CN114481161B - 电解水制氢***及制氧子*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电解水制氢***，其中直流电源的电源正极和负极分别与电解槽的阳极电极和阴极电极连接；电解槽的阳极区上部氧气出口连接至氧分离器的热能循环水进口，氧分离器顶部的气相出口经冷却器冷却后进入氧气汽水分离器；原料水箱底部经阀门与碱液进液口连接；电解槽的阴极区上部氢气及混合碱液出口连接至氢分离器的循环碱液进口，氢分离器顶部的气相出口经冷却器冷却后，进入氢气汽水分离器。本发明还公开了一种电解水制氧子***。本发明提供了一种电化学反应与热化学反应相结合而制取氢气的***，实现氢气和氧气的分步制取，***可有效实施和运行，能够产生一定的社会效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，特别涉及一种电解水制氢***及制氧子***。
背景技术
在我国目前的成熟制氢工业中，电解水制氢被认为是最理想的无任何污染的氢气来源，同时氢气作为与可再生能源相结合的，发展和高效利用清洁能源，对我国乃至整个国际社会和世界经济的可持续发展都具有重要意义。
目前，电解水制氢主流技术主要有三种：碱性电解水制氢、质子交换膜(PEM)电解水制氢和固体氧化物电解水制氢技术。其中，碱水电解制氢是实现大规模制氢的重要技术，也是目前最成熟的制氢技术之一。
工业碱性水电解制氢的工艺技术是以水为原料，采用由水电解槽、氢(氧)气液分离器、氢(氧)气冷却器、氢(氧)气洗涤器等设备组合的电解制氢装置，将工业软水经纯水装置制取纯水，并送入原料水箱，经补水泵输入碱液***，在直流电的作用下，进行原料水的电解，在碱性电解槽中，水被分解成H2与O2，其中，从电解小室出来的氢气和碱液的混合物一起通过阴极侧的气道流出，进入氢气液分离器下部，在重力作用下进行气液分离，分离出的氢气进入洗涤器进行洗涤和冷却，最后，进入干燥除湿，分离的氢气由调节阀控制输出，送入氢气储罐后进入储存***；由电解槽产生的氧气和碱液的混合物进入氧气分离器，分离后的氧气经氧气调节阀排空。
随着电解水制氢技术的发展，在传统的碱性水电解技术基础上，出现了利用电化学反应和热化学反应相结合的方法进行电解水分步制取氢气和氧气的工艺技术，即在电解***中，阴极电极采用二元或三元金属化合物的析氢催化电极，阳极电极采用具有双向可逆(氧化/还原)反应的金属化合物电极，以实现氢气和氧气的分步制取：
制氢时，在外部电解直流电源通电的情况下(阳极和阴极分别与电源的正极和负极连接)，在阴极电极侧，由于析氢催化剂的作用，水分子在阴极析氢催化电极表面被电化学还原，而释放出氢气；在阳极电极侧，具有双向可逆(氧化/还原)反应的金属化合物电极，则发生电化学氧化反应，但并不释放氧气。
制氧时，断开外部直流电源，采用热化学反应激活的方法，将电解液或阳极电极加热至90℃-100℃左右，此时，具有可逆(氧化/还原)反应的阳极电极，由于热力学的不稳定性，发生热化学还原反应而被还原，在阳极电极的周围产生并释放氧气。
中国专利CN 111074291 A公开了一种新型电解水制氢工艺，对上述的电解水分步制取氢气和氧气的进行了描述，但目前尚无在工艺生产和制造的制氢***中如何实现上述技术应用的装置和***，以实现在大规模制氢方面和大幅度降低成本方面创造较大的社会效益和经济效益。
发明内容
针对现有技术以及上述的电解水分步制取氢气和氧气的方法，尚缺乏实用化和可实施、运行的，能够产生社会效益和经济效益的一种***或装置，本发明提出了一种电解水制氢***及制氧子***。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种电解水制氢***，包括电解槽、直流电源、氧分离器、氢分离器、氧气汽水分离器、氢气汽水分离器和原料水箱；所述直流电源的电源正极和负极分别与所述电解槽的阳极电极和阴极电极连接，所述电解槽的底部设有碱液进液口；所述电解槽的阳极区上部氧气出口连接至所述氧分离器的热能循环水进口，所述氧分离器顶部的气相出口经冷却器冷却后进入所述氧气汽水分离器，所述氧气汽水分离器出口与氧气储罐连接或者放空；所述原料水箱底部经阀门与所述碱液进液口连接；所述电解槽的阴极区上部氢气及混合碱液出口连接至所述氢分离器的循环碱液进口，所述氢分离器顶部的气相出口经冷却器冷却后，进入所述氢气汽水分离器，所述氢气汽水分离器出口与氢气储罐连接或至氢气洗涤器的进口进行氢气的洗涤、干燥和净化，对外供氢。
