CN217479558U

CN217479558U - 一种水蒸气等离子体制氢***

Info

Publication number: CN217479558U
Application number: CN202220916735.9U
Authority: CN
Inventors: 王永忠
Original assignee: Changshu Hengtong New Energy Industry Research Institute Co ltd
Current assignee: Changshu Hengtong New Energy Industry Research Institute Co ltd
Priority date: 2022-04-20
Filing date: 2022-04-20
Publication date: 2022-09-23
Anticipated expiration: 2032-04-20

Abstract

本实用新型公开了一种水蒸气等离子体制氢***，包括：蒸汽发生器，所述蒸汽发生器用于制取水蒸气；等离子发生器，所述等离子发生器与蒸汽发生器接通，所述蒸汽发生器制取的水蒸气进入等离子发生器内，水蒸气被电离成含有H⁺的水蒸气等离子体；电解槽，所述电解槽与等离子发生器接通，所述等离子发生器内生成的水蒸气等离子体进入电解槽内，所述水蒸气等离子体中的H⁺被电解后生成H₂。本实用新型利用等离子技术通过消耗极少的电能，将水分子离子化，增强其活性，再结合PEM水电解的质子交换膜***，大大降低了直流电源的驱动能量、减轻了催化层的催化压力、提高了电流密度，间接提高了制氢效率、降低了制氢电耗、延长了电解槽寿命。

Description

一种水蒸气等离子体制氢***

技术领域

本实用新型涉及制氢***的技术领域，具体涉及一种水蒸气等离子体制氢***。

背景技术

氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，具有能量密度大、存储周期长等优势，将作为我国清洁高效能源生产和消费体系中的重要构成部分，可再生能源制氢是未来氢能产业发展的主要方向。目前可再生能源制氢的四种技术路线(碱性水电解(AEW)、质子交换膜水电解(PEM)、阴离子交换膜水电解(AEM)以及固体氧化物水电解(SOE))中，PEM电解水制氢由于具有电流密度高、电解槽体积小、运行灵活、利于快速变载、与风电、光伏具有良好的匹配性等诸多优点，被公认为是制氢领域最具发展前景的电解制氢技术。虽然PEM电解水制氢技术在四大主流技术中优势明显，但要更好地满足可再生能源应用的需求，还需要在技术方面有进一步的突破，比如进一步提高PEM电解水制氢的功率，提高电流密度和能源使用效率等，针对这些问题本领域技术人员还需要进一步研究和探索。

实用新型内容

为了解决现有技术中的不足现提供一种水蒸气等离子体制氢***，降低现有PEM制氢的成本，提高电流密度和制氢效率，缓解PEM质子交换膜的工作压力。

本实用新型提供了一种水蒸气等离子体制氢***，包括：

蒸汽发生器，所述蒸汽发生器用于制取水蒸气；

等离子发生器，所述等离子发生器与所述蒸汽发生器接通，所述蒸汽发生器制取的水蒸气进入所述等离子发生器内，水蒸气被电离成含有H⁺的水蒸气等离子体；

电解槽，所述电解槽与所述等离子发生器接通，所述等离子发生器内生成的水蒸气等离子体进入所述电解槽内，所述水蒸气等离子体中的H⁺被电解后生成H₂。

作为本实用新型的进一步改进，所述蒸汽发生器的出口与所述等离子发生器的进口之间接通有第一管道，所述第一管道用于将蒸汽发生器制取的水蒸气导入所述等离子发生器内。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一管道上串联接通有蒸汽阀门，所述蒸汽阀门用于控制所述第一管道内水蒸气的流量大小。

作为本实用新型的进一步改进，所述等离子发生器包括绝缘的壳体，所述壳体内设有用于电离水蒸气的密封腔，所述第一管道与该密封腔接通。

作为本实用新型的进一步改进，所述壳体包括绝缘的筒体，所述筒体的两端均封面固定有绝缘板，所述筒体的内部形成所述密封腔。

作为本实用新型的进一步改进，所述筒体的内部和外部分别设有内电极和外电极，所述内电极和外电极分别与等离子体电源的两电极电性连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述内电极为与所述筒体同轴设置的金属管，该金属管的两端分别固定在对应端的绝缘板上。

