CN117468021B - 一种碱性和质子交换膜混联海水制氢的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碱性和质子交换膜混联海水制氢的系统包括：碱性电解槽整流单元，碱性电解槽单元，氢分离单元，氢纯化单元，氧分离单元，碱液过滤循环单元，淡水供给单元，PEM电解槽整流单元，PEM电解槽单元，氧气液分离单元，氢冷凝分离单元，氢干燥单元，纯水循环单元，海水过滤驳运单元，低温海水制纯水单元，纯水存储单元。本发明通过海水在低温海水制纯水单元中，通过吸收分别来自碱性电解槽的热碱液和来自PEM电解槽的热纯水废热，不仅可实现碱性电解槽中碱液和PEM电解槽单元的纯水分别维持在合理范围内，从而提高电解效率，还能实现低温蒸馏制备纯水，制备的纯水可作为补给碱性电解槽和PEM电解槽的原料纯水。

Description

一种碱性和质子交换膜混联海水制氢的系统及方法

技术领域

本发明涉及电解制氢的技术领域，具体而言，尤其涉及一种碱性和质子交换膜混联海水制氢的系统及方法。

背景技术

氢能作为低碳时代的最佳能源选择，其在当下能源转型中扮演着重要角色。电解水制氢是公认的绿氢制备方法，然而其能耗以及水资源消耗问题却十分突出。随着风电等可再生能源逐渐深远海化，其导致的电力远距离输送的损耗问题也日益紧张。

目前，碱性电解水技术路线工艺成熟，设备单位造价低，但开机速度慢。PEM电解水设备单位造价高但运行负荷范围、优异的动态响应特性及更高的安全性。将PEM与碱性电解水制氢的优化组合是有效解决大规模电解水制氢的方案，不仅能发挥碱性电解水制氢的经济优势，又有PEM电解水制氢的快速响应能力。

海洋是生命之源，如何进行海水资源高效开发利用是人类未来可持续发展的希望。因此，如何将海上风电、碱性电解水技术、PEM电解水和海水淡水技术有机耦合，形成一种碱性和质子交换膜(PEM)混联海水制氢的系统及方法，为近岸/离岸海上风电大规模制氢提供具有核心竞争力的技术支撑，有助于海上绿色氢经济快速发展。

发明内容

根据上述背景技术中提到的技术问题，而提供一种碱性和质子交换膜混联海水制氢的系统及方法。本发明提供一种碱性和质子交换膜(PEM)混联海水制氢的系统及方法，海水在低温海水制纯水单元中，通过吸收分别来自碱性电解槽的热碱液和来自PEM电解槽的热纯水废热，不仅可实现碱性电解槽中碱液和PEM电解槽单元的纯水分别维持在合理范围内，从而提高电解效率，还能实现低温蒸馏制备纯水，制备的纯水可作为补给碱性电解槽和PEM电解槽的原料纯水，以期为近岸/离岸海上风电大规模制氢设备研制提供具有核心竞争力的技术支撑。

本发明采用的技术手段如下：

一种碱性和质子交换膜混联海水制氢的系统，包括：

碱性电解槽单元、氧分离单元，碱液过滤循环单元，淡水供给单元，PEM电解槽整流单元，PEM电解槽单元，氧气液分离单元，氢冷凝分离单元，氢干燥单元，纯水循环单元，海水过滤驳运单元及低温海水制纯水单元；

所述PEM电解槽单元通过所述PEM电解槽整流单元整流变压的绿电电解水产生氢气和氧气，氧气经所述氧气液分离单元分离水分后，得到的氧气引至安全区域排放，氢气经过所述氢冷凝分离单元、所述氢干燥单元处理后，得到高纯度低露点的氢气；

