CN117265561A - 一种质子交换膜电解水系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种质子交换膜电解水系统，包括电解槽、第一闪蒸罐、第一水泵、第一减压阀和换热器；所述电解槽的阳极侧连接换热器，第一水泵设置于第一闪蒸罐的液体出口与换热器的入口之间，第一水泵用于向电解槽提供高压水，电解槽的运行条件为高压；所述第一减压阀设置于换热器的出口与第一闪蒸罐之间，第一减压阀和第一闪蒸罐用于对电解槽的阳极侧产物进行降压、分离。本发明利用减压阀和闪蒸罐来降低高压电解槽阳极侧、阴极侧的产物压力，使得氢气/氧气从水中析出，再通过氢气分离装置回收氢气，氧气放空，避免氧气再进入循环水，从而有效解决高压运行时氢气和空气大量溶解在水中的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电解水技术领域，特别涉及一种质子交换膜电解水系统。
背景技术
质子交换膜电解水是一种高效的方法，用于从水中产生纯净的氢气和氧气。这种技术的意义在于它为清洁、可再生的氢能源提供了一种生产途径，有助于减少对化石燃料的依赖并减少温室气体排放。相比于碱性电解水技术，质子交换膜电解水的效率高、制取的氢气纯度高、电解液对环境无污染，以及响应速度快，非常适合与可再生能源(如风能和太阳能)相结合，因此具有广阔的发展前景。
目前，传统的质子交换膜电解水系统在较低压下运行，其设计也按照低压运行来设计，如图2所示，水经由水泵91抽取至第一气水分离器92，第一气水分离器92将低压水经由换热器93送入低压电解槽94的阳极侧，低压电解槽94发生电解反应，水与氧气的混合物被循环水泵95抽出，送至换热器93，再经由第一气水分离器92，分离出水与氧气；同时电解槽的阴极极侧产生氢气和水，经由第二气水分离器96后分离出水和氢气。但是，低压条件下，水电解产生的离子运动速率较慢，电解反应效率较低。同时，电解水系统产生的氢气收集后，需要压缩成高压后存储，存储过程部件繁琐。
但是，如果直接将电解槽设置在高压条件下，高压运行时氢气和空气会大量溶解在水中，导致电解槽中氧气增多，氧气浓度的升高影响化学反应，以及氧气析出变为气态占据催化剂反应位点，影响化学反应；同时，高压氧气释放会造成能量浪费。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种质子交换膜电解水系统，可以解决高压运行时氢气和空气会大量溶解在水中的问题。
为此，本发明的技术方案是：一种质子交换膜电解水系统，包括电解槽、第一闪蒸罐、第一水泵、第一减压阀和换热器；所述电解槽为高压电解槽，电解槽的阳极侧连接换热器，第一水泵设置于第一闪蒸罐的液体出口与换热器的入口之间，第一水泵用于向电解槽提供高压水；所述换热器的出口通过第一减压阀连接至第一闪蒸罐，第一减压阀和第一闪蒸罐用于对电解槽的阳极侧产物进行降压、分离。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述第一闪蒸罐的气体出口连接一透平机，透平机连接一发电机。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：还包括第二闪蒸罐、第二水泵和第二减压阀，第二水泵设置于第二闪蒸罐和第一闪蒸罐之间；所述第二减压阀设置于第一减压阀和第二闪蒸罐之间。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：还包括氢气分离器，第一闪蒸罐的气体出口、第二闪蒸罐的气体出口均接入氢气分离器，氢气分离器用于分离氢气和氧气。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述电解槽的阴极侧连接一气水分离器，气水分离器的液体出口通过第三减压阀连接至第二闪蒸罐。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述第一闪蒸罐的绝对压力大于等于6MPa，小于等于90MPa。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述第二闪蒸罐的绝对压力大于等于0.2MPa，小于等于1MPa。
