CN210736904U

CN210736904U - 一种电解氨制氢系统

Info

Publication number: CN210736904U
Application number: CN201920938679.7U
Authority: CN
Inventors: 江莉龙; 罗宇; 陈崇启; 詹瑛瑛
Original assignee: Fuzhou University National Engineering Research Center Of Chemical Fertilizer Catalyst
Current assignee: Fuda Zijin Hydrogen Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2029-06-21

Abstract

本实用新型公开一种电解氨制氢系统，包括储氨罐、氢气收集装置和制氢部件，所述制氢部件包括壳体、设置于所述壳体内电解质层及设置于所述电解质层相对两侧的阳极层和阴极层，所述阳极层与电源的负极连接，所述阴极层与电源的正极连接。本实用新型使用的电解氨制氢系统制备氢气，在阴极层产生氢气，阳极层产生氮气，从而有效地分离制备出的氮气和氢气，直接获得高收率高纯度的氢气。本实用新型剩余氨气从阳极出气口经过管道回流至阳极进气口，不会和阴极产生的氢气混杂。

Description

一种电解氨制氢系统

技术领域

本实用新型属于氢气制备技术领域，具体涉及一种电解氨制氢系统。

背景技术

能源是现代社会发展的根本保证，是人类文明的基石。然而，现有的以化石燃料为基础的能源系统不仅给我们带来了严重的环境污染问题，而且化石燃料大量开采，面临枯竭。寻找可替代化石燃料的新型能源是当今各国能源发展的重要目标。氢作为一种清洁能源载体而备受关注，氢能的开发利用必须解决氢的来源问题，开发安全、高效、经济的供氢、储氢技术是实现氢能利用的根本。如今氢有两种主要的来源，即水电解和化石燃料生产。水电解制氢的工艺过程简单、无污染，但是其成本过高，转换氢需要消耗大量的电能；利用化石燃料生产氢气则需要消耗大量的不可再生能源，同时会向环境中排放大量的温室气体，与使用氢作为能源的目的相违背，这些原因限制了氢气作为一种替代能源的广泛应用。

氨是一种含氢质量分数达17.8％的富氢物质，由于其价格低廉，同时在加压和低温环境时可以转换为液态易于储存和运输，近年来作为制氢的原料受到了关注。利用氨制氢产生的尾气是无污染且结构稳定的氮气，也是适宜如今环保的要求。由氨获取氢主要有三种方式：热分解或催化裂解氨、机械化学法分解氨以及电化学方法分解氨。

传统氨分解需要通过低浓度氨脱除和氢氮分离步骤。尤其是氢氮分离，需要通过PSA或膜分离等技术进行氢氮气分离。其中，PSA装置规模较大，且昂贵，虽然可获得99.9％的氢，但收率仅50～70％；而膜分离收率可达90％以上，但纯度仅为93～95％，为了获得高收率高纯度氢，需要复杂的提纯系统，十分昂贵。因此，亟需一种高收率且能获得高纯度氢的制氢系统。

实用新型内容

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的氨分解制备氢气时收率和纯度无法同时达到要求的缺陷，从而提供一种电解氨制氢系统。

本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提供一种电解氨制氢系统，包括，

储氨罐；

制氢部件，包括壳体、置于所述壳体内的固体氧化物电解池，所述固体氧化物电解池包括电解质层及设置于所述电解质层相对两侧的阳极层和阴极层，所述阳极层与电源的负极连接，所述阴极层与电源的正极连接，并且所述阳极层和阴极层分别与负载相连；靠近所述阳极层的所述壳体侧壁上设置阳极进气口，所述阳极进气口与所述储氨罐连通，靠近所述阴极层且与所述阳极层相对的所述壳体侧壁上设置阴极出气口；

