CN116970968A - 电解制氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及氢能源制备技术领域，公开了一种电解制氢系统，包括电解制氢装置，包括N个电解槽和气液分离器，所述气液分离器包括氢侧气液分离器和氧侧气液分离器；其中，所述氧侧气液分离器与所述氢侧气液分离器相互独立，且两者的液相出口与每个所述电解槽相连通，以将所述气液分离器分离出的电解液返回电解槽中。本发明具有可长时间安全、稳定运行的优势。

Description

电解制氢系统

技术领域

本发明涉及氢能源制备技术领域，具体地涉及一种电解制氢系统。

背景技术

氢能作为良好的能源载体，不仅是重要的工业原料，同时具有能源储存时间跨度长、运输距离远、消纳利用渠道多等特点，而目前氢气产能主要依赖化石能源，在能源转型过程中，以氢作为储能载体的电解制氢技术可望促进大规模可再生能源的整合与消纳，是未来储能产业的重要发展方向。

电解制氢技术主要有碱性电解水、质子交换膜电解水和固体氧化物电解水技术。其中，碱水电解槽制氢是一种比较成熟的技术手段，电解槽的阴极和阳极分别产生的氢气和氧气，夹带大量碱液进入气液分离系统，将气体中夹带的碱液分离，分离后的碱液通过碱循环泵升压后送回电解槽，分离后的氢气送至后续的氢气纯化系统。在现有技术中，多个电解槽并联制氢时，要么为每个电解槽单独配一套气液分离系统（一对一模式），要么将多个电解槽接入同一套气液分离系统（多对一模式）。一对一模式虽然控制简单，但存在设备多、投资高等问题。多对一模式设备少、投资低，但控制复杂，涉及多个电解槽间的安全稳定、压力平衡、物料平衡、热量管理等问题。随着电解水制氢规模的越来越大，气液分离系统的多对一模式是未来的发展趋势。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的当氢侧气液分离器与氧侧气液分离器液位低或者压力不平衡时，容易出现氢气与氧气的窜气，导致安全事故问题，提供一种电解制氢系统，具有可长时间安全、稳定运行的优势，本发明的电解水制氢系统还能够实现氧侧和氢侧电解液各自独立循环，以降低氢中氧含量和氧中氢含量，进一步地确保安全生产，提高产品纯度。

为了实现上述目的，本发明提供一种电解制氢系统，所述电解制氢系统包括：

电解制氢装置，包括N个电解槽，N为≥1的整数，每个所述电解槽包括：

隔膜；

阳极室，所述阳极室的极板上开设有供氧气与电解液混合物流出的氧侧出口；

阴极室，所述阴极室的极板上开设有供氢气与电解液混合物流出的氢侧出口；

气液分离器，所述气液分离器包括：

与所述氢侧出口相连通的氢侧气液分离器；和

与所述氧侧出口相连通的氧侧气液分离器；

其中，所述氧侧气液分离器与所述氢侧气液分离器相互独立，且两者的液相出口与每个所述电解槽相连通，以将所述气液分离器分离出的电解液返回电解槽中。

在本发明的一些实施例中，氧侧气液分离器的液相出口通过安装有氧侧循环泵的氧侧液相出口管线连通主管；

氢侧气液分离器的液相出口通过安装有氢侧循环泵的氢侧液相出口管线连通主管；

所述主管分流出N个电解槽支管，一个所述电解槽支管对应地连通有一个电解槽的电解液入口；

其中，氧侧气液分离器和氢侧气液分离器分离出的电解液在所述主管混合后经过所述电解槽支管返回各个所述电解槽。

在本发明的一些实施例中，所述阳极室和阴极室相互独立；

所述电解制氢装置包括各自独立设置的粗氢气通道、粗氧气通道、氢侧电解液通道和氧侧电解液通道；

所述阳极室的极板上开设有供电解液进料的氧侧电解液入口；

所述阴极室的极板上开设有供电解液进料的氢侧电解液入口；

每个所述氧侧出口与所述粗氧气通道相连通，每个所述氢侧出口与所述粗氢气通道相连通，每个所述氧侧电解液入口与所述氧侧电解液通道相连通，每个所述氢侧电解液入口与所述氢侧电解液通道相连通。