热碱液在所述低温海水制纯水单元中被海水冷却，达到合理的温度范围后进入所述碱性电解槽单元；所述PEM电解槽单元和低温海水制纯水单元通过所述纯水循环单元中的循环淡水进行循环，来自所述PEM电解槽单元的热纯水经低温海水制纯水单元被海水冷却，达到合理的温度范围后进入所述PEM电解槽单元；所述海水过滤驳运单元驳运海水至低温海水制纯水单元，并吸收来自碱性电解槽单元的热碱液废热和PEM电解槽单元的热纯水废热。

进一步地，所述系统还具有：碱性电解槽整流单元；所述碱性电解槽单元通过所述碱性电解槽整流单元整流变压后的绿电电解水产生氢气和氧气。

进一步地，所述系统还具有：所述系统还具有：氢分离单元及氢纯化单元；氢气经过氢分离单元、氢纯化单元处理后得到高纯度低露点氢气，氧气经过所述氧分离单元处理后得到较高纯度氢气，并引至安全区域排放。

进一步地，所述系统还具有：通过所述碱液过滤循环单元实现所述碱性电解槽单元、所述氢分离单元、所述氧分离单元、低温海水制纯水单元中的碱液循环。

进一步地，所述系统还具有：纯水存储单元；所述纯水存储单元存储低温海水制纯水单元制备的纯水，并可通过淡水供给单元向碱性电解槽单元补充淡水原料，同时可通过纯水循环单元向PEM电解槽单元补充纯水原料。

本发明还包含一种碱性和质子交换膜混联海水制氢的方法，包括以下步骤：

步骤1：PEM电解槽单元通过所述PEM电解槽整流单元整流变压的电解水产生氢气和氧气；

步骤2：氧气经所述氧气液分离单元分离水分后，得到的氧气引至安全区域排放，氢气经过所述氢冷凝分离单元、所述氢干燥单元处理后，得到高纯度低露点的氢气；

步骤3：热碱液在所述低温海水制纯水单元中被海水冷却，达到合理的温度范围后进入所述碱性电解槽单元；

步骤4：所述PEM电解槽单元和低温海水制纯水单元通过所述纯水循环单元中的循环淡水进行循环；并通过纯水循环单元向PEM电解槽单元补充纯水原料

步骤5：来自所述PEM电解槽单元的热纯水经低温海水制纯水单元被海水冷却，达到合理的温度范围后进入所述PEM电解槽单元；

步骤6：海水过滤驳运单元驳运海水至低温海水制纯水单元，并吸收来自碱性电解槽单元的热碱液废热和PEM电解槽单元的热纯水废热。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过海水在低温海水制纯水单元中，通过吸收分别来自碱性电解槽的热碱液和来自PEM电解槽的热纯水废热，不仅可实现碱性电解槽中碱液和PEM电解槽单元的纯水分别维持在合理范围内，从而提高电解效率，还能实现低温蒸馏制备纯水，制备的纯水可作为补给碱性电解槽和PEM电解槽的原料纯水。

因此，本发明可应用在近岸/离岸海上风电等可再生能源制氢领域。同时，由于该技术是以成分复杂的非淡水为原料进行制氢，因此还能应用于内陆盐碱水、油田采油废水、工业废水、火电厂废水、城市生活废水等领域。

