CN217857673U - 一种电解海水制氢系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种电解海水制氢系统，包括：电解槽；与电解槽的海水入口和海水出口相连的海水贮罐装置；与电解槽的废液出口相连的废液贮罐装置；以及与电解槽的酸液入口相连的酸液贮罐装置；所述电解槽包括电解制氢单元，所述电解制氢单元包括阴极、阳极和隔膜；所述酸液贮罐装置的出口与电解槽的酸液入口之间并联设置第一酸液泵和第二酸液泵，所述第一酸液泵与电解槽的阴极相连，所述第二酸液泵与电解槽的阳极相连。所述电解海水制氢系统利用脉冲冲力和高浓度酸液的腐蚀作用对阴极和阳极交替进行洗涤，可以避免电解槽活性位点上形成结垢层，保持高电解制氢活性。
Description
技术领域
本实用新型属于氢能及海水资源利用领域，具体涉及一种电解海水制氢系统。
背景技术
电解水制氢是目前可实现大规模绿氢制备的技术方法，对推进氢能社会建设、实现双碳目标具有至关重要的作用。目前主流的电解水制氢技术包括碱性电解水(AE)制氢、质子交换膜(PEM)制氢和高温固体氧化物电解(SOEC)制氢，均对原料水的水质有较高要求，即使在水资源丰富的地区，原水也往往需经过纯化方可得到应用，电解水制氢过程繁琐，成本高，限制了电解水制氢技术的发展。
海水在地球上的储量丰富，且海上风能、太阳能和波浪能等资源丰富。现有技术中，对利用海上可再生能源发电耦合海水电解制氢展开了尝试。海水的含盐量高，在现有的海上制氢项目中大多需经过反渗透等过程对海水进行预处理，处理难度大，成本高，出水水质不稳定，影响电解制氢设备的寿命及性能。
采用海水直接制氢时，海水中高含量的氯离子对目前电解制氢的金属电极催化材料产生严重的腐蚀，造成材料和系统的性能及寿命降低。同时，海水中钙镁离子在电解过程中与产生的氢氧根离子结合形成沉淀，堵塞活性位点，导致催化剂失效。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种电解海水制氢系统，有利于避免电解槽活性位点上形成结垢层，保持较高的电解制氢活性。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案为一种电解海水制氢系统，包括：电解槽；与电解槽的海水入口和海水出口相连的海水贮罐装置；与电解槽的废液出口相连的废液贮罐装置；以及与电解槽的酸液入口相连的酸液贮罐装置；所述电解槽包括电解制氢单元，所述电解制氢单元包括阴极、阳极和隔膜；所述酸液贮罐装置的出口与电解槽的酸液入口之间并联设置第一酸液泵和第二酸液泵，所述第一酸液泵与电解槽的阴极相连，所述第二酸液泵与电解槽的阳极相连。
本实用新型所述电解槽包括电解制氢单元，所述电解制氢单元包括阴极、阳极和隔膜，所述阴极和阳极相互独立地包括电极基体，或者，所述阴极和阳极相互独立地包括电极基体和复合在电极基体表面的催化层。所述电极基体厚度为100～500μm，选自铁、镍、钴和钼中的一种或多种。所述催化层厚度为50～500nm，为层状双金属氢氧化物。
本实用新型所述电解海水制氢系统中，所述海水贮罐装置的出口与电解槽的海水入口之间设置海水泵，所述废液贮罐装置的入口与电解槽的废液出口之间设置废液泵。
本实用新型提供的电解海水制氢系统，包括：电解槽；与电解槽的海水入口和海水出口相连的海水贮罐装置；与电解槽的废液出口相连的废液贮罐装置；以及与电解槽的酸液入口相连的酸液贮罐装置；所述电解槽包括电解制氢单元，所述电解制氢单元包括阴极、阳极和隔膜；所述酸液贮罐装置的出口与电解槽的酸液入口之间并联设置第一酸液泵和第二酸液泵，所述第一酸液泵与电解槽的阴极相连，所述第二酸液泵与电解槽的阳极相连。电解海水制氢系统在电极表面产生的结垢尚未形成牢固结合时利用脉冲冲力和高浓度酸液的腐蚀作用对阴极和阳极交替进行洗涤，电极表面形成的钙镁颗粒得到冲刷，可以避免电解槽活性位点形成牢固结垢层，避免产生物理阻塞损失，保持高电解制氢活性。同时，电极基体表面催化层的纳米层状双金属氢氧化物具有较大的比表面积和孔隙率，金属之间具有协同作用，改善了催化层的活性表现，具有较高的氯离子耐受性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为电解海水制氢系统结构示意图；