作为本实用新型的进一步改进，所述外电极为同轴套装在所述筒体外部的金属筒，该金属筒与所述筒体的外侧面贴合，所述金属筒的外表面设有将其完全覆盖的绝缘套。

作为本实用新型的进一步改进，所述电解槽包括质子交换膜、设置在质子交换膜两侧的阴极腔和阳极腔，所述阳极腔通过第二管道与所述等离子发生器的出口接通，所述阴极腔和阳极腔分别设有H₂出口和O₂出口。

作为本实用新型的进一步改进，所述阳极腔内设有阳电极和阳极催化层，所述阴极腔内设有阴电极和阴极催化层，所述阳电极和阴电极分别与直流电源的正负极电性连接。

本实用新型的有益效果：

本实用新型是一种水蒸气等离子体制氢***，本实用新型通过蒸汽发生器制取低温水蒸气，通过蒸汽阀门控制其流量和开关，低温水蒸气进入低温等离子发生器内，生成水蒸气等离子体(成分为H⁺、e^-、OH^-、O)，水蒸气等离子体再进入PEM电解槽中，变成H₂和O₂，本实用新型利用等离子技术通过消耗极少的电能，将水分子离子化，增强其活性，再结合PEM水电解的质子交换膜***，大大降低了直流电源的驱动能量、减轻了催化层的催化压力、提高催化功率和电流密度，间接提高了制氢效率、降低了制氢电耗、延长了电解槽寿命；本实用新型使用低成本的等离子发生装置配置质子交换膜***，与PEM电解槽整机装置相比，设备投资大幅降低。

附图说明

图1为本实用新型一种水蒸气等离子体制氢***的平面结构示意图；

图中标号说明：

11、蒸汽发生器；12、蒸汽阀门；13、第一管道；100、等离子发生器；14、绝缘板；15、等离子体电源；16、内电极；17、外电极；18、绝缘套；19、筒体；200、电解槽；20、直流电源；21、阳电极；22、阳极催化层；23、阴极催化层；24、阴电极；25、O₂出口；26、质子交换膜；27、H₂出口；28、第二管道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

参照图1所示，本实用新型一种水蒸气等离子体制氢***的一实施例；

一种水蒸气等离子体制氢***，包括：

蒸汽发生器11，所述蒸汽发生器11用于制取水蒸气；

等离子发生器100，所述等离子发生器100与所述蒸汽发生器11接通，所述蒸汽发生器11制取的水蒸气进入所述等离子发生器100内，水蒸气被电离成含有H⁺的水蒸气等离子体；水蒸气等离子体包括为H⁺、e^-、OH^-和O，即氢离子、电子、氢氧根和氧原子；通过等离子技术增强水分子等离子团的活性，单位时间内提供更多的电子数量，缩短制氢时间，提高电流密度和制氢效率。

电解槽200，所述电解槽200与所述等离子发生器100接通，所述等离子发生器100内生成的水蒸气等离子体进入所述电解槽200内，所述水蒸气等离子体中的H⁺被电解后生成H₂，具体来说就是，水蒸气等离子体中的H⁺、e^-、OH^-、O在电解槽200中被电解后生成H₂和O₂。

本实用新型利用等离子技术通过消耗极少的电能，将水分子离子化，增强其活性，再结合PEM水电解的质子交换膜***，大大降低了直流电源的驱动能量、减轻了催化层的催化压力、提高催化功率和电流密度，间接提高了制氢效率、降低了制氢电耗、延长了电解槽寿命；本实用新型使用低成本的等离子发生装置配置质子交换膜***，与PEM电解槽整机装置相比，设备投资大幅降低。

