一种电解氨制氢系统技术方案

本发明专利技术公开一种电解氨制氢系统，包括储氨罐、氢气收集装置和制氢部件，所述制氢部件包括壳体、设置于所述壳体内电解质层及设置于所述电解质层相对两侧的阳极层和阴极层，所述阳极层与电源的负极连接，所述阴极层与电源的正极连接。本发明专利技术使用的电解氨制氢系统制备氢气，在阴极层产生氢气，阳极层产生氮气，从而有效地分离制备出的氮气和氢气，直接获得高收率高纯度的氢气。本发明专利技术剩余氨气从阳极出气口经过管道回流至阳极进气口，不会和阴极产生的氢气混杂。

An Electrolytic Ammonia Hydrogen Production System

【技术实现步骤摘要】
一种电解氨制氢系统
本专利技术属于氢气制备
，具体涉及一种电解氨制氢系统。
技术介绍
能源是现代社会发展的根本保证，是人类文明的基石。然而，现有的以化石燃料为基础的能源系统不仅给我们带来了严重的环境污染问题，而且化石燃料大量开采，面临枯竭。寻找可替代化石燃料的新型能源是当今各国能源发展的重要目标。氢作为一种清洁能源载体而备受关注，氢能的开发利用必须解决氢的来源问题，开发安全、高效、经济的供氢、储氢技术是实现氢能利用的根本。如今氢有两种主要的来源，即水电解和化石燃料生产。水电解制氢的工艺过程简单、无污染，但是其成本过高，转换氢需要消耗大量的电能；利用化石燃料生产氢气则需要消耗大量的不可再生能源，同时会向环境中排放大量的温室气体，与使用氢作为能源的目的相违背，这些原因限制了氢气作为一种替代能源的广泛应用。氨是一种含氢质量分数达17.8％的富氢物质，由于其价格低廉，同时在加压和低温环境时可以转换为液态易于储存和运输，近年来作为制氢的原料受到了关注。利用氨制氢产生的尾气是无污染且结构稳定的氮气，也是适宜如今环保的要求。由氨获取氢主要有三种方式：热分解或催化裂解氨、机械化学法分解氨以及电化学方法分解氨。传统氨分解需要通过低浓度氨脱除和氢氮分离步骤。尤其是氢氮分离，需要通过PSA或膜分离等技术进行氢氮气分离。其中，PSA装置规模较大，且昂贵，虽然可获得99.9％的氢，但收率仅50～70％；而膜分离收率可达90％以上，但纯度仅为93～95％，为了获得高收率高纯度氢，需要复杂的提纯系统，十分昂贵。因此，亟需一种高收率且能获得高纯度氢的制氢系统。
技术实现思路
因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中的氨分解制备氢气时收率和纯度无法同时达到要求的缺陷，从而提供一种电解氨制氢系统。本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供一种电解氨制氢系统，包括，储氨罐；制氢部件，包括壳体、置于所述壳体内的固体氧化物电解池，所述固体氧化物电解池包括电解质层及设置于所述电解质层相对两侧的阳极层和阴极层，所述阳极层与电源的负极连接，所述阴极层与电源的正极连接，并且所述阳极层和阴极层分别与负载相连；靠近所述阳极层的所述壳体侧壁上设置阳极进气口，所述阳极进气口与所述储氨罐连通，靠近所述阴极层且与所述阳极层相对的所述壳体侧壁上设置阴极出气口；氢气收集装置，与所述阴极出气口连通，以收集氢气。优选地，所述固体氧化物电解池为阳极支撑型，所述阳极支撑型中电解质层厚度为10-30μm；阳极层厚度为300-1000μm；所述阴极层厚度为10-50μm；或者，所述固体氧化物电解池为电解质支撑型，所述电解质支撑型中电解质层厚度为300-1000μm；阳极层厚度为10-50μm；所述阴极层厚度为10-50μm。优选地，还包括，阳极出气口，设置于靠近所述阳极层的所述壳体侧壁上，且与所述阳极进气口同侧设置，以将所述制氢部件内残余的氨气及分解产生的氮气引出。优选地，还包括，膨胀器、第一换热器和第二换热器，所述储氨罐、所述膨胀器和第一换热器依次连通设置；所述电解质层为氧离子导体电解质层时，所述第一换热器分别与所述阳极进气口和阳极出气口连通，以使氨气与来自所述制氢部件内残余的氨气及分解产生的氮气在所述第一换热器内间接换热；所述第二换热器与干燥器连通，所述第二换热器与所述阴极出气口连通，所述干燥器与所述氢气收集装置连通，以使来自所述阴极出气口的氢气经过第二换热器与干燥器换热后进入所述氢气收集装置内；或者，所述电解质层为质子导体电解质层时，所述膨胀器依次与所述第二换热器、第一换热器和阳极进气口连接，所述阴极出气口依次与所述第二换热器和氢气收集装置连接，所述阳极出气口与所述第一换热器连接，以使来自所述储氨罐中的氨气在所述第二换热器内与氢气换热，再进入所述第一换热器内与来自所述制氢部件内残余的氨气及分解产生的氮气换热。