CN117466365A - 一种电解水制氢耦合海水淡化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电解水制氢耦合海水淡化系统及方法，电解水制氢耦合海水淡化的功能模块主要包括：碱性电解槽模块、氧分离模块、氢分离模块、碱液过滤循环模块、负压海水淡化模块、淡水补给模块和氢纯化模块。本发明可直接利用需冷却的碱液加热处于负压环境下的海水，不仅碱液得到冷却，且碱液冷却时散发的热量得到利用可进行低温海水淡化，并将合格的淡水作为电解水原料补充给碱性电解槽模块。本发明采用负压海水淡化模块代替了碱液冷却器及附属冷却水系统，不仅降低了电解水制氢能耗，还可缓解电解水制氢对淡水资源的依赖。此外，本发明不仅可拓展碱性电解水制氢的使用场景，也有利于海上绿氢制备技术的推广应用，且具有较大的应用前景。

Description

一种电解水制氢耦合海水淡化系统及方法

技术领域

本发明涉及一种碱性电解水制氢方法及系统，特别涉及的是一种电解水制氢耦合海水淡化系统及方法。

背景技术

电解水制氢作为最具发展潜力的绿氢生产技术，其中碱性电解水制氢技术相对最为成熟、成本最低，更具经济性，已被大规模应用。然而，目前已可商业应用的电解水制氢系统都以淡水作为原料，但全球淡水资源极其有限，这无疑加剧了淡水资源短缺问题。

虽然海水资源丰富，但由于海水中所含有的大量离子、微生物和颗粒等杂质，直接进行海水电解制氢面临着电解副产物多、催化剂易失活、隔膜易堵塞等问题，目前尚停留在技术研发与验证阶段。

因而，如何将海水淡化技术与碱性电解水制氢有机耦合形成一种有效的海水间接制氢技术，并适合大规模应用成为了亟需解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电解水制氢耦合海水淡化系统及方法，通过将负压海水淡化模块和电解水制氢有机结合，可实现利用需冷却碱液的热量将海水淡化，进而为碱性电解水制氢补给所需淡水，不仅有利于节能减排，更有利于实现大规模海水间接制氢，以期为海上可再生能源电解水制氢提供技术支撑，不仅可拓展碱性电解水制氢的使用场景，也有利于海上绿氢制备技术的推广应用。

为了实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种电解水制氢耦合海水淡化系统，包括：碱性电解槽单元、氧分离单元、氢分离单元、氢纯化模块、碱液过滤循环模块、负压海水淡化模块和淡水补给模块，所述负压海水淡化模块用于对处于负压下的海水进行加热，使海水低温沸腾产生蒸汽，蒸汽除杂质并冷凝后产生淡水；所述淡水补给模块用于为碱性电解槽模块补充原料淡水；所述碱性电解槽单元中的淡水在直流电的作用下分解成氢气和氧气，氢气和碱液进入氢分离模块，氧气和碱液进入氧分离模块；碱液过滤循环模块用于实现碱性电解槽和氢分离模块、氧分离模块中的碱液强制循环；所述负压海水淡化模块的能量来源为高温碱液被冷却至电解槽所需温度散发的热量。

进一步地，所述碱性电解槽模块中的淡水在直流电的作用下分解成氢气和氧气，碱性电解槽模块氢气出口与氢分离模块相连，作为氢气和碱液进入氢分离模块的通道；碱性电解槽模块氧气出口与氧分离模块相连，作为氧气和碱液进入氧分离模块的通道；碱性电解槽模块的碱液入口与负压海水淡化模块相连，作为被冷却后的碱液进入碱性电解槽的通道。