图2为电解海水制氢系统的电极结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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。
本实用新型提供的电解海水制氢系统，包括：电解槽；与电解槽的海水入口和海水出口相连的海水贮罐装置；与电解槽的废液出口相连的废液贮罐装置；以及与电解槽的酸液入口相连的酸液贮罐装置；所述电解槽包括电解制氢单元，所述电解制氢单元包括阴极、阳极和隔膜；所述酸液贮罐装置的出口与电解槽的酸液入口之间并联设置第一酸液泵和第二酸液泵，所述第一酸液泵与电解槽的阴极相连，所述第二酸液泵与电解槽的阳极相连。
本实用新型所述电解槽包括电解制氢单元，所述电解制氢单元包括阴极、阳极和隔膜，构成阴极室和阳极室，所述阴极和阳极相互独立地包括电极基体，或者，所述阴极和阳极相互独立地包括电极基体和复合在电极基体表面的催化层。所述电极基体厚度为100～500μm，优选为300～500μm，电极基体相互独立地为多孔或致密的导电金属，选自铁、镍、钴和钼中的一种或多种，可以为市购得到，例如泡沫镍。所述催化层厚度为50～500nm，优选为50～200nm，催化层为层状双金属氢氧化物，可以通过市购得到，例如镍铁层状双金属氢氧化物。
本实用新型所述海水贮罐装置的出口与电解槽的海水入口相连，海水贮罐装置的出口与电解槽的海水入口之间设置海水泵。
本实用新型所述述废液贮罐装置的入口与电解槽的废液出口相连，废液贮罐装置的入口与电解槽的废液出口之间设置废液泵。
本实用新型所述酸液贮罐装置的出口与电解槽的酸液入口相连，所述酸液贮罐装置的出口与电解槽的酸液入口之间并联设置第一酸液泵和第二酸液泵，所述第一酸液泵与电解槽的阴极相连，所述第二酸液泵与电解槽的阳极相连。
本实用新型所述电解海水制氢系统的结构参见图1，图1为电解海水制氢系统结构示意图，所述电解制氢系统包括：电解槽1、酸液贮罐装置2、海水贮罐装置3、废液贮罐装置4、第一酸液泵5.1、第二酸液泵5.2、海水泵6和废液泵7。所述电解槽1的阴极室和阳极室分别有海水入口、海水出口、酸液入口和废液出口。所述阴极室和阳极室的海水入口、废液出口可以分别汇总到相同的海水入口管、排污管，所述阴极室和阳极室的海水出口、酸液入口可以分别汇总到不同的阴极和阳极海水出口管、酸液入口管。所述酸液贮罐装置2的酸液出口分别连接第一酸液泵5.1和第二酸液泵5.2的入口，所述第一酸液泵5.1的出口连接所述电解槽1阴极室的酸液入口，所述第二酸液泵5.2的出口连接所述电解槽1阳极室的酸液入口。所述海水贮罐装置3的海水出口连接海水泵6的入口，所述海水泵6的出口连接所述电解槽1阴极室和阳极室的海水入口。所述电解槽1阴极室的海水出口管中的海水经气液分离后回到海水贮罐装置3。所述电解槽1阳极室的海水出口管中的海水经气液分离后回到海水贮罐装置3。所述电解槽1的废液出口连接废液泵7的入口，废液泵7的出口连接废液贮罐装置4的废液入口。
本实用新型所述电解海水制氢系统可以直接应用于电解制氢中，在此不做限定。所述电解制氢系统的工作流程可以为以下步骤：
采用腐蚀活化、电解制氢和脉冲酸化洗涤循环进行，首先进行电极腐蚀活化，打开海水泵，关闭酸液泵、废液泵，使海水在电解槽中循环12h以上，海水中氯离子的存在加速了电极的金属腐蚀进程，海水中的Ca2+、Mg2+等二价离子与基体金属共同原位沉积，形成层状双金属氢氧化物结构的催化层，得到电解海水制氢系统的电极。电极结构参见图2，图2为电解海水制氢系统的电极结构示意图，所述电解海水制氢系统的电极包括电极基体1.1和催化层1.2。采用廉价的电极基体材料，利用海水中的氯离子对电极基体进行腐蚀活化，电极基体表面原位产生纳米层状双金属氢氧化物结构的催化层，所述催化层具有较大的比表面积和孔隙率，金属之间具有协同作用，改善了催化层的活性表现，具有较高的氯离子耐受性。
