CN213660466U - 氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，其包括氢气纯化单元、氢燃料电池发电单元和能量回馈单元；所述氢气纯化单元包括依次串连设置的脱氯机构、压缩机、脱氧机构、水冷却机构、汽水分离机构和终端净化机构，所述燃料电池发电单元包括依至少一个氢燃料电池堆，所述能量回馈单元包括并网逆变机构，所述脱氯机构与氯碱工业放空尾气气源连接，所述终端净化机构与所述氢燃料电池堆连接，所述并网逆变机构分别与所述氢燃料电池堆和交流电网连接。本实用新型结构简单、组装方便且便于日常维护和检修，且能够直接将对含氢尾气的纯化和燃料电池电堆发电过程进行耦合，从而大大节约了氢气再利用的成本。
Description
技术领域
本实用新型特别涉及一种氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，属于氢气回收利用技术领域。
背景技术
氢气以其来源广、热值高、零污染等特点，长期以来一直被认为是最具发展潜力的清洁能源之一，氢燃料电池是当今氢能应用的重要领域。目前，国内主要氢气来源是煤制氢、天然气、甲醇重整制氢、工业副产氢和电解水制氢，其中，电解水制氢的氢气品质最好，但成本也是最高的。
为了降低燃料氢气的成本和解决大规模储运问题，将工业副产氢气作为燃料电池的氢源，真正做到变废为宝。氯碱行业是工业副产氢的来源之一，目前，国内大多数氯碱企业生产采用电解饱和氯化钠溶液来获取烧碱、氯气，副产品为氢气，从国内调研数据来看，氢气放空率居高不下，每年至少浪费25万吨氢气。这部分氢气具有纯度高，杂质组分简单等特点，一般情况H2含量大于90％，甚至达到98％以上，因此，分离、回收、纯化高纯氢并且耦合燃料电池电堆发电具有很高的商业价值。
氯碱工业副产氢是现阶段最适合的制氢方式，主要基于以下两点判断：从制氢工艺的成本和环保性能角度来看，氯碱制氢的工艺成本最为适中，且所制取的氢气纯度高达99.99％，环保和安全性能也较好，是目前较为适宜的制氢方法；从理论储备和经济储备的角度来看，氯碱工业副产氢的经济储备能够满足长三角地区对于氢气的需求，全国范围来看也储备充足。
目前，制备高纯氢的方法主要有冷凝-低温吸附法、钯膜扩散法、变压吸附法、金属氢化物法等；然，低温吸附法要求原料氢体积分数≥95％，需要精脱CO2、H2S、H2O等成分，具有投资高、能耗大、操作复杂、占地面积大并且消耗液氮等缺点，其对氢气的回收净化率为90～95％；钯膜扩散法要求原料氢体积分数50～90％，需要精脱硫化物，具有投资较低、能耗高、操作简单、占地面积小、靶膜易中毒开裂等特点，其对氢气的回收净化率95％；变压吸附法要求原料氢体积分数40～90％，不需要预处理，具有投资低、能耗低、操作简单、适用各种规模原料气等特点，其对氢气的回收净化率70～96％；金属氢化物法要求原料氢体积分数50～98％，需要精脱O2、CO2、硫化物等成分，具有投资较低、能耗低、操作简单、占地面积中小，生产能力小、工业化程度低等特点，其对氢气的回收净化率70～95％；
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于提供一种氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，以克服现有技术中的不足。
为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：
本实用新型实施例提供了一种氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，其包括氢气纯化单元、氢燃料电池发电单元和能量回馈单元，所述氢气纯化单元至少用于对氯碱工业放空尾气进行纯化处理并将分离获得的氢气输送至燃料电池发电单元，所述氢燃料电池发电单元至少用于以所述氢气为原料进行发电，所述能量回馈单元至少用于将所述氢燃料电池发电单元产生的直流电转换为交流电后接入交流电网；
所述氢气纯化单元包括依次串连设置的脱氯机构、压缩机、脱氧机构、水冷却机构、汽水分离机构和终端净化机构，所述燃料电池发电单元包括依至少一个氢燃料电池堆，所述能量回馈单元包括并网逆变机构，所述脱氯机构与氯碱工业放空尾气气源连接，所述终端净化机构与所述氢燃料电池堆连接，所述并网逆变机构分别与所述氢燃料电池堆和交流电网连接。