进一步地，所述氧分离模块的氧进口与碱性电解槽模块氧气出口相连，氧分离模块通过气液分离方法进行分离进入的氧气和碱液；氧分离模块的碱液出口与氢分离模块碱液出口相连，并汇成总管与碱液过滤循环模块相连，用以提供待冷却高温碱液；氧气出口延伸至安全区域排空，也可连接氧气存储模块，用以外运；所述氢分离模块的氢进口与碱性电解槽模块氢气出口相连，氢分离模块通过气液分离方法对进入的氢气和碱液进行分离；氢分离模块的氢出口与氢纯化模块相连，作为进供给较高纯度氢气的通道；氢分离模块的淡水进口与淡水补给模块相连，作为淡水补给通道，用于补充用于电解的原料淡水，同时也可辅助实现氢气洗涤冷却功能。

进一步地，所述氢纯化模块对进入的氢气、微量氧气和微量水，通过催化反应进行脱氧，并利用分子筛吸附原理去除水以及其他杂质，最终将氢气提纯至99.999％；氢纯化模块的氢出口连接至用户或存储模块。

进一步地，负压海水淡化模块的海水进口为海水供给通道；负压海水淡化模块的碱液入口与碱液过滤循环模块相连，为高温碱液进入通道；负压海水淡化模块的碱液出口与碱性电解槽模块相连，为被冷却后的碱液出口通道；负压海水淡化模块的淡水出口与淡水补给模块相连，为海水淡化后的合格淡水出口通道。

进一步地，所述负压海水淡化模块包括负压海水淡化装置、真空仪、真空泵、调节阀、盐度仪、调节阀、温度仪、水质检测仪和海水供给泵，所述真空仪用来监测负压海水淡化装置内的真空度，并控制真空泵用来维持负压海水淡化装置内的真空度在预设范围，海水供给泵抽取海水供给至负压海水淡化装置内的冷凝器，用以冷却水蒸气至液态淡水，然后升温后的海水一路为负压海水淡化装置内的蒸发室内补给海水，一路用以排放多余海水，盐度仪依据监测的负压海水淡化装置内的蒸发室海水盐度，对调节阀进行调控排放的浓海水流量，水质检测仪依据监测制取淡水的水质是否合格，控制合格淡水进入淡水箱，不合格淡水重回负压海水淡化装置进一步淡化，温度仪依据监测的被冷却后的碱液温度控制调节阀的开度大小，以保证碱液温度在合理范围内进入碱性电解槽模块。

进一步地，负压海水淡化装置包括负压海水淡化装置筒体、冷凝器、接水板、丝网分离器和换热器组成；冷凝器用海水作为冷却介质对水蒸气进行冷凝，吸热升温的海水作为碱液加热的水源；接水板用于承接冷凝水滴，并具有一定坡度；丝网分离器用于分离水蒸气中的较大液滴和杂质；换热器通过碱液作为热源，对海水进行加热，最终实现负压低温海水淡化功能。

本发明还公开了一种电解水制氢耦合海水淡化的方法，包括：

碱性电解槽模块内的淡水在直流电的作用下分解成氢气和份氧气；

碱性电解槽模块氧气出口输送氧气和碱液至氧分离模块内进行气液分离，提纯后的氧气可引至安全区域排空，也可连接氧气存储模块；

碱性电解槽模块氢气出口输送氢气和碱液至氢分离模块内进行气液分离，经初步提纯后的氢气和少量水进入氢纯化模块进一步进行纯化至氢含量为99.999％，然后氢最终供给至用户或存储模块；

碱液过滤循环模块通过抽取氧分离模块和氢分离模块中碱液，并经负压海水淡化模块冷却后，最终输送至碱性电解槽模块，完成碱液的冷却及强制循环；

碱液在负压海水淡化模块冷却时散发的热量用以加热负压下的海水进行沸腾蒸发产生淡水，合格的淡水进入淡水补给模块，并被输送至氢分离模块，用于补充用于电解的原料淡水，同时也可辅助实现氢气洗涤冷却。

本发明具有以下优点：1、本发明可直接利用需冷却的碱液加热处于负压环境下的海水，不仅碱液得到冷却，且碱液冷却时散发的热量得到利用可进行低温海水淡化，同时，负压海水淡化模块也代替了碱液冷却器及附属冷却水系统，降低了电解水制氢能耗。

2、本发明利用碱液冷却放出的热量进行负压海水淡化，并将合格的淡水作为电解水原料补充给电解槽模块，也可缓解对淡水资源的依赖，并可适合大规模应用，不仅可拓展碱性电解水制氢的使用场景，也有利于海上绿氢制备技术的推广应用。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明碱性电解水制氢耦合海水淡化技术的主要功能流程图

图2是本发明的实施案例工艺系统流程图

图3是本发明的实施案例负压海水淡化单元主视图

1基线，2碱性电解槽模块，3氧分离模块，4氢分离模块，5碱液过滤循环模块，6负压海水淡化模块，7淡水补给模块，8氢纯化模块；31氧重力式分离单元，32氧洗涤冷却单元，33气液分离单元，34压力变送单元，35调节阀；41氢重力式分离单元，42氢洗涤冷却单元，43气液分离单元，44液位差变送单元，45调节阀；51碱液过滤器，52碱液循环泵；61负压海水淡化装置，62真空仪，63真空泵,64调节阀,65盐度仪,66调节阀,67温度仪,68水质检测仪，69海水供给泵；71淡水箱，72淡水补给泵；611负压海水淡化装置筒体，612冷凝器，613接水板，614丝网分离器，615换热器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

本发明图1是电解水制氢耦合海水淡化的技术方法及系统的主要功能流程图，基线1内为电解水制氢耦合海水淡化的技术方法及系统；本发明电解水制氢耦合海水淡化的系统及方法主要实现可直接利用需冷却的碱液加热处于负压环境下的海水，不仅碱液得到冷却，且碱液冷却时散发的热量得到利用可进行低温海水淡化，同时，并将合格的淡水作为电解水原料补充给电解槽模块，以此缓解对淡水资源的依赖。碱性电解水制氢耦合海水淡化技术的功能实现单元主要包括：碱性电解槽模块2，氧分离模块3，氢分离模块4，碱液过滤循环模块5，负压海水淡化模块6，淡水补给模块7，氢纯化模块8。

各功能模块之间的连接关系及功能如下：

碱性电解槽模块：碱性电解槽内的淡水在直流电的作用下分解成一份氢气和1/2份氧气，碱性电解槽模块氢气出口与氢分离模块相连，作为氢气和碱液进入氢分离模块的通道；碱性电解槽模块氧气出口与氧分离模块相连，作为氧气和碱液进入氧分离模块的通道；碱性电解槽模块的碱液入口与负压海水淡化模块相连，作为被冷却后的碱液进入碱性电解槽的通道；

氧分离模块：氧分离模块的氧进口与碱性电解槽模块氧气出口相连，氧分离模块通过气液分离方法进行分离进入的氧气和碱液；氧分离模块的碱液出口与氢分离模块碱液出口相连，并汇成总管与碱液过滤循环模块相连，用以提供待冷却高温碱液；氧气出口延伸至安全区域排空，也可连接氧气存储模块，用以外运；

氢分离模块：氢分离模块的氢进口与碱性电解槽模块氢气出口相连，氢分离模块可通过气液分离方法对进入的氢气和碱液进行分离；氢分离模块的氢出口与氢纯化模块相连，作为进供给较高纯度氢气的通道；氢分离模块碱液出口与氧分离模块碱液出口相连并汇成碱液总管后，与碱液过滤循环模块相连，用以提供待冷却高温碱液；氢分离模块的淡水进口与淡水补给模块相连，作为淡水补给通道，用于补充用于电解的原料淡水，同时也可辅助实现氢气洗涤冷却等功能；

氢纯化模块：氢纯化模块氢进口与氢分离模块氢出口相连，氢纯化模块对进入的氢气、微量氧气和微量水，通过催化反应进行脱氧，并利用分子筛吸附原理去除水以及其他杂质，最终将氢气提纯至99.999％；氢纯化模块的氢出口连接至用户或存储模块。

碱液过滤循环模块：碱液过滤循环模块的碱液进口与氢分离模块碱液出口和氧分离模块碱液出口汇成的碱液总管相连；碱液过滤循环模块的碱液出口与负压制淡模块相连。碱液过滤循环模块的功能为：实现碱性电解槽和氢分离模块、氧分离模块中的碱液强制循环，并可过滤碱液中的杂质。

负压海水淡化模块：负压海水淡化模块的海水进口为海水供给通道；负压海水淡化模块的碱液入口与碱液过滤循环模块相连，为高温碱液进入通道；负压海水淡化模块的碱液出口与碱性电解槽模块相连，为被冷却后的碱液出口通道；负压海水淡化模块的淡水出口与淡水补给模块相连，为海水淡化后的合格淡水出口通道；负压海水淡化模块的功能为：利用高温碱液被冷却至电解槽所需温度散发的热量，对处于负压下的海水进行加热，使海水低温沸腾产生蒸汽，蒸汽经过丝网分离器除杂质和冷凝器冷凝后，产生淡水，合格的淡水进入淡水补给模块，经过氢分离模块，为碱性电解槽模块补充原料淡水，不合格淡水则进行再次蒸发制淡。

淡水补给模块：淡水补给模块的淡水进口与负压海水淡化模块相连；淡水补给模块的淡水出口与氢分离模块相连；淡水补给模块的功能为：存储负压海水淡化模块制取的合格淡水，并为碱性电解槽模块补充原料淡水。

电解水制氢耦合海水淡化的技术方法及系统的具体流程：碱性电解槽模块2内的淡水在直流电的作用下分解成一份氢气和1/2份氧气，碱性电解槽模块氧气出口输送氧气和碱液至氧分离模块3内进行气液分离，提纯后的氧气可引至安全区域排空，也可连接氧气存储模块；碱性电解槽模块氢气出口输送氢气和碱液至氢分离模块4内进行气液分离，经初步提纯后的氢气和少量水进入氢纯化模块8进一步进行纯化至氢含量为99.999％，然后氢最终供给至用户或存储模块；碱液过滤循环模块5通过抽取氧分离模块3和氢分离模块4中碱液，并经负压海水淡化模块6冷却后，最终输送至碱性电解槽模块2，完成碱液的冷却及强制循环；碱液在负压海水淡化模块6冷却时散发的热量用以加热负压下的海水进行沸腾蒸发产生淡水，合格的淡水进入淡水补给模块7，并被输送至氢分离模块4，用于补充用于电解的原料淡水，同时也可辅助实现氢气洗涤冷却等功能。因此，本发明可实现直接利用需冷却的碱液加热处于负压环境下的海水，进行低温海水淡化，还可将合格的淡水作为电解水原料补充给电解槽模块，有利于减轻碱性电解水制氢对淡水资源的依赖。

图2是本发明的实施案例工艺系统流程图，由图可见，氧分离模块3由氧重力式分离单元31、氧洗涤冷却单元32、气液分离单元33、压力变送单元34、调节阀35组成，主要实现氧气和碱液的气液分离功能，用以制备较高纯度氧气，其中，压力变送单元34根据测量的氧重力式分离单元31压力控制调节阀35开度大小，以保证电解水制氢系统的压力稳定；氢分离模块4由氢重力式分离单元41、氢洗涤冷却单元42、气液分离单元43、液位差变送单元44、调节阀45组成，主要实现氧气和碱液的气液分离功能，并为氢气进入氢纯化模块8进一步提纯打下基础，其中，液位差变送单元44依据测量的氧重力式分离单元31和氢重力式分离单元41液位差值对调节阀45的开度大小进行控制，以保证液位平衡；碱液过滤循环模块5由碱液过滤器51、碱液循环泵52组成；负压海水淡化模块6由负压海水淡化装置61、真空仪62、真空泵63、调节阀64、盐度仪65、调节阀66、温度仪67、水质检测仪68、海水供给泵69组成，其中真空仪62用来监测负压海水淡化装置61内的真空度，并控制真空泵63用来维持负压海水淡化装置61内的真空度在合理范围之内，海水供给泵69抽取海水供给至负压海水淡化装置61内的冷凝器，用以冷却水蒸气至液态淡水，然后升温后的海水一路为负压海水淡化装置61内的蒸发室内补给海水，一路用以排放多余海水，盐度仪65依据监测的负压海水淡化装置61内的蒸发室海水盐度，对调节阀66进行调控排放的浓海水流量，水质检测仪68依据监测制取淡水的水质是否合格，控制合格淡水进入淡水箱71，不合格淡水重回负压海水淡化装置61进一步淡化，温度仪67依据监测的被冷却后的碱液温度控制调节阀64的开度大小，以保证碱液温度在合理范围内进入碱性电解槽模块2；淡水补给模块7由淡水箱71、淡水补给泵72组成，负压海水淡化装置61生成的合格淡水进入淡水箱71，并由淡水补给泵72驳运至氢洗涤冷却单元42，用于补充用于电解的原料淡水，同时也可辅助实现氢气洗涤冷却等功能。