优选地，所述电解质层为氧离子导体电解质层时，还包括，阴极进气口，设置于靠近所述阴极层的所述壳体侧壁上，且与所述阴极出气口同侧设置；依次连通水罐和蒸发器，所述蒸发器的水蒸气出口依次与所述第二换热器和阴极进气口连接，以使水蒸气在所述第二换热器内与来自所述阴极出气口的氢气换热后，进入所述阴极进气口内。优选地，所述阳极出气口和所述阳极进气口在制氢部件外部连通，以将所述制氢部件内残余的部分氨气回用于所述制氢部件。优选地，还包括包覆在阳极层外侧的阳极气体流道，所述阳极进气口和阳极出气口在制氢部件内部与所述阳极气体流道连通，以使氨气进入在阳极层处进行反应并使得氮气和残余氨气通过阳极出气口离开制氢部件。优选地，还包括包覆在阴极层外侧的阴极气体流道，所述电解质层为氧离子导体电解质层时，阴极进气口和阴极出气口在制氢部件内部与所述阴极气体流道连通，以使水蒸气进入阴极层处进行反应并使得氢气和残余水蒸气通过阴极出气口离开制氢部件；或者，所述电解质层为质子导体电解质层是，阴极出气口在制氢部件内部与所述阴极气体流道连通，以使得氢气通过阴极出气口离开制氢部件。本专利技术总反应为2NH3＝N2+3H2。本专利技术所使用的电解质不同，其阴阳极半反应也并不相同，若使用氧离子导体电解质，则电解质材料包括并不限于YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)、ScSZ(氧化钪稳定的氧化锆)、GDC(钆掺杂的氧化铈)、SDC(锶掺杂的氧化铈)或LSGM(锶和镁掺杂的镓酸镧)中的一种，具体半反应为：阳极：2NH3+3O2-＝N2+3H2O+6e-阴极：3H2O+6e-＝3H2+3O2-；阳极层材料为Ni和电解质材料混合的导体材料，阴极层材料为包括但不限于Ni、LSM(镧锶锰)和LSCF(镧锶钴铁)中的一种和电解质材料混合的导体材料。若使用质子导体电解质，则电解质材料包括并不限于铈酸钡或锆酸钡基钙钛矿材料(锆和钇掺杂铈酸钡、锆钇镱掺杂的铈酸钡、钇掺杂锆酸钡)，具体半反应为：阳极：2NH3＝N2+6H++6e-阴极：6e-+6H+＝3H2；阳极层材料为Ni和电解质材料混合的导体材料，阴极层材料为包括但不限于Ni、BSCF(钡锶钴铁)、LSCF、PSCF(镨锶钴铁)、SSC(钐锶钴)、LSN(镧锶镍)、PSN(镨锶镍)或PBC(镨钡钴)中的一种和电解质材料混合的导体材料。本专利技术技术方案，具有如下优点：1.本专利技术所使用的电解氨系统来制备氢气，在阴极层产生氢气，阳极层产生氮气，从而有效地分离制备出的氮气和氢气，直接获得高收率高纯度的氢气。2.本专利技术剩余氨气从阳极出气口经过管道回流至阳极进气口，不会和阴极产生的氢气混杂。3.本专利技术设置换热器，使得反应产生的高温气体将热量传递给反应前的原料气体，提前预热原料气体，节约能源。4.本专利技术电解氨的同时，氨气还作为固体氧化物电解池的燃料为电解氢提供电能，在低极化下还能对外发电；仅需要输入少量电能克服极化电压，即可达到理想的产氢率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的实施例1和3中电解氨制氢装置的结构示意图；图2为本专利技术的实施例2中电解氨制氢装置的结构示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电解氨制氢系统，其特征在于，包括，储氨罐；制氢部件，包括壳体、设置于所述壳体内固体氧化物电解池，所述固体氧化物电解池包括电解质层及设置于所述电解质层相对两侧的阳极层和阴极层，所述阳极层与电源的负极连接，所述阴极层与电源的正极连接，并且所述阳极层和阴极层分别与负载相连；靠近所述阳极层的所述壳体侧壁上设置阳极进气口，所述阳极进气口与所述储氨罐连通，靠近所述阴极层且与所述阳极层相对的所述壳体侧壁上设置阴极出气口；氢气收集装置，与所述阴极出气口连通，以收集氢气。

