CN215062987U - 一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统 - Google Patents

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Sichuan Huaneng Dongxiguan Hydropower Co Ltd
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Abstract

本实用新型公开了一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统，包括电解水制氢单元和热泵单元，所述电解水制氢单元用于电解水制氢气、氧气，并产生热量；所述热泵单元用于回收所述电解水制氢单位的电解水制氢余热，并向对外供热设备提供热源。本实用新型能够利用热泵将电解水制氢过程中产生的低品质热转化成高品质热加以利用，提高整体电能转换效率。

Description

一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统
技术领域
本实用新型属于电解水制氢领域，具体涉及一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统。
背景技术
氢气具有热值高、制取所用原料来源广、燃烧产物无污染等特点，被认为是最具发展潜力的的能源载体。根据制氢过程中的二氧化碳排放量不同，业界将氢气分为灰氢、蓝氢、绿氢等。采用常规方法通过化石能源生产的氢气被称为灰氢，生产过程排放大量二氧化碳。如果在化石燃料制氢过程中进行二氧化碳捕集、封存、利用，使多数二氧化碳都得到妥善处置，获得的氢即为蓝氢。绿氢则是指以可再生能源生产的氢气，全程没有碳排放，是低碳、可持续发展的必然选择。目前，以可再生能源发电获得的清洁电力进行电解制氢是最主要的绿氢生产方式。
在标准状况下，水分解反应的热力学电压为1.23V，然而在实际的电解水过程中，由于动力学因素和电极、电解液、隔膜等电阻的存在，使得实际施加的电压均高于1.23V。高于热力学电压的部分电能会在电解槽内产生热量，为保持电解槽温度操作稳定的稳定，需要通过冷却电解液除去不断产生的热量。因此，电解水制氢过程存在一部分热能损失，使得电能整体转换效率仅达到60％左右(以氢气低温热值计)。
因此，本领域需要开发利用热泵回收电解水制氢余热的系统及方法，提高电解水制氢的电能转换效率。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统，以克服现有技术存在的缺陷，本实用新型能够利用热泵将电解水制氢过程中产生的低品质热转化成高品质热加以利用，提高整体电能转换效率。
为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统，包括电解水制氢单元和热泵单元，所述电解水制氢单元用于电解水制氢气、氧气，并产生热量；所述热泵单元用于回收所述电解水制氢单位的电解水制氢余热，并向对外供热设备提供热源。
进一步地，所述电解水制氢单元产生的高温电解液作为所述热泵单元的高温热源，所述电解水制氢单元产生的高温氢气和高温氧气作为所述热泵单元的低温热源。
进一步地，所述电解水制氢单元包括电解槽、气液分离系统和循环泵，所述热泵单元包括发生器、冷凝器、吸收器和蒸发器；
所述电解槽电解液出口与气液分离系统电解液入口连接，气液分离系统电解液出口与发生器高温热源入口连接，发生器高温热源出口与循环泵入口连接，循环泵出口与电解槽电解液入口连接；气液分离系统高温氢气出口和高温氧气出口与蒸发器低温热源入口连接；
所述发生器的制冷剂出口与冷凝器制冷剂入口连接，冷凝器制冷剂出口与蒸发器制冷剂入口连接，蒸发器制冷剂出口与吸收器制冷剂入口连接；吸收器稀溶液出口与发生器稀溶液入口连接，发生器浓溶液出口与吸收器浓溶液入口连接，吸收器设置的循环水入口，吸收器循环水出口与冷凝器循环水入口连接，冷凝器循环水出口连接对外供热设备。
进一步地，所述对外供热设备的回水连接至吸收器循环水入口。
进一步地，所述电解槽为碱性电解槽或固体聚合物电解槽。
进一步地，所述电解液为KOH碱性溶液或纯水。
进一步地，所述制冷剂为溴化锂溶液或氨水溶液。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
本实用新型根据电解水制氢过程电化学反应伴随放热的特点，利用高温电解液作为吸收式热泵单元的高温热源，利用高温气体产物作为吸收式热泵单元的低温热源，在满足电解水制氢工艺需求的同时实现余热的充分回收，提高电解水制氢过程整体电能转换效率；碱液在热泵单元完成降温，电解水制氢单元不再需要设置碱液冷却器，较少了设备投资；热泵单元中制冷剂作为冷源，电解水制氢单元不再设置传统的冷却循环水系统，降低了对水的消耗，减少了循环水排污水的排放，环保效果显著；同时，利用热泵单元提升电解水制氢过程余热品位，从而实现对外清洁供热。
附图说明
图1为本实用新型的原理图。
其中，1为电解槽、2为气液分离系统、3为循环泵、4为发生器、5为冷凝器、6为蒸发器、7为吸收器。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型实施过程做进一步详细描述：
参考图1，本实用新型所述的一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统包括电解水制氢单元和热泵单元，其中，电解水制氢单元用于电解水制氢氢气、氧气，并产生热量；热泵单元用于回收电解水制氢余热，并向对外供热设备提供热源，所述电解水制氢单元产生的高温电解液为热泵单元的高温热源，电解水制氢单元产生的高温氢气和高温氧气为热泵单元的低温热源，所述电解水制氢单元包括电解槽1、气液分离系统2和循环泵3，热泵单元包括发生器4、冷凝器5、吸收器7和蒸发器6。
