一种自热平衡电解水制氢系统及制氢方法技术方案

本发明专利技术提供一种自热平衡电解水制氢系统及制氢方法，属于电解水制氢领域。该系统包括相互连接的电解装置和气体后处理装置，所述气体后处理装置设有液体回路，所述液体回路与所述电解装置通过泵连通。该方法为所述电解装置在小室电压1

【技术实现步骤摘要】
一种自热平衡电解水制氢系统及制氢方法


[0001]本专利技术涉及电解水制氢领域，尤其涉及一种自热平衡电解水制氢系统及制氢方法。

技术介绍

[0002]随着人类面临的环境问题不断加剧，化石能源不得不快速转向“清洁、低碳、安全、高效”的可再生能源，氢能是目前为止最理想的清洁能源，目前工业上常用的制氢方式有甲醇转化制氢、天然气转化制氢、煤气化制氢、氨裂解制氢等，均为非可再生过程，存在着化石资的消耗和CO2的排放，不符合低碳产业的理念。利用水电解制氢是一种清洁、可再生的过程，不消耗化石资源，产物为氢气和氧气，对环境不造成负担。
[0003]就目前技术而言，根据使用的电解质类型，电解水制氢可以分为碱性电解水制氢(AWE)、质子交换膜电解水制氢(PEM)、固体氧化物电解水制氢(SOEC)和阴离子交换膜电解水制氢(AEM)四类。其中AWE是最早工业化的水电解技术，已有数十年的应用经验，是目前最为成熟的工业化电解水制氢技术；质子交换膜电解水技术电解效率较高，电解槽体积小，可适应动态操作，但因贵金属的使用，设备成本较高，目前无法达到大规模工业化；固体氧化物电解水制氢反应温度高，对材料耐温性能要求苛刻，目前仍处于实验室研究阶段；阴离子交换膜电解水制氢应用过渡金属代替贵金属催化剂，降低成本，性能稳定，发展前景广阔，目前处于实验室研究阶段。
[0004]现有的工业化碱性水电解制氢系统一般由电解槽和后处理框架组成，工业上电解槽的工作温度一般为85℃
‑
95℃，多用聚苯硫醚隔膜，可满足工业化生产需求，但其耐高温性能差，工作温度不能超过100℃，高温下工作容易击穿破裂，造成氢氧串气发生危险。
[0005]另外，工业化电解槽运行过程中放出的热量包括水蒸气带走的热量Q1、补充水吸收的热量Q2、被氢气氧气带走的热量Q3、被冷却水带走的热量Q4以及电解设备的散热损失Q5，运行过程中被冷却水带走的热量Q4主要包括氢氧冷却器的换热和碱液循环系统的换热，电解槽中碱液温度主要靠冷却水调节，通过控制冷却水的流量，来控制碱液温度。如果提高电解槽的工作温度就有可能合理利用这些被浪费掉的热量。现有技术中，对隔膜进行了改性处理制作出一种碱性水电解用耐高温的复合隔膜，以聚苯硫醚、聚砜、聚醚醚酮、聚丙烯、苯乙烯
‑
CO
‑
丙烯腈等为支撑结构，通过加入SiO2、Al2O3、Mg(OH)2、二甲亚砜、氢氧化锆、五氧化二磷、钛酸钾等改善其亲水性和耐高温性能，改性后的复合隔膜可在220℃高温条件下稳定工作，保证气体纯度。这样就使得提高电解槽工作温度成为现实可能。
[0006]理想条件下，如果Q4＝Q5＝0，此时热效率达到最大，考虑到后处理系统运行稳定，必须保证氢氧冷却器的换热量，如何通过整体工艺调整，合理回收利用Q4中用于碱液系统换热的热量及电解设备的散热，提高电解温度进而有效降低电解电压，降低电解过程中的整体能耗，是一个还需解决的技术问题。
[0007]有鉴于此，特提出本申请。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种自热平衡电解水制氢系统及制氢方法，能够在不改变现有工业化电解液和电极体系的情况下，实现热量的合理利用，提高能量转化效率，同时降低电解电压。
[0009]为实现以上目的，本专利技术的技术方案如下：
[0010]一种自热平衡电解水制氢系统，包括相互连接的电解装置和气体后处理装置，所述气体后处理装置设有液体回路，所述液体回路与所述电解装置通过泵连通，所述液体回路不设置冷却系统。
[0011]可选地，所述电解装置上游还连接有电解液供应装置，所述液体回路与所述电解液供应装置并联接入所述电解装置。所述电解液供应装置在液体回路无法满足电解过程需要时，补充电解液进入所述电解装置。
[0012]进一步地，所述气体后处理装置包括分别连接于所述电解装置的氢气分离器和氧气分离器。