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为本发明的主要功能流程图。

图2为本发明的实施案例工艺系统流程图。

图中，1基线，2为碱性电解槽整流单元，3为碱性电解槽单元，4为氢分离单元，5氢纯化单元，6氧分离单元，7为碱液过滤循环单元，8为淡水供给单元，9为PEM电解槽整流单元，10为PEM电解槽单元，11为氧气液分离单元，12为氢冷凝分离单元，13为氢干燥单元，14为纯水循环单元，15为海水过滤驳运单元，16为低温海水制纯水单元，17为纯水存储单元，21为碱性电解槽整流器，31为碱性电解槽模块，41氢分离洗涤塔，51为氢纯化模块，61为氧分离洗涤塔，62为液位变送器，71碱液循环泵，72为碱液过滤器，81为淡水供给泵，91为PEM电解槽整流器，101为PEM电解槽模块，102为液位变送器，1101为氧气液分离器，1201为氢冷凝分离器，1301为氢干燥塔，1401为过滤器，1402为纯水循环泵，1501为粗过滤器，1502为海水驳运泵，1503为多介质过滤器，1504为活性炭过滤器，1505为精密过滤器，1601为低温海水纯化器，1602为真空泵，1603为真空仪，1604为遥控阀，1605为温度仪，1606为盐度仪，1607为遥控阀，1608为水质监测仪，1609为遥控三通阀，1701为纯水存储箱，1702为遥控阀。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明图1是一种碱性和质子交换膜(PEM)混联海水制氢的系统及方法的主要功能流程图，基线1内为一种碱性和质子交换膜(PEM)混联海水制氢的系统及方法；本发明一种碱性和质子交换膜(PEM)混联海水制氢的系统及方法的功能实现单元主要包括：碱性电解槽整流单元2，碱性电解槽单元3，氢分离单元4，氢纯化单元5，氧分离单元6，碱液过滤循环单元7，淡水供给单元8，PEM电解槽整流单元9，PEM电解槽单元10，氧气液分离单元11，氢冷凝分离单元12，氢干燥单元13，纯水循环单元14，海水过滤驳运单元15，低温海水制纯水单元16，纯水存储单元17。

碱性电解槽整流单元1：碱性电解槽整流单元的电源进口与海上风电等绿电相连；碱性电解槽整流单元的电源出口与碱性电解槽单元的电源接口相连。

碱性电解槽单元2：碱性电解槽单元的电源接口与碱性电解槽整流单元相连；碱性电解槽整流单元的氢气出口与氢分离单元相连；碱性电解槽整流单元的氧气出口与氧分离单元相连；碱性电解槽整流单元的碱液回流口与低温海水纯化单元相连。

氢分离单元3：氢分离单元的氢气进口与碱性电解槽单元相连；氢分离单元的氢气出口与氢纯化单元相连；氢分离单元的碱液出口与碱液过滤循环单元相连；氢分离单元的淡水进口与淡水供给单元相连。主要实现功能；分离碱性电解槽单元产出的氢气和碱液，并可为碱性电解槽单元补充原料淡水。

氢纯化单元4：氢纯化单元的进口与氢分离单元相连；氢分离单元的出口为产品氢气。

氧分离单元5：氧分离单元的氧气进口与碱性电解槽单元相连；氧分离单元的氧气出口引至安全区域排空。

主碱液过滤循环单元6：碱液过滤循环单元的碱液进口分别与氢分离单元、氧分离单元相连；碱液过滤循环单元的碱液出口与低温海水制纯水单元相连。

淡水供给单元7：淡水供给的淡水进口与纯化存储单元的淡水出口相连；淡水供给单元的淡水出口分别与氢分离单元和氧分离的淡水进口相连。PEM电解槽整流单元8：PEM电解槽整流单元的电源进口与海上风电等绿电相连；PEM电解槽整流单元的电源出口与PEM电解槽单元的电源接口相连。主要实现功能：将海上风电等绿电整流变压后并供给至PEM电解槽单元。

PEM电解槽单元9：PEM电解槽单元的电源接口与PEM电解槽整流单元相连；PEM电解槽单元的氧气出口与氧气液分离单元相连；PEM电解槽单元的氢气出口与氢冷凝分离单元相连；PEM电解槽单元的热循环纯水出口与纯水循环单元相连；PEM电解槽单元的循环纯水进口与低温海水制纯水单元相连。