与现有技术相比，本实用新型的优点包括：本实用新型实施例提供的一种氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，结构简单、组装方便且便于日常维护和检修，且能够直接将对含氢尾气的纯化和燃料电池电堆发电过程进行耦合，从而大大节约了氢气再利用的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型一典型实施案例中提供的一种氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统的结构示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
针对上述工业高纯氢生产工艺和方法的不足，结合氯碱工业尾气原料特点，提出一种可连续从氯碱工业放空尾气中纯化高纯氢并且耦合燃料电池发电的系统，无疑对突破氯碱工业尾气开发利用的技术瓶颈具有积极的社会意义和商业价值。
本实用新型实施例提出一种可连续从氯碱工业尾气中纯化高纯氢并且耦合燃料电池发电的系统，通过管道回收氯碱含氢尾气并提纯氢气，经过氢气净化设备对尾气除杂，提高氢气产品质量，达到燃料电池发电的要求，整套系统清洁、安全、高效。
本实用新型实施例提供了一种氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，其包括氢气纯化单元、氢燃料电池发电单元和能量回馈单元，所述氢气纯化单元至少用于对氯碱工业放空尾气进行纯化处理并将分离获得的氢气输送至燃料电池发电单元，所述氢燃料电池发电单元至少用于以所述氢气为原料进行发电，所述能量回馈单元至少用于将所述氢燃料电池发电单元产生的直流电转换为交流电后接入交流电网；
所述氢气纯化单元包括依次串连设置的脱氯机构、压缩机、脱氧机构、水冷却机构、汽水分离机构和终端净化机构，所述燃料电池发电单元包括依至少一个氢燃料电池堆，所述能量回馈单元包括并网逆变机构，所述脱氯机构与氯碱工业放空尾气气源连接，所述终端净化机构与所述氢燃料电池堆连接，所述并网逆变机构分别与所述氢燃料电池堆和交流电网连接。
进一步的，所述并网逆变机构包括单向逆变器或双向储能逆变器。
更进一步的，所述双向储能逆变器包括三相桥式变换器。
进一步的，所述脱氯机构包括多个脱氯塔，所述多个脱氯塔以串联和/或并联的方式连接。
更进一步的，所述脱氯机构包括两个并联设置的第一脱氯塔以及一个第二脱氯塔，所述两个第一脱氯塔上均设置有气体入口，所述两个第一脱氯塔的气体入口与氯碱工业放空尾气气源连接，所述两个第一脱氯塔合路后再与所述第二脱氯塔连接，所述第二脱氯塔与压缩机连接。
进一步的，所述脱氧机构包括并联设置的多个脱氧塔，所述多个脱氧塔交替作业。
进一步的，所述终端净化机构包括并联设置的多个吸附塔，所述多个吸附塔交替作业。
进一步的，所述脱氯机构与氯碱工业放空尾气气源之间的进气管路上还设置有第一防爆器，所述压缩机与所述脱氧机构之间的管路上还设置有第二防爆器。
进一步的，所述汽水分离机构还与排水器连接。
进一步的，所述氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统还包括控制单元，所述控制单元包括控制器以及多个在线分析仪表、显示仪表和自动阀门，所述在线分析仪表、显示仪表和自动阀门至少设置在所述氢气纯化单元内的管路上以及连接氢气纯化单元、氢燃料电池发电单元的管路上，所述控制器与所述在线分析仪表、显示仪表和自动阀门连接。
如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本实用新型中所采用的诸如脱氯塔、脱氧塔等各种功能机构均可以采用本领域技术人员已知的，其中所采用的数控程序等均可以通过市购获得。
本实用新型实施例提供的一种氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统采用精脱氯、压缩机增压、脱氧、水冷却、氢气反流、终端净化、燃料电池发电并网的技术路线。
请参阅图1，一种氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，其包括通过管路依次串连设置的脱氯机构2、压缩机3、脱氧机构5、水冷却机构6、汽水分离机构7、终端净化机构9、减压机构(图中未示出)、氢燃料电池堆10和并网逆变机构11，其中，脱氯机构2的气体入口与氯碱工业放空尾气气源相连，压缩机3的气体入口与脱氯机构2顶部的气体出口相连，压缩机3的气体出口与脱氧机构5的气体入口相连、脱氧机构5的气体出口通过管路与水冷却机构6的物料入口相连、水冷却机构的气体出口通过管路与汽水分离机构7中的气体入口相连，汽水分离机构7的气体出口与终端净化机构9的气体入口相连，终端净化机构9的氢气出口与减压机构的入口相连，减压机构出口与氢燃料电池电堆10的氢气入口相连，所述并网逆变机构11分别与所述氢燃料电池堆10和交流电网12连接；氯碱工业放空尾气依次经脱氯机构2、压缩机3、脱氧机构5、水冷却机构6、汽水分离机构7、终端净化机构9进行纯化处理获得高纯氢气，高纯氢气被通入氢燃料电池堆10进行燃烧发电，由氢燃料电池堆10输出的直流电能经并网逆变机构11逆变后输出380V 50HZ的电能，供用户内部使用或并网收取电费。
具体的，所述并网逆变机构11包括单向逆变器或双向储能逆变器，所述双向储能逆变器包括三相桥式变换器(其可以通过市购获得)，通过三相桥式变换器将氢燃料电池电堆10输出的直流电压变换为高频的三相斩波电压，并通过变压器、LC滤波器转换成正弦波电压后并入电网发电，为了使系统能量得以最大利用，获得最大功率发电，在并网逆变机构11直流侧使用了先进的MPPT算法，在额定功率时总电流波形畸变率小于3％，功率因数大于0.99，最大效率96.5％
具体的，所述脱氯机构2包括多个脱氯塔2A、2B，所述多个脱氯塔以串联和/或并联的方式连接，脱氯塔脱氯的方法包括但不限于使用碱性还原法、碱液中和法、硫酸亚铁或氯化亚铁吸收法、四氯化碳吸收法、水吸收法、吸附法中的一种或几种组合；例如，所述脱氯机构2包括两个并联设置的第一脱氯塔以及一个第二脱氯塔，所述两个第一脱氯塔上均设置有气体入口，所述两个第一脱氯塔的气体入口与氯碱工业放空尾气气源连接，所述两个第一脱氯塔合路后再与所述第二脱氯塔连接，所述第二脱氯塔与压缩机3连接。
具体的，所述脱氧机构5包括并联设置的多个脱氧塔，所述多个脱氧塔交替作业，脱氧作业方法包括但不限于使用热力除氧、脱氧剂中的一种或两种组合的方式进行脱氧；所述终端净化机构9包括并联设置的多个吸附塔9A、9B，所述多个吸附塔交替作业。
具体的，所述脱氯机构2与氯碱工业放空尾气气源之间的进气管路上还设置有第一防爆器1，所述压缩机3与所述脱氧机构5之间的管路上还设置有第二防爆器4，以及，所述汽水分离机构7还与排水器8连接，另外，所述的压缩机3、水冷却机构6上还分别设有与循环冷却水相连的入口和出口，压缩机3、水冷却机构6分别与水循环机构连接。
具体的，所述氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统还包括控制单元，所述控制单元包括控制器以及多个在线分析仪表、显示仪表和自动阀门，所述在线分析仪表、显示仪表和自动阀门至少设置在所述氢气纯化单元内的管路上以及连接氢气纯化单元、氢燃料电池发电单元的管路上，所述控制器与所述在线分析仪表、显示仪表和自动阀门连接，其中，所述的控制器可以是PLC控制器等。
具体的，所述氢燃料电池电堆采用高性能膜电极以提高燃料电池效率，所述高性能膜电极包括双层双极板，在两层双极板之间通冷却液以保证大面积膜电极和大体积电池堆的良好的换热性能，提高电池堆运行的稳定性；另外，采用石墨双极板可以避免金属双极板的腐蚀作用，延长电池堆寿命。
例如，所述高性能膜电极具有功率密度大(可达2.5Kw/L)、抗一氧化碳中毒、抗反极等优点，所述的极板可以是石墨极板，通过特殊的流场设计，以保障膜电极进气、冷却均匀。
具体的，一种氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统的工作过程可以包括：来自氯碱厂的含氢尾气首先经过脱氯机构2除去尾气中的氯气，脱氯机构2所使用的碱性还原液可以是Na2S还原液，废液中的单质硫可过滤回收，产生的氯化钠溶液可以回收以制备精盐水，Na2S还原液还可消耗尾气中的部分氧气，减轻了后段处理氧的负担，使所得到的氢气更加纯净，脱氯效果由氯含量分析仪定时采样检测；以压缩机3进行增压，使含氢尾气的压力在进入脱氧机构5之前增压到0.8Mpa，为后续净化提供压力，所述脱氧机构5中装填的脱氧剂可以是贵金属催化剂，贵金属催化剂一般使用铂族催化剂，可采用浸渍、喷涂等方法将活性成分附着在载体上，经过焙烧制成需要的形貌，其作用主要是把尾气中的氧深度脱除，使氧含量降到1ppm以下；在吸附塔内分层填装不同性能的吸附剂，确保一台吸附塔能够同时去除多种杂质，从而简化工艺流程，所述吸附塔的上层设置粗孔硅胶等吸水材料，中层设置5A分子筛等除氮材料，下层设置13X分子筛等除CO、CO2、烃类等材料。
实施例1
采用如图1所示的一种氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统进行氢气纯化处理并将提取纯化的氢气进行发电的过程包括：
提供如图1所示的一种氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统；
氯碱工业放空尾气包含如下组分(按体积分数计)：96.15％氢气、1.3％氧气、1.43％氮气、1.12％氯气，气体流量为200～5000Nm3/h。
采用碱性还原液Na2S淋洗的方式除去其中的氯气，含氢尾气中的氯气与硫化钠发生反应，生成可溶于水的氯化钠而从尾气中除去，硫化钠也能与部分氧气反应，减轻了后续除氧的负担。
以压缩机将管路中的尾气压力增压至0.8Mpa，为后续净化提供压力，尾气进入脱氧塔，脱氧塔中装填的脱氧剂采用钯金属催化剂，将剩余的氧气和氢气在钯触媒的作用下生成水，从而把尾气中的氧深度脱除，使氧含量降到1ppm以下；由于脱氧过程会产生热量，气体要经过水冷却机构冷却，冷凝水经过排水器排出，出口氢气经冷凝后接近常温，进入吸附塔，吸附后产品气组分(按体积分数计)：氢气含量99.999％，氧气含量：0.00005％，氮气含量：0.00005％，氯气含量：未检出，CO含量：未检出。
氢燃料电池使用的氢气标准：氢含量：99.97％，CO含量≤0.2ppm，将以上处理后获得的氢气经过减压后通入青岛创启信德新能源科技有限公司自主研发的40KW氢燃料电池电堆组内发电，输出的直流电能经多台单向100KW并网逆变器逆变为与电网同频率、同相位的正弦交流电能，一部分给当地负荷供电，剩余的电力馈入电网。
本实用新型实施例提供的一种氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，结构简单、组装方便且便于日常维护和检修，且能够直接将对含氢尾气的纯化和燃料电池电堆发电过程进行耦合，从而大大节约了氢气再利用的成本。
本实用新型实施例提供的一种氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统还具有如下优点：
资源利用率高，废气中的氢处理率达到100％，处理后的氢气可直接用于燃料电池发电，清洁无污染，满足环保及能源可持续发展的要求；工艺简单，采用净化前处理+吸附塔耦合联用技术实现氯碱废气的精密净化，从而满足后续燃料电池的需要，处理工艺简单，经济效益显著；
环保清洁，相比于现有的燃烧和直排工艺，该技术更加清洁、环保，真正实现无污染物排放，实现化工废气的最清洁高效利用。
处理成本低廉、处理效率高、无二次污染、所需设备规模小、工艺放大较容易，与传统含氢废气处理方法相比能最大限度的回收提纯氢资源。
应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，其特征在于包括氢气纯化单元、氢燃料电池发电单元和能量回馈单元，所述氢气纯化单元至少用于对氯碱工业放空尾气进行纯化处理并将分离获得的氢气输送至燃料电池发电单元，所述氢燃料电池发电单元至少用于以所述氢气为原料进行发电，所述能量回馈单元至少用于将所述氢燃料电池发电单元产生的直流电转换为交流电后接入交流电网；
所述氢气纯化单元包括依次串连设置的脱氯机构、压缩机、脱氧机构、水冷却机构、汽水分离机构和终端净化机构，所述燃料电池发电单元包括依至少一个氢燃料电池堆，所述能量回馈单元包括并网逆变机构，所述脱氯机构与氯碱工业放空尾气气源连接，所述终端净化机构与所述氢燃料电池堆连接，所述并网逆变机构分别与所述氢燃料电池堆和交流电网连接。
2.根据权利要求1所述氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，其特征在于：所述并网逆变机构包括单向逆变器或双向储能逆变器。
3.根据权利要求2所述氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，其特征在于：所述双向储能逆变器包括三相桥式变换器。
4.根据权利要求1所述氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，其特征在于：所述脱氯机构包括多个脱氯塔，所述多个脱氯塔以串联和/或并联的方式连接。
5.根据权利要求4所述氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，其特征在于：所述脱氯机构包括两个并联设置的第一脱氯塔以及一个第二脱氯塔，所述两个第一脱氯塔上均设置有气体入口，所述两个第一脱氯塔的气体入口与氯碱工业放空尾气气源连接，所述两个第一脱氯塔合路后再与所述第二脱氯塔连接，所述第二脱氯塔与压缩机连接。
6.根据权利要求1所述氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，其特征在于：所述脱氧机构包括并联设置的多个脱氧塔，所述多个脱氧塔交替作业。
7.根据权利要求1所述氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，其特征在于：所述终端净化机构包括并联设置的多个吸附塔，所述多个吸附塔交替作业。
8.根据权利要求1所述氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，其特征在于：所述脱氯机构与氯碱工业放空尾气气源之间的进气管路上还设置有第一防爆器，所述压缩机与所述脱氧机构之间的管路上还设置有第二防爆器。
9.根据权利要求1所述氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，其特征在于：所述汽水分离机构还与排水器连接。
10.根据权利要求1所述氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统，其特征在于还包括控制单元，所述控制单元包括控制器以及多个在线分析仪表、显示仪表和自动阀门，所述在线分析仪表、显示仪表和自动阀门至少设置在所述氢气纯化单元内的管路上以及连接氢气纯化单元、氢燃料电池发电单元的管路上，所述控制器与所述在线分析仪表、显示仪表和自动阀门连接。
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|---|---|---|---|
| CN202022969560.1U CN213660466U (zh) | 2020-12-10 | 2020-12-10 | 氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统 |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN213660466U true CN213660466U (zh) | 2021-07-09 |
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| CN202022969560.1U Active CN213660466U (zh) | 2020-12-10 | 2020-12-10 | 氯碱氢气纯化耦合燃料电池电堆发电系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| CN (1) | CN213660466U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113235114A (zh) * | 2021-05-10 | 2021-08-10 | 清华大学 | 一种基于氯碱副产氢的原位燃料电池热电联供系统 |
| CN115085278A (zh) * | 2022-08-23 | 2022-09-20 | 深圳市南科动力科技有限公司 | 一种氢燃料电池发电系统及其发电方法 |
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2020
- 2020-12-10 CN CN202022969560.1U patent/CN213660466U/zh active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhao Hong Inventor after: Liu Maocheng Inventor after: Zhang Jiyao Inventor after: Zhen Chongli Inventor before: Zhao Hong Inventor before: Liu Maocheng Inventor before: Zhang Jiyao |