CN112680742A - 一种高温电解直接制备干燥纯氢的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温电解直接制备干燥纯氢的装置，水蒸气发生器连接在纯水箱和质子传导型SOEC电解槽之间以将来自于纯水箱的水蒸发为水蒸气并向质子传导型SOEC电解槽提供水蒸气，质子传导型SOEC电解槽由多个电解单元串联组成，每个电解单元包括位于质子传导型高温固体电解质的相对两侧的氧侧通道和氢侧通道，水蒸气进入氧侧通道电解后失去电子产生氧气，电解出的氢离子通过质子传导型高温固体电解质进入氢侧通道获得电子直接得到干燥的氢气，储氢装置和质子传导型SOEC电解槽的氢侧通道连接以接收存储氢气。该高温电解直接制备干燥纯氢的装置，具有氢气纯度高、露点低、开机时间短、产氢效率高、工艺简单、更安全可靠等优点。

Description

一种高温电解直接制备干燥纯氢的装置

技术领域

本发明涉及电解制氢，更具体地涉及一种高温电解直接制备干燥纯氢的装置。

背景技术

现有的电解水制氢技术主要包括碱性水电解制氢(AEC)、纯水电解制氢(PEMEC)和高温固体氧化物电解水制氢(SOEC)三种。碱性电解水制氢和PEM电解水制氢技术发展较为成熟，但电解效率不高；高温固体氧化物电解水制氢技术具有很高的电解效率，是很好的发展方向。

常见的高温固体氧化物电解水制氢电解槽是以氧离子传导型的YSZ作为电解质，如图3所示，需要600℃至1000℃的高温，这造成了电解槽密封不牢固、电极失活、设备制造困难、制造成本高等难题。此外，为保证氢侧电极不被氧化，氧离子传导型的SOEC电解槽在电解时必须将水蒸气和一定量的氢气混合后进入电解槽氢侧，这一方面需要使用大量的保护氢气，另一方面会导致未反应的水蒸气和氢气混合，使氢气纯度下降。

发明内容

为了解决上述现有技术中的氧离子传导型SOEC的问题，本发明提供一种高温电解直接制备干燥纯氢的装置。

根据本发明的高温电解直接制备干燥纯氢的装置，其包括纯水箱、水蒸气发生器、质子传导型SOEC电解槽和储氢装置，其中，水蒸气发生器连接在纯水箱和质子传导型SOEC电解槽之间以将来自于纯水箱的水蒸发为水蒸气并向质子传导型SOEC电解槽提供水蒸气，质子传导型SOEC电解槽由多个电解单元串联组成，每个电解单元包括位于质子传导型高温固体电解质的相对两侧的氧侧通道和氢侧通道，水蒸气进入氧侧通道电解后失去电子产生氧气，电解出的氢离子通过质子传导型高温固体电解质进入氢侧通道获得电子直接得到干燥的氢气，储氢装置和质子传导型SOEC电解槽的氢侧通道连接以接收存储氢气。

优选地，质子传导型SOEC电解槽在氧侧通道具有紧挨质子传导型高温固体电解质的非贵金属氧电极，在氢侧通道具有紧挨质子传导型高温固体电解质的镍基氢电极。

优选地，该装置还包括气体冷却组件，气体冷却组件具有氧冷却通道和氢冷却通道，氧冷却通道与质子传导型SOEC电解槽的氧侧通道连通以冷却氧气，氢冷却通道与质子传导型SOEC电解槽的氢侧通道连通以冷却氢气。

优选地，该装置还包括气水分离器，其与气体冷却组件的氧冷却通道连通以脱除氧气中的水份。

优选地，该装置还包括连接在气体冷却组件和储氢装置之间的增压装置，增压装置与气体冷却组件的氢冷却通道连通以将氢气进行增压后充入储氢装置。

优选地，该装置还包括连接在气体冷却组件和增压装置之间的纯化装置，纯化装置与气体冷却组件的氢冷却通道连通以提高氢气的纯度。

优选地，该装置还包括连接在水蒸气发生器和质子传导型SOEC电解槽之间的气体预热组件，气体预热组件具有与水蒸气发生器连通的水蒸气加热通道以使得进入质子传导型SOEC电解槽的水蒸气过热。

优选地，该装置还包括连接在储氢装置和气体预热组件之间的控制阀，气体预热组件具有与储氢装置连通的氢气加热通道以加热作为保护气进入质子传导型SOEC电解槽的氢气。

优选地，该装置还包括加热炉和直流电源，质子传导型SOEC电解槽位于加热炉的内部以通过加热炉确保质子传导型SOEC电解槽的工作温度，直流电源通过正负极接线和质子传导型SOEC电解槽连接以向质子传导型SOEC电解槽提供直流电源。

