CN113913849A - 一种基于质子交换膜电解水的制氢方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于质子交换膜电解水的制氢方法，涉及电解水制氢领域，该基于质子交换膜电解水的制氢方法，包括以下步骤，S1、构建PEM电解池，并在PEM电解池的内部安装具备通信功能的压强传感单元；S2、制取蒸馏水，并且对蒸馏水进行汽化，形成高温状态的水蒸气；S3、对水蒸气进行降温，将水蒸气的温度维持在120度；S4、水蒸气通入PEM电解池中，在电解池的两个电极之间输入直流压，展开析氢作业；S5、在PEM电解池内部持续输出氢气后，对输出的氢气进行气液分离。通过泄压装置对PEM电解池内部进行自动降压，使PEM电解池内部的压强一直保持在预设的范围内，进而使得反应能够一直预设的压强范围内进行，使电解水反应一直保持在较高的效率。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢领域，特别涉及一种基于质子交换膜电解水的制氢方法。
背景技术
氢能与清洁一次能源构成的能源系统被认为是最有希望替代化石燃料的能源体系。当今工业上大规模制氢方法主要有甲烷蒸汽重整(SMR)和电解水制氢。甲烷蒸汽重整是目前最经济的大规模制氢方法，但其消耗大量化石燃料，产生大量二氧化碳。目前常规碱性电解水制氢技术成本较高、总制氢效率较低而且大部分发电过程也消耗化石燃料排放CO2。但电解水制氢技术工艺过程简单、产品纯度高，若结合高效清洁一次能源构成电解水制氢系统将最有潜力满足未来氢经济需求。
按电解质性质的不同，电解水制氢技术主要有三种:碱液、质子交换膜(PEM)和固体氧化物水电解器技术，以PEM作为电解质的水电解器能在1～3A/cm2的高电流密度下工作，体积小、效率高，生成的氢气纯度可高达到99.999％，被认为是最有前景的水电解技术，适合应用于电子、冶金、发电、燃料电池、仪器分析等行业，还可与燃料电池相结合构成再生式燃料电池，用于无人驾驶飞机、潜艇、空间站等场所。
现有的基于质子交换膜电解水的制氢方法中，PEM电解池内的工作压强由于电解水反应的不断进行，一直处于上下波动的状态下，而压强是影响电解水效率的关键性指标，这就导致电解水的速度一直不能处于较高的水平上，降低了制氢的效率。
发明内容
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于质子交换膜电解水的制氢方法，包括以下步骤，步骤S1、构建PEM电解池，并在PEM电解池的内部安装具备通信功能的压强传感单元；步骤S2、制取蒸馏水，并且对蒸馏水进行汽化，形成高温状态的水蒸气；步骤S3、对水蒸气进行降温，将水蒸气的温度维持在120度；步骤S4、水蒸气通入PEM电解池中，在电解池的两个电极之间输入直流压，展开析氢作业；步骤S5、在PEM电解池内部持续输出氢气后，对输出的氢气进行气液分离；步骤S6、对析出的氢气进行干燥冷却，去除氢气中所附带的水分，之后对氢气进行压缩，将之储存在储氢设备中。
进一步的，在步骤S4中，还包括以下步骤，步骤S41、监测PEM电解池的工作压强，对监测结果进行记录，形成监测值；根据记录的监测值建立工作压强数据库；步骤S42、为PEM电解池内部设置压强预警值；步骤S43、调取数据库内储存的工作压强数据以及本次工作压强的数据，对下一监测周期内的工作压强进行预测，输出预测值；步骤S44、调取预测值以及监测值与预警值分别进行对比，输出对比结果；步骤S45、根据对比结果，自动启动降压装置对PEM电解池进行降压。步骤S3之后还包括步骤S31、通过气液分离器对产生的水蒸气进行气液分离。
进一步的，在步骤S4中，直流电压在1.299V与1.481V之间。
进一步的，在步骤S1的基础上，还包括步骤S11，在PEM电解池的外部设置有热量补偿装置，对PEM电解池的热量散失进行补偿。
进一步的，在步骤S41中，压强监测周期为1分钟。
进一步的，在步骤S4中，所述PEM电解池的反应温度为110度～130度。
进一步的，在步骤S1至步骤S6中，PEM水电解池的流场板的表面通过离子溅射法涂覆有铂防护层。
进一步的，所述铂防护层由热分解法制备成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
在本发明中，使用时，通过调取预测值以及监测值与预警值分别进行对比，当预测值高于预警值或者监测值高于预警值时，均能够通过泄压装置对PEM电解池内部进行自动降压，使PEM电解池内部的压强一直保持在预设的范围内，进而使得反应能够一直预设的压强范围内进行，电解水反应的速度一直能够表平稳，使电解水反应一直保持在较高的效率。
附图说明
图1为本发明中PEM电解水的工作流程示意图；
图2为本发明中PEM电解池工作压强的调整流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
