CN222100171U - 一种质子交换膜电解水制氢系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种质子交换膜电解水制氢系统，该系统包括水箱以及水箱上连接的补水管路、给水管路、回水管路和排氧管路、电解槽和氢气处理装置。该系统通过气水分离器和半导体冷凝器的搭配使用，实现了对电解产生的氢气的深度干燥和提纯，大大提高了氢气的纯度。此外，系统还包括多个温度、压力、流量和电导率变送器，以及阀门和安全装置，用于监控和控制系统的运行状态。本实用新型的水电解系统结构紧凑，操作简便，大大降低了成本，还有效提高了系统的能效和安全性，为质子交换膜电解水制氢技术的进一步推广和应用提供了有力支持。

Description

一种质子交换膜电解水制氢系统

技术领域

本实用新型属于电解水制氢技术领域，具体是一种质子交换膜电解水制氢系统。

背景技术

质子交换膜电解水制氢系统是近年来备受关注的一种制氢技术。该系统采用质子交换膜作为电解介质，在通电的条件下，水分子被分解为氢气和氧气，从而实现了清洁、高效的氢气生产。这种技术不仅为家庭和工业领域提供了理想的氢气解决方案，还在燃料电池汽车、分布式能源系统等前沿领域展现出广阔的应用前景。

然而，在实际应用中，制氢系统仍面临一些挑战。水质处理不当、氢气干燥效率低以及系统安全性不足等问题亟待解决。电解过程中产生的氢气通常含有一定的水分，这不仅影响了氢气的纯度，还可能对后续应用产生负面影响。尽管现有的系统已经采用了冷凝、吸附或膜分离等方法来去除氢气中的水分，但这些方法在实际应用中效果并不理想，且存在设备复杂、操作繁琐、能耗高、成本高等问题，限制了其在实际应用中的推广和使用。

因此，本实用新型提供了一种质子交换膜电解水制氢系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

实用新型内容

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种质子交换膜电解水制氢系统，包括水箱和电解槽，所述水箱连接有补水管路、给水管路、第一回水管路、第二回水管路和排氧管路：所述电解槽设有进水口、出水出氧口和出氢口；所述进水口通过所述给水管路与所述水箱连通，所述出氧出水口通过所述回水管路与水箱连通；所述出氢口与水箱之间还设有氢气干燥装置。

进一步的方案：所述补水管路上设有进水电导率变送器和第一水泵；所述给水管路上配置有给水电导率变送器、第二水泵、第一换热器、树脂过滤器、过滤棉以及给水流量变送器；所述排氧管路上设有抽氧风机。

进一步的方案：所述氢气干燥装置包括第二换热器、第一气水分离器、冷凝器和第二气水分离器；所述出氢口通过第二换热器与第一气水分离器的进气口连通，第一气水分离器的出气口通过冷凝器与第二气水分离器的进气口相通；第一气水分离器和第二气水分离器的排水口通过第二回水管路与水箱相通。

进一步的方案：所述水箱上设有浮球液位变送器、第一温度变送器和电导率变送器。

进一步的方案：所述第二水泵和第一换热器之间设有第三回水管路，所述第三回水管路与第二回水管路连通后一起回到水箱，所述第三回水管路上设有第一阀门。

进一步的方案：所述第二水泵和所述第一换热器之间还设有排水管路，所述排水管路上设有第二阀门，所述第一换热器与所述树脂过滤器之间设有第三阀门。

进一步的方案：所述电解槽上设有第二温度变送器，所述出氢口与第二换热器之间设有压力变送器，所述压力变送器与出氢口之间设有氢气排空管路，所述氢气排空管路上设有安全阀，氢气排空管路的管道口设有第二单向阀。

进一步的方案：所述第二气水分离器的出气口管道上设有第一单向阀和阻火器。

进一步的方案：所述冷凝器包括冷凝壳体、设置于壳体内的冷凝管道、半导体制冷器、散热翅片和散热风扇；所述冷凝器上设有第三温度变送器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、PEM电解槽产生的氢气经过第一气水分离器、半导体冷凝器和第二气水分离器的处理，实现了高效的冷凝和气水分离，从而确保了氢气的纯度和安全性。此外，第二换热器与电解槽之间的管道设有安全阀和单向阀，为氢气的安全排放提供了双重保障。这种高效简单且安全的氢气处理方式使得该系统在氢气生产方面具有显著的优势。

