CN211854136U - 一种电解水制氢余热利用系统 - Google Patents

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张畅
任志博
郜时旺
刘练波
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Abstract

本实用新型公开的一种电解水制氢余热利用系统，属于电解水制氢技术领域。包括电解水制氢系统、膜蒸馏系统、热用户供暖系统和循环冷却系统；将电解水制氢过程中产生的余热，作为膜蒸馏过程的热量来源，用于制备电解水制氢系统的补水，节省了膜蒸馏过程中的加热能耗。相对于传统制水系统，膜蒸馏系统制水的能耗更低。余热梯级利用方式，用于加热膜蒸馏原水后的循环水中仍然带有余热，可以用于热用户如电解制氢车间或集装箱的冬季供暖，保障制氢系统所在空间的温度需求，通过余热的梯级利用，提高了整个电解制氢系统的能量利用效率。该系统设计合理，对电解水制氢的余热进行了梯级综合利用，提高了能量的转换效率，具有良好的应用前景。

Description

一种电解水制氢余热利用系统
技术领域
本实用新型属于电解水制氢技术领域，具体涉及一种电解水制氢余热利用系统。
背景技术
氢能是一种绿色、高效的二次能源，在交通、电力、燃料等领域具有广阔的应用前景。随着风电、光伏等可再生能源的大规模发展，利用可再生能源电解水制氢为氢能提供了绿色、低碳、低成本、可持续的生产方式。然而，电解水制氢相对于煤气化制氢、天然气重整制氢等传统的化石原料制氢，成本还相对较高，主要是由于耗电量较大。电解水制氢的过程中，电能除了通过电极的催化作用产生氢气、氧气外，由于电极、电解液、隔膜存在电阻，电流的热效应会使得电解液的温度逐渐升高，而为了控制电解温度在一定的范围内(60-100℃)，通常需要对电解液进行循环冷却，因此，会导致一部分热能损失，使得电能整体转换效率下降。为了提高电解水制氢的电能转换效率，当前技术发展的热点是改善电极的催化活性，以达到提高电-氢转化效率的目的，但是受限于催化剂成本、使用寿命、工业放大等因素，一些高性能的催化剂尚难实现工业应用。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种电解水制氢余热利用系统，系统设计合理，对电解水制氢的余热进行了梯级综合利用，提高了能量的转换效率。
本实用新型通过以下技术方案来实现：
本实用新型公开了一种电解水制氢余热利用系统，包括电解水制氢系统、膜蒸馏系统、热用户供暖系统和循环冷却系统；电解水制氢系统包括电解槽、电解液换热器、气液分离器、气体冷却器、水雾捕滴器和补水系统；膜蒸馏系统包括膜蒸馏组件、原水辅热系统、原水换热系统和产水换热系统；
电解槽、气液分离器和电解液换热器通过电解液循环管路连接，构成电解液循环回路；气液分离器的纯水进口与补水系统纯水出口连接，气液分离器气体出口与气体冷却器气体进口连接，气体冷却器的气体出口与水雾捕滴器连接，水雾捕滴器连接有氢气和氧气排出管道；气体冷却器的循环水出口与电解液换热器的循环水入口连接，电解液换热器的循环水出口与原水换热系统的循环水入口连接；
原水换热系统的循环水出口与热用户供暖系统连接，原水换热系统、原水辅热系统和膜蒸馏组件通过原水循环管路连接，构成原水循环回路；膜蒸馏组件和产水换热系统间通过产水循环管路构成产水循环回路；产水换热系统的产水出口与补水系统的纯水进口连接，产水换热系统与循环冷却系统通过循环水管路连接，构成循环水循环回路；循环冷却系统与气体冷却器的循环水入口连接，热用户供暖系统与循环冷却系统连接，用户供暖系统、循环冷却系统、气体冷却器、电解液换热器和原水换热系统之间构成循环水循环回路。
优选地，电解槽为碱性电解槽或固体聚合物电解槽。
优选地，电解液换热器、气体冷却器、原水换热系统和产水换热系统为间壁式换热器。
优选地，原水辅热系统为电阻式加热器或间壁式换热器。
优选地，热用户供暖系统为暖气热交换器。