本发明的电解槽是在高压下运行的，即高压水在催化剂的作用下，通电分解为氢气和氧气。其中，阳极部分水中的O2-生成氧气，H+通过质子交换膜进入阴极，发生还原作用生成氢气。同时，水由于电渗透、扩散、压力驱动、渗透作用等原因由阳极透过质子交换膜进入阴极。因此，阳极侧产物为高压的水和氧气的混合物，阴极侧产物为高压的水和氢气的混合物。
阳极侧：低压的纯水经过第二水泵和第一水泵两级升压，使其压力达到高压状态，可以进入高压电解槽。同时，为了使供水过程更易于控制，在第二水泵前设置了第二闪蒸罐，以及在第一水泵设置了第一闪蒸罐；
电解槽阳极侧出口流出的是反应后的水，其温度较高，大约80℃，且水中含有大量的溶解氧。为了回收水的热量并使电解槽的入口温度更均匀，在电解槽的阳极侧设置换热器，进入电解槽的水与反应后的水进行热交换。
为了防止溶解的氧气再进入电解槽，导致电解槽中氧气增多，避免作为产物，其浓度的升高影响化学反应，以及氧气析出变为气态占据催化剂反应位点，影响化学反应。在换热器和第一闪蒸罐之间设置第一减压阀，经过换热后的水经由第一减压阀进入第一闪蒸罐，通过减压闪蒸、分离、缓冲，使水中溶解的氧气析出。析出的氧气由于依然具备很高的压力，为了防止直接泄放导致能量的浪费，在第一闪蒸罐的气体出口处设置一透平机，通过透平机回收能量，即透平回收高压势能，并通过发电机转化成电能。
为了进一步降低水中的溶解氧，经过换热后的水在通过第一减压阀后，再通过第二减压阀进入第二闪蒸罐。由于，减压可以减少水中的溶解氧，对反应有益处，但是同时减压会导致能量的损失，因此，需要根据实际情况控制进入第一闪蒸罐和第二闪蒸罐的反应物比例，从而平衡压缩的能效和电化学效率。
由于第一闪蒸罐、第二闪蒸罐析出的氧气中，含有部分氢气，因此，将第二闪蒸罐的气体出口与透平机的出口连接至氢气分离装置，通过氢气分离装置，分离出氢气，回收利用，减少浪费。
另外。阴极侧的液体出口处，同样流出高压水，此部分水可以回收利用。同时，为了避免溶解氢进入阳极，阴极侧的高压水通过第三减压阀解压后，再进入第二闪蒸罐内。
本发明通过以上过程，可以实现水的回收利用(闪蒸后利用)、热量的回收利用、势能的回收利用以及氢气的回收利用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)利用减压阀和闪蒸罐来降低高压电解槽阳极侧、阴极侧的产物压力，使得氢气/氧气从水中析出，再通过氢气分离装置回收氢气，氧气放空，避免氧气再进入循环水，从而有效解决高压运行时氢气和空气大量溶解在水中的问题。
2)利用透平机回收高压氧气的能量，发电机将接收到的势能转换为电能，实现势能的回收利用。
3)电解槽在高压条件下进行，电解反应的动力学可以得到改善，另外高压系统可以使得氢气直接在较高压力下产生，大大简化了压缩步骤；不仅节约了大量的能源，也使得整体的系统设计和运营更为高效和简单。
附图说明
以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明
图1为本发明的系统结构图；
图2为现有技术的电解水系统结构图。
图中标记为：
图1：第二闪蒸罐1、第二水泵2、第一闪蒸罐3、第一水泵4、换热器5、电解槽6、第一减压阀7、透平机8、发电机9、第二减压阀10、氢气分离器11、气水分离器12、第三减压阀13。
图2：水泵91、第一气水分离器92、换热器93、低压电解槽94、循环水泵95、第二气水分离器96。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参见附图。本实施例所述质子交换膜电解水系统，从系统的初始端开始：首先设置有第二闪蒸罐1，第二闪蒸罐1的液体进口连接外部进水管，第二闪蒸罐1的液体出口连接第二水泵2的进口，第二水泵2对水进行初步增压；所述第二水泵2的出口连接第一闪蒸罐3的液体进口，第一闪蒸罐3的液体出口连接第一水泵4的进口，第一水泵4对水进行二次增压，向电解槽6提供高压水。所述第一水泵4的出口连接换热器5低温通道的进口，换热器5低温通道的出口连接至电解槽6阳极侧的进口。
低压的纯水经过第二水泵2和第一水泵4两级升压，使其压力达到高压状态，可以进入高压电解槽6。同时，为了使供水过程更易于控制，在第二水泵2前设置了第二闪蒸罐1，所述第二闪蒸罐1的绝对压力在0.2MPa～1MPa。在第一水泵4设置了第一闪蒸罐3，第一闪蒸罐3的绝对压力在6MPa～90MPa。
