一种电解碱性水制氢工艺

技术领域

本发明涉及一种电解碱性水制氢工艺，属于电解水制氢技术领域。

背景技术

水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定能量，则可使水分解。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在 75～85％，其工艺过程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。利用电网峰谷差电解水制氢，作为一种贮能手段也具有特点。我国水力资源丰富，利用水电发电，电解水制氢有其发展前景。太阳能取之不尽，其中利用光电制氢的方法即称为太阳能氢能系统，国外已进行实验性研究。随着太阳电池转换能量效率的提高，成本的降低及使用寿命的延长，其用于制氢的前景不可估量。同时，太阳能、风能及海洋能等也可通过电制得氢气并用氢作为中间载能体来调节，贮存转化能量，使得对用户的能量供应更为灵活方便。供电系统在低谷时富余电能也可用于电解水制氢，达到储能的目的。我国各种规模的水电解制氢装置数以百计，但均为小型电解制氢设备，其目的均为制提氢气作料而非作为能源。随着氢能应用的逐步扩大，水电解制氢方法必将得到发展。

申请号为CN202223349356.5的实用新型专利公开了一种电解水制氢系统，包括电解装置，所述电解装置的氢气流路上沿氢气流向依次设置有氢气分离器、氢气缓冲罐与氢气调节阀，所述电解装置的氧气流路上沿氧气流向依次设置有氧气分离器与氧气调节阀。本实用新型中在氢气分离器与氢气调节阀之间的氢气流路上设置氢气缓冲罐，增大了氢气流路中氢气的气相空间；当电解装置的制氢速率发生波动时，氢气流路中较大的气相空间可以缓冲氢气流路中氢气流量的变化而造成的压力变化，从而降低了氢气分离器与氧气分离器之间的液位差波动，所述电解水制氢系统具有较强的制氢稳定性。但是，现有技术中，仍存在以下不足：

1、目前水制氢工艺启动的方式主要是冷启动，即电解槽送电前槽温比较低（一般只有20℃～30℃，在北方冬天更低），升电流过程比较长（电解液温度低，槽温低，隔膜没有完全膨胀，电解液通道小，电阻大，电压高）。

2、目前碱性水制氢工艺中，氢氧槽液位的控制主要是采用氢氧分离器底部管道连通，靠控制氧侧压力、氢氧压差串级控制，在电解的过程中随着电解时间的进行，氢氧槽的浓度差会加大，并且一旦液位控制阀不好，氢氧分离器液位失调，会有爆炸的风险。

因此，需要有一种电解碱性水制氢工艺，实现制氢过程中快速升降电流、氢氧分离器液位的平稳、浓度的均衡，氢氧中水份的回收，实现工业化稳定的生产，并实现零排放。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术的不足，提供实现制氢过程中快速升降电流、氢氧分离器液位的平稳、浓度的均衡，氢氧中水份的回收，实现工业化稳定的生产，并实现零排放的一种电解碱性水制氢工艺。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种电解碱性水制氢工艺，采用电解碱性水制氢系统实施，将氢氧化钠和纯水按照比例自动输送至配碱槽中并混合均匀，形成碱液后输送至阴阳极液循环槽；

阴阳极液循环槽内的碱液输送至电解槽内的阴极室和阳极室，阴极室和阳极室分别通过第一流量计和第二流量计进行流量监控；

电解槽电解出氢气和氧气，氢气和部分碱液输送至氢分离器进行分离，氧气和部分碱液输送至氧分离器进行分离，分离后的氢气和氧气经冷却器冷却、捕滴器捕滴后自动放空处理；

分离后的碱液进入阴阳极液循环槽，氢分离器和氧分离器分别通过第一自动阀和第二自动阀进行液位控制，进入阴阳极液循环槽的碱液充分混合，并去除溶解在碱液中的氢氧后用再输送至电解槽进行电解；

碱液从阴阳极液循环槽输送至电解槽期间，对碱液实现热交换，实现电解液温度调节；

换热方式为：

电解前，对输送至电解槽的碱液进行加热，电解过程中，电能转化成热能使电解槽的温度不断升高，而氧分离器和氢分离器分离出的碱液回流至阴阳极液循环槽后，对输送至电解槽的碱液进行降温；