优选的，电解水制氢***还包括碱液循环泵、碱液过滤器和碱液冷却器；所述氢分离器底部设有碱液循环液出口，所述碱液循环液出口依次经所述碱液循环泵、碱液过滤器和所述碱液冷却器连接至所述碱液进液口。
优选的，电解水制氢***还包括配碱箱和配碱泵；所述配碱箱底部经阀门连接至所述配碱泵入口，所述配碱泵出口与所述碱液进液口连接。
优选的，所述氧分离器的底部设置有管道与所述原料水箱的顶部管道连接。
优选的，电解水制氢***还包括热源和热能补水泵；所述原料水箱底部经管道与所述热源连接，所述热源经所述热能补水泵与所述碱液进液口连接。
优选的，所述热能补水泵经支路管路与所述原料水箱连通。
优选的，所述氧分离器、原料水箱、热能补水泵以及连接管道均进行保温处理。
优选的，电解水制氢***还包括氮气罐；所述氮气罐经管道所述碱液进液口连接。
优选的，所述氢气汽水分离器的底部经阀门连接至氢水排水水封机构。
优选的，所述氧气汽水分离器的底部经阀门连接至氧气排水口排出。
本发明还提供了一种电解水制氧子***，包括电解槽、直流电源、氧分离器、氧气汽水分离器、热源和原料水箱；所述直流电源的电源正极和负极分别接通所述电解槽的阳极电极和阴极电极，所述电解槽的底部设有碱液进液口；所述电解槽的阳极区上部连接至所述氧分离器的热能循环水进口，所述氧分离器顶部的气相出口经冷却器冷却后进入所述氧气汽水分离器，所述氧气汽水分离器出口与氧气储罐连接或者放空；所述氧分离器的底部设置有管道与所述原料水箱的顶部管道连接；所述原料水箱底部经管道与所述热源连接，所述热源经所述热能补水泵与所述碱液进液口连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种电化学反应与热化学反应相结合而制取氢气(及氧气)的***，配合采用无膜的电解槽，能够实现对电解水的制氧过程与制氢过程分离开来，分步进行制取。
2、本***与传统的碱性电解水制氢的***相比，结合所述的分步制取氢气(及氧气)的方法，对电解水制氢(氧)***进行了优化和改进，单独形成制取氧气的子***，针对制氧***增加了保温设计，可以实现电解水制氢(氧)整体***的快速启动及低温启动，较传统碱性电解水制氢(氧)启动时间更短。同时***采用热水或饱和蒸汽通入电解槽内置换出氧气的同时，也为***补充提供了电解液。
3、在制氧的子***中，热源的提供，不仅实现了制氧过程中的热化学反应激活分解制氧，而且为***提供了电解水过程中所需的热量，能够有效的提高***效率。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的全部优点。
附图说明
图1为本发明一种电解水制氢***的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
请参考图1，一种电解水制氢***，包括电解槽、直流电源、氧分离器、氢分离器、氧气汽水分离器、氢气汽水分离器和原料水箱；直流电源的电源正极和负极分别与电解槽的阳极电极和阴极电极连接，电解槽的底部设有碱液进液口；电解槽的阳极区上部氧气出口经氧气出口电磁阀连接至氧分离器的热能循环水进口，氧分离器顶部的气相出口经冷却器冷却后进入氧气汽水分离器，氧气汽水分离器出口与氧气储罐连接或者放空；原料水箱底部经阀门与碱液进液口连接；电解槽的阴极区上部氢气及混合碱液出口经氢气出口电磁阀连接至氢分离器的循环碱液进口，氢分离器顶部的气相出口经冷却器冷却后，进入氢气汽水分离器，氢气汽水分离器出口与氢气储罐连接或至氢气洗涤器的进口进行氢气的洗涤、干燥和净化，对外供氢。
在一个实施例中，电解水制氢***还包括碱液循环泵、碱液过滤器和碱液冷却器；氢分离器底部设有碱液循环液出口，碱液循环液出口依次经碱液循环泵、碱液过滤器和碱液冷却器连接至碱液进液口。
本实施例中，碱液循环液出口依次经碱液循环泵、碱液过滤器和碱液冷却器连接至碱液进液口构成循环制氢***。
在一个实施例中，电解水制氢***还包括配碱箱和配碱泵；配碱箱底部经阀门连接至配碱泵入口，配碱泵出口与碱液进液口连接。