一具体实施例中，所述蒸汽发生器11的出口与所述等离子发生器100的进口之间接通有第一管道13，具体来说，该第一管道13采用耐温绝缘的材料制成，所述第一管道13用于将蒸汽发生器11制取的水蒸气导入所述等离子发生器100内，所述第一管道13上串联接通有蒸汽阀门12，所述蒸汽阀门12用于控制所述第一管道13内水蒸气的流量大小。

一具体实施例中，所述等离子发生器100包括绝缘的壳体，所述壳体内设有用于电离水蒸气的密封腔，所述第一管道13与该密封腔接通，具体来说，所述壳体包括绝缘的筒体19，具体来说该筒体19为圆筒形，所述筒体19的两端均封面固定有绝缘板14，所述筒体19的内部形成所述密封腔，水蒸气在该密封腔内被电离成水蒸气等离子体，也就是H⁺、e^-、OH^-和O，即氢离子、电子、氢氧根和氧原子。

所述筒体19的内部和外部分别设有内电极16和外电极17，所述内电极16和外电极17分别与等离子体电源15的两电极电性连接，所述等离子体电源15为交流高压电源，两个电极接通电源后会在绝缘的筒体19内产生高频、高压电场，水蒸气进入绝缘的筒体19内后在交流电场震荡的作用下会被电离为等离子体态，也就是所述水蒸气等离子体，等离子化过程中由于两个电极之间并未产生电流，只是产生了能量密度极高的强磁场力，所以耗电功率非常小，利用强磁场力将水分子很轻易的分解为粒子团，大大提高了水电解的电能使用效率、降低了水电解的能耗。

一具体实施例中，所述内电极16为与所述筒体19同轴设置的金属管，该金属管通过防腐工艺处理的，该金属管的两端分别固定在对应端的绝缘板14上；所述外电极17为同轴套装在所述筒体19外部的金属筒，该金属筒在筒体19的长度方向上相对筒体19居中设置，且所述第一管道13和第二管道28分别位于所述金属筒的两端，所述金属筒与所述筒体19的外侧面贴合，所述金属筒的外表面设有将其完全覆盖的绝缘套18，该绝缘套18采用耐高温石英制成。

本实施例中的电解槽200采用质子交换膜26水电解中常用的电解槽200结构，具体来说，所述电解槽200包括质子交换膜26、设置在质子交换膜26两侧的阴极腔和阳极腔，所述阳极腔通过第二管道28与所述等离子发生器100的出口接通，所述阴极腔和阳极腔分别设有H₂出口27和O₂出口25；所述阳极腔内设有阳电极21和阳极催化层22，所述阴极腔内设有阴电极24和阴极催化层23，所述阳电极21和阴电极24分别与直流电源20的正负极电性连接；具体的，水蒸气等离子体在电解槽200中，H⁺通过质子交换膜26到达阴电极24，结合e^-形成H₂；O在阳电极21形成O₂；OH^-在质子交换膜26的阳极催化层22中分解为H⁺和O；e^-在沿着线路到达直流电源20的正极，形成电路闭环。由于PEM水电解的能耗原理是正负极板之间的电场力吸引氢离子的跨越并结合催化剂加速水分子的电离，电离后产生的电子达到直流电源的正极后在驱动电力的作用下由负极向跨越阴极做功，从能量守恒定义进来分析，水电解的能耗主要用于水分子的电离、氢离子运动、电子运动，其中水分子的电离占据了大部分能耗。

也就是说，本实用新型利用等离子技术通过消耗极少的电能，将水分子离子化，增强其活性，再结合PEM水电解的质子交换膜***，大大降低了直流电源20的驱动能量、减轻了催化层的催化压力、提高催化功率和电流密度，间接提高了制氢效率、降低了制氢电耗、延长了电解槽寿命；本实用新型使用低成本的等离子发生装置配置质子交换膜***，与PEM电解槽整机装置相比，设备投资大幅降低，降低约20％；因此，本实用新型通过等离子发生器制取水蒸气等离子体，结合PEM电解水的质子交换膜***，制取低耗能、低成本、高容量、高纯度的氢气，经过初步计算，在使用同等电力的条件下(可再生能源发电或者工商业用电)，参考现有PEM制氢电耗成本(制取氢气的电耗为80-100kwh/kgH₂)，该方法制氢可以降低电耗30％-50％，同时制氢速度和纯度也会有所提高。