优选地，电解液循环管路、原水循环管路和产水循环管路上均设有温度计和调节阀。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
本实用新型公开的一种电解水制氢余热利用系统，结合电解水制氢系统、膜蒸馏系统、热用户供暖系统和循环冷却系统，将电解水制氢过程中产生的余热，作为膜蒸馏过程的热量来源，用于制备电解水制氢系统的补水，节省了膜蒸馏过程中的加热能耗。相对于采用传统超滤、反渗透等制水系统，膜蒸馏系统制水的能耗更低。采用余热梯级利用方式，用于加热膜蒸馏原水后的循环水中仍然带有余热，可以用于热用户如电解制氢车间或集装箱的冬季供暖，保障制氢系统所在空间的温度需求，通过余热的梯级利用，提高了整个电解制氢系统的能量利用效率。该系统设计合理，对电解水制氢的余热进行了梯级综合利用，提高了能量的转换效率，具有良好的应用前景。
进一步地，电解槽采用碱性电解槽或固体聚合物电解槽，均采用液态电解质，电解质运行温度相近，对本系统的适用性好。
进一步地，电解液换热器、气体冷却器、原水换热系统和产水换热系统采用间壁式换热器，能够通过循环换热过程实现热量的回收和梯级利用。
进一步地，原水辅热系统采用电阻式加热器或间壁式换热器，能够实现对原水温度进行调节，控制产水量。
进一步地，电解液循环管路、原水循环管路和产水循环管路上均设有温度计和调节阀，能够实时监测各系统的温度，并进行调节，保障系统的正常运行。
附图说明
图1为本实用新型的电解水制氢余热利用系统的整体结构示意图。
图中：1-电解水制氢系统，11-电解槽，12-电解液换热器，13-气液分离器，14-气体冷却器，15-水雾捕滴器，16-补水系统，2-膜蒸馏系统，21-膜蒸馏组件，22-原水辅热系统，23-原水换热系统，24-产水换热系统，3-热用户供暖系统，4-循环冷却系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细描述，其内容是对本实用新型的解释而不是限定：
如图1，本实用新型的电解水制氢余热利用系统，包括电解水制氢系统1、膜蒸馏系统2、热用户供暖系统3和循环冷却系统4；电解水制氢系统1包括电解槽11、电解液换热器12、气液分离器13、气体冷却器14、水雾捕滴器15和补水系统16；膜蒸馏系统2包括膜蒸馏组件21、原水辅热系统22、原水换热系统23和产水换热系统24；
电解槽11、气液分离器13和电解液换热器12通过电解液循环管路连接，构成电解液循环回路；气液分离器13的纯水进口与补水系统16纯水出口连接，气液分离器13气体出口与气体冷却器14气体进口连接，气体冷却器14的气体出口与水雾捕滴器15连接，水雾捕滴器15连接有氢气和氧气排出管道；气体冷却器14的循环水出口与电解液换热器12的循环水入口连接，电解液换热器12的循环水出口与原水换热系统23的循环水入口连接；
原水换热系统23的循环水出口与热用户供暖系统3连接，原水换热系统23、原水辅热系统22和膜蒸馏组件21通过原水循环管路连接，构成原水循环回路；膜蒸馏组件21和产水换热系统24间通过产水循环管路构成产水循环回路；产水换热系统24的产水出口与补水系统16的纯水进口连接，产水换热系统24与循环冷却系统4通过循环水管路连接，构成循环水循环回路；循环冷却系统4与气体冷却器14的循环水入口连接，热用户供暖系统3与循环冷却系统4连接，用户供暖系统3、循环冷却系统4、气体冷却器14、电解液换热器12和原水换热系统23之间构成循环水循环回路。
电解槽11优选采用碱性电解槽或固体聚合物电解槽。
电解液换热器12、气体冷却器14、原水换热系统23和产水换热系统24优选采用间壁式换热器。
原水辅热系统22优选采用电阻式加热器或间壁式换热器。
热用户供暖系统优选采用暖气热交换器。
在电解液循环管路、原水循环管路和产水循环管路上设置温度计和调节阀，可以实时监测各系统的运行健康状况，配合自动控制系统，能够实现自动化控制。通常进行如下设置：电解槽11内电解液的运行温度为80～100℃，经电解液换热器12降温后的电解液温度为60～70℃，经原水换热系统23升温后的原水的温度为40～80℃，经产水换热系统24降温后的产水的温度为5～20℃。各装置中温度的设置，有利用对电解反应余热进行高效的梯级综合利用，满足各级对热量的需求。