氧气液分离单元10：氧气液分离单元的氧气进口与PEM电解槽单元相连；氧气液分离单元的氧气出口引至安全区域排放。

氢冷凝分离单元11：氢冷凝分离单元的氢气进口与PEM电解槽单元相连；氢冷凝分离单元的氢气出口与氢干燥单元相连。

氢干燥单元12：氢干燥单元的氢气进口与氢冷凝分离单元相连；氢干燥单元的氢气出口为产品氢气。

纯水循环单元13：纯水循环单元的纯水进口分别与PEM电解槽单元、纯水存储单元相连；纯水循环单元的纯水出口与低温海水制纯水单元相连。

海水过滤驳运单元14：海水过滤驳运单元的进口连接海水源；海水过滤驳运单元的出口与低温海水制纯水单元相连。

低温海水制纯水单元15：低温海水制纯水单元的海水进口与海水过滤驳运单元相连；低温海水制纯水单元的热碱液进口与碱液过滤循环单元相连；低温海水制纯水单元的碱液出口与碱性电解槽单元相连；低温海水制纯水单元的热纯水进口与纯水循环单元相连；低温海水制纯水单元的循环纯水出口与PEM电解槽单元相连；低温海水制纯水单元制备的纯水出口与纯水存储单元相连。

纯水存储单元16：纯水存储单元的纯水进口与低温海水制纯水单元相连；纯水存储单元的纯水出口分别与纯水循环单元、淡水供给单元、外供相连。

作为本申请一种优选的实施方式，本发明还包含一种碱性和质子交换膜(PEM)混联海水制氢的系统及方法的具体功能流程为：碱性电解槽单元3利用碱性电解槽整流单元2整流变压后的绿电电解水产生氢气和氧气，氢气经过氢分离单元4、氢纯化单元5处理后得到高纯度低露点氢气，氧气经过氧分离单元6处理后得到较高纯度氢气，并引至安全区域排放；PEM电解槽单元10利用PEM电解槽整流单元9整流变压的绿电电解水产生氢气和氧气，氧气经氧气液分离单元11分离水分后，得到的氧气引至安全区域排放，氢气经过氢冷凝分离单元12、氢干燥单元13处理后，得到高纯度低露点的氢气；碱液过滤循环单元7实现碱性电解槽单元3，氢分离单元4和氧分离单元6、低温海水制纯水单元16中的碱液循环，来自碱性电解槽单元3的热碱液在低温海水制纯水单元16被海水冷却，达到合理的温度范围(80℃±5℃)后进入碱性电解槽单元3；纯水循环单元14实现PEM电解槽单元10和低温海水制纯水单元16中的循环淡水进行循环，来自PEM电解槽单元10的热纯水经低温海水制纯水单元16被海水冷却，达到合理的温度范围(60℃±5℃)后进入PEM电解槽单元10；海水过滤驳运单元15驳运海水至低温海水制纯水单元16，并吸收来自碱性电解槽单元3的热碱液废热和PEM电解槽单元10的热纯水废热，在负压工况下，实现低温蒸馏制备纯水；纯水存储单元17用于存储低温海水制纯水单元16制备的纯水，并可通过淡水供给单元8向碱性电解槽单元3补充淡水原料，同时可通过纯水循环单元14向PEM电解槽单元10补充纯水原料。