在本发明的另一些实施例中，氧侧气液分离器的液相出口通过安装有氧侧循环泵的氧侧液相出口管线连通所述氧侧电解液通道，以实现氧侧电解液的独立循环；

氢侧气液分离器的液相出口通过安装有氢侧循环泵的氢侧液相出口管线连通所述氢侧电解液通道，以实现氢侧电解液的独立循环。

在本发明的一些实施例中，所述气液分离器设置有电解液回流管。

在本发明的一些实施例中，所述电解制氢系统还包括后处理装置，所述后处理装置连通所述气液分离器的气相出口，用于将分离后的气相进行后处理，所述后处理装置包括洗涤部。

在本发明的一些实施例中，所述洗涤部中装填有填料层，所述洗涤部中位于所述填料层的上方安装有洗涤液进料管线，所述洗涤部位于填料层的下方设置有连通气液分离器的气相出口的气相进料管。

在本发明的一些实施例中，后处理装置包括沿物料流向设置的洗涤部、冷却部和除沫部。

在本发明的一些实施例中，所述后处理装置设置为后处理塔，所述后处理塔由下至上包括洗涤部、冷却部和除沫部。

在本发明的一些实施例中，处理塔设置有塔釜，该塔釜位于填料层的下方，气相进料管的管口插入到液面以下，来自气液分离器的气体鼓泡洗涤后进入填料层。

通过上述技术方案，本发明的单套气液分离系统可以同时处理多组电解槽产出的氢气和氧气，将氧侧气液分离器与氢侧气液分离器设置为相互独立不连通，氢侧和氧侧液分离出的电解液升压后可合并成一根总管返回电解槽，这样在综合提升气液分离系统处理能力，减少多组电解槽制氢的配套气液分离设备数量和占地的同时，从根本上了避免事故状态下（液位异常、压力异常）氢气分离器与氧气分离器窜气导致的安全问题。

本发明的电解水制氢系统还能够实现氧侧和氢侧电解液各自独立循环，以降低氢中氧含量和氧中氢含量，进一步地确保安全生产，提高产品纯度。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的电解制氢系统的示意图；

图2是本发明的电解制氢装置的结构示意图。

图3是本发明另一种实施方式的电解制氢系统的示意图。

附图标记说明

i阳极室；ii阴极室；L3氢侧电解液通道；L4氧侧电解液通道；L5粗氢气通道；L6粗氧气通道；1氢侧气液分离器；2洗涤部；3冷却部；4除沫部；5氧侧气液分离器；9氢侧换热器I；10氢侧循环泵；11氢侧换热器II；12氧侧换热器I；13氧侧循环泵；14氧侧换热器II；103气相进料管；104溢流管；107电解液回流管；108电解液循回管；113氧侧液相出口管线；112氢侧液相出口管线；120主管；120A电解槽支管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。

现有技术中，如202010561975.7中公开，氢侧气液分离器1与氧侧气液分离器5两个容器的液位是直接连通的，且气体中夹带的电解液从分离器底部直接汇合后用循环泵送回电解槽。当氢侧气液分离器1与氧侧气液分离器5液位低或者压力不平衡时，容易出现氢气与氧气的窜气，导致安全事故。

为解决上述问题，本发明提供一种电解制氢系统，包括：

电解制氢装置，包括N个电解槽，N为≥1的整数，每个电解槽包括：

隔膜；

阳极室i，阳极室i的极板上开设有供氧气与电解液混合物流出的氧侧出口；

阴极室ii，阴极室ii的极板上开设有供氢气与电解液混合物流出的氢侧出口；

气液分离器，气液分离器包括：

与氢侧出口相连通的氢侧气液分离器1；和

与氧侧出口相连通的氧侧气液分离器5；

其中，氧侧气液分离器5与氢侧气液分离器1相互独立，且两者的液相出口与每个电解槽相连通，以将气液分离器分离出的电解液返回电解槽中。

如此，N组电解槽出口的氢气与氧气分别并联接入氢侧气液分离器1与氧侧气液分离器5，单套气液分离系统可以同时处理多组电解槽产出的氢气和氧气，氧侧气液分离器5与氢侧气液分离器1相互独立不连通，使得夹带电解液的氢气和氧气经气液分离后，电解液返回各个电解槽，这样综合提升气液分离系统处理能力，减少多组电解槽制氢的配套气液分离设备数量和占地。