下面对本实用新型的解水制氢余热利用系统工作方法进行进一步的说明：
电解水制氢系统1的电解槽11中发生电解反应产生氢气和氧气，电解液中的水被逐渐消耗，同时电解槽11中的电解液温度升高至90℃；循环冷却系统4的循环水分为两路，第一路循环水首先进入电解水制氢系统1的气体冷却器14和电解液换热器12，通过换热作用，电解液温度降低至60℃，重新回到电解槽11中；由于换热作用，循环水的温度升高，接着进入膜蒸馏系统2的原水换热系统23，通过换热作用，原水温度升高，再经原水辅热系统22，使得原水的温度升高至60℃；循环水从原水换热系统23出来后进入车间供暖系统，通过换热作用，为车间提供热量。循环冷却系统4的第二路循环水进入膜蒸馏系统2的产水换热系统24，通过换热作用，使得产水温度降低至10℃；膜蒸馏系统2中原水侧温度60℃，产水侧温度10℃，由于膜蒸馏组件21两侧存在蒸汽压力差，驱动原水侧的水以蒸汽形式透过膜进入产水侧，由于温度降低而在产水侧冷凝为液体，原水中的盐份等杂质不能通过膜，原水逐渐较少，产水逐渐增多；膜蒸馏系统2获得品质较高的产水，进入电解水制氢系统1的补水系统16，用于补充电解过程中消耗的水分。
需要说明的是，以上所述仅为本实用新型实施方式的一部分，根据本实用新型所描述的系统所做的等效变化，均包括在本实用新型的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种电解水制氢余热利用系统，其特征在于，包括电解水制氢系统(1)、膜蒸馏系统(2)、热用户供暖系统(3)和循环冷却系统(4)；电解水制氢系统(1)包括电解槽(11)、电解液换热器(12)、气液分离器(13)、气体冷却器(14)、水雾捕滴器(15)和补水系统(16)；膜蒸馏系统(2)包括膜蒸馏组件(21)、原水辅热系统(22)、原水换热系统(23)和产水换热系统(24)；
电解槽(11)、气液分离器(13)和电解液换热器(12)通过电解液循环管路连接，构成电解液循环回路；气液分离器(13)的纯水进口与补水系统(16)纯水出口连接，气液分离器(13)气体出口与气体冷却器(14)气体进口连接，气体冷却器(14)的气体出口与水雾捕滴器(15)连接，水雾捕滴器(15)连接有氢气和氧气排出管道；气体冷却器(14)的循环水出口与电解液换热器(12)的循环水入口连接，电解液换热器(12)的循环水出口与原水换热系统(23)的循环水入口连接；
原水换热系统(23)的循环水出口与热用户供暖系统(3)连接，原水换热系统(23)、原水辅热系统(22)和膜蒸馏组件(21)通过原水循环管路连接，构成原水循环回路；膜蒸馏组件(21)和产水换热系统(24)间通过产水循环管路构成产水循环回路；产水换热系统(24)的产水出口与补水系统(16)的纯水进口连接，产水换热系统(24)与循环冷却系统(4)通过循环水管路连接，构成循环水循环回路；循环冷却系统(4)与气体冷却器(14)的循环水入口连接，热用户供暖系统(3)与循环冷却系统(4)连接，用户供暖系统(3)、循环冷却系统(4)、气体冷却器(14)、电解液换热器(12)和原水换热系统(23)之间构成循环水循环回路。
2.根据权利要求1所述的电解水制氢余热利用系统，其特征在于，电解槽(11)为碱性电解槽或固体聚合物电解槽。
3.根据权利要求1所述的电解水制氢余热利用系统，其特征在于，电解液换热器(12)、气体冷却器(14)、原水换热系统(23)和产水换热系统(24)为间壁式换热器。
4.根据权利要求1所述的电解水制氢余热利用系统，其特征在于，原水辅热系统(22)为电阻式加热器或间壁式换热器。
5.根据权利要求1所述的电解水制氢余热利用系统，其特征在于，热用户供暖系统(3)为暖气热交换器。
6.根据权利要求1所述的电解水制氢余热利用系统，其特征在于，电解液循环管路、原水循环管路和产水循环管路上均设有温度计和调节阀。
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