CN113969409B - 氢气和氧气制备系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢气和氧气制备系统，包括：可再生能源回收装置；电容器件，所述电容器件的电力输入端与所述可再生能源回收装置的电力输出端连接；电解槽装置，所述电容器件的电力输出端与所述电解槽装置连接。上述氢气和氧气制备系统，通过可再生能源回收装置产生电能，通过电容器件稳定平滑可再生能源回收装置的电压，之后耦合接入电解槽装置中，将电解液(如纯净水或海水等)制取氢气及氧气。由于可再生能源回收装置产生电能通过电容器件稳定电压后输入电解槽装置中，有效避免了电压的波动性及间歇性，降低电解槽装置催化剂层的脱落情况，提高电解效率；避免气体产量突然变化而导致电解槽装置内部压力的变化，减少安全隐患。

Description

氢气和氧气制备系统
技术领域
本发明涉及制备氢气和氧气的设备技术领域，特别涉及一种氢气和氧气制备系统。
背景技术
目前，海水电解制备氢气和氧气的设备及工艺中，通过降低壳体内部压力，使海水通过减压蒸发的方式以蒸气形式进入工作在120~150℃温度区间内的电解槽（如PBI（polybenzimidazoles，聚苯并咪唑）电解槽）内。海上风力发电机产生的直流电为电解槽提供电力，工作电压设计在1.3至1.5V下，电解电流将海水蒸汽电解，生成氢气和氧气；采用在内部布置开口向电解槽阳极、两侧设置有挡水肋的扁管式氢气管，进行产品气体的收集；同时扁管式的设计可增加与上部喷淋海水的接触换热面积，增加海水汽化速率；电解运行时定压排除电解水过程中的氧气产物，未被蒸发的海水由于重力作用从壳体底端流出。
目前，出于经济环保的考虑，利用海上风力及光伏发电等可再生能源的回收对电解槽提供电力。但是，海上风力及光伏发电具有波动性及间歇性的特性，电解槽工作负载范围一般为40%~100%，低于此范围会导致阴阳极氢氧气体混合严重，影响出口纯度，高于此范围则会导致电解槽过热，会造成电解槽中催化剂层的脱落甚至失活，影响电解效率；并且，由于气体产量突然变化会导致电解槽内部压力变化，有一定的安全隐患。
因此，如何提高效率，减少安全隐患，是本技术领域人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种氢气和氧气制备系统，以提高效率，减少安全隐患。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种氢气和氧气制备系统，包括：
可再生能源回收装置；
电容器件，所述电容器件的电力输入端与所述可再生能源回收装置的电力输出端连接；
电解槽装置，所述电容器件的电力输出端与所述电解槽装置连接。
可选地，上述氢气和氧气制备系统中，所述电容器件为超级电容并联组。
可选地，上述氢气和氧气制备系统中，所述超级电容并联组中的电容为双电层电容；
所述双电层电容具有金属-有机框架材料及复合纳米材料结构的双电层。
可选地，上述氢气和氧气制备系统中，所述可再生能源回收装置包括光伏发电装置和/或风力发电装置。
可选地，上述氢气和氧气制备系统中，所述电解槽装置包括：
电解槽本体，所述电解槽本体内具有将其内部空间分割为阴极腔室及阳极腔室的隔膜；
位于所述阴极腔室内的阴极部件；
位于所述阳极腔室内的阳极部件；
与所述电容器件的正极连接的阳极电解电极，所述阳极电解电极与所述阳极部件导电连接；
与所述电容器件的负极连接的阴极电解电极，所述阴极电解电极与所述阴极部件导电连接；
设置于所述电解槽本体上方的蒸发腔室，所述蒸发腔室具有供海水进入的海水入口及供海水流出的海水出口；
与所述蒸发腔室内的海水换热的阳极换热器，所述阳极换热器具有氧气出口及与所述阳极腔室连通的阳极氧气连接口；
与所述蒸发腔室内的海水换热的阴极换热器，所述阴极换热器具有氢气出口及与所述阴极腔室连通的阴极氢气连接口。