在本发明的一些实施方式中，如图1所示，氧侧气液分离器5的液相出口通过安装有氧侧循环泵13的氧侧液相出口管线113连通主管120；

氢侧气液分离器1的液相出口通过安装有氢侧循环泵10的氢侧液相出口管线112连通主管120；

主管120分流出N个电解槽支管120A，一个电解槽支管120A对应地连通有一个电解槽的电解液入口；

其中，氧侧气液分离器5和氢侧气液分离器1分离出的电解液在主管120混合后经过电解槽支管120A返回各个电解槽。

具体地，氧侧气液分离器5的氧侧液相出口管线113上沿物料流向安装有氧侧换热器I12、氧侧循环泵13和氧侧换热器II14，以对电解液进行冷却和升压，将系统产生的热量带走；氢侧气液分离器1的氢侧液相出口管线112上沿物料流向安装有氢侧换热器I9、氢侧循环泵10和氢侧换热器II11，以对电解液进行冷却和升压，将系统产生的热量带走；氧侧液相出口管线和氢侧液相出口管线通过主管120和分流出的N个电解槽支管120A与各个电解槽相连通，以实现将分离出的氢侧电解液和氧侧电解液混合返回电解槽，其中，可以理解的是，电解槽支管120A的数量N与电解槽的数量相同，如此，每个电解槽支管120A对应地连通有一个电解槽，各个电解槽支管上安装有流量计和电解液调节阀，主管120上安装有调节阀和换热器15，以实现电解槽系统的温度控制与制氢系统的热量管理。

本发明适用于多组电解槽并联制氢的多对一模式的气液分离系统，实现了多个电解槽对应一套气液分离系统，降低了设备数量、装置占地与系统投资；进一步地，氢侧气液分离器1与氧侧气液分离器5液位不连通，分别设置循环泵，将氢侧气液分离器1与氧侧气液分离器5的碱液分别升压后合并成一根总管返回电解槽。这样从根本上了避免事故状态下（液位异常、压力异常）氢气分离器与氧气分离器窜气导致的安全问题。

需要说明的是，分离出的电解液通过电解槽支管返回电解槽，该电解槽可以是现有技术中的常规电解槽（电解槽支管连通电解槽的底部入口，电解槽的底部的流道是连通的，电解液通过底部流道分配到各阳极室和阴极室中），也可以是本发明所述的电解槽，如此，每个电解槽支管与本发明所述的电解槽的氢侧电解液通道L3和氧侧电解液通道L4连通。

在本发明的一些实施例中，电解槽的阳极室和阴极室相互独立不连通；具体地，电解制氢装置包括各自独立设置的粗氢气通道L5、粗氧气通道L6、氢侧电解液通道L3和氧侧电解液通道L4；

阳极室i的极板上开设有供电解液进料的氧侧电解液入口；

阴极室ii的极板上开设有供电解液进料的氢侧电解液入口；

每个氧侧出口与粗氧气通道L6相连通，每个氢侧出口与粗氢气通道L5相连通，每个氧侧电解液入口与氧侧电解液通道L4相连通，每个氢侧电解液入口与氢侧电解液通道L3相连通。

为进一步减小电解制氢装置的占地面积，在本发明的一些实施例中，如图2所示，粗氢气通道L5、粗氧气通道L6、氢侧电解液通道L3和氧侧电解液通道L4开设在电解槽的极板的极框中，粗氢气通道L5两端的开口连通氢侧气液分离器1的进料口，粗氧气通道L6两端的开口连通氧侧气液分离器5。

需要说明的是，水电解制氢工艺中电解出的气相与电解液混合物流出经气液分离，分离出的气相进入后续处理工艺，分离出的电解液则通过一根总管混合后返回电解槽。由于氢侧的混合物分离出的电解液中夹带或溶解有微量氢气，而氧侧混合物分离出的电解液中夹带或溶解有微量氧气，因此，将氢氧两侧分离出的电解液混合返回电解槽的方式，导致返回电解槽的电解液中同时含有微量的氢气和氧气。电解液从底部入口返回电解槽，电解槽的底部的流道是连通的，电解液通过底部流道分配到各阳极室和阴极室中。阳极室在电解过程中产生氧气，阴极室在电解过程中产生氢气。返回的电解液中微量的氢气在阳极室与产生的氧气混合，导致氧中氢的含量升高，氧气纯度降低；返回的电解液中微量的氧气与阴极室产生的氢气混合，导致氢中氧的含量升高，氢气纯度降低。当电解液的返回量比较大时，这种情况会尤为严重。氧中氢或氢中氧含量超标，均可能导致严重的爆炸事故。

为确保安全生产和提高氧气和氢气的纯度，在本发明的另一些实施例中，在前述电解电解制氢装置的公开基础上，进一步地，实现氧侧和氢侧电解液的独立循环，具体地，氧侧气液分离器5的液相出口通过安装有氧侧循环泵13的氧侧液相出口管线113连通氧侧电解液通道L4，以实现氧侧电解液的独立循环；氢侧气液分离器1的液相出口通过安装有氢侧循环泵10的氢侧液相出口管线112连通氢侧电解液通道L3，以实现氢侧电解液的独立循环。

