CN115976575A - 一种带干燥、提纯功能的小型制氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带干燥、提纯功能的小型制氢系统，通过采用低温分离技术、变压吸附技术以及膜分离技术相结合，在对电解槽输出的氢气进行提纯的过程中，先利用汽水分离器中的冷凝器对氢气进行低温冷却，以使得氢气中的大部分高温水蒸气以及冷凝液化从氢气中进行第一次脱离，而后，将处理过的氢气通入A\B缸进行变压吸附提纯，吸收氢气中残留的少部分水蒸气，对氢气进行高效提纯，以产出符合要求的高纯度氢气；并且，在对A\B缸进行解吸过程中，将采用膜分离子系统来回收废气，再将氢气回收至汽水分离器与电解槽产出的氢气一起再次采取低温分离和变压吸附分离的过程，形成废气循环利用，从而减少废气产生，提高系统的单位产量。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢的技术领域，尤其涉及一种带干燥、提纯功能的小型制氢系统。
背景技术
氢能源作为最清洁的二次能源已经成为我国重要的发展方向。而当前阶段，我国60％的氢气还是主要通过化石能源来制取，这种方式虽然生产成本较低，但会对环境产生大量污染，同时伴随大量的碳排放。水电解制氢作为一种将电能直接转化为氢能的技术，其转化效率高、无污染、无碳排放，是未来新能源的重点发展方向。
PEM水电解技术是制氢领域极具发展前景的水电解制氢技术之一，相比传统的碱性水电解制氢，仅需纯水，输出的副产物只有氧气和水，对环境无污染；并且还具备转换效率高、输出压力大、纯度高等特点。
高纯度的氢气制备与制取方式和提纯方式密切相关，即PEM电解槽和纯化系统有很大关系，由于PEM水电解制氢只会产生氧气和水两种副产物，二氧气是与氢气是在分别在阴、阳极电解室内产生，与氢气同时析出的只有水，因此，只要去除氢气中的水就能够对氢气达到纯化的目的。
目前，氢气纯化技术主要有膜分离技术、低温分离技术、变压吸附技术、金属氢化法和氢化脱氢法等，在PEM水电解制氢系统中，主要采用的是变压吸附提纯技术进行提纯，变压吸附提纯是利用微孔吸附材料在气液或气体中的一种或几种组分上的选择性吸附原理，将水蒸气从氢气中进一步分离出来，以达到对氢气的纯化目的。一般情况下，吸附床中的吸附剂的吸引比化学分子小，所以升高温度或降低吸附物的局部压力都可能使吸附物（即水蒸气）消失。利用这一特性，可以使得吸附物与吸附剂分离，使得吸附剂得以再生。
然后，氢气的析出侧不仅有水蒸气，其中还会存在有从水的析出，加之氢气在管路运送的过程中，水蒸气也会冷凝液化，这样，缸内的吸附吸很容易得到保护，A\B缸交替吸附和解吸的间隔短，而解吸过程是通过逆放过程和冲洗过程使吸附剂中的水解吸出来，从而实现吸附剂再生。但是这个过程中是采用产品氢气（顺放气）对吸附剂进行逆向的冲洗而实现的，且为了使得吸附剂再生彻底，往往需要较长的时间，这就得损失不少的高纯氢，在许多的变压吸附提纯装置中，解吸气中氢含量可达到40%甚至更高，这就造成了宝贵的氢气资源的浪费。
发明内容
本发明提供一种带干燥、提纯功能的小型制氢系统，通过采用低温分离技术、变压吸附技术以及膜分离技术相结合，不仅能够有效脱除氢气中的水和水蒸气，为高纯度氢气的制备提供基础，同时还能够减低在变压吸附过程中氢气的损耗，提高氢气的单位产量。
本发明的技术方案如下：
一种带干燥、提纯功能的小型制氢系统，用于纯水电解制备高纯度氢气，其特征在于，包括电解槽、汽水分离器、PSA变压吸附子系统以及膜分离子系统；所述电解槽的氢气出口以及膜分离子系统的氢气回收口通过管路与汽水分离器连接，所述汽水分离器的氢气出口与PSA变压吸附子系统的氢气入口连接，所述PSA变压吸附子系统的排气口通过管路与所述膜分离子系统连接；