氢气收集装置，与所述阴极出气口连通，以收集氢气。

优选地，所述固体氧化物电解池为阳极支撑型，所述阳极支撑型中电解质层厚度为10-30μm；阳极层厚度为300-1000μm；所述阴极层厚度为10-50μm；

或者，所述固体氧化物电解池为电解质支撑型，所述电解质支撑型中电解质层厚度为300-1000μm；阳极层厚度为10-50μm；所述阴极层厚度为10-50μm。

优选地，还包括，

阳极出气口，设置于靠近所述阳极层的所述壳体侧壁上，且与所述阳极进气口同侧设置，以将所述制氢部件内残余的氨气及分解产生的氮气引出。

优选地，还包括，

膨胀器、第一换热器和第二换热器，所述储氨罐、所述膨胀器和第一换热器依次连通设置；

所述电解质层为氧离子导体电解质层时，所述第一换热器分别与所述阳极进气口和阳极出气口连通，以使氨气与来自所述制氢部件内残余的氨气及分解产生的氮气在所述第一换热器内间接换热；所述第二换热器与干燥器连通，所述第二换热器与所述阴极出气口连通，所述干燥器与所述氢气收集装置连通，以使来自所述阴极出气口的氢气经过第二换热器与干燥器换热后进入所述氢气收集装置内；或者，

所述电解质层为质子导体电解质层时，所述膨胀器依次与所述第二换热器、第一换热器和阳极进气口连接，所述阴极出气口依次与所述第二换热器和氢气收集装置连接，所述阳极出气口与所述第一换热器连接，以使来自所述储氨罐中的氨气在所述第二换热器内与氢气换热，再进入所述第一换热器内与来自所述制氢部件内残余的氨气及分解产生的氮气换热。

优选地，所述电解质层为氧离子导体电解质层时，还包括，

阴极进气口，设置于靠近所述阴极层的所述壳体侧壁上，且与所述阴极出气口同侧设置；

依次连通水罐和蒸发器，所述蒸发器的水蒸气出口依次与所述第二换热器和阴极进气口连接，以使水蒸气在所述第二换热器内与来自所述阴极出气口的氢气换热后，进入所述阴极进气口内。

优选地，所述阳极出气口和所述阳极进气口在制氢部件外部连通，以将所述制氢部件内残余的部分氨气回用于所述制氢部件。

优选地，还包括包覆在阳极层外侧的阳极气体流道，所述阳极进气口和阳极出气口在制氢部件内部与所述阳极气体流道连通，以使氨气进入在阳极层处进行反应并使得氮气和残余氨气通过阳极出气口离开制氢部件。

优选地，还包括包覆在阴极层外侧的阴极气体流道，

所述电解质层为氧离子导体电解质层时，阴极进气口和阴极出气口在制氢部件内部与所述阴极气体流道连通，以使水蒸气进入阴极层处进行反应并使得氢气和残余水蒸气通过阴极出气口离开制氢部件；或者，

所述电解质层为质子导体电解质层是，阴极出气口在制氢部件内部与所述阴极气体流道连通，以使得氢气通过阴极出气口离开制氢部件。

本实用新型总反应为2NH₃＝N₂+3H₂。

本实用新型所使用的电解质不同，其阴阳极半反应也并不相同，

若使用氧离子导体电解质，则电解质材料包括并不限于YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)、ScSZ(氧化钪稳定的氧化锆)、GDC(钆掺杂的氧化铈)、SDC(锶掺杂的氧化铈)或LSGM(锶和镁掺杂的镓酸镧)中的一种，具体半反应为：

阳极：2NH₃+3O^2-＝N₂+3H₂O+6e^-

阴极：3H₂O+6e^-＝3H₂+3O^2-；

阳极层材料为Ni和电解质材料混合的导体材料，阴极层材料为包括但不限于Ni、LSM(镧锶锰)和LSCF(镧锶钴铁)中的一种和电解质材料混合的导体材料。

若使用质子导体电解质，则电解质材料包括并不限于铈酸钡或锆酸钡基钙钛矿材料(锆和钇掺杂铈酸钡、锆钇镱掺杂的铈酸钡、钇掺杂锆酸钡)，具体半反应为：

阳极：2NH₃＝N₂+6H⁺+6e^-

阴极：6e^-+6H⁺＝3H₂；

阳极层材料为Ni和电解质材料混合的导体材料，阴极层材料为包括但不限于Ni、BSCF(钡锶钴铁)、LSCF、PSCF(镨锶钴铁)、SSC(钐锶钴)、LSN(镧锶镍)、PSN(镨锶镍)或PBC(镨钡钴)中的一种和电解质材料混合的导体材料。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