如此，氢气分离器的循环碱液夹带或溶解有微量氢气，将其输送至电解槽的阴极室，氧气分离器的循环碱液夹带或溶解有微量氧气，将其输送至电解槽的阳极室。这样可有效避免循环碱液携带的微量气体对电解槽产生的氢气与氧气纯度的影响，提高系统运行安全。

可以理解的是，如图3所示，氧侧液相出口管线113和氢侧液相出口管线112上的各自安装有至少一台换热器，优选氧侧液相出口管线113上沿物料流向安装有氧侧换热器I12、氧侧循环泵13和氧侧换热器II14，以利用冷却水对循环电解液降温，将系统产生的热量带走；氢侧液相出口管线112上沿物料流向安装有氢侧换热器I9、氢侧循环泵10和氢侧换热器II11，以利用冷却水对循环电解液降温，将系统产生的热量带走。

以下为方便描述，不再分别描述氧侧气液分离器5和氢侧气液分离器1及与氧侧气液分离器5和氢侧气液分离器1相连接的后处理装置，可以理解的是，两侧的气液分离器和与其相连接的后处理装置的结构、位置关系、连接关系及能够实现的功能完全相同，不同的是，处理的气相不同，一侧处理氧气与电解液混合物，另一侧处理氢气与电解液混合物。

为将部分电解液回流至气液分离器，实现气液分离器的液位平衡。在本发明的一些实施例中，气液分离器设置有电解液回流管107和/或气液分离装置的电解液出口管上开设连通气液分离罐的电解液循回管108，该电解液循回管上安装有控制阀。

电解制氢技术主要有碱性电解水、质子交换膜电解水和固体氧化物电解水技术，其中，碱水电解槽制氢是以20%～40%KOH溶液为电解质，碱水电解制氢工艺中电解出的气相与电解液混合物流出经气液分离，分离出的气相进入后续处理工艺系统，如果气相中的碱液分离不彻底，碱液进入后续的工艺系统，碱液对管道、设备、仪表、催化剂、吸附剂等均有较强的腐蚀性。这会导致管道、设备腐蚀穿孔、仪表失灵及催化剂、吸附剂中毒或堵塞等问题，严重影响装置运行的稳定性、可靠性和安全性。为进一步地脱除电解液，在本发明的一些实施例中，电解水制氢系统还包括后处理装置，后处理装置连通气液分离器的气相出口，用于将分离后的气相进行后处理，后处理装置包括洗涤部2。

现有技术中，电解制氢中对气液分离后的氢气或氧气水洗方式是将气体管道插入洗涤器的液面以下，氢气或氧气从水中鼓泡通过时，气体中夹带或溶解的少量碱液被洗涤到水中。这种鼓泡式洗涤，由于气体分布不均匀，且洗涤时气液接触面积小、时间短，因此洗涤效果差，氢气和氧气仍会夹带或溶解少量碱液进入后续的纯化系统，为提高水洗效果，在本发明的一些实施例中，洗涤部2中装填有填料层，洗涤部2中位于填料层的上方安装有洗涤液进料管线111，洗涤液进料管线111的洗涤液流出口下方可以设置零至多块各种类型的塔板，洗涤部2位于填料层的下方设置有连通气液分离器的气相出口的气相进料管103。如此，既可以去除其夹带或溶解的微量碱液，又可以对气体进行冷却降温，塔内设有散装填料，可以增大水洗时气液的接触面积，提高水洗效果。可以理解的是，本发明对洗涤部2的填料无特殊要求，包括但不限于拉西环、鲍尔环、θ环，本发明对此不再赘述。

为进一步地脱除气相中的电解液，在本发明的一些实施例中，后处理装置包括沿物料流向设置的洗涤部2、冷却部3和除沫部4，如此，对分离后的气相依次进行洗涤、利用冷却水或冷媒对气体进行降温，使气体中的水汽冷却冷凝，降低出口出气体中的水分含量，在冷却部顶部设置除沫部，减少气体中水的雾沫夹带。

为进一步减小电解制氢系统的占地面积，在本发明的一些实施例中，后处理装置设置为后处理塔，后处理塔由下至上包括洗涤部2、冷却部3和除沫部4，由此，在冷却过程中，气相中的部分饱和水被冷凝成液态水返回洗涤部2。冷却后的气相可以通过例如丝网除沫器脱除可能夹带或溶解的水滴后，进入后续处理工艺。

在本发明的一些实施例中，处理塔设置有塔釜，该塔釜位于填料层的下方，气相进料管103的管口插入到液面以下，气体鼓泡洗涤后进入填料层。塔釜内设置水相的溢流口，该溢流口通过溢流管104连通气液分离器，如此，洗涤水利用位差自流至气液分离器。