电解期间，纯水不断消耗，向电解槽的阴极室自动加入纯水，根据阴极液浓度和电流调节加入纯水量，保证电解液浓度处于正常范围内。

作为优选，所述电解槽运行压力为5kPa ～50kPa。

作为优选，所述电解槽温度为70℃～80℃。

作为优选，所述碱液浓度为30%。

一种电解碱性水制氢系统，包括电解槽、氢气分离单元、氧气分离单元、循环碱单元、补料单元、冷却单元和供配电单元；

所述电解槽与供配电单元连接，所述电解槽上设置有第一流量计和第二流量计，所述氢气分离单元设置在电解槽的氢气出口端，所述氧气分离单元设置在电解槽的氧气出口端，所述氢气分离单元和氧气分离单元均与循环碱单元连接，所述循环碱单元与电解槽的进液端连接，所述补料单元分别与循环碱单元和电解槽连接，所述冷却单元与循环碱单元连接。

作为优选，所述氢气分离单元包括依次连接的氢分离器、氢冷却器和氢气体捕集器，所述氢分离器上设置有第一自动阀，所述电解槽与氢分离器的连接管路中设置有第一充氮管。

作为优选，所述氧气分离单元包括一侧连接的氧分离器、氧冷却器和氧气体捕集器，所述氧分离器上设置有第二自动阀，所述电解槽与氧分离器的连接管路中设置有第二充氮管。

作为优选，所述循环碱单元包括阴阳极液循环槽，所述阴阳极液循环槽通过出液管与电解槽连接，所述出液管上设置有碱液换热器，所述阴阳极液循环槽设置第三充氮管。

作为优选，所述补料单元包括配碱槽和纯水槽，所述纯水槽分别与配碱槽和电解槽连接，所述配碱槽与阴阳极液循环槽的补料端连接。

作为优选，所述供配电单元由配电柜、程控柜、整流变压器和整流柜组成，所述整流变压器与整流柜将三相电转换为与电解槽相匹配的电压电流，通过铜排输送给电解槽。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、整个生产过程能做到自动化，无人参与；

2、电解槽运行压力为5kPa ～50kPa，利于电解槽和膜片的寿命的长久保持；

3、在生产的过程中氢分离器和氧分离器液位控制平稳；

4、电解槽出来的氢氧首先经过冷却除水，再用氢气体捕集器和氧气体捕集器分别进行氢气、氧气中水分的捕集，尽量回收水，减少水的消耗；

5、分离出的碱液在阴阳极液循环槽混合，保证了浓度的均匀。

6、设置碱液换热器即可用于开车前电解液的循环升温，又可用于高电流运行时电解槽温度的调节，做到了升电流快，调峰时电解槽温度稳定；

7、制氢系统自动化程度高，安全性能好，现场可实现无人值守，远程操控；

8、阴阳极液循环槽设置了第三充氮管，保证了阴阳极液循环槽的安全性。

附图说明

图1为本发明一种电解碱性水制氢工艺的系统图。

图2为电解槽温度及电流对应表。

其中：

电解槽101，第一流量计102，第二流量计103；

氢分离器201，氢冷却器202，氢气体捕集器203，第一自动阀204，第一充氮管205；

氧分离器301，氧冷却器302，氧气体捕集器303，第二自动阀304，第二充氮管305；

阴阳极液循环槽401，碱液换热器402，第三充氮管403，循环碱泵404；

配碱槽501，纯水槽502，水泵503，配碱泵504。

实施方式

如图1所示，本实施例中的一种电解碱性水制氢工艺，采用电解碱性水制氢系统实施，将氢氧化钠和纯水按照比例自动输送至配碱槽501中并混合均匀，形成碱液后输送至阴阳极液循环槽401，阴阳极液循环槽401内的碱液输送至电解槽101内的阴极室和阳极室，阴极室和阳极室分别通过第一流量计102和第二流量计103进行流量监控，电解槽101电解出氢气和氧气，氢气和部分碱液输送至氢分离器201进行分离，氧气和部分碱液输送至氧分离器301进行分离，分离后的氢气和氧气经冷却器冷却、捕滴器捕滴后自动放空处理，分离后的碱液进入阴阳极液循环槽401，氢分离器201和氧分离器301分别通过第一自动阀204和第二自动阀304进行液位控制，进入阴阳极液循环槽401的碱液充分混合，并去除溶解在碱液中的氢氧后用再输送至电解槽101进行电解；