1.本实用新型所使用的电解氨系统来制备氢气，在阴极层产生氢气，阳极层产生氮气，从而有效地分离制备出的氮气和氢气，直接获得高收率高纯度的氢气。

2.本实用新型剩余氨气从阳极出气口经过管道回流至阳极进气口，不会和阴极产生的氢气混杂。

3.本实用新型设置换热器，使得反应产生的高温气体将热量传递给反应前的原料气体，提前预热原料气体，节约能源。

4.本实用新型电解氨的同时，氨气还作为固体氧化物电解池的燃料为电解氢提供电能，在低极化下还能对外发电；仅需要输入少量电能克服极化电压，即可达到理想的产氢率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施方式，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为本实用新型的实施例1和3中电解氨制氢装置的结构示意图；

图2为本实用新型的实施例2中电解氨制氢装置的结构示意图；

图3为本实用新型的实施例1和3中制氢部件的结构示意图；

图4为本实用新型的实施例2中制氢部件的结构示意图。

附图标记说明：

1-制氢部件；2-储氨罐；3-氢气收集装置；4-膨胀器；5-第一换热器；6-第二换热器；7-输氨管道；8-阳极出气管；9-阴极出气管；10-阳极进气口；11-阳极出气口；12-阴极出气口；13-水罐；14-蒸发器；15-输水管道；16-阴极进气口；17-干燥器；

101-电解质层；102-阳极层；103-阴极层；104-电源；105-壳体；106-阳极气体流道；107-阴极气体流道；108-负载。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例公开一种电解氨制氢系统，使用氧离子导体作为电解质。

如图3所示，制氢部件1，包括壳体105、设置于所述壳体105内电解质层101及设置于所述电解质层101相对两侧的阳极层102和阴极层103，所述阳极层102与电源104的负极连接，所述阴极层103与电源104的正极连接，并且所述阳极层102和阴极层103分别与负载108的两端相连；阳极层表面包覆有阳极气体流道106，阴极层包覆有阴极气体流道107，阳极进气口10和阳极出气口11在制氢部件1内部与所述阳极气体流道106连通，阴极进气口16和阴极出气口12在制氢部件1内部与所述阴极气体流道107连通。

本实施例固体氧化物电解池为阳极支撑型，其中氧离子导体电解质层101材料为：YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)，阳极层102为：Ni-YSZ，阴极层103的材料为：LSM-YSZ；氧离子导体电解质层101的厚度为：15μm，阳极层102的厚度为：700μm，阴极层103的厚度为：20μm；电源104电压为：+0.3 V。

如图2所示，本实施例的电解氨制氢系统中储氨罐2延伸出的输氨管道7通过膨胀器4后经过第一换热器5连接到制氢部件1的阳极进气口10；水罐13延伸出的输水管道15通过蒸发器14后经过第二换热器6连接到制氢部件1的阴极进气口16；制氢部件1的阳极出气口11延伸出的阳极出气管8分为两支，一支经过第一换热器5后与空气相通，一支与输氨管道7相连；制氢部件1的阴极出气口12延伸出的阴极出气管9经过第二换热器后6通过干燥器17，和氢气收集装置3相连。

经测试，通过本实施例中的装置进行氨气分解制氢，氢气收率＞93％，得到的氢气纯度≥99.99％。

实施例2

本实施例公开另一种电解氨制氢系统，使用质子导体作为电解质。

如图4所示，制氢部件1，包括壳体105、设置于所述壳体105内电解质层101及设置于所述电解质层101相对两侧的阳极层102和阴极层103，所述阳极层102与电源104的负极连接，所述阴极层103与电源104的正极连接，并且所述阳极层102和阴极层103分别与负载108的两端相连；阳极层表面包覆有阳极气体流道106，阴极层包覆有阴极气体流道107，阳极进气口10和阳极出气口11在制氢部件1内部与所述阳极气体流道106连通，阴极出气口12在制氢部件1内部与所述阴极气体流道107连通。

