CN116905007A - 一种碱性电解水制氢系统及电解水制氢方法 - Google Patents
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Abstract
一种碱性电解水制氢系统及电解水制氢方法，属于电解水制氢技术领域，克服现有技术中的电解液需要频繁更换的缺陷。本发明碱性电解水制氢系统包括电解槽、氧气侧气液分离装置、氢气侧气液分离装置、离子净化装置和固体杂质过滤器；所述氧气侧气液分离装置的电解液出口或所述氢气侧气液分离装置的电解液出口与所述离子净化装置连接，所述离子净化装置一侧设置有旁通管道；当电解水制氢时，电解液进入旁通管道；当对电解液进行净化时，电解液进入离子净化装置。本发明无需对电解液进行完全更换，降低了生产成本，且不对环境和人带来危害，降低电解槽冷停动次数，保证电解槽长寿命运行。
Description
技术领域
本发明属于电解水制氢技术领域，具体涉及一种碱性电解水制氢系统及电解水制氢方法。
背景技术
水电解制氢系统的工作原理是浸没在电解液中的一对电极中间隔以防止气体渗透的隔膜而构成的水电解池，当通以一定的直流电时，水就发生分解，阴极析出氢气，阳极析出氧气。其总反应式如下：2H2O→2H2↑+O2↑。
水电解反应原料水一直消耗，电解液中杂质离子不断堆积，同时碱性电解制氢设备运行过程会发生腐蚀产生杂质离子和不溶性小颗粒，电解液中杂质离子浓度越高电解反应效率越低，同时也会影响电解制氢设备零部件的使用寿命，因此电解制氢设备运行一段时间后杂质浓度超过一定范围制氢设备需停车更换电解液，来保证电解槽高效率长寿命运行。
大规模电解水制氢工程更换电解液对运营负担较大。且为了增加电解性能，降低电解水能耗，会在电解液中添加五氧化二矾或重铬酸钾等添加剂，五氧化二矾等和重铬酸钾均为有毒物质，若更换电解液对环境和人危害大，同时碱性电解液中含有30％KOH，后期废液处理难度大。同时电解槽频繁更换电解液会降低电解槽零部件材料寿命。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的电解液中杂质离子不断堆积，电解液需要频繁更换导致浪费时间长且降低电解槽零部件材料寿命，更换下来的电解液废液后期处理难度大的缺陷，从而提供一种碱性电解水制氢系统及电解水制氢方法。
为此，本发明提供了以下技术方案。
一种碱性电解水制氢系统，包括电解槽、氧气侧气液分离装置、氢气侧气液分离装置、离子净化装置和固体杂质过滤器；
所述电解槽的阳极室与氧气侧气液分离装置连接，所述电解槽的阴极室与氢气侧气液分离装置连接；
所述氧气侧气液分离装置的电解液出口或所述氢气侧气液分离装置的电解液出口与所述离子净化装置连接，所述离子净化装置一侧设置有旁通管道；
当电解水制氢时，电解液进入旁通管道；当对电解液进行净化时，电解液进入离子净化装置；
所述氧气侧气液分离装置和氢气侧气液分离装置分离出的电解液经固体杂质过滤器后返回电解槽。
进一步的，所述离子净化装置包括依次设置的阳离子净化器和阴离子净化器，所述阳离子净化器中设置有阳离子交换树脂，所述阴离子净化器中设置有阴离子交换树脂。
进一步的，所述阳离子净化器包括依次设置的水杨酸型螯合树脂和亚氨基二乙酸型螯合树脂；
优选地，水杨酸型螯合树脂的填充量是亚氨基二乙酸型螯合树脂质量的1.1～1.5倍。
进一步的，所述阴离子净化器包括依次设置的活性炭、A-23和D296型强碱性阴离子交换树脂；
优选地，A-23与D296型强碱性阴离子交换树脂的质量比为1：(1.1～1.3)。
进一步的，还包括电控组件，所述离子净化装置入口处设置有三通阀和离子浓度监测仪，制氢一段时间后，所述电控组件调控三通阀使电解液流入离子净化装置，当离子浓度监测仪监测到的杂质离子浓度达到目标值后调控三通阀使电解液进入旁通管道。
进一步的，所述离子净化装置还包括设置在阳离子净化器入口处的第一压力传感器和第一阀门，设置在阳离子净化器出口处的第二压力传感器和第二阀门，设置在阴离子净化器出口处的第三压力传感器和第三阀门；