本实用新型在使用时：

通过蒸汽发生器11制取低温水蒸气，低温水蒸气通过第一管道13进入低温等离子发生器100的筒体19内，通过蒸汽阀门12控制第一管道13的流量和开关，等离子发生器100上的两个电极接通电源后会在绝缘的筒体19内产生高频、高压电场，水蒸气进入绝缘的筒体19内后在交流电场震荡的作用下会被电离为等离子体态，也就是所述水蒸气等离子体，等离子化过程中由于两个电极之间并未产生电流，只是产生了能量密度极高的强磁场力，所以耗电功率非常小，利用强磁场力将水分子很轻易的分解为粒子团，大大提高了水电解的电能使用效率、降低了水电解的能耗；水蒸气等离子体通过第二管道28进入电解槽200中，即H⁺通过质子交换膜26到达阴电极24，结合e^-形成H₂并从H₂出口27排出，O在阳电极21形成O₂并从O₂出口25排出，OH^-在质子交换膜26的阳极催化层22中分解为H⁺和O，e^-在沿着线路到达直流电源20的正极，形成电路闭环。本实用新型利用等离子技术通过消耗极少的电能，将水分子离子化，增强其活性，再结合PEM水电解的质子交换膜***，大大降低了直流电源的驱动能量、减轻了催化层的催化压力、提高催化功率和电流密度，间接提高了制氢效率、降低了制氢电耗、延长了电解槽寿命。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种水蒸气等离子体制氢***，其特征在于，包括：

蒸汽发生器，所述蒸汽发生器用于制取水蒸气；

2.如权利要求1所述的一种水蒸气等离子体制氢***，其特征在于，所述蒸汽发生器的出口与所述等离子发生器的进口之间接通有第一管道，所述第一管道用于将蒸汽发生器制取的水蒸气导入所述等离子发生器内。

3.如权利要求2所述的一种水蒸气等离子体制氢***，其特征在于，所述第一管道上串联接通有蒸汽阀门，所述蒸汽阀门用于控制所述第一管道内水蒸气的流量大小。

4.如权利要求2所述的一种水蒸气等离子体制氢***，其特征在于，所述等离子发生器包括绝缘的壳体，所述壳体内设有用于电离水蒸气的密封腔，所述第一管道与该密封腔接通。

5.如权利要求4所述的一种水蒸气等离子体制氢***，其特征在于，所述壳体包括绝缘的筒体，所述筒体的两端均封面固定有绝缘板，所述筒体的内部形成所述密封腔。

6.如权利要求5所述的一种水蒸气等离子体制氢***，其特征在于，所述筒体的内部和外部分别设有内电极和外电极，所述内电极和外电极分别与等离子体电源的两电极电性连接。

7.如权利要求6所述的一种水蒸气等离子体制氢***，其特征在于，所述内电极为与所述筒体同轴设置的金属管，该金属管的两端分别固定在对应端的绝缘板上。

8.如权利要求6所述的一种水蒸气等离子体制氢***，其特征在于，所述外电极为同轴套装在所述筒体外部的金属筒，该金属筒与所述筒体的外侧面贴合，所述金属筒的外表面设有将其完全覆盖的绝缘套。

9.如权利要求1所述的一种水蒸气等离子体制氢***，其特征在于，所述电解槽包括质子交换膜、设置在质子交换膜两侧的阴极腔和阳极腔，所述阳极腔通过第二管道与所述等离子发生器的出口接通，所述阴极腔和阳极腔分别设有H₂出口和O₂出口。

10.如权利要求9所述的一种水蒸气等离子体制氢***，其特征在于，所述阳极腔内设有阳电极和阳极催化层，所述阴极腔内设有阴电极和阴极催化层，所述阳电极和阴电极分别与直流电源的正负极电性连接。