图3是本发明的实施案例负压海水淡化单元的主视图，由图可见，负压海水淡化装置61由负压海水淡化装置筒体611、冷凝器612、接水板613、丝网分离器614、换热器615组成；其中，冷凝器612用海水作为冷却介质对水蒸气进行冷凝，然后海水由于吸热升温，可作为碱液加热的水源，有利于热量有效利用；接水板613用于承接冷凝水滴，并具有一定坡度，利于淡水排出；丝网分离器用于分离水蒸气中的较大液滴和杂质，保证淡水的质量；换热器615通过碱液作为热源，对海水进行加热，最终实现负压低温海水淡化功能。

本发明可直接利用需冷却的碱液加热处于负压环境下的海水，不仅碱液得到冷却，且碱液冷却时散发的热量得到利用可进行低温海水淡化，并将合格的淡水作为电解水原料补充给电解槽模块，也可缓解对淡水资源的依赖；同时，负压海水淡化模块也代替了碱液冷却器及附属冷却水系统，降低了电解水制氢能耗；此外，本发明电解水制氢耦合海水淡化的技术方法及系统可适合大规模应用，不仅可拓展碱性电解水制氢的使用场景，也有利于海上绿氢制备技术的推广应用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种电解水制氢耦合海水淡化系统，其特征在于，碱性电解槽单元、氧分离单元、氢分离单元、氢纯化模块、碱液过滤循环模块、负压海水淡化模块和淡水补给模块，所述负压海水淡化模块用于对处于负压下的海水进行加热，使海水低温沸腾产生蒸汽，蒸汽除杂质并冷凝后产生淡水；所述淡水补给模块用于为碱性电解槽模块补充原料淡水；所述碱性电解槽单元中的淡水在直流电的作用下分解成氢气和氧气，氢气和碱液进入氢分离模块，氧气和碱液进入氧分离模块；碱液过滤循环模块用于实现碱性电解槽和氢分离模块、氧分离模块中的碱液强制循环；所述负压海水淡化模块的能量来源为高温碱液被冷却至电解槽所需温度散发的热量。

2.根据权利要求1所述电解水制氢耦合海水淡化系统，其特征在于，所述碱性电解槽模块中的淡水在直流电的作用下分解成氢气和氧气，碱性电解槽模块氢气出口与氢分离模块相连，作为氢气和碱液进入氢分离模块的通道；碱性电解槽模块氧气出口与氧分离模块相连，作为氧气和碱液进入氧分离模块的通道；碱性电解槽模块的碱液入口与负压海水淡化模块相连，作为被冷却后的碱液进入碱性电解槽的通道。