其中，所述PSA变压吸附子系统包括内部填充有用于吸附水蒸气的吸附剂的A缸和B缸，以及进气排气阀组，所述A缸和B缸的进气端分别通过第一管路和第二管路与进气排气阀组连接；
所述膜分离子系统包括第一水封、第二水封、抽氢风机、缓冲罐以及膜分离器，所述汽水分离器的排水口与所述第一水封连接，所述进气排气阀组的排气口与所述第二水封连接，所述第一水封和第二水封的排气口通过管路与所述抽氢风机连接，所述抽氢风机、缓冲罐、膜分离器通过管路依次连通，所述膜分离器的排气口与所述汽水分离器的氢气入口连接。
可选地，所述A缸和B缸的进气端分别设置有第一管路和第二管路，所述第一管路和第二管路分别设置第一T型过滤器和第二T型过滤器；
所述A缸和B缸的出气端分别通过第三管路和第四管路，所述第三管路和第四管路分别设置第三T型过滤器和第四T型过滤器。
可选地，所述第三管路和第四管路之间设置有第五管路，所述第五管路上设置有第一精度调节阀、热管换热器、第二精度调节阀，所述热管换热器的冷风口连接在第五管路上，所述热管换热器的热风口通过管路与电解槽的出氢管路连接。
可选地，所述热管换热器的两端分别设置第一温度传感器和第二温度传感器。
可选地，所述第三管路和第四管路上分别设置有第一压力传感器和第二压力传感器。
可选地，所述缓冲罐与膜分离器的连通管路上设置有第三精度调节阀。
可选地，所述第三精度调节阀的两端分别设置有第三压力传感器和第四压力传感器。
可选地，所述膜分离器内设置有第五压力传感器。
可选地，该小型制氢系统还包括纯水箱，所述纯水箱与所述电解槽连接，用于向电解槽供水；所述第一水封、第二水封以及膜分离器的排水口与纯水箱连接，用于将氢气带出的水回收到纯水箱内。
可选地，所述第一水封与所述纯水箱之间设置有直连管路。
根据本发明提供的带干燥、提纯功能的小型制氢系统，通过采用低温分离技术、变压吸附技术以及膜分离技术相结合，在对电解槽输出的氢气进行提纯的过程中，先利用汽水分离器中的冷凝器对氢气进行低温冷却，以使得氢气中的大部分高温水蒸气以及冷凝液化从氢气中进行第一次脱离，而后，将处理过的氢气通入A\B缸进行变压吸附提纯，吸收氢气中残留的少部分水蒸气，对氢气进行高效提纯，以产出符合要求的高纯度氢气；并且，在对A\B缸进行解吸过程中，将采用膜分离子系统来回收废气，利用水封来清洗废气，除去废气中的水分，再利用抽氢风机将废气抽出至缓冲罐体内，使得氢气以高压形式进入膜分离器，在膜分离器作用下将废气中的水汽进一步分离出去，形成清洁氢气，再将氢气回收至汽水分离器与电解槽产出的氢气一起再次采取低温分离和变压吸附分离的过程，形成废气循环利用，从而减少废气产生，提高系统的单位产量。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为本发明一实施例中PSA变压吸附子系统的结构示意图。
图3为本发明一实施例中膜分离子系统的结构示意图。
图4为本发明另一实施例中PSA变压吸附子系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种带干燥、提纯功能的小型制氢系统，用于纯水电解制备高纯度氢气，其包括纯水箱500、电解槽100、汽水分离器200、PSA变压吸附子系统300以及膜分离子系统400。电解槽的氢气出口以及膜分离子系统氢气回收口通过管路与汽水分离器连接，汽水分离器的氢气出口与PSA变压吸附子系统的氢气入口连接，PSA变压吸附子系统的氢气出口与系统的氢气输出管路连接，PSA变压吸附子系统排气口通过管路与膜分离子系统连接。
汽水分离器包括蓄水缸和设置在蓄水缸上端并与蓄水缸连通的冷凝器，冷凝器内设置多个供氢气通过的气路，其上端口设置有供氢气排出的出气口。氢气向进入冷凝器冷却，使得氢气中的水蒸气冷凝液化，液化后的水滴在重力作用下滴落在蓄水缸中，氢气则从冷凝器的出气口排出。
如图2所示，该PSA变压吸附子系统包括主要由A缸310、B缸320以及进气排气阀组330组成。A缸和B缸内设置有用于吸附水蒸气用的吸附剂，吸附剂具体可以为分子筛、活性氧化铝、活性炭、硅胶、沸石等固体吸湿颗粒，这些颗粒能够在经过氢气经过时从氢气中吸附残留水蒸气。当A缸提纯时A缸既为工作缸，此时B缸为再生缸，反之同理。
A缸和B缸的进气端分别设置有第一管路和第二管路，A缸和B缸的出气端分别设置由第三管路和第四管路，在第一管路、第二管路、第三管路以及第四管路上分别设置第一T型过滤器、第二T型过滤器、第三T型过滤器以及第四T型过滤器。其中，第一T型过滤器能够对进入A缸的氢气进行过滤，滤掉氢气中携带的微型颗粒杂质，以避免这些微型颗粒杂质堵塞A缸内吸附剂颗粒上的微孔结构，避免长时间的干燥提纯后影响缸内吸附剂的透气性能，从而导致提纯子系统不能稳定持续的运行。第三T型过滤器则是用于对A缸输出的氢气进行过滤，避免缸体内流入出氢气将部分吸附颗粒的微型碎屑带出，影响到输出氢气的纯度，第二T型过滤器和第四T型过滤器的作用同理，用于避免B缸堵塞，以及将B缸内的微型碎屑带出，影响到输出氢气的纯度。
进气排气阀组包括A缸进气阀、A缸排气阀、B缸进气阀以及B缸排气阀，A缸进气阀的第一端和B缸进气阀的第一端通过管路与汽水分离器的氢气出口连接，用于接收经汽水分离器低温分离干燥的氢气，以对该氢气进行进一步提纯处理。A缸进气阀的第二端和A缸排气阀的第一端与第一管路连接，B缸进气阀的第二端和B缸排气阀的第一端与第二管路连接，用于向A缸/B缸输送氢气，同时，接收自A缸/B缸排放出的含氢废气。A缸排气阀和B缸排气阀的第二端与膜分离子系统连接，用于将含氢废气排放至膜分离子进行回收利用。
当A缸工作时，A缸进气阀打开、B缸进气阀关闭，氢气进入A缸内提纯；当B缸工作时，B缸进气阀打开、A缸进气阀关闭，氢气进入B缸内提纯。
在第三管路和第四管路之间设置有第五管路，第五管路上设置有第一精度调节阀，当A缸工作时，控制第一精度调节阀打开，以释放少量干燥氢气来反向吹扫B缸内吸附剂颗粒，将吸附剂上吸附的水蒸气脱离出去，使得吸附剂再生，脱离出来的水蒸气随氢气一起，从B缸排气阀排出；同时，当B缸工作时，释放少量干燥氢气来反向吹扫A缸内吸附剂颗粒，使得吸附剂再生，脱离出来的水蒸气随氢气一起，从A缸排气阀排出。
如图3所示，膜分离子系统包括第一水封410、第二水封420、抽氢风机430、缓冲罐440以及膜分离器450。汽水分离器的排水口与第一水封连接，进气排气阀组的排气口（即A缸排气阀的第二端和B缸排气阀的第二端）与第二水封连接，第一水封和第二水封的排气口通过管路与抽氢风机连接，抽氢风机、缓冲罐、膜分离器通过管路依次连通，膜分离器的排气口与汽水分离器的氢气入口连接。
在汽水分离器进行排水时，由于汽水分离器内存在氢气，其在排水过程中也会将部分氢气带出来，这部分氢气若不加以回收，那汽水分离器每次在排水过程中都会损失一部分氢气，为此，在这里设置第一水封，以设置水封，作为收集汽水分离器排水是带出的氢气；同时，在进气排气阀组的排气口设置第二水封，以收集自PSA变压吸附子系统排出的含氢废气（吹洗A缸/B缸所产生的废气），同时，在整个系统内有堵塞、阀门失效导致管道内气压过高，第二水封也可以作为排出管内过量气体的通道，以保护整个管路系统。
第一水封和第二水封内的氢气经过水封水洗后，由抽氢风机将水封内的氢气抽出并送入缓冲罐内，与缓冲罐内对含氢氢气加压，使得含氢废气以高压形式被送入膜分离器，膜分离器内设置有多层氢气分离膜，以脱处含氢废气中的水蒸气，再将经过膜分离过滤的氢气送入汽水分离器，与电解槽产出的氢气一起进行低温干燥和变压吸附提纯，从而得到高纯度的氢气。
根据上述实施例提供的带干燥、提纯功能的小型制氢系统，其采用低温分离技术、变压吸附技术以及膜分离技术相结合，在对电解槽输出的氢气进行提纯的过程中，先利用汽水分离器中的冷凝器对氢气进行低温冷却，以使得氢气中的大部分高温水蒸气以及冷凝液化从氢气中进行第一次脱离，而后，将处理过的氢气通入A\B缸进行变压吸附提纯，吸收氢气中残留的少部分水蒸气，对氢气进行高效提纯，以产出符合要求的高纯度氢气；并且，在对A\B缸进行解吸过程中，将采用膜分离子系统来回收废气，利用水封来清洗废气，除去废气中的水分，再利用抽氢风机将废气抽出至缓冲罐体内，使得氢气以高压形式进入膜分离器，在膜分离器作用下将废气中的水汽进一步分离出去，形成清洁氢气，再将氢气回收至汽水分离器与电解槽产出的氢气一起再次采取低温分离和变压吸附分离的过程，形成废气循环利用，从而减少废气产生，提高系统的单位产量。
并且，在缓冲罐与膜分离器的连通管路上设置有第三精度调节阀，并在第三精度调节阀的两端分别设置有第三压力传感器和第四压力传感器。由此，以通过第三压力传感器和第四压力传感器测量缓冲罐的出氢压力和膜风离器的进氢压力，从而调节第三精度阀的开度，以控制膜分离器内的压力平衡。
并且，在膜分离器内设置有第五压力传感器，以检测膜分离器内的压力是否处于正常范围，确保膜分离器能够正常工作。
如图3所示，通过管路将第一水封、第二水封以及膜分离器的排水口与纯水箱连接。电解槽电解的过程中，部分水渗透SPE膜随氢气一起出来，如果不对这部分水进行循环利用，电解消耗掉的水将是巨大的。汽水分离器在排水过程中，会将汽水分离器内的氢气带出，这部分氢气若进入纯水箱，则会与纯水箱内的氧气混合，引起爆炸风险，而将汽水分离器内的水通入第一水封后，可通过第一水封进行缓冲，汽水分离器能够在第一水封中析出并被回收掉，而汽水分离器中的水也能够被再次循环到纯水箱中，以减少纯水消耗。同时，对于与氢气变压吸附提纯过程中的分离出的纯水，利用第二水封进行回收以回流到纯水箱中，这样在干燥提纯过程中消耗掉的水能够循环回收至纯水箱中进行二次利用。
并且，在第一水封的排水管上设置三通阀，通过管路将该三通阀的一端与纯水向直接连通，由于第一水封内手机的纯水能够不经系统回路直接回流补充到纯水箱中。
如图4所示，较佳地，在第五管路上设置有热管换热器340和第二精度调节阀，热管换热器位于第一精度调节阀和第二精度调节阀之间。如此，在A缸工作时，A缸进气阀、B缸排气阀以及第一精度调节阀、第二精度调节阀打开，并通过第一精度调节阀第五管路内氢气的流量，使得大部分干燥氢气从第三管路流向氢气输出管路，少量干燥氢气进入第五管路，依次通过第一精度调节阀、热管换热器以及第二精度调节阀后反向吹扫B缸，在干燥氢气经过热管换热器被加热，对B缸内吸附剂进行吹扫同时，由于氢气经过热管换热器加热，因此，形成具有一定温度的热氢气来加热B缸内的吸附剂，达到吹扫和加热双重干燥效果，提升对B缸内吸附剂的再生效率。
加热后吸附剂的再生效率和干燥效果都能够得到一定提升，并减少对氢气的需求。同时，还可通过控制第一精度调节阀和第二精度调节阀来控制热管换热器的进出气比例，使得热管换热器内的氢气膨胀升压，输出高压且具有一定温度的气体给到再生缸，进一步提升对再生缸的再生速度。
并且，在热管换热器的两端还分别设置第一温度传感器和第二温度传感器，以测定热管换热器加热后输出的氢气温度。由于氢气的加热源来自于电解槽输出的氢水混合气体，其温度并未恒定的，因此，热管换热器对干燥氢气的加热效果时的动态变化的，通过设置温度传感器，方便监测换热后干燥氢气的温度，从而根据这个温度来调节干燥氢气对B缸的吹扫时间。
并且，在第三管路和第四管路上还分别设置有第一压力传感器和第二压力传感器。热管换热器的两个冷风口于第三管路和第四管路连接，因此第一压力传感器和第二压力传感器能够监测到经过热管换热器加热后的氢气膨胀后的压力，以避免系统过压。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种带干燥、提纯功能的小型制氢系统，用于纯水电解制备高纯度氢气，其特征在于，包括电解槽、汽水分离器、PSA变压吸附子系统以及膜分离子系统；所述电解槽的氢气出口以及膜分离子系统的氢气回收口通过管路与汽水分离器连接，所述汽水分离器的氢气出口与PSA变压吸附子系统的氢气入口连接，所述PSA变压吸附子系统的排气口通过管路与所述膜分离子系统连接；
其中，所述PSA变压吸附子系统包括内部填充有用于吸附水蒸气的吸附剂的A缸和B缸，以及进气排气阀组，所述A缸和B缸的进气端分别通过第一管路和第二管路与进气排气阀组连接；
所述膜分离子系统包括第一水封、第二水封、抽氢风机、缓冲罐以及膜分离器，所述汽水分离器的排水口与所述第一水封连接，所述进气排气阀组的排气口与所述第二水封连接，所述第一水封和第二水封的排气口通过管路与所述抽氢风机连接，所述抽氢风机、缓冲罐、膜分离器通过管路依次连通，所述膜分离器的排气口与所述汽水分离器的氢气入口连接。
2.根据权利要求1所述的带干燥、提纯功能的小型制氢系统，其特征在于，所述A缸和B缸的进气端分别设置有第一管路和第二管路，所述第一管路和第二管路分别设置第一T型过滤器和第二T型过滤器；
所述A缸和B缸的出气端分别通过第三管路和第四管路，所述第三管路和第四管路分别设置第三T型过滤器和第四T型过滤器。
3.根据权利要求2所述的带干燥、提纯功能的小型制氢系统，其特征在于，所述第三管路和第四管路之间设置有第五管路，所述第五管路上设置有第一精度调节阀、热管换热器、第二精度调节阀，所述热管换热器的冷风口连接在第五管路上，所述热管换热器的热风口通过管路与电解槽的出氢管路连接。
4.根据权利要求3所述的带干燥、提纯功能的小型制氢系统，其特征在于，所述热管换热器的两端分别设置第一温度传感器和第二温度传感器。
5.根据权利要求3所述的带干燥、提纯功能的小型制氢系统，其特征在于，所述第三管路和第四管路上分别设置有第一压力传感器和第二压力传感器。
6.根据权利要求1所述的带干燥、提纯功能的小型制氢系统，所述缓冲罐与膜分离器的连通管路上设置有第三精度调节阀。
7.根据权利要求6所述的带干燥、提纯功能的小型制氢系统，所述第三精度调节阀的两端分别设置有第三压力传感器和第四压力传感器。
8.根据权利要求7所述的带干燥、提纯功能的小型制氢系统，所述膜分离器内设置有第五压力传感器。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的带干燥、提纯功能的小型制氢系统，其特征在于，还包括纯水箱，所述纯水箱与所述电解槽连接，用于向电解槽供水；所述第一水封、第二水封以及膜分离器的排水口与纯水箱连接，用于将氢气带出的水回收到纯水箱内。
10.根据权利要求9所述的带干燥、提纯功能的小型制氢系统，其特征在于，所述第一水封与所述纯水箱之间设置有直连管路。
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