完整的PEM水电解的系统主要包括PEM电解器、稳压电源、水供应系统、水循环泵、氢气和氧气的气液分离器、热交换器、包括安全措施的控制系统等。其中，PEM电解器是整个水电解系统的核心，电解水制氢的工作开始后，水由储水罐通过管道输送到电解器阳极，水在电场和阳极催化剂的作用下，分解成氢离子和氧气，氧气通过管道输送到储氧罐或排空；氢离子由阳极穿过质子交换膜迁移到阴极，在阴极催化剂表面与外电路输送过来的电子结合生成氢气，氢气通过氢气管道输送到储氢罐。
PEM电解水制氢技术与碱性电解水制氢技术的主要不同在于PEM电解水制氢技术采用了一种高分子聚合物阳离子交换膜代替了碱性水电解中的隔膜和液态电解质，起到隔离气体和离子传导的作用。
当PEM电解池工作时，水通过阳极室在阳极催化反应界面发生电化学反应被分解成氧气、氢离子以及电子。阳极所产生的氢离子以水合氢离子(H+·H2O)的形式通过电解质隔膜，并在阴极室反应界面处与通过外电路输运过来的电子发生电化学反应生成氢气。
其中，电解水的基本原理如下：
阳极反应:H2O→2H++0.5O2+2e
阴极反应:2H++2e→H2
总反应:H2O＝H2+0.5O2
PEM水电解制氢技术的电解槽由PEM膜电极、双极板等部件组成，其中膜电极是电化学反应的核心部件，决定了电解池的性能。
膜电极由质子交换膜和粘合在质子交换膜上的阴阳极催化剂组成，是水电解反应的场所；双极板能够将多片膜电极串联在一起，并将膜电极彼此隔开，在双极板的两侧分别有阳极流道和阴极流道，起到物质输运的作用，收集并输出产物H2、O2以及H2O，同时在电解水过程中起传导电子的作用。
膜化学降解涉及到的自由基反应极其反应速率如下：
1、H2O2→2HO·k1＝1.2×10-7(s-1)
2、H2O2+Fe2+→Fe3++HO·+HO- k2＝1.05×108exp(-9460/RT)(l·mol-1·s-1)
3、H2O2+Fe3+→Fe2++HOO·+H+ k3＝4×10-5(l·mol-1·s-1)
4、HO·+Fe2+→HO-+Fe3+ k4＝2.3×108(l·mol-1·s-1)
5、HO·+H2O2→HOO·+H2O k5＝2.7×107(l·mol-1·s-1)
6、HO·+O2→HOO·+H2O k6＝1.2×1010(l·mol-1·s-1)
7、HOO·+Fe3+→Fe2++O2+H+ k7＝2×104(l·mol-1·s-1)
8、HOO·+Fe2++H+→Fe3++H2O2 k8＝1.2×106(l·mol-1·s-1)
9、HO·+Rf-CF2-COOH→products k9≤106(l·mol-1·s-1)
实施例
参考图1以及图2，本实施例中所述的一种基于质子交换膜电解水的制氢方法，包括以下步骤，
步骤S1、构建PEM电解池，并在PEM电解池的内部安装具备通信功能的压强传感单元；
使用时，通过在PEM电解池内配置压强传感单元，能够对内部的工作压强进行检测，便于用户了解电解池内部的工作压强的变化情况。
在步骤S1的基础上，还包括步骤S11，在PEM电解池的外部设置有热量补偿装置，对PEM电解池的热量散失进行补偿；
使用时，通过对PEM电解池进行热量补偿，能够对热对流和热辐射会给PEM电解池的带来的热量的损失。
步骤S2、制取蒸馏水，并且对蒸馏水进行汽化，形成高温状态的水蒸气；
使用时，通过采用蒸馏水开展电解水制氢，能够避免电解用水的内部含有较多的金属离子，从而对PEM电解池的电极造成极化，延长电极的使用寿命，也能够提高电解水析氢的纯度。
步骤S3、对水蒸气进行降温，将水蒸气的温度维持在120度；
使用时，通过对高温状态下的水蒸气进行降温，能够放置高温状态下的水蒸气对PEM电解槽内的电解质以及电极带来损伤，降低电解反应的效率；更具体的，在步骤S3之后还包括步骤S31、通过气液分离器对产生的水蒸气进行气液分离；
使用时，通过对水蒸气进行气液分离，去除掉水蒸气内部的水分，是由于气态的水分子之间的活跃度更高，液态水会降低气态水的电解水的效率，而析出的液态水在收集起来后还能再次使用。
步骤S4、水蒸气通入PEM电解池中，在电解池的两个电极之间输入直流压，展开析氢作业；其中，该直流电压在1.299V与1.481V之间，也可以直接选定1.41V。
步骤S5、在PEM电解池内部持续输出氢气后，对输出的氢气进行气液分离，也即，将输出的氢气输入到气液分离器中，去除氢气中所包含的水蒸气；
使用时，通过去除析出的氢气中的水蒸气，能够提高氢气的纯度，也能够减少安全隐患。
步骤S6、对析出的氢气进行干燥冷却，去除氢气中所附带的水分，之后对氢气进行压缩，将之储存在储氢设备中。
具体的，在步骤S4中，还包括以下步骤，
步骤S41、监测PEM电解池的工作压强，对监测结果进行记录，形成监测值；根据记录的监测值建立工作压强数据库；具体的，压强监测周期为1分钟或者其他合适的时间；
使用时，通过对PEM电解池内的压强进行记录并且输出监测值，能够使得用户能够实时的了解到PEM电解池内的工作压强的变化，并且能够随时从数据库中调用本次监测值以及形成的历史监测值。
步骤S42、为PEM电解池内部设置压强预警值，当检测到工作压强超过预警值时，向用户发出警报；
使用时，通过在PEM电解池内部的工作压强超过预警值时发出警报，能够及时提醒用户处理，能够减少高压带来的安全隐患，在用户能够及时处理的前提下，也能使得PEM电解池内能够一直保持适合的反应环境。
步骤S43、调取数据库内储存的工作压强数据以及本次工作压强的数据，对下一监测周期内的工作压强进行预测，输出预测值；具体的，该预测的算法基于回归分析建立。
步骤S44、调取预测值以及监测值与预警值分别进行对比，输出对比结果；
步骤S45、根据对比结果，自动启动降压装置对PEM电解池进行降压。
使用时，通过调取预测值以及监测值与预警值分别进行对比，当预测值高于预警值或者监测值高于预警值时，均能够通过泄压装置对PEM电解池内部进行自动降压，使PEM电解池内部的压强一直保持在预设的范围内，进而使得反应能够一直预设的压强范围内进行，电解水反应的速度一直能够保持平稳，使电解水反应一直保持在较高的效率。
参考图1以及图2，在步骤S4中，所述PEM电解池的反应温度为110度～130度，优选为120度。
使用时，在110度～130度的温度条件下，PEM电解反应的产氢效率随产氢量增加先快速增大后逐渐降低，同时，PEM膜的耐温性能更好，使用寿命更长。PEM电解池工作的电极电压损失较小。
进一步的，在步骤S1至步骤S6中，PEM水电解池的流场板的表面通过离子溅射法涂覆有铂防护层，铂防护层由热分解法制备成。
使用时，集流板(流场板)是PEM水电解池的重要组件，主要作用为收集电流、分配反应物及产物等，PEM水电解池在长时间运行后，杂质离子会导致电解池内部反应物超纯水电导率升高，电解池内纯水pH值降低；位于阴极的集流板由于处于阴极电位下，随着纯水电导率的升高、pH值的下降也会发生微量的析氢反应，铂防护层能够避免PEM水电解池长时间运行后，流场板容易出现的“氢脆”现象，进而可以避免导致流场板的接触电阻变大，电解池性能下降。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于质子交换膜电解水的制氢方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤S1、构建PEM电解池，并在PEM电解池的内部安装具备通信功能的压强传感单元；
步骤S2、制取蒸馏水，并且对蒸馏水进行汽化，形成高温状态的水蒸气；
步骤S3、对水蒸气进行降温，将水蒸气的温度维持在120度；
步骤S4、水蒸气通入PEM电解池中，在电解池的两个电极之间输入直流压，展开析氢作业；
步骤S5、在PEM电解池内部持续输出氢气后，对输出的氢气进行气液分离；
步骤S6、对析出的氢气进行干燥冷却，去除氢气中所附带的水分，之后对氢气进行压缩，将之储存在储氢设备中。
2.根据权利要求1所述的一种基于质子交换膜电解水的制氢方法，其特征在于，在步骤S4中，还包括以下步骤，
步骤S41、监测PEM电解池的工作压强，对监测结果进行记录，形成监测值；根据记录的监测值建立工作压强数据库；
步骤S42、为PEM电解池内部设置压强预警值；
步骤S43、调取数据库内储存的工作压强数据以及本次工作压强的数据，对下一监测周期内的工作压强进行预测，输出预测值；
步骤S44、调取预测值以及监测值与预警值分别进行对比，输出对比结果；
步骤S45、根据对比结果，自动启动降压装置对PEM电解池进行降压。
3.根据权利要求1所述的一种基于质子交换膜电解水的制氢方法，其特征在于，步骤S3之后还包括步骤S31、通过气液分离器对产生的水蒸气进行气液分离。
4.根据权利要求2所述的一种基于质子交换膜电解水的制氢方法，其特征在于，在步骤S4中，直流电压在1.299V与1.481V之间。
5.根据权利要求1所述的一种基于质子交换膜电解水的制氢方法，其特征在于，在步骤S1的基础上，还包括步骤S11，在PEM电解池的外部设置有热量补偿装置，对PEM电解池的热量散失进行补偿。
6.根据权利要求2所述的一种基于质子交换膜电解水的制氢方法，其特征在于，在步骤S41中，压强监测周期为1分钟。
7.根据权利要求2所述的一种基于质子交换膜电解水的制氢方法，其特征在于，在步骤S4中，所述PEM电解池的反应温度为110度～130度。
8.根据权利要求1所述的一种基于质子交换膜电解水的制氢方法，其特征在于，在步骤S1至步骤S6中，PEM水电解池的流场板的表面通过离子溅射法涂覆有铂防护层。
9.根据权利要求8所述的一种基于质子交换膜电解水的制氢方法，其特征在于，所述铂防护层由热分解法制备成。
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