3.根据权利要求1所述电解水制氢耦合海水淡化系统，其特征在于，所述氧分离模块的氧进口与碱性电解槽模块氧气出口相连，氧分离模块通过气液分离方法进行分离进入的氧气和碱液；氧分离模块的碱液出口与氢分离模块碱液出口相连，并汇成总管与碱液过滤循环模块相连，用以提供待冷却高温碱液；氧气出口延伸至安全区域排空，也可连接氧气存储模块，用以外运；所述氢分离模块的氢进口与碱性电解槽模块氢气出口相连，氢分离模块通过气液分离方法对进入的氢气和碱液进行分离；氢分离模块的氢出口与氢纯化模块相连，作为进供给较高纯度氢气的通道；氢分离模块的淡水进口与淡水补给模块相连，作为淡水补给通道，用于补充用于电解的原料淡水，同时也可辅助实现氢气洗涤冷却功能。

4.根据权利要求1所述电解水制氢耦合海水淡化系统，其特征在于，所述氢纯化模块对进入的氢气、微量氧气和微量水，通过催化反应进行脱氧，并利用分子筛吸附原理去除水以及其他杂质，最终将氢气提纯至99.999％；氢纯化模块的氢出口连接至用户或存储模块。

5.根据权利要求1所述电解水制氢耦合海水淡化系统，其特征在于，负压海水淡化模块的海水进口为海水供给通道；负压海水淡化模块的碱液入口与碱液过滤循环模块相连，为高温碱液进入通道；负压海水淡化模块的碱液出口与碱性电解槽模块相连，为被冷却后的碱液出口通道；负压海水淡化模块的淡水出口与淡水补给模块相连，为海水淡化后的合格淡水出口通道。

6.根据权利要求1所述电解水制氢耦合海水淡化系统，其特征在于，所述负压海水淡化模块包括负压海水淡化装置、真空仪、真空泵、调节阀、盐度仪、调节阀、温度仪、水质检测仪和海水供给泵，所述真空仪用来监测负压海水淡化装置内的真空度，并控制真空泵用来维持负压海水淡化装置内的真空度在预设范围，海水供给泵抽取海水供给至负压海水淡化装置内的冷凝器，用以冷却水蒸气至液态淡水，然后升温后的海水一路为负压海水淡化装置内的蒸发室内补给海水，一路用以排放多余海水，盐度仪依据监测的负压海水淡化装置内的蒸发室海水盐度，对调节阀进行调控排放的浓海水流量，水质检测仪依据监测制取淡水的水质是否合格，控制合格淡水进入淡水箱，不合格淡水重回负压海水淡化装置进一步淡化，温度仪依据监测的被冷却后的碱液温度控制调节阀的开度大小，以保证碱液温度在合理范围内进入碱性电解槽模块。

7.根据权利要求1所述电解水制氢耦合海水淡化系统，其特征在于，负压海水淡化装置包括负压海水淡化装置筒体、冷凝器、接水板、丝网分离器和换热器组成；冷凝器用海水作为冷却介质对水蒸气进行冷凝，吸热升温的海水作为碱液加热的水源；接水板用于承接冷凝水滴，并具有一定坡度；丝网分离器用于分离水蒸气中的较大液滴和杂质；换热器通过碱液作为热源，对海水进行加热，最终实现负压低温海水淡化功能。

8.一种电解水制氢耦合海水淡化的方法，其特征在于，包括：

碱性电解槽模块内的淡水在直流电的作用下分解成氢气和份氧气；

碱性电解槽模块氧气出口输送氧气和碱液至氧分离模块内进行气液分离，提纯后的氧气可引至安全区域排空，也可连接氧气存储模块；

碱性电解槽模块氢气出口输送氢气和碱液至氢分离模块内进行气液分离，经初步提纯后的氢气和少量水进入氢纯化模块进一步进行纯化至氢含量为99.999％，然后氢最终供给至用户或存储模块；

碱液过滤循环模块通过抽取氧分离模块和氢分离模块中碱液，并经负压海水淡化模块冷却后，最终输送至碱性电解槽模块，完成碱液的冷却及强制循环；

碱液在负压海水淡化模块冷却时散发的热量用以加热负压下的海水进行沸腾蒸发产生淡水，合格的淡水进入淡水补给模块，并被输送至氢分离模块，用于补充用于电解的原料淡水，同时也可辅助实现氢气洗涤冷却。