所述离子净化装置还包括交换树脂再生装置，所述交换树脂再生装置内设置有再生液；
当第二压力传感器和第一压力传感器的压差达到临界值时，电控组件控制第一阀门和第二阀门关闭，交换树脂再生装置对阳离子净化器进行清洗；
当第三压力传感器和第二压力传感器的压差达到临界值时，电控组件控制第二阀门和第三阀门关闭，交换树脂再生装置对阴离子净化器进行清洗。
进一步的，所述离子净化装置还包括入口缓冲罐、出口缓冲罐、第一流量控制阀和第二流量控制阀，所述入口缓冲罐上设置有第一液位传感器，所述出口缓冲罐上设置有第二液位传感器；
电控组件根据第一液位传感器和第二液位传感器监测到的液位对第一流量控制阀和第二流量控制阀的流量进行调节。
进一步的，还包括热交换器，所述热交换器用于调控返回电解槽前的电解液的温度。
进一步的，所述阳离子净化器设置有第一再生液出水管，第一再生液出水管上设置有第一排污阀；
所述阴离子净化器设置有第二再生液出水管，第二再生液出水管上设置有第二排污阀；
交换树脂再生装置启动后电控组件控制第一排污阀和/或第二排污阀开启；
交换树脂再生装置关闭后电控组件控制第一排污阀和第二排污阀关闭。
一种采用上述碱性电解水制氢系统的电解水制氢方法，包括：
S1、电解水制氢20～40天后，停止通入电流，停止电解反应；
S2、将电解液降温至50～70℃后通入离子净化装置，去除杂质离子；
S3、实时监测电解液中杂质离子的浓度，当电解液中SO4 2-＜5mg/L，Fe3+＜0.1mg/L，Cl-＜10mg/L，Ca2+＜40mg/L，Mg2+＜1mg/L，Ni2+＜5mg/L后，关闭离子净化装置，电解槽通入电流，继续进行电解反应。
进一步的，离子净化装置可拆卸设置，且可移动在多台电解水制氢系统使用。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的碱性电解水制氢系统，包括电解槽、氧气侧气液分离装置、氢气侧气液分离装置、离子净化装置和固体杂质过滤器；所述电解槽的阳极室与氧气侧气液分离装置连接，所述电解槽的阴极室与氢气侧气液分离装置连接；所述氧气侧气液分离装置的电解液出口或所述氢气侧气液分离装置的电解液出口与所述离子净化装置连接；所述氧气侧气液分离装置和氢气侧气液分离装置分离出的电解液经固体杂质过滤器后返回电解槽。
本发明可将电解液中过量的杂质离子以及固体小颗粒截留下来，从而保持电解液在一个持久高效的运行状态下工作，并可降低电解系统的能耗。
本发明设置离子净化装置，对电解液中杂质离子进行清除过滤，降低杂质对电解反应产生影响，提高电解槽性能，降低电解水制氢成本，增加电解制氢设备寿命。
无需对电解液进行完全更换，直接在线对电解液中杂质进行清除，提高电解水的电解效率，降低了生产成本，提高生产效率，且不对环境和人带来危害，能够产生很好的经济效益和社会效益。
碱性电解水制氢系统降低电解槽冷停动次数，增加电解槽零部件寿命，保证电解槽长寿命运行。
2.本发明提供的碱性电解水制氢系统的离子净化装置包括依次设置的阳离子净化器和阴离子净化器，所述阳离子净化器中设置有阳离子交换树脂，所述阴离子净化器中设置有阴离子交换树脂。对电解液进行净化时，电解液先进入阳离子净化器，再进入阴离子净化器，可增大阳离子交换树脂的寿命，提高设备的寿命。
3.阳离子净化器包括依次设置的水杨酸型螯合树脂和亚氨基二乙酸型螯合树脂，优选地，水杨酸型螯合树脂的填充量是亚氨基二乙酸型螯合树脂质量的1.1～1.5倍。可选择性吸附Fe3+，Ca2+，Mg2+，Ni2+杂质离子，不会吸附K+，对原电解液反应离子浓度没有影响。
4.所述阴离子净化器包括依次设置的活性炭、A-23和D296型强碱性阴离子交换树脂；优选地，/>A-23与D296型强碱性阴离子交换树脂的质量比为1：(1.1～1.3)。选择性吸附Cl-、SO4 2-，不会吸附OH-，对原电解液反应离子浓度没有影响。