碱液从阴阳极液循环槽401输送至电解槽101期间，对碱液实现热交换，实现电解液温度调节；

换热方式为：电解前，对输送至电解槽101的碱液进行加热，电解过程中，电能转化成热能使电解槽101的温度不断升高，而氧分离器301和氢分离器201分离出的碱液回流至阴阳极液循环槽401后，对输送至电解槽101的碱液进行降温；

电解期间，纯水不断消耗，向电解槽101的阴极室自动加入纯水，根据阴极液浓度和电流调节加入纯水量，保证电解液浓度处于正常范围内；

一种电解碱性水制氢系统，包括电解槽101、氢气分离单元、氧气分离单元、循环碱单元、补料单元、冷却单元和供配电单元，所述电解槽101为复极式电解槽101；

所述电解槽101与供配电单元连接，所述电解槽101上设置有第一流量计102和第二流量计103，所述氢气分离单元设置在电解槽101的氢气出口端，所述氧气分离单元设置在电解槽101的氧气出口端，所述氢气分离单元和氧气分离单元均与循环碱单元连接，所述循环碱单元与电解槽101的进液端连接，所述补料单元分别与循环碱单元和电解槽101连接，所述冷却单元与循环碱单元连接；

所述氢气分离单元包括依次连接的氢分离器201、氢冷却器202和氢气体捕集器203，所述氢分离器201上设置有第一自动阀204；

所述氧气分离单元包括一侧连接的氧分离器301、氧冷却器302和氧气体捕集器303，所述氧分离器301上设置有第二自动阀304；

所述循环碱单元包括阴阳极液循环槽401，所述阴阳极液循环槽401通过出液管与电解槽101连接，所述出液管上设置有碱液换热器402；

所述电解槽101与氢分离器201的连接管路中设置有第一充氮管205；

所述电解槽101与氧分离器301的连接管路中设置有第二充氮管305；

所述阴阳极液循环槽401设置第三充氮管403；

所述补料单元包括配碱槽501和纯水槽502，所述纯水槽502分别与配碱槽501和电解槽101连接，所述配碱槽501与阴阳极液循环槽401的补料端连接；

供配电单元由配电柜、程控柜、整流变压器和整流柜组成，所述整流变压器与整流柜将35kV的三相电转换为与电解槽101相匹配的电压电流，通过铜排输送给电解槽101，所述程控柜内安装有PLC，将预先编写好的程序写入PLC中，则PLC会按照程序要求输出信号，控制相关仪表、阀门的操作，从而实现整套设备的正常运行；

电解碱性水制氢系统工作原理：

纯水槽502内的纯水通过水泵503输送至配碱槽501后，逐渐将浓碱加入到配碱槽501中，直至碱液比重达到设定的数值为止，通过配碱泵504使配碱槽501内的水循环流动，碱液浓度为25%～35%，之后，再通过配碱泵504将配制好的碱液输送至阴阳极液循环槽401，其中，配碱槽501循环流动管路和配碱槽501输送至阴阳极液循环槽401管路通过阀门切换；

电解槽101在未进行电解前，阴阳极液循环槽401内的碱液通过循环碱泵404从出液管输送至电解槽101，实际上，碱液换热器402上连接有冷却水和蒸汽，此时，通过蒸汽输送至碱液换热器402，使出液管内碱液温度升高，如此，提高电解槽101送电前的槽温，从而提高电解槽101电流提升速度，另外，第一充氮管205和第二充氮管305输入氮气，用于置换电解槽101中空气，并通过在线气体分析仪进行检测，符合标准后电解槽101运行；

电解槽101送电运行期间，电解槽101运行压力为5kPa ～50kPa，电解槽101温度为70℃～80℃，碱液浓度为30%，电解槽101内的碱液电解出氢气和氧气，氢气和部分碱液输送至氢分离器201进行分离，氧气和部分碱液输送至氧分离器301进行分离，分离后的氢气和氧气经冷却器冷却、捕滴器捕滴后自动放空处理，分离后的碱液进入阴阳极液循环槽401，氢分离器201和氧分离器301分别通过第一自动阀204和第二自动阀304进行液位控制，将氮气从第三充氮管403输送至阴阳极液循环槽401，去除溶解在碱液中的氢氧，提高安全性，通过循环碱泵404的启动，使阴阳极液循环槽401内的碱液从出液管输送至电解槽101中，且此时，通过将冷却水输送至碱液换热器402，使出液管内碱液温度降低，因电解过程中部分电能转化成热能使电解槽101的温度不断升高，即碱液温度升高，通过碱液换热器402对碱液进行换热实现冷却，通过调节碱液冷却器的冷却水流量，达到控制电解槽101出口碱液温度的目的，另外，电解期间，不断消耗纯水，通过水泵503将纯水槽502内的纯水输送至电解槽101的阴极室中，实现补水，根据阴极液浓度和电流调节加入纯水量，保证电解液浓度处于正常范围内，纯水槽502内纯水输送至配碱槽501和纯水槽502内纯水输送至电解槽101管路通过阀门切换；

