
因此，提供一种新型的电解水制氢装置及方法已经成为本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种电解水制氢装置及方法。
为了实现以上目的，一方面，本发明提供了一种电解水制氢装置，其中，所述电解水制氢装置包括发电系统、热水循环利用系统及电解水制氢系统；
所述发电系统用于对水进行加热生产水蒸气，并利用水蒸气进行发电；
所述电解水制氢系统用于利用所述发电系统提供的电能进行电解水制氢；
所述热水循环利用系统用于对所述发电系统发电之后的热水进行循环处理和余热回收，并利用回收的余热对循环处理后的水进行加热，再将加热后的水送至电解水制氢系统用作电解液。
根据本发明具体实施方案，在所述的电解水制氢装置中，优选地，所述发电系统包括蒸汽发生器及汽轮发电机；该蒸汽发生器通过管路与所述汽轮发电机相连；
所述电解水制氢系统包括电解水设备；该电解水设备与所述汽轮发电机电连接；
所述热水循环利用系统包括换热器、蓄水桶；该汽轮发电机的液体出口通过管路经由换热器与蓄水桶的入口相连，该蓄水桶的出口通过管路经由换热器与所述电解水设备的液体入口相连。
根据本发明具体实施方案，在所述的电解水制氢装置中，所述发电系统可利用蒸汽发生器将水加热生产水蒸气，再通过汽轮发电机将水蒸气的机械能转化为电能；
所述热水循环利用系统可将发电后的热水循环处理和回收，用作电解水的电解液，同时还可以将发电后热水的余热回收来加热电解液，以提高电解的效率；
所述电解水制氢系统包括电解水设备和储能电池，将汽轮发电机产生的电能通入至电解槽中电解电解液，产生氢气和氧气，多余的电量储存在储能电池中，待汽轮发电机发电电量不足或检修时，可利用储能电池的电量进行电解水实验。
根据本发明具体实施方案，在所述的电解水制氢装置中，优选地，所述热水循环利用系统还包括搅拌桶及溶剂储罐；所述蓄水桶的出口通过管路与搅拌桶的入口相连；该搅拌桶的出口通过管路经由换热器与所述电解水设备的液体入口相连；
所述溶剂储罐通过管路与所述搅拌桶的入口相连。
根据本发明具体实施方案，在所述的电解水制氢装置中，优选地，所述热水循环利用系统还包括过滤器，该蓄水桶的出口通过管路与过滤器的入口相连，该过滤器的出口通过管路经由换热器与所述电解水设备的液体入口相连；
或者；
当所述热水循环利用系统还包括搅拌桶及溶剂储罐时，该蓄水桶的出口通过管路与过滤器的入口相连，该过滤器的出口通过管路与搅拌桶的入口相连，该搅拌桶的出口通过管路经由换热器与所述电解水设备的液体入口相连；
所述溶剂储罐通过管路与所述搅拌桶的入口相连。
根据本发明具体实施方案，在所述的电解水制氢装置中，优选地，所述汽轮发电机的液体出口还通过管路与所述蒸汽发生器的入口相连。
根据本发明具体实施方案，在所述的电解水制氢装置中，优选地，所述电解水制氢系统还包括储能电池，该储能电池分别与所述汽轮发电机及电解水设备电连接。
根据本发明具体实施方案，在所述的电解水制氢装置中，优选地，所述电解水设备包括保温电解槽或高温固体氧化物电解水制氢装置。
根据本发明具体实施方案，在所述的电解水制氢装置中，优选地，所述发电系统还包括预处理器，该预处理器用于对地热水进行预处理；该预处理器通过管路与汽轮发电机相连。
根据本发明具体实施方案，在所述的电解水制氢装置中，优选地，所述汽轮发电机通过管路与地热注入井相连，以回收多余的地热水。
其中，本发明所用的蒸汽发生器、汽轮发电机、电解水设备(保温电解槽或高温固体氧化物电解水制氢装置)、预处理器、换热器、蓄水桶、过滤器、搅拌桶、溶剂储罐及储能电池(能够储存电能的储能设备)等均为常规设备，其均可通过商购等方式获得。
另一方面，本发明还提供了一种电解水制氢方法，其中，所述电解水制氢方法利用以上所述的电解水制氢装置，该方法包括以下步骤：
利用发电系统对水进行加热生产水蒸气，并利用水蒸气进行发电；
利用电解水制氢系统，并以所述发电系统提供的电能进行电解水制氢；
利用热水循环利用系统对所述发电系统发电之后的热水进行循环处理和余热回收，利用回收的余热对循环处理后的水进行加热，再将加热后的水送至电解水制氢系统用作电解液并进行电解水制氢。
根据本发明具体实施方案，优选地，该电解水制氢方法包括以下步骤：
(1)将水注入蒸汽发生器，以产生蒸汽，再将所得蒸汽送入汽轮发电机用于发电；
(2)汽轮发电机发电后所得的热水经换热器换热，将换热后所得水经换热器加热，再将加热后的水送至电解水设备以用作电解水所需的电解液；
(3)利用步骤(1)发电所得的电能对所述电解液进行电解制氢。