本发明中冷却部3安装换热器，包括但不限于列管式换热器、板式换热器或螺旋板换热器，本发明对此特殊要求，不再赘述。

本发明中除沫部4安装除沫器包括但不限于丝网除沫器或波纹板除沫器，本发明对此特殊要求，不再赘述。

本发明中的气液分离器可以是卧式，也可以是立式，本发明对此无特殊要求，不再赘述。

可以理解的是，本发明的管路上根据需要可以增加各种泵、阀、仪表（例如流量计）等，例如可以按照本发明图1或图3所示进行增设，本发明不再进行赘述。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电解制氢系统，其特征在于，所述电解制氢系统包括：

电解制氢装置，包括N个电解槽，N为≥1的整数，每个所述电解槽包括：

隔膜；

阳极室（i），所述阳极室（i）的极板上开设有供氧气与电解液混合物流出的氧侧出口；

阴极室（ii），所述阴极室（ii）的极板上开设有供氢气与电解液混合物流出的氢侧出口；

气液分离器，所述气液分离器包括：

与所述氢侧出口相连通的氢侧气液分离器（1）；和

与所述氧侧出口相连通的氧侧气液分离器（5）；

其中，所述氧侧气液分离器（5）与所述氢侧气液分离器（1）相互独立，且两者的液相出口与每个所述电解槽相连通，以将所述气液分离器分离出的电解液返回电解槽中。

2.根据权利要求1所述的电解制氢系统，其特征在于，氧侧气液分离器（5）的液相出口通过安装有氧侧循环泵（13）的氧侧液相出口管线（113）连通主管（120）；

氢侧气液分离器（1）的液相出口通过安装有氢侧循环泵（10）的氢侧液相出口管线（112）连通主管（120）；

所述主管（120）分流出N个电解槽支管（120A），一个所述电解槽支管（120A）对应地连通有一个电解槽的电解液入口；

其中，氧侧气液分离器（5）和氢侧气液分离器（1）分离出的电解液在所述主管（120）混合后经过所述电解槽支管（120A）返回各个所述电解槽。

3.根据权利要求1所述的电解制氢系统，其特征在于，所述阳极室和阴极室相互独立；

所述电解制氢装置包括各自独立设置的粗氢气通道（L5）、粗氧气通道（L6）、氢侧电解液通道（L3）和氧侧电解液通道（L4）；

所述阳极室（i）的极板上开设有供电解液进料的氧侧电解液入口；

所述阴极室（ii）的极板上开设有供电解液进料的氢侧电解液入口；

每个所述氧侧出口与所述粗氧气通道（L6）相连通，每个所述氢侧出口与所述粗氢气通道（L5）相连通，每个所述氧侧电解液入口与所述氧侧电解液通道（L4）相连通，每个所述氢侧电解液入口与所述氢侧电解液通道（L3）相连通。

4.根据权利要求3所述的电解制氢系统，其特征在于，氧侧气液分离器（5）的液相出口通过安装有氧侧循环泵（13）的氧侧液相出口管线（113）连通所述氧侧电解液通道（L4），以实现氧侧电解液的独立循环；

氢侧气液分离器（1）的液相出口通过安装有氢侧循环泵（10）的氢侧液相出口管线（112）连通所述氢侧电解液通道（L3），以实现氢侧电解液的独立循环。

5.根据权利要求1所述的电解制氢系统，其特征在于，所述气液分离器设置有电解液回流管（107）。

6.根据权利要求1所述的电解制氢系统，其特征在于，所述电解水制氢系统还包括后处理装置，所述后处理装置连通所述气液分离器的气相出口，用于将分离后的气相进行后处理，所述后处理装置包括洗涤部（2）。

7.根据权利要求6所述的电解制氢系统，其特征在于，所述洗涤部（2）中装填有填料层，所述洗涤部（2）中位于所述填料层的上方安装有洗涤液进料管线（111），所述洗涤部（2）位于填料层的下方设置有连通气液分离器的气相出口的气相进料管（103）。

8.根据权利要求6或7所述的电解制氢系统，其特征在于，后处理装置包括沿物料流向设置的洗涤部（2）、冷却部（3）和除沫部（4）。

9.根据权利要求8所述的电解制氢系统，其特征在于，所述后处理装置设置为后处理塔，所述后处理塔由下至上包括洗涤部（2）、冷却部（3）和除沫部（4）。

10.根据权利要求9所述的电解制氢系统，其特征在于，处理塔设置有塔釜，该塔釜位于填料层的下方，气相进料管（103）的管口插入到液面以下，来自气液分离器的气体鼓泡洗涤后进入填料层。