【技术特征摘要】
1.一种电解氨制氢系统，其特征在于，包括，储氨罐；制氢部件，包括壳体、设置于所述壳体内固体氧化物电解池，所述固体氧化物电解池包括电解质层及设置于所述电解质层相对两侧的阳极层和阴极层，所述阳极层与电源的负极连接，所述阴极层与电源的正极连接，并且所述阳极层和阴极层分别与负载相连；靠近所述阳极层的所述壳体侧壁上设置阳极进气口，所述阳极进气口与所述储氨罐连通，靠近所述阴极层且与所述阳极层相对的所述壳体侧壁上设置阴极出气口；氢气收集装置，与所述阴极出气口连通，以收集氢气。2.根据权利要求1所述的电解氨制氢系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池为阳极支撑型，所述阳极支撑型中电解质层厚度为10-30μm；阳极层厚度为300-1000μm；所述阴极层厚度为10-50μm。3.根据权利要求1所述的电解氨制氢系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池为电解质支撑型，所述电解质支撑型中电解质层厚度为300-1000μm；阳极层厚度为10-50μm；所述阴极层厚度为10-50μm。4.根据权利要求3所述的电解氨制氢系统，其特征在于，还包括，阳极出气口，设置于靠近所述阳极层的所述壳体侧壁上，且与所述阳极进气口同侧设置，以将所述制氢部件内残余的氨气及分解产生的氮气引出。5.根据权利要求4所述的电解氨制氢系统，其特征在于，还包括，膨胀器、第一换热器和第二换热器，所述储氨罐、所述膨胀器和第一换热器依次连通设置；所述电解质层为氧离子导体电解质层时，所述第一换热器分别与所述阳极进气口和阳极出气口连通，以使氨气与来自所述制氢部件内残余的氨气及分解产生的氮气在所述第一换热器内间接换热；所述第二换热器与干燥器连通，所述第二换热器与所述阴极出气口连通，所述干燥器与所述氢气收集装置连通，以使来自所述阴极出气口的氢气经...

【专利技术属性】
技术研发人员：江莉龙，罗宇，陈崇启，詹瑛瑛，
申请(专利权)人：福州大学化肥催化剂国家工程研究中心，
类型：发明
国别省市：福建,35