本实施例固体氧化物电解池为阳极支撑型，其中质子导体电解质层101材料为：BCZY(锆和钇掺杂的铈酸钡)，阳极层102为：Ni-BCZY，阴极层103的材料为：Ni-BCZY；质子导体电解质层101的厚度为：20μm，阳极层102的厚度为：500μm，阴极层103的厚度为：30μm；电源104电压为：+0.3 V。

如图3所示，本实施例的电解氨制氢系统中储氨罐2延伸出的输氨管道7通过膨胀器4后先后经过第二换热器6和第一换热器5连接到制氢部件1的阳极进气口10；制氢部件1的阳极出气口11延伸出的阳极出气管8分为两支，一支经过第一换热器5后与空气相通，一支与输氨管道7相连；制氢部件1的阴极出气口12延伸出的阴极出气管9经过第二换热器后6和氢气收集装置3相连。

实施例3

如图3所示，制氢部件1，包括壳体105、设置于所述壳体105内电解质层101及设置于所述电解质层101相对两侧的阳极层102和阴极层103，所述阳极层102与电源104的负极连接，所述阴极层103与电源104的正极连接；阳极层表面包覆有阳极气体流道106，阴极层包覆有阴极气体流道107，阳极进气口10和阳极出气口11在制氢部件1内部与所述阳极气体流道106连通，阴极进气口16和阴极出气口12在制氢部件1内部与所述阴极气体流道107连通。

本实施例固体氧化物电解池为电解质支撑型，其中氧离子导体电解质层101材料为：GDC(钆掺杂的氧化铈)，阳极层102为：Ni-GDC，阴极层103的材料为：LSCF-GDC；氧离子导体电解质层101的厚度为：700μm，阳极层102的厚度为：25μm，阴极层103的厚度为：40μm；电源104电压为：-0.1V。

实施例4

本实施例公开实施例1和3电解氨制氢系统的制氢方法。

液氨从储氨罐2通过输氨管道进7入膨胀器4中，气化为氨气，然后继续通过输氨管道7经过第一换热器5从阳极进气口10进入制氢部件1；水从水罐13通过输水管道15进入蒸发器14中，加热蒸发为水蒸气，然后继续通过输水管道15经过第二换热器6从阴极进气口16进入制氢部件1；

在制氢部件1内，发生如下反应：

阳极：2NH₃+3O^2-＝N₂+3H₂O+6e^-

阴极：3H₂O+6e^-＝3H₂+3O^2-；

在阳极层102产生的氮气在阳极气体流道106内从阳极出气口11进入阳极出气管8中，部分进入输氨管道7内回流重新进入阳极进气口10内消除剩余的氨气，部分经过第一换热器5时通过第一换热器5将热量传递给输氨管道7内的氨气，然后排入空气；在阴极层103产生的氢气在阴极气体流道107从阴极出气口12进入阴极出气管9中，经过第二换热器6时通过第二换热器6将热量传递给输水管道15内的水蒸气，然后通过干燥器17去除多余的水分，之后被氢气收集装置3收集。

实施例5

本实施例公开实施例2电解氨制氢系统的制氢方法。

液氨从储氨罐2通过输氨管道进7入膨胀器4中，气化为氨气，然后继续通过输氨管道7经过第一换热器5从阳极进气口10进入制氢部件1；

在制氢部件1内，发生如下反应：

阳极：2NH₃＝N₂+6H⁺+6e^-

阴极：6e^-+6H⁺＝3H₂。

在阳极层102产生的氮气从阳极出气口11进入阳极出气管8中，部分进入输氨管道7内回流重新进入阳极进气口10内消除剩余的氨气，部分经过第一换热器5时通过第一换热器5将热量传递给输氨管道7内的氨气，然后排入空气；在阴极层103产生的氢气从阴极出气口12进入阴极出气管9中，经过第二换热器6时通过第二换热器6将热量传递给输氨管道7内的氨气，之后被氢气收集装置3收集。