其中电解槽1、气液分离系统2和循环泵3通过电解液循环管路连接，构成电解液循环回路；电解槽1电解液出口与气液分离系统2电解液入口连接，气液分离系统2电解液出口与发生器4高温热源入口连接，发生器4高温热源出口与循环泵3入口连接，循环泵3出口与电解槽1电解液入口连接；气液分离系统2高温氢气出口和高温氧气出口与蒸发器6低温热源入口连接。
其中发生器4的制冷剂出口与冷凝器5制冷剂入口连接，冷凝器5制冷剂出口与蒸发器6制冷剂入口连接，蒸发器6制冷剂出口与吸收器7制冷剂入口连接；吸收器7稀溶液出口与发生器4稀溶液入口连接，发生器4浓溶液出口与吸收器7浓溶液入口连接，吸收器7设置的循环水入口，吸收器7 循环水出口与冷凝器5循环水入口连接，冷凝器5循环水出口连接对外供热设备，对外供热设备的回水接入吸收器7循环水入口。
电解水制氢单元所用电解槽3为碱性电解槽或固体聚合物电解槽，电解液为KOH碱性溶液或纯水，热泵单元所用制冷剂为溴化锂溶液或氨水溶液。
本实用新型所述的一种利用热泵回收电解水制氢余热的方法包括以下步骤：
电解制氢单元内电解槽1中水在直流电作用下分解生产氢气和氧气并释放热量，电解液中的水被逐渐消耗，温度升高；气体产物随电解液一起进入气液分离系统2进行气液分离，得到高温电解液通入发生器4为热泵单元提供高温热源，经冷却降温后的电解液由循环泵3重新泵入电解槽1完成电解液循环；气液分离得到的高温氢气和高温氧气通入蒸发器6为热泵单元提供低温热源，经冷却降温后的氢气和氧气进入后续气体处理单元。
高温氢气和高温氧气通入蒸发器6，制冷剂吸收高温电解液中的余热蒸发；吸收器7中浓溶液吸收来自蒸发器的制冷剂蒸汽，吸收过程放热加热循环水，实现循环水一次升温。与此同时，在吸收器7内浓溶液变成稀溶液进入发生器4；高温电解液通入发生器4加热稀溶液，低沸点制冷剂蒸发，稀溶液变为浓溶液，浓溶液返回吸收器7进行吸收；发生器4中蒸发的制冷剂蒸汽进入冷凝器5冷凝成液态制冷剂进入蒸发器6，蒸发过程放热加热循环水，实现循环水二次升温。如此反复，实现热泵循环。
电解水制氢单元中产生的余热在热泵单元被移除，电解液温度能够保持稳定，产物氢气和氧气温度降至后续处理所需工艺温度，在满足电解水制氢工艺需求的同时实现余热的充分回收，提高电解水制氢过程整体电能转换效率。同时，利用热泵单元提升电解水制氢过程余热品位，二次升温后的循环水提供给对外供热设备，从而实现对外清洁供热。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统，其特征在于，包括电解水制氢单元和热泵单元，所述电解水制氢单元用于电解水制氢气、氧气，并产生热量；所述热泵单元用于回收所述电解水制氢单位的电解水制氢余热，并向对外供热设备提供热源；
所述电解水制氢单元包括电解槽(1)、气液分离系统(2)和循环泵(3)，所述热泵单元包括发生器(4)、冷凝器(5)、吸收器(7)和蒸发器(6)；
所述电解槽(1)电解液出口与气液分离系统(2)电解液入口连接，气液分离系统(2)电解液出口与发生器(4)高温热源入口连接，发生器(4)高温热源出口与循环泵(3)入口连接，循环泵(3)出口与电解槽(1)电解液入口连接；气液分离系统(2)高温氢气出口和高温氧气出口与蒸发器(6)低温热源入口连接；
所述发生器(4)的制冷剂出口与冷凝器(5)制冷剂入口连接，冷凝器(5)制冷剂出口与蒸发器(6)制冷剂入口连接，蒸发器(6)制冷剂出口与吸收器(7)制冷剂入口连接；吸收器(7)稀溶液出口与发生器(4)稀溶液入口连接，发生器(4)浓溶液出口与吸收器(7)浓溶液入口连接，吸收器(7)设置的循环水入口，吸收器(7)循环水出口与冷凝器(5)循环水入口连接，冷凝器(5)循环水出口连接对外供热设备。
2.根据权利要求1所述的一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统，其特征在于，所述电解水制氢单元产生的高温电解液作为所述热泵单元的高温热源，所述电解水制氢单元产生的高温氢气和高温氧气作为所述热泵单元的低温热源。
3.根据权利要求1所述的一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统，其特征在于，所述对外供热设备的回水连接至吸收器(7)循环水入口。
4.根据权利要求1所述的一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统，其特征在于，所述电解槽(1)为碱性电解槽或固体聚合物电解槽。
5.根据权利要求4所述的一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统，其特征在于，所述电解液为KOH碱性溶液或纯水。
6.根据权利要求1所述的一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统，其特征在于，所述制冷剂为溴化锂溶液或氨水溶液。
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CN113137783A (zh) * 2021-05-17 2021-07-20 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种利用热泵回收电解水制氢余热的系统及方法

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