根据本发明具体实施方案，优选地，所述的电解水制氢方法还包括将溶剂储罐中的溶剂及换热后所得水于搅拌桶中混合均匀，将混合均匀后的液体经换热器加热，再将加热后的液体送至电解水设备以用作电解水所需的电解液。
根据本发明具体实施方案，优选地，所述的电解水制氢方法还包括对换热后所得水进行过滤，将过滤后的水经换热器加热，再将加热后的水送至电解水设备以用作电解水所需的电解液。
根据本发明具体实施方案，优选地，所述的电解水制氢方法还包括将溶剂储罐中的溶剂及过滤后的水于搅拌桶中混合均匀，将混合均匀后的液体经换热器加热，再将加热后的液体送至电解水设备以用作电解水所需的电解液。
根据本发明具体实施方案，优选地，所述的电解水制氢方法还包括将汽轮发电机发电后所得的热水中的一部分送至蒸汽发生器，以重复利用热水和余热。
根据本发明具体实施方案，优选地，所述的电解水制氢方法还包括将步骤(1)发电所得的电能存储至储能电池，待发电系统电量不足或检修时，利用该储能电池中的电能对所述电解液进行电解制氢。
根据本发明具体实施方案，优选地，当采用地热水作为水源时，该方法还包括：利用预处理器对所述地热水进行预处理，以除掉地热水中的泥沙等杂质，再将预处理后的地热水送入汽轮发电机用于发电。
根据本发明具体实施方案，优选地，该方法还包括将汽轮发电机发电后所得多余的地热水回注地热注入井的操作。此时，本发明所提供的该方法为一种新型的地热能发电和电解水制氢联用的方法，可以实现地热能发电、余热利用和地层水循环利用；同时，该方法以地热水作为水源还可以解决缺水地区电解水制氢所面临的水源缺乏等问题。
本发明所提供的该电解水制氢装置及方法尤其适用于在中低温(250℃以下)条件下进行电解水实验，该装置及方法克服了目前本领域利用地热能发电过程中所存在的余热无法利用、地层水无法循环利用及地热能发电储存的问题，同时还提高了电解水制氢的效率，具体而言，该方法于80℃条件下，电解水的效率为50％-60％，200℃条件下，电解水的效率至少可以再提高10％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1所提供的电解水制氢装置的结构简图。
图2为本发明实施例1所提供的电解水制氢装置的具体结构示意图。
图3为本发明实施例3所提供的电解水制氢装置的具体结构示意图。
主要附图标号说明：
101-发电系统，102-电解水制氢系统，103-热水循环利用系统；
1-水槽，2-蒸汽发生器，3-汽轮发电机，4-保温电解槽，5-储能电池，6-换热器，7-蓄水桶，8-过滤器，9-搅拌桶，10-溶剂储罐，11-地热生产井，12-地热注入井，13-预处理器。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种电解水制氢装置，其结构示意图如图1-图2所示，从图1-图2中可以看出，该装置包括：
发电系统101、热水循环利用系统103及电解水制氢系统102；
所述发电系统101包括水槽1、蒸汽发生器2及汽轮发电机3；该水槽1通过管路经由蒸汽发生器2与所述汽轮发电机3相连；
所述电解水制氢系统102包括保温电解槽4；该保温电解槽4与所述汽轮发电机3电连接；
所述热水循环利用系统103包括换热器6、蓄水桶7、过滤器8、搅拌桶9以及溶剂储罐10；该汽轮发电机3的液体出口通过管路经由换热器6与蓄水桶7的入口相连，该蓄水桶7的出口通过管路与过滤器8的入口相连，该过滤器8的出口通过管路与搅拌桶9的入口相连；该搅拌桶9的出口通过管路经由换热器6与所述保温电解槽4的入口相连；
所述溶剂储罐10通过管路与该搅拌桶9的入口相连；
本实施例中，所述汽轮发电机3的液体出口还通过管路与所述蒸汽发生器2的入口相连；
本实施例中，所述电解水制氢系统102还包括储能电池5，该储能电池5分别与所述汽轮发电机3及保温电解槽4电连接。
实施例2
本实施例提供了一种电解水制氢方法，其中，该电解水制氢方法利用实施例1提供的电解水制氢装置，所述方法包括以下具体步骤：
先将纯净水注入水槽1中进行存储，再往蒸汽发生器2中注入水，蒸汽发生器产生的蒸汽通过管线进入汽轮发电机3，发电产生的电能传输至保温电解槽4用于电解水制取氢气所需的能量，过剩的电量储存在储能电池5中备用；当发电系统101电量不足或检修时，利用储能电池5对保温电解槽4供电，电解水进行制氢；
汽轮发电机3发电后的水蒸气变为热水，热水一部分返回蒸汽发生器2重复利用热水和余热，另一部分进入换热器6进行换热，将热水中的余热换热后，使水进入蓄水桶7；
蓄水桶7内的水经过过滤器8进行过滤以将水中的杂质去除，然后进入搅拌桶9备用；
根据电解水所需的电解液浓度不同，将溶剂储罐10内所盛装的电解液的溶剂按需注入至搅拌桶9，经搅拌后配制所需的电解液，搅拌桶9中的电解液经过换热器6加热后，进入保温电解槽4用作电解水所需的电解液原料；
本实施例中，所用电解液主要为氢氧化钠、氢氧化钾等碱性电解液，其质量浓度小于50％(如10％-50％)。
本发明所用的保温电解槽4具有保温的功能，可以维持电解液的温度；在该电解水制氢装置及方法中，水可以重复利用，大大降低了水的利用量，条件下的电解水可以大大提高电解水的产氢效率；具体而言，该方法于80℃条件下，电解水的效率为50％-60％，200℃条件下，电解水的效率至少可以再提高10％。
实施例3
本实施例提供了一种电解水制氢装置(该装置以地热水作为水源)，其结构示意图如图3所示，从图3中可以看出，该装置包括：
发电系统、热水循环利用系统及电解水制氢系统；
所述发电系统包括预处理器13及汽轮发电机3；该预处理器13通过管路与所述汽轮发电机3相连；
所述电解水制氢系统包括保温电解槽4；该保温电解槽4与所述汽轮发电机3电连接；
所述热水循环利用系统包括换热器6、蓄水桶7、过滤器8、搅拌桶9以及溶剂储罐10；该汽轮发电机3的液体出口通过管路经由换热器6与蓄水桶7的入口相连，该蓄水桶7的出口通过管路与过滤器8的入口相连，该过滤器8的出口通过管路与搅拌桶9的入口相连；该搅拌桶9的出口通过管路经由换热器6与所述保温电解槽4的入口相连；
所述溶剂储罐10通过管路与该搅拌桶9的入口相连；
本实施例中，所述汽轮发电机3的液体出口还通过管路与所述蒸汽发生器2的入口相连；
本实施例中，所述汽轮发电机3的液体出口还通过管路与地热注入井相连接；
本实施例中，所述电解水制氢系统还包括储能电池5，该储能电池5分别与所述汽轮发电机3及保温电解槽4电连接。
实施例4
本实施例提供了一种电解水制氢方法，其中，该电解水制氢方法利用实施例3提供的电解水制氢装置，所述方法包括以下具体步骤：
将从地热生产井11中采出的地热水注入预处理器13以对该地热水进行预处理，再将与处理后的地热水注入汽轮发电机3，发电产生的电能传输至保温电解槽4用于电解水制取氢气所需的能量，过剩的电量储存在储能电池5中备用；当发电系统电量不足或检修时，利用储能电池5对保温电解槽4供电，电解水进行制氢；
将汽轮发电机3发电后的地热水中的一部分进入换热器6进行换热，将热水中的余热换热后，使水进入蓄水桶7；另一部分地热水回注至地热注入井12，以对该地热水进行回收利用；
蓄水桶7内的水经过过滤器8进行过滤以将水中的杂质去除，然后进入搅拌桶9备用；
根据电解水所需的电解液浓度不同，将溶剂储罐10内所盛装的电解液的溶剂按需注入至搅拌桶9，经搅拌后配制所需的电解液，搅拌桶9中的电解液经过换热器6加热后，进入保温电解槽4用作电解水所需的电解液原料；
本实施例中，所用电解液主要为氢氧化钠、氢氧化钾等碱性电解液，其质量浓度小于50％(如10％-50％)。
本发明所提供的该电解水制氢装置及方法尤其适用于在中低温(250℃以下)条件下进行电解水实验，该装置及方法克服了目前本领域利用地热能发电过程中所存在的余热无法利用、地层水无法循环利用及地热能发电储存的问题，同时还提高了电解水制氢的效率，具体而言，该方法于80℃条件下，电解水的效率为50％-60％，200℃条件下，电解水的效率至少可以再提高10％。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术发明之间、技术发明与技术发明之间均可以自由组合使用。

Claims (19)

1.一种电解水制氢装置，其特征在于，所述电解水制氢装置包括发电系统、热水循环利用系统及电解水制氢系统；
所述发电系统用于对水进行加热生产水蒸气，并利用水蒸气进行发电；
所述电解水制氢系统用于利用所述发电系统提供的电能进行电解水制氢；
所述热水循环利用系统用于对所述发电系统发电之后的热水进行循环处理和余热回收，并利用回收的余热对循环处理后的水进行加热，再将加热后的水送至电解水制氢系统用作电解液。
2.根据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述发电系统包括蒸汽发生器及汽轮发电机；该蒸汽发生器通过管路与所述汽轮发电机相连；
所述电解水制氢系统包括电解水设备；该电解水设备与所述汽轮发电机电连接；
所述热水循环利用系统包括换热器、蓄水桶；该汽轮发电机的液体出口通过管路经由换热器与蓄水桶的入口相连，该蓄水桶的出口通过管路经由换热器与所述电解水设备的液体入口相连。
3.根据权利要求2所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述热水循环利用系统还包括搅拌桶及溶剂储罐；所述蓄水桶的出口通过管路与搅拌桶的入口相连；该搅拌桶的出口通过管路经由换热器与所述电解水设备的液体入口相连；
所述溶剂储罐通过管路与所述搅拌桶的入口相连。
4.根据权利要求2所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述热水循环利用系统还包括过滤器，该蓄水桶的出口通过管路与过滤器的入口相连，该过滤器的出口通过管路经由换热器与所述电解水设备的液体入口相连。
5.根据权利要求3所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述热水循环利用系统还包括过滤器，该蓄水桶的出口通过管路与过滤器的入口相连，该过滤器的出口通过管路与搅拌桶的入口相连。
6.根据权利要求2所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述汽轮发电机的液体出口还通过管路与所述蒸汽发生器的入口相连。
7.根据权利要求2所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述电解水制氢系统还包括储能电池，该储能电池分别与所述汽轮发电机及电解水设备电连接。
8.根据权利要求2所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述电解水设备包括保温电解槽或高温固体氧化物电解水制氢装置。
9.根据权利要求1-8任一项所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述发电系统还包括预处理器，该预处理器用于对地热水进行预处理；该预处理器通过管路与汽轮发电机相连。
10.根据权利要求9所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述汽轮发电机通过管路与地热注入井相连，以回收多余的地热水。
11.一种电解水制氢方法，其特征在于，所述电解水制氢方法利用权利要求1-10任一项所述的电解水制氢装置，该方法包括以下步骤：
利用发电系统对水进行加热生产水蒸气，并利用水蒸气进行发电；
利用电解水制氢系统，并以所述发电系统提供的电能进行电解水制氢；
利用热水循环利用系统对所述发电系统发电之后的热水进行循环处理和余热回收，利用回收的余热对循环处理后的水进行加热，再将加热后的水送至电解水制氢系统用作电解液并进行电解水制氢。
12.根据权利要求11所述的电解水制氢方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将水注入蒸汽发生器，以产生蒸汽，再将所得蒸汽送入汽轮发电机用于发电；
(2)汽轮发电机发电后所得的热水经换热器换热，将换热后所得水经换热器加热，再将加热后的水送至电解水设备以用作电解水所需的电解液；
(3)利用步骤(1)发电所得的电能对所述电解液进行电解制氢。
13.根据权利要求12所述的电解水制氢方法，其特征在于，该方法还包括将溶剂储罐中的溶剂及换热后所得水于搅拌桶中混合均匀，将混合均匀后的液体经换热器加热，再将加热后的液体送至电解水设备以用作电解水所需的电解液。
14.根据权利要求12所述的电解水制氢方法，其特征在于，该方法还包括对换热后所得水进行过滤，将过滤后的水经换热器加热，再将加热后的水送至电解水设备以用作电解水所需的电解液。
15.根据权利要求13所述的电解水制氢方法，其特征在于，该方法还包括将溶剂储罐中的溶剂及过滤后的水于搅拌桶中混合均匀，将混合均匀后的液体经换热器加热，再将加热后的液体送至电解水设备以用作电解水所需的电解液。
16.根据权利要求12所述的电解水制氢方法，其特征在于，该方法还包括将汽轮发电机发电后所得的热水中的一部分送至蒸汽发生器，以重复利用热水和余热。
17.根据权利要求12所述的电解水制氢方法，其特征在于，该方法还包括将步骤(1)发电所得的电能存储至储能电池，待发电系统电量不足或检修时，利用该储能电池中的电能对所述电解液进行电解制氢。
18.根据权利要求12-17任一项所述的电解水制氢方法，其特征在于，当采用地热水作为水源时，该方法还包括：利用预处理器对所述地热水进行预处理，再将预处理后的地热水送入汽轮发电机用于发电。
19.根据权利要求18所述的电解水制氢方法，其特征在于，该方法还包括将汽轮发电机发电后所得多余的地热水回注地热注入井的操作。
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