本实施例中，在制氢***监测到液位较低或碱液浓度过低时，进行补充碱液。原料水箱和配碱箱底部经阀门共同连接至排污口，用于***检修时，进行排污处理。
在一个实施例中，电解水制氢***还包括热源和热能补水泵；原料水箱底部经管道与热源连接，热源经热能补水泵与碱液进液口连接。
在一个实施例中，氧分离器的底部设置有管道与原料水箱的顶部管道连接。
本实施例中，氧分离器的底部设置有管道与原料水箱的顶部管道连接，管道上设有电磁阀，原料水箱底部设置有阀门与外部热源连接，热源进行加热或热交换，经热能补水泵与电解槽的底部原料进口连接，构成循环制氧***。
在一个实施例中，热能补水泵经支路管路与原料水箱连通。
本实施例中，连接原料水箱和热源的热能补水泵经支路管路与原料水箱连通，形成热能的循环***，通过与外部热交换，保持循环制氧***足够的反应温度，***保持水温为95～110℃。
在一个实施例中，氧分离器、原料水箱、热能补水泵以及连接管道均进行保温处理。
在一个实施例中，电解水制氢***还包括氮气罐；氮气罐经管道与碱液进液口连接。
本实施例中，氮气罐用于在完成制氢步骤后，进行氧气置换制取时，对电解槽内部进行吹扫，保证将氢气余气排除至氢分离器中，防止氧气与氢气混合以及保证氢气的纯度。实现的步骤：在进行氢气的制取时，阴极电极周围已没有氢气产生时，断开外部直流电源，打开氮气进气阀，氮气经由电解槽底部的碱液进液口进入电解槽，对电解槽进行氮气吹扫30s～60s，将电解槽内的余气和碱液经电解槽的氢气出口排出进入氢分离器。
在一个实施例中，氢气汽水分离器的底部经阀门连接至氢水排水水封机构。
在一个实施例中，氧气汽水分离器的底部经阀门连接至氧气排水口排出。
在一个实施例中，本发明电解水制氢***的工作原理如下：
1、循环制氢***的先期制氢步骤：
通过配碱泵及热能补水泵将碱性水，比如30～40％的氢氧化钾或氢氧化钠水溶液，泵入电解槽及制氢***内，此时，关闭电解槽顶部的氧气出口的电磁阀，打开电解槽顶部的氢气出口的电磁阀，保证氢分离器的碱液达到设计的液位后，断开配碱泵，打开碱液循环泵，通过碱液循环泵动力，使碱液在制氢***内循环运行；
接通碱性电解槽的外部直流电源，在直流电电解的作用下，电解槽的阴极电极在催化剂的作用下，将电解质溶液中的水分子在析氢催化阴极电极表面被电化学还原，而释放出氢气；具有双向可逆(氧化/还原)的金属化合物阳极电极则发生电化学氧化反应，但并不释放氧气，进而完成氢气的制取；
制氧时，断开外部直流电源，采用热能化学激活的方法，将电解液或阳极电极加热至90～100℃左右，此时，具有可逆氧化的阳极电极发生电化学还原反应。
2、氮气吹扫步骤：如上所述：
在进行氢气的制取时，当阴极电极周围没有氢气产生时，断开外部直流电源，打开氮气进气阀，氮气经由碱液进液口进入电解槽，对电解槽进行氮气吹扫30s～60s，将电解槽内的余气和碱液经电解槽的氢气出口排出进入氢分离器。
3、循环制氧***的后期制氧步骤：
在完成氮气吹扫后，此时，已断开碱性电解槽的外部直流电源，关闭电解槽的氢气出口的电磁阀，打开电解槽的顶部的氧气出口的电磁阀，启动热能补水泵，通过热能补水泵将高温饱和蒸汽或高温水溶液，泵入电解槽内，使电解槽内的电解水溶液温度达到95～110℃左右；并经电解槽顶部的氧气出口进入氧分离器，此时，由于电解槽内的双向可逆(氧化/还原)金属化合物阳极电极由于受热能激活而发生化学还原反应而被还原，在阳极电极的周围产生并释放氧气。
4、分步实施以上的方法步骤，使步骤1、2和步骤3交替循环进行，即可实现氢气和氧气分不同时段制取。
实施例二
请参考图1，一种电解水制氧子***，包括电解槽、直流电源、氧分离器、氧气汽水分离器和原料水箱；直流电源的电源正极和负极分别与电解槽的阳极电极和阴极电极连接，电解槽的底部设有碱液进液口；电解槽的阳极区上部的氧气出口连接至氧分离器的热能循环水进口，氧分离器顶部的气相出口经冷却器冷却后进入氧气汽水分离器，氧气汽水分离器出口与氧气储罐连接或者放空；氧分离器的底部设置有管道与原料水箱的顶部管道连接；原料水箱底部经管道与热源连接，管道上设有阀门，热源经热能补水泵与碱液进液口连接。