对比例

本对比例和实施例1相比，区别之处在于，本对比例使用电解水制备氢气，装置和实施例1的区别在于没有储氨罐、膨胀器、第一换热器、输氨管道和阳极进气口。

水从水罐通过输水管道进入蒸发器中，加热蒸发为水蒸气，然后继续通过输水管道经过换热器从阴极进气口进入制氢部件；

在制氢部件1内，发生如下反应：

阳极：3O^2-＝3/2O₂+6e^-

阴极：3H₂O+6e^-＝3H₂+3O^2-；

在阳极层产生的氧气在阳极气体流道内从阳极出气口进入阳极出气管中，然后排入空气；在阴极层产生的氢气在阴极气体流道从阴极出气口进入阴极出气管中，经过换热器时通过换热器将热量传递给输水管道内的水蒸气，然后通过干燥器去除多余的水分，之后被氢气收集装置收集。

试验例

用实施例1-3的电解氨制氢系统和对比例的电解水制氢系统进行制氢试验，测量在同等氢气制备速率时各系统的电耗情况，结果如下表所示：

表1

	电耗(W)
		实施例1	4.0
实施例2	3.2
		实施例3	-0.4(发电)
对比例	16.5

本实用新型利用电解氨制氢，由于氨气也是一种高能量密度的能源载体，可在电解的同时作为能源，能够显著降低电解能耗，由上表可知，实施例1-3的电耗明显小于对比例，其中实施例3氨气作为燃料产生的能量大于制氢时消耗的能量，剩余能量转化为电能提供给负载。

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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims

1.一种电解氨制氢系统，其特征在于，包括，

储氨罐；

制氢部件，包括壳体、设置于所述壳体内固体氧化物电解池，所述固体氧化物电解池包括电解质层及设置于所述电解质层相对两侧的阳极层和阴极层，所述阳极层与电源的负极连接，所述阴极层与电源的正极连接，并且所述阳极层和阴极层分别与负载相连；靠近所述阳极层的所述壳体侧壁上设置阳极进气口，所述阳极进气口与所述储氨罐连通，靠近所述阴极层且与所述阳极层相对的所述壳体侧壁上设置阴极出气口；

氢气收集装置，与所述阴极出气口连通，以收集氢气。

2.根据权利要求1所述的电解氨制氢系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池为阳极支撑型，所述阳极支撑型中电解质层厚度为10-30μm；阳极层厚度为300-1000μm；所述阴极层厚度为10-50μm。

3.根据权利要求1所述的电解氨制氢系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池为电解质支撑型，所述电解质支撑型中电解质层厚度为300-1000μm；阳极层厚度为10-50μm；所述阴极层厚度为10-50μm。

4.根据权利要求3所述的电解氨制氢系统，其特征在于，还包括，

5.根据权利要求4所述的电解氨制氢系统，其特征在于，还包括，

6.根据权利要求5所述的电解氨制氢系统，其特征在于，所述电解质层为氧离子导体电解质层时，还包括，

7.根据权利要求6所述的电解氨制氢系统，其特征在于，所述阳极出气口和所述阳极进气口在制氢部件外部连通，以将所述制氢部件内残余的部分氨气回用于所述制氢部件。

8.根据权利要求7所述的电解氨制氢系统，其特征在于，还包括包覆在阳极层外侧的阳极气体流道，所述阳极进气口和阳极出气口在制氢部件内部与所述阳极气体流道连通，以使氨气进入在阳极层处进行反应并使得氮气和残余氨气通过阳极出气口离开制氢部件。

9.根据权利要求8所述的电解氨制氢系统，其特征在于，还包括包覆在阴极层外侧的阴极气体流道，

当所述电解质层为氧离子导体电解质层时，阴极进气口和阴极出气口在制氢部件内部与所述阴极气体流道连通，以使水蒸气进入阴极层处进行反应并使得氢气和残余水蒸气通过阴极出气口离开制氢部件；或者，

当所述电解质层为质子导体电解质层是，阴极出气口在制氢部件内部与所述阴极气体流道连通，以使得氢气通过阴极出气口离开制氢部件。