5.本发明提供的碱性电解水制氢系统的离子净化装置还包括电控组件，所述离子净化装置入口处设置有三通阀和离子浓度监测仪，制氢一段时间后，所述电控组件调控三通阀使电解液流入离子净化装置，当离子浓度监测仪监测到的杂质离子浓度达到目标值后调控三通阀使电解液进入旁通管道。本发明可实现对电解液的自动化离子净化。
6.本发明提供的碱性电解水制氢系统的离子净化装置还包括设置在阳离子净化器入口处的第一压力传感器和第一阀门，设置在阳离子净化器出口处的第二压力传感器和第二阀门，设置在阴离子净化器出口处的第三压力传感器和第三阀门；所述离子净化装置还包括交换树脂再生装置，所述交换树脂再生装置内设置有再生液；当第二压力传感器和第一压力传感器的压差达到临界值时，电控组件控制第一阀门和第二阀门关闭，交换树脂再生装置对阳离子净化器进行清洗；当第三压力传感器和第二压力传感器的压差达到临界值时，电控组件控制第二阀门和第三阀门关闭，交换树脂再生装置对阴离子净化器进行清洗。
本发明可实现离子净化装置的自动启停和清洗，独立于电解水制氢系统，自动监控。
7.本发明提供的电解水制氢方法，将电解液降温至50～70℃后通入离子净化装置，去除杂质离子。无需将电解液降至室温再进行净化或更换，可降低电解槽冷停动时热胀冷缩对电解槽零部件寿命的影响，保证电解槽长寿命运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是实施例1碱性电解水制氢系统结构示意图；
图2是实施例1离子净化装置结构示意图；
图3是实施例1碱性电解水制氢系统电气控制图。
附图标记：
1-电解槽，2-氧气侧气液分离装置，3-氢气侧气液分离装置，4-离子净化装置，41-入口缓冲罐，42-阳离子净化器，43-阴离子净化器，44-出口缓冲罐，45-交换树脂再生装置，46-电控组件，47-第一压力传感器，48-第二压力传感器，49-第三压力传感器，410-第一排污阀，411-第二排污阀，412-第一流量控制阀，413-第二流量控制阀，414-第一液位传感器，415-第二液位传感器，416-离子浓度监测仪，5-热交换器，6-循环泵，7-三通阀，8-固体杂质过滤器。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
一种碱性电解水制氢系统，如图1所示，包括电解槽1、氧气侧气液分离装置2、氢气侧气液分离装置3、离子净化装置4和固体杂质过滤器8；所述电解槽1的阳极室与氧气侧气液分离装置2连接，所述电解槽1的阴极室与氢气侧气液分离装置3连接；所述氧气侧气液分离装置2的电解液出口或所述氢气侧气液分离装置3的电解液出口与所述离子净化装置4连接，所述离子净化装置4一侧设置有旁通管道；当电解水制氢时，电解液进入旁通管道；当对电解液进行净化时，电解液进入离子净化装置4；所述氧气侧气液分离装置2和氢气侧气液分离装置3分离出的电解液经固体杂质过滤器8后返回电解槽1。
如图2所示，离子净化装置4包括依次设置的阳离子净化器42和阴离子净化器43；阳离子净化器42中依次设置有水杨酸型螯合树脂(ASA-CPS)和亚氨基二乙酸型螯合树脂(D851)，水杨酸型螯合树脂的填充量是亚氨基二乙酸型螯合树脂质量的1.1～1.5倍，本实施例中为1.3倍。
阴离子净化器43依次设置的活性炭、A-23和D296型强碱性阴离子交换树脂；其中/>A-23与D296型强碱性阴离子交换树脂质量比为1：(1.1～1.3)，本实施例中为1：1.2。
如图2、图3所示，离子净化装置4还包括电控组件46，所述离子净化装置4入口处设置有三通阀7和离子浓度监测仪416，制氢一段时间后，所述电控组件46调控三通阀7使电解液流入离子净化装置4，当离子浓度监测仪416监测到的杂质离子浓度达到目标值后调控三通阀7使电解液进入旁通管道。
离子净化装置4还包括设置在阳离子净化器入口处的第一压力传感器47和第一阀门，设置在阳离子净化器出口处的第二压力传感器48和第二阀门，设置在阴离子净化器出口处的第三压力传感器49和第三阀门；所述离子净化装置4还包括交换树脂再生装置45，所述交换树脂再生装置45内设置有再生液；当第二压力传感器48和第一压力传感器47的压差达到临界值时，电控组件46控制第一阀门和第二阀门关闭，交换树脂再生装置45对阳离子净化器42进行清洗；当第三压力传感器49和第二压力传感器48的压差达到临界值时，电控组件46控制第二阀门和第三阀门关闭，交换树脂再生装置45对阴离子净化器43进行清洗。第二压力传感器48和第一压力传感器47的压差临界值为0.15Mpa，第三压力传感器49和第二压力传感器48的压差临界值为0.15Mpa。交换树脂再生装置45对阴离子净化器43或阳离子净化器42清洗2h后，电控组件46控制交换树脂再生装置45停止清洗并复位至过滤状态(即第一阀门、第二阀门和第三阀门打开的状态)。
交换树脂再生装置45中设置有再生液，具体的，再生液分为阳离子交换树脂再生液和阴离子交换树脂再生液，示例性的，本实施例中，阳离子交换树脂再生液为盐酸溶液和KOH溶液，阴离子交换树脂再生液为KOH溶液。阳离子净化器42设置有第一再生液出水管，第一再生液出水管上设置有第一排污阀410；阴离子净化器43设置有第二再生液出水管，第二再生液出水管上设置有第二排污阀411；交换树脂再生装置45启动后电控组件46控制第一排污阀410和/或第二排污阀411开启；交换树脂再生装置45关闭后电控组件46控制第一排污阀410和第二排污阀411关闭。
离子净化装置4还包括入口缓冲罐41、出口缓冲罐44、第一流量控制阀412和第二流量控制阀413，入口缓冲罐上设置有第一液位传感器414，出口缓冲罐上设置有第二液位传感器415；电控组件46根据第一液位传感器414和第二液位传感器415监测到的液位对第一流量控制阀412和第二流量控制阀413的流量进行调节。本实施例中离子浓度监测仪416设置在入口缓冲罐上。
碱性电解水制氢系统还包括热交换器5，热交换器5用于调控返回电解槽1前的电解液的温度。碱性电解水制氢系统还包括循环泵6。
从电解槽1出来的氢气和电解液混合物一起导入氢气侧气液分离装置3，在重力作用下进行气液分离，氢气侧气液分离装置3上部的氢气经处理后收集，在氢气侧气液分离装置3下部的电解液由循环泵6抽出，经固体杂质过滤器8(滤出电解液中的机械杂质)、热交换器5(将H2O分解产生的热量由冷却水带出，保证电解槽1恒定的工作温度)又回到电解槽1，完成氢气侧电解液的循环，保证连续运行。氧气处理过程与上述过程基本相同。
实施例2
本实施例提供了一种电解水制氢方法，采用实施例1中的碱性电解水制氢系统，本实施例中电解液有效成分是30wt％KOH和5wt％V2O5，包括以下步骤：
步骤1、电解槽1通电运行，电解水制氢1个月后，停止通入电流，停止电解反应；关闭氢气和氧气排放口，循环泵6和热交换器5正常运行。
步骤2、电解液经过冷却由90℃降温至60℃后，关闭热交换器5，转动三通阀7，电解液进入到离子净化装置4，电解液去除电解液杂质离子，再通入固体杂质过滤器8滤去固体杂质离子。
步骤3、当电解液中SO4 2-＜5mg/L，Fe3+＜0.1mg/L，Cl-＜10mg/L，Ca2+＜40mg/L，Mg2+＜1mg/L，Ni2+＜5mg/L后，关闭离子净化装置4，电解槽1通入电流，继续进行电解反应。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种碱性电解水制氢系统，其特征在于，包括电解槽、氧气侧气液分离装置、氢气侧气液分离装置、离子净化装置和固体杂质过滤器；
所述电解槽的阳极室与氧气侧气液分离装置连接，所述电解槽的阴极室与氢气侧气液分离装置连接；
所述氧气侧气液分离装置的电解液出口或所述氢气侧气液分离装置的电解液出口与所述离子净化装置连接，所述离子净化装置一侧设置有旁通管道；
当电解水制氢时，电解液进入旁通管道；当对电解液进行净化时，电解液进入离子净化装置；
所述氧气侧气液分离装置和氢气侧气液分离装置分离出的电解液经固体杂质过滤器后返回电解槽。
2.根据权利要求1所述的碱性电解水制氢系统，其特征在于，所述离子净化装置包括依次设置的阳离子净化器和阴离子净化器，所述阳离子净化器中设置有阳离子交换树脂，所述阴离子净化器中设置有阴离子交换树脂。
3.根据权利要求2所述的碱性电解水制氢系统，其特征在于，所述阳离子净化器包括依次设置的水杨酸型螯合树脂和亚氨基二乙酸型螯合树脂；
优选地，水杨酸型螯合树脂的填充量是亚氨基二乙酸型螯合树脂质量的1.1～1.5倍。
4.根据权利要求2所述的碱性电解水制氢系统，其特征在于，所述阴离子净化器包括依次设置的活性炭、TulsimerA-23和D296型强碱性阴离子交换树脂；
优选地，A-23与D296型强碱性阴离子交换树脂的质量比为1：(1.1～1.3)。
5.根据权利要求2-4任一项所述的碱性电解水制氢系统，其特征在于，还包括电控组件，所述离子净化装置入口处设置有三通阀和离子浓度监测仪，制氢一段时间后，所述电控组件调控三通阀使电解液流入离子净化装置，当离子浓度监测仪监测到的杂质离子浓度达到目标值后调控三通阀使电解液进入旁通管道。
6.据权利要求5所述的碱性电解水制氢系统，其特征在于，所述离子净化装置还包括设置在阳离子净化器入口处的第一压力传感器和第一阀门，设置在阳离子净化器出口处的第二压力传感器和第二阀门，设置在阴离子净化器出口处的第三压力传感器和第三阀门；
所述离子净化装置还包括交换树脂再生装置，所述交换树脂再生装置内设置有再生液；
当第二压力传感器和第一压力传感器的压差达到临界值时，电控组件控制第一阀门和第二阀门关闭，交换树脂再生装置对阳离子净化器进行清洗；
当第三压力传感器和第二压力传感器的压差达到临界值时，电控组件控制第二阀门和第三阀门关闭，交换树脂再生装置对阴离子净化器进行清洗。
7.根据权利要求6所述的碱性电解水制氢系统，其特征在于，所述阳离子净化器设置有第一再生液出水管，第一再生液出水管上设置有第一排污阀；
所述阴离子净化器设置有第二再生液出水管，第二再生液出水管上设置有第二排污阀；
交换树脂再生装置启动后电控组件控制第一排污阀和/或第二排污阀开启；
交换树脂再生装置关闭后电控组件控制第一排污阀和第二排污阀关闭。
8.据权利要求5所述的碱性电解水制氢系统，其特征在于，所述离子净化装置还包括入口缓冲罐、出口缓冲罐、第一流量控制阀和第二流量控制阀，所述入口缓冲罐上设置有第一液位传感器，所述出口缓冲罐上设置有第二液位传感器；
电控组件根据第一液位传感器和第二液位传感器监测到的液位对第一流量控制阀和第二流量控制阀的流量进行调节。
9.根据权利要求1-4任一项所述的碱性电解水制氢系统，其特征在于，还包括热交换器，所述热交换器用于调控返回电解槽前的电解液的温度。
10.一种采用权利要求1-9任一项所述的碱性电解水制氢系统的电解水制氢方法，其特征在于，包括：
S1、电解水制氢20～40天后，停止通入电流，停止电解反应；
S2、将电解液降温至50～70℃后通入离子净化装置，去除杂质离子；
S3、实时监测电解液中杂质离子的浓度，当电解液中SO4 2-＜5mg/L，Fe3+＜0.1mg/L，Cl-＜10mg/L，Ca2+＜40mg/L，Mg2+＜1mg/L，Ni2+＜5mg/L后，关闭离子净化装置，电解槽通入电流，继续进行电解反应。
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| CN202310885483.7A CN116905007A (zh) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | 一种碱性电解水制氢系统及电解水制氢方法 |
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- 2023-07-17 CN CN202310885483.7A patent/CN116905007A/zh active Pending
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