本实施例中，电解水制氧子***的工作原理可以参考上述电解水制氢***中的制氧部分，在此不再赘述。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种电解水制氢***，其特征在于：包括电解槽、直流电源、氧分离器、氢分离器、氧气汽水分离器、氢气汽水分离器、氮气罐和原料水箱；所述直流电源的电源正极和负极分别与所述电解槽的阳极电极和阴极电极连接，所述电解槽的底部设有碱液进液口；所述氮气罐经管道与所述碱液进液口连接；所述电解槽的阳极区上部氧气出口连接至所述氧分离器的热能循环水进口，所述氧分离器顶部的气相出口经冷却器冷却后进入所述氧气汽水分离器，所述氧气汽水分离器出口与氧气储罐连接或者放空；所述原料水箱底部经阀门与所述碱液进液口连接；所述电解槽的阴极区上部氢气及混合碱液出口连接至所述氢分离器的循环碱液进口，所述氢分离器顶部的气相出口经冷却器冷却后，进入所述氢气汽水分离器，所述氢气汽水分离器出口与氢气储罐连接或至氢气洗涤器的进口进行氢气的洗涤、干燥和净化，对外供氢；所述电解槽的氧气出口和氢气出口均设置有电磁阀；所述电解槽采用无膜的电解槽；
制氢步骤：制氢时，关闭所述电解槽顶部的氧气出口的电磁阀，打开所述电解槽顶部的氢气出口的电磁阀，保证所述氢分离器的碱液达到设计的液位后，接通所述直流电源，在直流电电解的作用下，所述电解槽的阴极电极在催化剂的作用下，将电解质溶液中的水分子在析氢催化阴极电极表面被电化学还原，而释放出氢气，具有双向可逆的金属化合物阳极电极则发生电化学氧化反应，但并不释放氧气，进而完成氢气的制取；
氮气吹扫步骤：在进行氢气的制取时，当阴极电极周围没有氢气产生时，断开所述直流电源，打开所述氮气罐的进气阀，氮气经由所述碱液进液口进入所述电解槽，对所述电解槽进行氮气吹扫，将所述电解槽内的余气和碱液经所述电解槽的所述氢气出口排出进入所述氢分离器；
制氧步骤：在完成氮气吹扫后，关闭所述电解槽的所述氢气出口的电磁阀，打开所述电解槽的所述氧气出口的电磁阀，使加热后的碱液进入所述电解槽内，由于所述电解槽内的双向可逆金属化合物阳极电极由于受热能激活而发生化学还原反应而被还原，在阳极电极的周围产生并释放氧气，氧气经由所述电解槽顶部的氧气出口进入所述氧分离器；
分步实施所述制氢步骤、所述氮气吹扫步骤和所述制氧步骤，使所述制氢步骤、所述氮气吹扫步骤和所述制氧步骤交替循环进行，实现氢气和氧气分不同时段制取。
2.根据权利要求1所述的一种电解水制氢***，其特征在于：包括碱液循环泵、碱液过滤器和碱液冷却器；所述氢分离器底部设有碱液循环液出口，所述碱液循环液出口依次经所述碱液循环泵、碱液过滤器和所述碱液冷却器连接至所述碱液进液口。
3.根据权利要求1所述的一种电解水制氢***，其特征在于：包括配碱箱和配碱泵；所述配碱箱底部经阀门连接至所述配碱泵入口，所述配碱泵出口与所述碱液进液口连接。
4.根据权利要求1所述的一种电解水制氢***，其特征在于：所述氧分离器的底部设置有管道与所述原料水箱的顶部管道连接。
5.根据权利要求1所述的一种电解水制氢***，其特征在于：包括热源和热能补水泵；所述原料水箱底部经管道与所述热源连接，所述热源经所述热能补水泵与所述碱液进液口连接。
6.根据权利要求5所述的一种电解水制氢***，其特征在于：所述热能补水泵经支路管路与所述原料水箱连通。
7.根据权利要求6所述的一种电解水制氢***，其特征在于：所述氧分离器、原料水箱、热能补水泵以及连接管道均进行保温处理。
8.根据权利要求1所述的一种电解水制氢***，其特征在于：所述氢气汽水分离器的底部经阀门连接至氢水排水水封机构。
9.一种电解水制氧子***，基于如权利要求1至8任意一项所述的一种电解水制氢***实现，其特征在于：包括电解槽、直流电源、氧分离器、氧气汽水分离器、热源和原料水箱；所述直流电源的电源正极和负极分别接通所述电解槽的阳极电极和阴极电极，所述电解槽的底部设有碱液进液口；所述电解槽的阳极区上部连接至所述氧分离器的热能循环水进口，所述氧分离器顶部的气相出口经冷却器冷却后进入所述氧气汽水分离器，所述氧气汽水分离器出口与氧气储罐连接或者放空；所述氧分离器的底部设置有管道与所述原料水箱的顶部管道连接；所述原料水箱底部经管道与所述热源连接，所述热源经热能补水泵与所述碱液进液口连接。
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