2、通过多个阀门的调节，系统可以灵活控制给水流速，确保PEM电解槽的稳定运行。当给水流速大于实际所需流速时，多余的水会被分流回水箱。多个回路的设计避免了水资源的浪费。

3、整套系统在提纯干燥过程中气体损失量小。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1为一种质子交换膜水电解制氢系统的流程示意图。

图中：1、水箱；11、浮球液位变送器；12、第一温度变送器；13、电导率变送器；21、进水电导率变送器；22、第一水泵；31、给水电导率变送器；32、第二水泵；33、第一换热器；34、树脂过滤器；35、过滤棉；36、给水流量变送器；4、电解槽；41、第二温度变送器；51、压力变送器；52、第二换热器；53、第一气水分离器；54、冷凝器；55、第三温度变送器；56、第二气水分离器；57第一单向阀、58、阻火器；61、安全阀；62、第二单向阀；71、第一阀门；72、第二阀门；73、第三阀门；8、抽氧风机；9、排气扇。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即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。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

请参阅图1，本实用新型实施例中，参见图1，一种质子交换膜电解水制氢系统，包括水箱1、电解槽4以及氢气干燥装置：

其中，水箱1连接有补水管路、给水管路、第一回水管路、第二回水管路和排氧管路；水箱1通过补水管路与外部水源相连，补水管路上设有进水电导率变送器21和第一水泵22；给水管路上依次设有给水电导率变送器31、第二水泵32、第一换热器33、树脂过滤器34、过滤棉35和给水流量变送器36；排氧管路上设有抽氧风机8，提高了制氢系统的安全性；电解槽4设有进水口、出水出氧口和出氢口；进水口通过给水管路与水箱1连通，出氧出水口通过第一回水管路与水箱1连通；

氢气干燥装置包括第二换热器52、第一气水分离器53、冷凝器54和第二气水分离器56；出氢口通过第二换热器52与第一气水分离器53的进气口连通，第一气水分离器53的出气口通过冷凝器54与第二气水分离器56的进气口连通；第一气水分离器53和第二气水分离器56的排水口通过第二回水管路与水箱1连通。

进一步地，水箱1上设有浮球液位变送器11、第一温度变送器12和电导率变送器13，分别用于监测水箱1的液位、温度和电导率，确保电解过程的稳定性和效率。为了增强了系统的通风和散热效果，水箱1的箱体上安装有排气扇9，进一步提升了系统的稳定性和可靠性。

优选地，在第二水泵32和第一换热器33之间设置了第三回水管路，该管路与第二回水管路连通后一起回到水箱1，第三回水管路上还设有第一阀门71，用于调节回水量。同时，第二水泵32和第一换热器33之间还设有排水管路，排水管路上设有第二阀门72，用于在需要时进行排水操作。另外，第一换热器33与树脂过滤器34之间设有第三阀门73，用于控制流体的通断。

具体操作流程如下：当电导率变送器13检测到异常时，系统会关闭第一阀门71和第三阀门73，同时打开第二阀门72，确保异常水质被有效排出。而当给水流量变送器36检测到水流量过大时，系统会关闭第二阀门72，并通过调节第一阀门71和第三阀门73的开度，以实现对水流量的精细调控。

本实施例中，电解槽4上设有第二温度变送器41，能够实时监测电解槽4的温度，我们可以更好地掌握电解槽4的工作状态，并在必要时采取相应的调控措施，从而确保整个水电解系统的稳定和安全运行。

进一步地，为了确保系统的安全运行，电解槽4的出氢口与第二换热器52之间还设有压力变送器51，用于实时监测氢气的压力。当压力异常时，系统会通过氢气排空管路将氢气排空，确保安全。氢气排空管路上还设有安全阀61和第二单向阀62，防止氢气倒流。

优选地，第二气水分离器56的出气口管道上设有第一单向阀57和阻火器58；第一单向阀57的设置确保了氢气的单向流动，防止逆流引发的潜在风险。而阻火器58的加入则能够有效防止火焰通过管道传播，增强系统的防爆能力。