可选地，上述氢气和氧气制备系统中，所述电解槽装置还包括：
水蒸气冷凝通道，所述水蒸气冷凝通道的一端与所述蒸发腔室的顶部连通，所述水蒸气冷凝通道的另一端与所述电解槽本体的冷凝水入口连通；
用于将所述水蒸气冷凝通道内的冷凝水导入所述电解槽本体的水泵；
用于对导入所述电解槽本体的冷凝水进行加热的加热器；
用于对所述水蒸气冷凝通道内的冷凝水进行存储的纯水储存罐，所述纯水储存罐的出水口与所述水泵的进口连通。
可选地，上述氢气和氧气制备系统中，所述阴极腔室及所述阳极腔室内均设置有电解槽液位传感器及温度传感器；
所述电解槽液位传感器与所述水泵通信连接，所述温度传感器与所述加热器通信连接。
可选地，上述氢气和氧气制备系统中，所述阳极氧气连接口低于所述氧气出口，所述阳极换热器内换热冷凝的电解液能够由所述阳极氧气连接口流回所述阳极腔室；
所述阴极氢气连接口低于所述氢气出口，所述阴极换热器内换热冷凝的电解液能够由所述阴极氢气连接口流回所述阴极腔室。
可选地，上述氢气和氧气制备系统中，所述阳极换热器和/或所述阴极换热器为螺旋式换热器；
所述螺旋式换热器的换热管道为 。
可选地，上述氢气和氧气制备系统中，所述蒸发腔室内设置有液位传感器。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的氢气和氧气制备系统，通过可再生能源回收装置产生电能，通过电容器件20稳定平滑可再生能源回收装置的电压，之后耦合接入电解槽装置中，将电解液（如纯净水或海水等）制取氢气及氧气。由于可再生能源回收装置产生电能通过电容器件稳定电压后输入电解槽装置中，有效避免了电压的波动性及间歇性，降低了电解槽装置催化剂层的脱落情况，提高了电解效率；并且，避免气体产量突然变化而导致电解槽装置内部压力的变化，减少了安全隐患。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的氢气和氧气制备系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种氢气和氧气制备系统，以提高效率，减少安全隐患。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种氢气和氧气制备系统，包括可再生能源回收装置、电容器件20及电解槽装置。电容器件20的电力输入端与可再生能源回收装置的电力输出端连接；电容器件20的电力输出端与电解槽装置连接。
本发明实施例提供的氢气和氧气制备系统，通过可再生能源回收装置产生电能，通过电容器件20稳定平滑可再生能源回收装置的电压，之后耦合接入电解槽装置中，将电解液（如纯净水或海水等）制取氢气及氧气。由于可再生能源回收装置产生电能通过电容器件20稳定电压后输入电解槽装置中，有效避免了电压的波动性及间歇性，降低了电解槽装置催化剂层的脱落情况，提高了电解效率；并且，避免气体产量突然变化而导致电解槽装置内部压力的变化，减少了安全隐患。
本实施例中，电容器件20为超级电容并联组。超级电容器并联组能够进行电力存储，必要时输出稳定电力供电解槽装置使用。
当然，也可以设置为其他类型的电容器件，在此不再一一累述且均在保护范围之内。
优选地，超级电容并联组中的电容为双电层电容；双电层电容具有金属-有机框架材料及复合纳米材料结构的双电层。其中，金属-有机骨架简称为MOFs （Metal organicFrameworks）。其中，MOFs的结构保护Co、Fe、Ni基元素、以及Co、Ni、S基元素两种配方。
本实施例中，可再生能源回收装置包括光伏发电装置21和风力发电装置22。当然，可再生能源回收装置也可以仅包括光伏发电装置21，或，可再生能源回收装置仅包括风力发电装置22。或者，可再生能源回收装置为回收其他可再生能源的装置，如水能或地热能等，在此不做具体限制且均在保护范围之内。
优选地，电解槽装置包括电解槽本体、位于阴极腔室3内的阴极部件4、位于阳极腔室17内的阳极部件16、与电容器件20的正极连接的阳极电解电极18、与电容器件20的负极连接的阴极电解电极2、设置于电解槽本体上方的蒸发腔室9、与蒸发腔室9内的海水换热的阳极换热器14及与蒸发腔室9内的海水换热的阴极换热器8。电解槽本体内具有将其内部空间分割为阴极腔室3及阳极腔室17的隔膜5；阳极电解电极18与阳极部件16导电连接；阴极电解电极2与阴极部件4导电连接；蒸发腔室9具有供海水进入的海水入口10及供海水流出的海水出口7；阳极换热器14具有氧气出口12及与阳极腔室17连通的阳极氧气连接口15；阴极换热器8具有氢气出口11及与阴极腔室3连通的阴极氢 气连接口6。
通过上述设置，电解液（冷凝水或纯净水等）分别进入电解槽本体的阳极腔室17和阴极腔室3，发生电化学反应生成氢气和氧气：2H2 O→2H2+O2。
隔膜5为耐高温离子交换摸，可防止阴阳两极气体混合。由于电化学反应过程中生成的热量，会导致部分电解液汽化和产品气体（高温氢气和高温氧气）进入对应的阳极换热器14及阴极换热器8中，将热量传递给蒸发腔室9中的海水。降温后的氢气和氧气分别输入对应的存储设备。氢气的存储设备和氧气的存储设备可以为储存罐，与常规气体收集装置相同，在此不做赘述。
海水从蒸发腔室9的海水入口10进入蒸发腔室9，蒸发腔室9可以预先抽至低压状态。为了增强换热，可采取喷射等方式将海水喷洒至蒸发腔室9内。蒸发腔室9内维持一定的真空度以保持适宜的海水蒸发量。由于阳极换热器14及阴极换热器8的加热作用，蒸发腔室9中的海水开始蒸发。当蒸发腔室9中的海水浓度过高时，通过海水出口7将蒸发腔室9内的海水泄出，再由海水入口10补充进新的海水。
进一步地，电解槽装置还包括水蒸气冷凝通道13；水蒸气冷凝通道13的一端与蒸发腔室9的顶部连通，水蒸气冷凝通道13的另一端与电解槽本体的冷凝水入口连通。通过上述设置，在采用海水淡化技术制取淡水，蒸发腔室9内的海水吸收阳极换热器14及阴极换热器8的热量后蒸发形成水蒸气，水蒸气通过水蒸气冷凝通道13冷凝并作为电解液（冷凝水）输入电解槽本体中。有效提高了能源的利用效果。通过水蒸气冷凝通道13液化，在重力作用下向下流动，进而方便进入电解槽本体内。
由于通过提高碱水电解温度至100~300℃可以有效提高电解效率，但此技术需要严格控制电解槽的温度。电解槽的槽温太低会引起槽压上升及电流效率下降的情况，电解槽的槽温太高则会引起固定压力条件下电解液的沸腾及电极材料的老化等。为了确保电解效率，提高使用寿命，电解槽装置还包括用于将水蒸气冷凝通道13内的冷凝水导入电解槽本体的水泵1及用于对导入电解槽本体的冷凝水进行加热的加热器。在具体操作过程中，电解液（冷凝水）通过泵1（耐腐蚀水泵）及加热器升温至100~300℃之间，压力升高至3MPa及以上，保持电解液为液态。
为了便于使用，电解槽装置还包括用于对水蒸气冷凝通道13内的冷凝水进行存储的纯水储存罐19，纯水储存罐19的出水口与水泵1的进口连通。冷凝水进入纯水储存罐19，作为电解液的水源补充。
阴极腔室3及阳极腔室17内均设置有电解槽液位传感器及温度传感器；电解槽液位传感器与水泵1通信连接，温度传感器与加热器通信连接。电解液消耗至一定程度时，水泵1将自动汲取纯水储存罐19的水并加热至电解槽运行温度范围内，补充电解液，保持电解池中水位恒定。
阳极氧气连接口15低于氧气出口12，阳极换热器14内换热冷凝的电解液能够由阳极氧气连接口15流回阳极腔室17；阴极氢气连接口6低于氢气出口11，阴极换热器8内换热冷凝的电解液能够由阴极氢气连接口6流回阴极腔室3。由于阳极换热器14及阴极换热器8内的流体温度降低，电解液将冷凝回流至电解槽本体对应的阳极腔室17和阴极腔室3内，维持阳极腔室17和阴极腔室3内电解质浓度。
本实施例中，阳极换热器14和/或阴极换热器8为螺旋式换热器。
螺旋式换热器优选为不锈钢材质，与海水接触的外表面有TSA涂层，防止海水腐蚀，延长使用寿命。
进一步地，螺旋式换热器的换热管为片状结构，以便于增大换热面积。
为了确保阳极换热器14和阴极换热器8的稳定运行，蒸发腔室9内设置有液位传感器。确保蒸发腔室9内的冷却流体（海水）能够满足阳极换热器14和阴极换热器8的换热需求，以便于确保阳极换热器14和阴极换热器8的正常工作。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修 改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种氢气和氧气制备系统，其特征在于，包括：
可再生能源回收装置，用于海上能源回收；
电容器件(20)，所述电容器件(20)的电力输入端与所述可再生能源回收装置的电力输出端连接；
电解槽装置，所述电容器件(20)的电力输出端与所述电解槽装置连接；
所述电解槽装置包括：
电解槽本体，所述电解槽本体内具有将其内部空间分割为阴极腔室(3)及阳极腔室(17)的隔膜(5)；
位于所述阴极腔室(3)内的阴极部件(4)；
位于所述阳极腔室(17)内的阳极部件(16)；
与所述电容器件(20)的正极连接的阳极电解电极(18)，所述阳极电解电极(18)与所述阳极部件(16)导电连接；
与所述电容器件(20)的负极连接的阴极电解电极(2)，所述阴极电解电极(2)与所述阴极部件(4)导电连接；
设置于所述电解槽本体上方的蒸发腔室(9)，所述蒸发腔室(9)具有供海水进入的海水入口(10)及供海水流出的海水出口(7)；
与所述蒸发腔室(9)内的海水换热的阳极换热器(14)，所述阳极换热器(14)具有氧气出口(12)及与所述阳极腔室(17)连通的阳极氧气连接口(15)；
与所述蒸发腔室(9)内的海水换热的阴极换热器(8)，所述阴极换热器(8)具有氢气出口(11)及与所述阴极腔室(3)连通的阴极氢气连接口(6)；
水蒸气冷凝通道(13)，所述水蒸气冷凝通道(13)的一端与所述蒸发腔室(9)的顶部连通，所述水蒸气冷凝通道(13)的另一端与所述电解槽本体的冷凝水入口连通；
用于将所述水蒸气冷凝通道(13)内的冷凝水导入所述电解槽本体的水泵(1)；
用于对导入所述电解槽本体的冷凝水进行加热的加热器；
用于对所述水蒸气冷凝通道(13)内的冷凝水进行存储的纯水储存罐(19)，所述纯水储存罐(19)的出水口与所述水泵(1)的进口连通。
2.如权利要求1所述的氢气和氧气制备系统，其特征在于，所述电容器件(20)为超级电容并联组。
3.如权利要求2所述的氢气和氧气制备系统，其特征在于，所述超级电容并联组中的电容为双电层电容；
所述双电层电容具有金属-有机框架材料及复合纳米材料结构的双电层。
4.如权利要求1所述的氢气和氧气制备系统，其特征在于，所述可再生能源回收装置包括光伏发电装置(21)和/或风力发电装置(22)。
5.如权利要求1所述的氢气和氧气制备系统，其特征在于，所述阴极腔室(3)及所述阳极腔室(17)内均设置有电解槽液位传感器及温度传感器；
所述电解槽液位传感器与所述水泵(1)通信连接，所述温度传感器与所述加热器通信连接。
6.如权利要求4所述的氢气和氧气制备系统，其特征在于，所述阳极氧气连接口(15)低于所述氧气出口(12)，所述阳极换热器(14)内换热冷凝的电解液能够由所述阳极氧气连接口(15)流回所述阳极腔室(17)；
所述阴极氢气连接口(6)低于所述氢气出口(11)，所述阴极换热器(8)内换热冷凝的电解液能够由所述阴极氢气连接口(6)流回所述阴极腔室(3)。
7.如权利要求4所述的氢气和氧气制备系统，其特征在于，所述阳极换热器(14)和/或所述阴极换热器(8)为螺旋式换热器；
所述螺旋式换热器的换热管道为片状结构。
8.如权利要求4-7任一项所述的氢气和氧气制备系统，其特征在于，所述蒸发腔室(9)内设置有液位传感器。
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