电解槽6是在高压下运行的，即高压水在催化剂的作用下，通电分解为氢气和氧气。其中，阳极部分水中的O2-生成氧气，H+通过质子交换膜进入阴极，发生还原作用生成氢气。同时，水由于电渗透、扩散、压力驱动、渗透作用等原因由阳极透过质子交换膜进入阴极。因此，阳极侧产物为高压的水H2O和氧气O2的混合物，阴极侧产物为高压的水H2O和氢气H2的混合物。
电解槽6阳极侧的出口连接换热器5高温通道的进口，使得进口的水可与出口的高温水进行热交换。电解槽6阳极侧出口流出的是反应后的水，其温度较高，大约80℃，且水中含有大量的溶解氧。为了回收水的热量并使电解槽的入口温度更均匀，换热器5可以使进入电解槽的水与反应后的水进行热交换。
所述换热器5高温通道的出口连接第一减压阀7，第一减压阀7连接至第一闪蒸罐3。为了防止溶解的氧气再进入电解槽6，导致电解槽6中氧气增多，避免作为产物，其浓度的升高影响化学反应，以及氧气析出变为气态占据催化剂反应位点，影响化学反应。在换热器5和第一闪蒸罐3之间设置第一减压阀7，经过换热后的水经由第一减压阀7进入第一闪蒸罐3，通过减压闪蒸、分离、缓冲，使水中溶解的氧气析出。
由于第一闪蒸罐3析出的氧气由于依然具备很高的压力，为了防止直接泄放导致能量的浪费，在第一闪蒸罐3的气体出口处设置一透平机8，透平机8和发电机9的转动轴通过齿轮机构连接，通过透平机8回收能量，即透平回收高压势能，并通过发电机转化成电能。
为了进一步降低水中的溶解氧，在第一减压阀7和第二闪蒸罐1之间设置第二减压阀10。经过换热后的水在通过第一减压阀7后，再通过第二减压阀10进入第二闪蒸罐1。由于，减压可以减少水中的溶解氧，对反应有益处，但是同时减压会导致能量的损失，因此，需要根据实际情况控制进入第一闪蒸罐和第二闪蒸罐的反应物比例，从而平衡压缩的能效和电化学效率。
由于第一闪蒸罐1、第二闪蒸罐3析出的氧气中，含有部分氢气。因此，所述透平机8的气体出口处连接一氢气分离器11，且第二闪蒸罐1的气体出口也接入氢气分离器11，氢气分离器用于分离氢气和氧气，回收利用，减少浪费。氢气分离器内设有钯膜提纯单元。
所述电解槽6阴极侧连接一气水分离器12，用于分离氢气H2和水H2O；所述气水分离器的液体出口同样流出高压水，此部分水可以回收利用。同时，为了避免溶解氢进入阳极，在气水分离器12的液体出口与第二闪蒸罐之间设置第三减压阀13，阴极侧的高压水通过第三减压阀13解压后，再进入第二闪蒸罐1内。
通过以上过程，可以实现水的回收利用(闪蒸后利用)、热量的回收利用、势能的回收利用以及氢气的回收利用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种质子交换膜电解水系统，其特征在于：包括电解槽、第一闪蒸罐、第一水泵、第一减压阀和换热器；所述电解槽为高压电解槽，电解槽的阳极侧连接换热器，第一水泵设置于第一闪蒸罐的液体出口与换热器的入口之间，第一水泵用于向电解槽提供高压水；所述换热器的出口通过第一减压阀连接至第一闪蒸罐，第一减压阀和第一闪蒸罐用于对电解槽的阳极侧产物进行降压、分离。
2.如权利要求1所述的一种质子交换膜电解水系统，其特征在于：所述第一闪蒸罐的气体出口连接一透平机，透平机连接一发电机。
3.如权利要求1所述的一种质子交换膜电解水系统，其特征在于：还包括第二闪蒸罐、第二水泵和第二减压阀，第二水泵设置于第二闪蒸罐和第一闪蒸罐之间；所述第二减压阀设置于第一减压阀和第二闪蒸罐之间。
4.如权利要求3所述的一种质子交换膜电解水系统，其特征在于：还包括氢气分离器，第一闪蒸罐的气体出口、第二闪蒸罐的气体出口均接入氢气分离器，氢气分离器用于分离氢气和氧气。
5.如权利要求3所述的一种质子交换膜电解水系统，其特征在于：所述电解槽的阴极侧连接一气水分离器，气水分离器的液体出口通过第三减压阀连接至第二闪蒸罐。
6.如权利要求1～5任一项所述的一种质子交换膜电解水系统，其特征在于：所述第一闪蒸罐的绝对压力大于等于6MPa，小于等于90MPa。
7.如权利要求1～5任一项所述的一种质子交换膜电解水系统，其特征在于：所述第二闪蒸罐的绝对压力大于等于0.2MPa，小于等于1MPa。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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