当制氢系统需要检修时，通过循环碱泵404和配碱泵504将碱液输送至配碱槽501，实现退碱；

电解碱性水制氢系统实现自动化：

a、配碱自动化，根据加入浓碱的量计算需加入的纯水量，并配碱泵504进行混合，浓度合格后可加入阴阳极液循环槽401；

b、第一充氮管205、第二充氮管305和第三充氮管403充气自动化，通过阀门控制压力自动放空，并有在线气体分析仪，符合条件后才送电开车；

c、电解槽101可进行自动充液，阴阳极液循环槽401可自动补液，进电解槽101的碱液自动加热，循环碱泵404启动循环后加热自动开启，温度达到设定温度后，自动停止，当电解槽101温度达到设定值，其它条件满足开车条件后，发出整流器启动信号，整流送电；

d、电解槽101出口氢氧压力串级进行控制，随着电流的提升进行升压，当电流升至一定值后充氮关闭，初始的氢氧通过自动放空阀进行放空，在线分析合格后，可自动切换，向用户输送；

e、根据阴极液浓度和电流进行自动加纯水，保证碱液浓度处于正常范围内；

f、碱液温度自动控制，使电解槽101温处于正常范围，保持隔膜处于高效率范围内；参见图2；

g、电解槽101总电压和每个单元电压在线监控；

h、直流电量，氢气产量在线显示，氢气电耗实时显示；

i、联锁系统；

电解碱性水制氢系统设置了工艺联锁，以下以联锁输入信号，发生异常，保证制氢装置停车并有效处理；

i.1、循环碱泵404设置有两台，两台循环碱泵404并联，若其中一台异常停止，导致泵出口压力低，则另一台泵启动，压力正常后故障泵停止并报警；若压力仍无法保证则系统会停车；

i.2、阴阳极液循环槽401电解液流量低报警联锁，电解液流量超出0.05平方米每小时后5秒，系统停车；

i.3、整流故障无法恢复，系统停车，进入自动处理程序；

i.4、电解槽101出口氢、氧压差超过压差2kPa后5秒，系统停车；

i.5、电解槽101出口氧、氢含量超过0.5%后3秒，系统停车；

i.6、电解槽101总电压和每个单元电压在线监控，电解槽101出口氢、氧压差和电解槽101出口氧、氢含量异常，系统停车；

j、系统停车后，系统联锁会自动处理，以下为输出信号；

j.1、阴极液补水阀切断，流量为0，循环碱泵404变频控制；

j.2、氢氧管线至用户的阀门自动切断，氢氧系统即可充氮置换也保压；

j.3、阴阳极循环流量自动调节，保持循环，并保持一定温度；

综上所述，该电解碱性水制氢工艺具有以下特点：

1、整个生产过程能做到自动化，无人参与；

2、电解槽101运行压力为5kPa ～50kPa，利于电解槽101和膜片的寿命的长久保持；

3、在生产的过程中氢分离器201和氧分离器301液位控制平稳；

4、电解槽101出来的氢氧首先经过冷却除水，再用氢气体捕集器203和氧气体捕集器303分别进行氢气、氧气中水分的捕集，尽量回收水，减少水的消耗；

5、分离出的碱液在阴阳极液循环槽401混合，保证了浓度的均匀。

6、设置碱液换热器402即可用于开车前电解液的循环升温，又可用于高电流运行时电解槽101温度的调节，做到了升电流快，调峰时电解槽101温度稳定；

7、制氢系统自动化程度高，安全性能好，现场可实现无人值守，远程操控；

8、阴阳极液循环槽401设置了第三充氮管403，保证了阴阳极液循环槽401的安全性。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。