图2是本发明的实施案例工艺系统流程图，由图可见，碱性电解槽模块31通过碱性电解槽整流器21整流变压的绿电实现电解水制氢和氧，产生的氢气依次经氢分离洗涤塔41、氢纯化模块51处理后得到高纯度产品氢气，氧分离单元6由氧分离洗涤塔61、液位变送器62组成，产生的氧气经氧分离洗涤塔61分离水分后引至安全区域排放，液位变送器62通过发送氧分离洗涤塔61的液位信号控制淡水供给泵81启停，以补充淡水；碱液过滤循环单元7由碱液循环泵71、碱液过滤器72组成，主要为碱液循环提供动力，并过滤碱液中的杂质；PEM电解槽单元由PEM电解槽模块101、液位变送器102组成，PEM电解槽模块101主要利用PEM电解槽整流器91整流变压的绿电进行电解水制氢和氧，液位变送器102主要发送PEM电解槽模块101的液位信号控制遥控阀1702的启闭，以向PEM电解槽模块101补充原料纯水；PEM电解槽模块101产生的氧气经氧气液分离器1101分离水分后，引至安全区域排放；PEM电解槽模块101产生的氢气经氢冷凝分离器1201、氢干燥塔1301处理后，得到高纯度低露点产品氢气；纯水循环单元14由过滤器1401、纯水循环泵1402组成，主要为纯水循环提供动力；海水过滤驳运单元15由粗过滤器1501、海水驳运泵1502、多介质过滤器1503、活性炭过滤器1504、精密过滤器1505组成，粗过滤器1501过滤大颗粒杂质，保护海水驳运泵1502，海水驳运泵1502供给海水至低温海水纯化器1601，多介质过滤器，1503、活性炭过滤器1504、精密过滤器1505过滤海水杂质；低温海水制纯水单元16由低温海水纯化器1601、真空泵1602、真空仪1603、遥控阀1604、温度仪1605、盐度仪1606、遥控阀1607、水质监测仪1608、遥控三通阀1609组成，低温海水纯化器1601主要实现海水在吸收废热并真空环境下进行纯化，真空仪1603通过发送低温海水纯化器1601的真空度信号控制真空泵1602的运行功率，以保证合理的真空度，温度仪1605通过发送低温海水纯化器1601的海水温度信号控制遥控阀1604的开度，以保证合理的海水温度，盐度仪1606通过发送低温海水纯化器1601的海水盐度信号控制遥控阀1607开闭，及时排出浓盐水，水质监测仪1608通过发送低温海水纯化器1601制备的纯水是否合格信号控制遥控三通阀1609，当合格时，纯水输送至纯水存储箱1701，当不合格时，纯水重回低温海水纯化器1601。

本发明通过将海上风电、碱性电解水技术、PEM电解水和海水淡水技术有机耦合，形成一种碱性和质子交换膜(PEM)混联海水制氢的系统及方法，海水在低温海水制纯水单元中，通过吸收分别来自碱性电解槽的热碱液和来自PEM电解槽的热纯水废热，不仅可实现碱性电解槽中碱液和PEM电解槽单元的纯水分别维持在合理范围内，从而提高电解效率，还能实现低温蒸馏制备纯水，制备的纯水可作为补给碱性电解槽和PEM电解槽的原料纯水，额外的纯水可以外供作为其他用途。因此，本发明可应用在近岸/离岸海上风电等可再生能源大规模制氢领域。同时，由于该技术是以成分复杂的非淡水为原料进行制氢，因此还能应用于内陆盐碱水、油田采油废水、工业废水、火电厂废水、城市生活废水等领域。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。

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 (5)

1.一种碱性和质子交换膜混联海水制氢的系统，其特征在于，包括：

碱性电解槽整流单元（2）、碱性电解槽单元（3）、氧分离单元（6），碱液过滤循环单元（7），淡水供给单元（8），PEM电解槽整流单元（9），PEM电解槽单元（10），氧气液分离单元（11），氢冷凝分离单元（12），氢干燥单元（13），纯水循环单元（14），海水过滤驳运单元（15）、低温海水制纯水单元（16）以及纯水存储单元（17）；所述纯水存储单元（17）存储低温海水制纯水单元（16）制备的纯水，并可通过淡水供给单元（8）向碱性电解槽单元（3）补充淡水原料，同时可通过纯水循环单元（14）向PEM电解槽单元（10）补充纯水原料；碱性电解槽单元（3）通过碱性电解槽整流单元（2）整流变压后的绿电电解水产生氢气和氧气，所述PEM电解槽单元（10）通过所述PEM电解槽整流单元（9）整流变压的绿电电解水产生氢气和氧气，氧气经所述氧气液分离单元（11）分离水分后，得到的氧气引至安全区域排放，氢气经过所述氢冷凝分离单元（12）、所述氢干燥单元（13）处理后，得到高纯度低露点的氢气；