[0013]进一步地，所述氢气分离器和氧气分离器分别通过所述液体回路连接所述电解装置。
[0014]优选地，所述电解装置外周包裹有保温层，避免电解过程中的热量流失。
[0015]优选地，所述氢气分离器下游连接有氢气冷却器，所述氧气分离器下游连接有氧气冷却器。更优选地，所述氢气冷却器和氧气冷却器外周设有循环冷却装置。
[0016]进一步地，所述氢气冷却器下游连接氢气储罐，所述氧气冷却器下游连接氧气储罐。
[0017]本专利技术还提供一种用所述的自热平衡电解水制氢系统制氢的方法：所述电解装置在电压为1
‑
3V的直流电作用下电解制得氢气和氧气，所述电解得到气液混合物进入所述氢气分离器和氧气分离器，分离出氢气和氧气，其余的液体经所述液体回路进入所述电解装置中循环使用。
[0018]优选地，所述电解自身产生的热量在保温层维持下加热所述液体回路中流入所述电解装置中的循环回流液体，且由于电解装置和隔膜材料的耐高温性能，无须设置冷却系统。
[0019]进一步地，所述电解装置中电解液的工作温度为100
‑
160℃，工作压力为1.0
‑
3.5MPa。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的自热平衡电解水制氢系统减少了电解液冷却系统，并设置了电解装置的保温层，实现了电解反应本身热量的合理利用，在不必改变现有工业化电解液和电极体系的情况下，提高了能量转化效率，同时还降低了电解电压。
[0021]本系统中的电极、隔膜等材料均采用现有商品化产品，未有特殊改性材料，仅通过对整体工艺系统的优化，实现了自热平衡，减少了能量损失，提高了工作温度，有效降低了电解电压，从而提高了电流密度，减少电解过程的整体能耗，缩小了电解槽体积；同时减少了冷却系统的设备投入，降低了设备成本。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附
图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对本专利技术范围的限定。
[0023]图1为本专利技术的自热平衡电解水制氢系统的结构示意图。
[0024]附图标记说明：
[0025]1‑
电解槽；2
‑
保温层；3
‑
液体回路；4
‑
氢气分离器；5
‑
氧气分离器；6
‑
氢气冷却器；7
‑
氧气冷却器；8
‑
循环冷却水系统。
具体实施方式
[0026]如本文所用之术语：
[0027]“由
……
制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
[0028]当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自热平衡电解水制氢系统，包括相互连接的电解装置和气体后处理装置，其特征在于：所述气体后处理装置设有液体回路，所述液体回路与所述电解装置通过泵连通，所述液体回路不设置冷却系统。2.根据权利要求1所述的自热平衡电解水制氢系统，其特征在于，所述气体后处理装置包括分别连接于所述电解装置的氢气分离器和氧气分离器。3.根据权利要求2所述的自热平衡电解水制氢系统，其特征在于，所述氢气分离器和氧气分离器分别通过所述液体回路连接所述电解装置。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的自热平衡电解水制氢系统，其特征在于，所述电解装置外周包裹有保温层。5.根据权利要求4所述的自热平衡电解水制氢系统，其特征在于，所述氢气分离器下游连接有氢气冷却器，所述氧气分离器下游连接有氧气冷却器。6.根据权利要求5所述的自热平衡电解水制氢系统，其特征在于，所述氢气冷却器和氧气冷却器外周设有循环冷却装置。7.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：周俊波，武禹桐，王业勤，严莎，徐航程，
申请(专利权)人：四川亚联高科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：