优选地，该装置还包括连接在纯水箱和水蒸气发生器之间的水泵。

根据本发明的高温电解直接制备干燥纯氢的装置，通过质子传导型SOEC电解槽高温电解水蒸气直接制备干燥纯氢，该装置在保证较高产氢效率的同时，能直接电解制得纯度较高的干燥氢气。根据本发明的高温电解直接制备干燥纯氢的装置，与现有氧离子传导型SOEC相比，工作温度降低至400℃至700℃，使制氢设备的制造难度和成本降低，开机稳定时间缩短；同时提高了氢纯度，开机稳定后无需继续通入保护氢气，并且在一定程度上减少气体纯化设备的使用。根据本发明的高温电解直接制备干燥纯氢的装置，与现有AEC和PEMEC装置相比，产氢效率高；与现有氧离子传导型SOEC相比，具有氢气纯度高、露点低、开机时间短、工艺简单、更安全可靠等优点。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的高温电解直接制备干燥纯氢的装置的整体结构示意图；

图2是图1的质子传导型SOEC电解槽的工作原理示意图；

图3是现有技术的氧离子传导型SOEC电解槽的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，根据本发明的一个优选实施例的高温电解直接制备干燥纯氢的装置包括纯水箱1、水泵2、水蒸气发生器3、气体预热组件4、质子传导型SOEC电解槽5、气体冷却组件6、气水分离器7、纯化装置8、加热炉9、增压装置10、直流电源11、控制阀12、储氢装置13。

纯水箱1与水泵2连接，纯水箱1中存储经过处理的去离子水，内部设备有液位检测装置来检测剩余水量。

水泵2后端与水蒸气发生器3连接，水泵2应带有水流量控制和检测功能，能够将水稳定、无间断地输送到水蒸气发生器3中。

水蒸气发生器3出口端与气体预热组件4连接，水蒸气发生器3能够将来自水泵2的水蒸发为饱和水蒸气输送给气体预热组件4。水蒸气发生器3中应带有出口温度检测，并且能将进入的水完全蒸发成饱和水蒸气。

气体预热组件4除了与水蒸气发生器3连接，进口端还与储氢装置13通过控制阀12连接，出口端与质子传导型SOEC电解槽5连接。气体预热器组件4中有至少两路气体加热通道，一路用做给来自水蒸气发生器3的水蒸气过热，一路给来自储氢装置13的氢气加热。

质子传导型SOEC电解槽5是核心设备。质子传导型SOEC电解槽5中含有多组电解小室，所用的电解质材料为质子传导型高温固体电解质，例如立方型钙钛矿BaCeO3-BaZrO₃材料体系(BCZY)或者Y和Yb共掺杂的BaCeO3-BaZrO₃的固溶体(BZCYYb)，在400℃至700℃有良好的质子传导性。如图2所示，质子传导型SOEC电解槽5由多个电解单元串联组成，每个电解单元包括位于质子传导型高温固体电解质的相对两侧的氧侧通道和氢侧通道，氧侧通道紧挨电解质侧有非贵金属氧电极，氢侧通道紧挨电解质侧有镍基氢电极。在工作时，水蒸气进入氧侧通道，经电解后失去电子，产生氧气，剩余少量水份；电解出的氢离子通过质子传导型高温固体电解质进入氢侧通道获得电子得到氢气。

气体冷却组件6位于质子传导型SOEC电解槽5的出口，其中有氧冷却通道和氢冷却通道。气体冷却组件6可以和气体预热组件4结合使用，即通过换热设备将气体冷却组件6中的热量用于加热气体预热组件4中的水蒸气或氢气，之后再冷却至室温；也可以将气体直接冷却至室温。

气水分离器7连接在气体冷却组件6的氧冷却通道的出口，主要作用是将氧气中剩余的水份脱离。

纯化装置8连接在气体冷却组件6的氢冷却通道的出口，目的是将电解产生的氢气进行进一步的纯化，提高氢气纯度。纯化方法可根据实际情况采用分子筛纯化、膜纯化、变压纯化等，也可在氢气纯度要求不高的场合无需安装。

加热炉9内部放置的是质子传导型SOEC电解槽5。加热炉9的内侧有保温层和加热电阻丝，既保证炉内温度不散失，又保证能够加温使质子传导型SOEC电解槽5处于所需温度工作。

增压装置10连接在储氢装置13和纯化装置8之间，可采用多组增压泵或者多级压缩机增压，将来自纯化装置8的氢气进行增压后充入储氢装置13中。

直流电源11通过正负极接线和质子传导型SOEC电解槽5连接，提供直流电源。直流电源可以稳定电压或者稳定电流输出。

控制阀12连接在储氢装置13和质子传导型SOEC电解槽5之间，可以通过控制阀门的开度来调节保护氢气的进入量。应该理解，氧离子传导型SOEC必须保证持续通入保护氢气，质子传导型SOEC在稳定工作后就可以完全关闭阀门，采用自产氢气来保护。

储氢装置13在增压装置10的出口端，储氢方式可采用高压气瓶储氢、金属储氢等，可以根据实际需求选取。

根据本实施例的高温电解直接制备干燥纯氢的装置运行方案包括：设备安装检漏完成后，纯水箱1中的水通过水泵2进入水蒸气发生器3开始产生水蒸汽，气体预热组件4和加热炉9开始加热升温，氮气和水蒸气在气体预热组件4中进行过热升温后分别进入质子传导型SOEC电解槽5的氢侧通道和氧侧通道。待升温至工作温度后，停止通入氮气，打开控制阀12使储氢装置13中的氢气经过气体预热组件4后进入质子传导型SOEC电解槽5的氢气侧给氢电极活化。活化一段时间后打开直流电源11开始通电，此时电解槽的氧侧开始产生氧气、氢侧开始产生氢气，待稳定后关闭控制阀12不再通入氢气。产生的氧气经过气体冷却组件6将水蒸气冷凝，再通过气水分离器7将水与氧气分开；产生的氢气经过气体冷却组件6后进入纯化装置8进行进一步的处理，之后通过增压装置10进入储氢装置13中。

应该理解，通入氮气和水蒸气的目的是为了给质子传导型SOEC电解槽5的内部预热。如果不向氢侧通道通入氮气而直接通入氢气的话，容易发生氢气和空气中的氧气的反应，发生爆炸。如果只往氧侧通道通入水蒸气会导致质子传导型SOEC电解槽5的内部密封件热量分布不均匀，易发生电解槽内部的气体泄露。

例1

质子传导型SOEC电解槽5要求的工作温度为500℃，活化时间1h。

设备安装检漏完成后，纯水箱1中的水通过水泵2进入水蒸气发生器3开始产生水蒸汽，气体预热组件4逐渐升温至200℃，加热炉9逐渐升温至500℃，氮气和水蒸气在气体预热组件4中进行过热升温后分别进入质子传导型SOEC电解槽5的氢侧通道和氧侧通道。待温度无明显波动后，停止通入氮气，打开控制阀12使储氢装置13中的氢气经过气体预热组件4后进入质子传导型SOEC电解槽5的氢气侧给氢电极活化。活化1h后，打开直流电源11开始通电，电解槽的氧侧开始产生氧气、氢侧开始产生氢气，一段时间后观察到直流电压和直流电流稳定，此时关闭控制阀12不再通入氢气。产生的氧气经过气体冷却组件6将水蒸气冷凝，通过气水分离器7将水与氧气分开；产生的氢气经过气体冷却组件6后进入纯化装置8进行进一步的处理，之后通过增压装置10进入储氢装置13中。之后稳定运行。若因某种情况停机，再次开机需按照上述步骤重新进行。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种高温电解直接制备干燥纯氢的装置，其特征在于，该装置包括纯水箱(1)、水蒸气发生器(3)、质子传导型SOEC电解槽(5)和储氢装置(13)，其中，水蒸气发生器(3)连接在纯水箱(1)和质子传导型SOEC电解槽(5)之间以将来自于纯水箱(1)的水蒸发为水蒸气并向质子传导型SOEC电解槽(5)提供水蒸气，质子传导型SOEC电解槽(5)由多个电解单元串联组成，每个电解单元包括位于质子传导型高温固体电解质的相对两侧的氧侧通道和氢侧通道，水蒸气进入氧侧通道电解后失去电子产生氧气，电解出的氢离子通过质子传导型高温固体电解质进入氢侧通道获得电子直接得到干燥的氢气，储氢装置(13)和质子传导型SOEC电解槽(5)的氢侧通道连接以接收存储氢气。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，质子传导型SOEC电解槽(5)在氧侧通道具有紧挨质子传导型高温固体电解质的非贵金属氧电极，在氢侧通道具有紧挨质子传导型高温固体电解质的镍基氢电极。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括气体冷却组件(6)，气体冷却组件(6)具有氧冷却通道和氢冷却通道，氧冷却通道与质子传导型SOEC电解槽(5)的氧侧通道连通以冷却氧气，氢冷却通道与质子传导型SOEC电解槽(5)的氢侧通道连通以冷却氢气。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，该装置还包括气水分离器(7)，其与气体冷却组件(6)的氧冷却通道连通以脱除氧气中的水份。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，该装置还包括连接在气体冷却组件(6)和储氢装置(13)之间的增压装置(10)，增压装置(10)与气体冷却组件(6)的氢冷却通道连通以将氢气进行增压后充入储氢装置(13)。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，该装置还包括连接在气体冷却组件(6)和增压装置(10)之间的纯化装置(8)，纯化装置(8)与气体冷却组件(6)的氢冷却通道连通以提高氢气的纯度。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括连接在水蒸气发生器(3)和质子传导型SOEC电解槽(5)之间的气体预热组件(4)，气体预热组件(4)具有与水蒸气发生器(3)连通的水蒸气加热通道以使得进入质子传导型SOEC电解槽(5)的水蒸气过热。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该装置还包括连接在储氢装置(13)和气体预热组件(4)之间的控制阀(12)，气体预热组件(4)具有与储氢装置(13)连通的氢气加热通道以加热作为保护气进入质子传导型SOEC电解槽(5)的氢气。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括加热炉(9)和直流电源(11)，质子传导型SOEC电解槽(5)位于加热炉(9)的内部以通过加热炉(9)确保质子传导型SOEC电解槽(5)的工作温度，直流电源(11)通过正负极接线和质子传导型SOEC电解槽(5)连接以向质子传导型SOEC电解槽(5)提供直流电源。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括连接在纯水箱(1)和水蒸气发生器(3)之间的水泵(2)。

Images