所述系统还具有：通过所述碱液过滤循环单元（7）实现所述碱性电解槽单元（3）、氢分离单元（4）、所述氧分离单元（6）、低温海水制纯水单元（16）中的碱液循环；

低温海水制纯水单元的海水进口与海水过滤驳运单元相连；低温海水制纯水单元的热碱液进口与碱液过滤循环单元相连；低温海水制纯水单元的碱液出口与碱性电解槽单元相连；低温海水制纯水单元的热纯水进口与纯水循环单元相连；低温海水制纯水单元的循环纯水出口与PEM电解槽单元相连；低温海水制纯水单元制备的纯水出口与纯水存储单元相连；

热碱液在所述低温海水制纯水单元（16）中被海水冷却，达到预设温度范围后进入所述碱性电解槽单元（3）；所述PEM电解槽单元（10）和低温海水制纯水单元（16）通过所述纯水循环单元（14）中的循环淡水进行循环，来自所述PEM电解槽单元（10）的热纯水经低温海水制纯水单元（16）被海水冷却，达到预设温度范围后进入所述PEM电解槽单元（10）；所述海水过滤驳运单元（15）驳运海水至低温海水制纯水单元（16），并吸收来自碱性电解槽单元（3）的热碱液废热和PEM电解槽单元（10）的热纯水废热。

2.根据权利要求1所述的一种碱性和质子交换膜混联海水制氢的系统，其特征在于，所述系统还具有：氢分离单元（4）及氢纯化单元（5）；氢气经过氢分离单元（4）、氢纯化单元（5）处理后得到高纯度低露点氢气，氧气经过所述氧分离单元（6）处理后得到较高纯度氢气，并引至安全区域排放。

3.根据权利要求1所述的一种碱性和质子交换膜混联海水制氢的系统，其特征在于，热碱液在所述低温海水制纯水单元（16）中被海水冷却，冷却的预设温度范围为：80 ℃±5℃。

4.根据权利要求1所述的一种碱性和质子交换膜混联海水制氢的系统，其特征在于，热纯水经低温海水制纯水单元（16）被海水冷却，冷却的预设温度范围为：60 ℃±5 ℃。

5.应用权利要求1-4任意一项所述系统的一种碱性和质子交换膜混联海水制氢的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1： PEM电解槽单元通过PEM电解槽整流单元整流变压后的绿电电解水产生氢气和氧气；

步骤2：氧气经氧气液分离单元分离水分后，得到的氧气引至安全区域排放，氢气经过氢冷凝分离单元、氢干燥单元处理后，得到高纯度低露点的氢气；PEM电解槽单元（10）利用PEM电解槽整流单元（9）整流变压的绿电电解水产生氢气和氧气；

步骤3：碱液过滤循环单元（7）实现碱性电解槽单元（3），氢分离单元（4）和氧分离单元（6）、低温海水制纯水单元（16）中的碱液循环，来自碱性电解槽单元（3）的热碱液在低温海水制纯水单元（16）被海水冷却，达到合理的温度范围；

步骤4：所述PEM电解槽单元和低温海水制纯水单元通过纯水循环单元中的循环淡水进行循环；并通过纯水循环单元向PEM电解槽单元补充纯水原料；来自PEM电解槽单元（10）的热纯水经低温海水制纯水单元（16）被海水冷却，达到合理的温度范围；

步骤5：来自所述PEM电解槽单元的热纯水经低温海水制纯水单元被海水冷却，达到合理的温度范围后进入所述PEM电解槽单元；

步骤6：海水过滤驳运单元驳运海水至低温海水制纯水单元，并吸收来自碱性电解槽单元的热碱液废热和PEM电解槽单元的热纯水废热。