进一步地，冷凝器54包括冷凝壳体以及设置于壳体内的冷凝管道，半导体制冷器，散热翅片，散热风扇；这一组合使得冷凝器54能够高效地将氢气中的水蒸气冷凝为液态水，从而确保氢气的纯净度和质量。半导体制冷器提供快速、高效的冷却效果，而散热翅片和散热风扇则增强了冷凝器54的散热能力，确保系统持续稳定运行。冷凝器54上设有第三温度变送器55，能实时监控冷凝器54的运行状态和冷却效果。

该系统利用气水分离器和先进的半导体冷凝器54相结合，对电解产生的氢气进行了干燥和提纯，大大提高了氢气的纯度。首先通过第二换热器52与第一气水分离器53初步去除了氢气中的水分。随后，利用高效的半导体制冷技术，冷凝器54进一步将氢气中的水蒸气冷凝为液态水。最终，经过第二气水分离器56的处理，获得了高纯度的氢气。

虽然本说明书包含许多具体实施细节,但是这些不应被解释为限制任何实用新型的范围或所要求保护的范围,而是主要用于描述特定实用新型的具体实施例的特征。本说明书内在多个实施例中描述的某些特征也可以在单个实施例中被组合实施。另一方面,在单个实施例中描述的各种特征也可以在多个实施例中分开实施或以任何合适的子组合来实施。此外,虽然特征可以如上所述在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护,但是来自所要求保护的组合中的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中去除,并且所要求保护的组合可以指向子组合或子组合的变型。

本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制，此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

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”等应做广义理解，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连接，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。

以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种质子交换膜电解水制氢系统，包括水箱(1)和电解槽(4)，其特征在于：

所述水箱(1)连接有补水管路、给水管路、第一回水管路、第二回水管路和排氧管路：所述电解槽(4)设有进水口、出水出氧口和出氢口；

所述进水口通过所述给水管路与所述水箱(1)连通，所述出氧出水出氧口通过所述回水管路与水箱(1)连通；

所述出氢口与水箱(1)之间还设有氢气干燥装置。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，所述补水管路上设有进水电导率变送器(21)和第一水泵(22)；所述给水管路上配置有给水电导率变送器(31)、第二水泵(32)、第一换热器(33)、树脂过滤器(34)、过滤棉(35)以及给水流量变送器(36)；所述排氧管路上设有抽氧风机(8)。

3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，所述氢气干燥装置包括第二换热器(52)、第一气水分离器(53)、冷凝器(54)和第二气水分离器(56)；所述出氢口通过第二换热器(52)与第一气水分离器(53)的进气口连通，第一气水分离器(53)的出气口通过冷凝器(54)与第二气水分离器(56)的进气口相通；第一气水分离器(53)和第二气水分离器(56)的排水口通过第二回水管路与水箱(1)相通。

4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，所述水箱(1)上设有浮球液位变送器(11)、第一温度变送器(12)和电导率变送器(13)。

5.根据权利要求2所述的一种质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，所述第二水泵(32)和第一换热器(33)之间设有第三回水管路，所述第三回水管路与第二回水管路连通后一起回到水箱(1)，所述第三回水管路上设有第一阀门(71)。

6.根据权利要求2所述的一种质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，所述第二水泵(32)和所述第一换热器(33)之间还设有排水管路，所述排水管路上设有第二阀门(72)，所述第一换热器(33)与所述树脂过滤器(34)之间设有第三阀门(73)。

7.根据权利要求3所述的一种质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，所述电解槽(4)上设有第二温度变送器(41)，所述出氢口与第二换热器(52)之间设有压力变送器(51)，所述压力变送器(51)与出氢口之间设有氢气排空管路，所述氢气排空管路上设有安全阀(61)，氢气排空管路的管道口设有第二单向阀(62)。

8.根据权利要求3所述的一种质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，所述第二气水分离器(56)的出气口管道上设有第一单向阀(57)和阻火器(58)。

9.根据权利要求3所述的一种质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，所述冷凝器(54)包括冷凝壳体、设置于壳体内的冷凝管道、半导体制冷器、散热翅片和散热风扇；所述冷凝器(54)上设有第三温度变送器(55)。