腐蚀活化后，进行电解制氢，打开海水泵，关闭酸液泵和废液泵，接通阴极和阳极电源，以海水为电解液，在电解槽内开始电解制氢，所述电解槽包括电解制氢单元，所述电解制氢单元包括阴极、阳极和隔膜，在阴极和阳极分别收集得到氢气和氧气。电解制氢过程中，比较电解槽的实时电压与原始电压，若所述实时电压比所述原始电压升高5％以上，进行脉冲酸化洗涤，所述脉冲酸化洗涤为交替对电解槽的阴极和阳极进行洗涤，具体为：若电解制氢T1时间时，所述实时电压比所述原始电压升高5％以上，打开第一酸液泵，对电解槽的阴极进行脉冲酸化洗涤，洗涤时间为1～2min，关闭第一酸液泵；电解制氢过程中，比较电解槽的实时电压与原始电压，若电解槽的阴极的脉冲酸化洗涤结束后电解制氢T2时间时，所述实时电压比所述原始电压升高5％以上，打开第二酸液泵，对电解槽的阳极进行脉冲酸化洗涤，洗涤时间为1～2min，关闭第二酸液泵。在电极表面产生的结垢尚未形成牢固结合时利用脉冲冲力和高浓度酸液的腐蚀作用对电极表面形成的钙镁颗粒进行冲刷，避免了活性位点的物理阻塞损失，保持了高反应活性。
从电解制氢过程的起点开始，当观测到海水贮槽的pH累积降低达到初始值的10％以上，打开废液泵，将海水作为废液排放，排放时间优选为5～10min，关闭废液泵。
采用腐蚀活化、电解制氢和脉冲酸化洗涤循环进行，可以及时去除电解制氢过程中形成的钙镁颗粒，避免活性位点上形成牢固结垢层，保持了高反应活性。
本实用新型所述电解海水制氢系统中，所述阴极和阳极相互独立地包括电极基体和复合在电极基体表面的催化层，电解海水制氢系统的工作流程还可以为以下步骤：
采用电解制氢和脉冲酸化洗涤循环进行，首先进行电解制氢，打开海水泵，关闭酸液泵和废液泵，接通阴极和阳极电源，以海水为电解液，在电解槽内开始电解制氢，所述电解槽包括电解制氢单元，所述电解制氢单元包括阴极、阳极和隔膜，在阴极和阳极分别收集得到氢气和氧气。电解制氢过程中，比较电解槽的实时电压与原始电压，若所述实时电压比所述原始电压升高5％以上，进行脉冲酸化洗涤，所述脉冲酸化洗涤为交替对电解槽的阴极和阳极进行洗涤，具体为：若电解制氢T1时间时，所述实时电压比所述原始电压升高5％以上，打开第一酸液泵，对电解槽的阴极进行脉冲酸化洗涤，洗涤时间为1～2min，关闭第一酸液泵；电解制氢过程中，比较电解槽的实时电压与原始电压，若电解槽的阴极的脉冲酸化洗涤结束后电解制氢T2时间时，所述实时电压比所述原始电压升高5％以上，打开第二酸液泵，对电解槽的阳极进行脉冲酸化洗涤，洗涤时间为1～2min，关闭第二酸液泵。在电极表面产生的结垢尚未形成牢固结合时利用脉冲冲力和高浓度酸液的腐蚀作用对电极表面形成的钙镁颗粒进行冲刷，避免了活性位点的物理阻塞损失，保持了高反应活性。
从电解制氢过程的起点开始，当观测到海水贮槽的pH累积降低达到初始值的10％以上，打开废液泵，将海水作为废液排放，排放时间优选为5～10min，关闭废液泵。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种电解海水制氢系统，其特征在于，包括：
电解槽；
与电解槽的海水入口和海水出口相连的海水贮罐装置；
与电解槽的废液出口相连的废液贮罐装置；
以及与电解槽的酸液入口相连的酸液贮罐装置；
所述电解槽包括电解制氢单元，所述电解制氢单元包括阴极、阳极和隔膜；
所述酸液贮罐装置的出口与电解槽的酸液入口之间并联设置第一酸液泵和第二酸液泵，所述第一酸液泵与电解槽的阴极相连，所述第二酸液泵与电解槽的阳极相连。
2.根据权利要求1所述电解海水制氢系统，其特征在于，所述海水贮罐装置的出口与电解槽的海水入口之间设置海水泵。
3.根据权利要求1所述电解海水制氢系统，其特征在于，所述废液贮罐装置的入口与电解槽的废液出口之间设置废液泵。
4.根据权利要求1所述电解海水制氢系统，其特征在于，所述阴极和阳极相互独立地包括电极基体，或者，所述阴极和阳极相互独立地包括电极基体和复合在电极基体表面的催化层。
5.根据权利要求4所述电解海水制氢系统，其特征在于，所述电极基体厚度为100～500μm。
6.根据权利要求5所述电解海水制氢系统，其特征在于，所述电极基体选自铁、镍、钴和钼中的一种或多种。
7.根据权利要求4所述电解海水制氢系统，其特征在于，所述催化层厚度为50～500nm。
8.根据权利要求7所述电解海水制氢系统，其特征在于，所述催化层为层状双金属氢氧化物。
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2022
- 2022-08-29 CN CN202222277487.0U patent/CN217857673U/zh active Active
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |