质子交换膜纯水电解制氢系统技术方案

本发明专利技术提供一种质子交换膜纯水电解制氢系统，包括电解槽、供水组件、气体收集组件以及第一保护气输送管路；供水组件包括纯水箱和与纯水箱连接的纯水换热器，纯水换热器的输出端形成两支路，一支路与电解槽的纯水接口连接，另一支路回流至纯水箱内；纯水箱的气体输出端连接气体收集组件，以存储纯水箱内释放的气体；第一保护气输送管路一端用于连接保护气气源以获得保护气，第一保护气输送管路的另一端连接至纯水换热器的输入端前端管路；其中，电解槽内的纯水和氧气回流至纯水箱内，以在纯水箱内的氧气在重力作用下实现分离；电解槽的纯水出口通过氧气和纯水回流管路回流至纯水箱，且在氧气和纯水回流管路上设置有除氢催化反应床。应床。应床。

【技术实现步骤摘要】
质子交换膜纯水电解制氢系统


[0001]本专利技术涉及电解制氢
，具体涉及一种质子交换膜(PEM)纯水电解制氢系统。

技术介绍

[0002]氢能用途众多，既可作为化工原料，也可作为能源，还可作为储存介质充当能源缓冲体，可贯通电力、供热和燃料三个领域。而氢气作为能源有两个显著特点：高能量密度，单位质量热值是汽油三倍左右；低碳绿色，燃烧产物是水，零污染。适合作为大规模储能介质，实现能源储备。而具有响应时间快，电流密度高、体积小，电解液为纯水、无腐蚀性的质子交换膜(PEM)纯水电解制氢系统可与海上风电和光伏发电等可再生能源有效联合，助力国家双碳和绿色能源战略的实现。
[0003]由于风电和光伏发电等可再生能源具有波动性强，存在发电峰谷等特点，有风无风、风强风弱、有光无光、光强光弱等都会影响可再生能源的电力转换，所以要求与之耦合的质子交换膜(PEM)纯水电解制氢系统具有抗波动性强、可实现0～150％运行功率的性能特点。电解槽的核心部件质子交换膜一方面作为催化剂载体，在阴极端和阳极端分别负载析氢和析氧催化剂，促进电解制氢反应的发生；另一方面作为选择性透过膜，隔绝阴极端氢气和阳极端的纯水和氧气。但是从成本角度考虑，厚度薄，防渗致密性好的质子交换膜价格十分高昂，会导致整套PEM制氢系统的生产成本大大增加。所以从产品的经济性考虑，目前绝大多数PEM制氢系统的质子交换膜致密性均有限，难以完全隔绝阴极端氢气和阳极端的纯水和氧气，而且纯水PEM电解制氢系统具有独特的差压式设计，即产氢侧为高压设计，压力一般在3MPa左右，氧气和纯水侧为低压设计，该设计会导致氢气侧氢气透过防渗致密性有限的质子交换膜渗漏到氧气和纯水侧。当系统运行功率高时，氧气产量高，氢气渗漏到氧气侧后并未达到燃爆极限，而当系统运行功率为0～20％的低运行功率时，由于氧气侧氧气产量下降，而氢气渗漏量减少不明显，此时渗漏氢气在氢氧混合气中的占比升高，而氢气与纯氧混合的爆炸极限为4％～95％，跨度非常广，此时渗漏氢气在纯氧中体积占比极易达到燃爆极限，使质子交换膜(PEM)纯水电解制氢系统存在燃爆风险和安全隐患。基于以上原因，目前市售质子交换膜(PEM)制氢系统难以低成本的实现0～150％的全功率运行，无法与可再生能源实现有效匹配。

技术实现思路

[0004]针对上述不足，本专利技术的目的在于提供一种质子交换膜纯水电解制氢系统，在不影响质子交换膜(PEM)纯水电解制氢系统制氢效率和氢气纯度的情况下，降低系统燃爆风险。
[0005]本专利技术实施例提供一种质子交换膜纯水电解制氢系统，包括：
[0006]电解槽；
[0007]供水组件，所述供水组件包括纯水箱和与所述纯水箱连接的纯水换热器，所述纯
水换热器的输出端形成两支路，一支路与所述电解槽的纯水接口连接，另一支路回流至所述纯水箱内；
[0008]气体收集组件，所述纯水箱的气体输出端连接所述气体收集组件，以存储所述纯水箱内释放的气体；
[0009]第一保护气输送管路，所述第一保护气输送管路一端用于连接保护气气源以获得保护气，所述第一保护气输送管路的另一端连接至所述纯水换热器的输入端前端管路；
[0010]其中，所述电解槽内的纯水和氧气回流至所述纯水箱内，以在所述纯水箱内的氧气在重力作用下实现分离；所述电解槽的纯水出口通过氧气和纯水回流管路回流至所述纯水箱，且在所述氧气和纯水回流管路上设置有除氢催化反应床。
[0011]进一步地，所述供水组件还包括纯水机，所述纯水机生产的纯水经过纯水补水管路输送至所述纯水箱；所述纯水补水管路上设置有电动阀和第一水质电导率分析仪；所述纯水换热器的输入端通过第一纯水输送管路连接所述纯水箱的输出端；所述纯水换热器的输出端其中一支路通过第二纯水输送管路连接所述电解槽，所述纯水换热器的输出端的另一支路通过纯水净化管路连接至所述纯水箱。
[0012]进一步地，所述第一纯水输送管路上设置有纯水输送泵；所述第二纯水输送管路沿纯水流动方向依次设置有第一温度传感器、第二水质电导率分析仪、纯水流量计、第一压力传感器以及流量开关；所述纯水净化管路沿纯水流动方向依次设置有第一止回阀、纯水净化器以及精密过滤器；
[0013]所述纯水箱上设置有可燃气体报警仪、第一温度传感器以及第一液位传感器，所述第一液位传感器与所述电动阀联锁，以实现液位自控反馈。
[0014]进一步地，所述电解槽内设置有质子交换膜，所述质子交换膜的阳极侧涂敷析氧和除氢催化剂层，所述质子交换膜的阴极设置有析氢催化剂层；所述电解槽上设置有第二温度传感器。
[0015]进一步地，所述质子交换膜纯水电解制氢系统还包括氢组件，所述氢组件连接所述电解槽的氢气出口；所述氢组件包括依次连接地气水分离器、氢气换热器、捕滴器以及干燥器，所述气水分离器的纯水输出端通过纯水回流收集器回流至所述纯水箱内；所述捕滴器捕捉的液态水回流至所述气水分离器；所述干燥器的气体输出端连接氢气输出管路，以输出氢气成品；
[0016]所述气水分离器的纯水输出端通过气水分离器纯水回流管路流至纯水回流收集器，所述气水分离器纯水回流管路的管路上沿流动方向依次过滤器、第一电磁阀以及压力控制器；
[0017]所述气水分离器上设置有第二液位传感器、第二温度传感器以及第二压力传感器；
[0018]所述电解槽通过所述氢气管路与所述气水分离器连接；所述氢气管路上设置有第五止回阀；
[0019]所述氢气换热器通过捕滴器氢气管路连接所述捕滴器，所述捕滴器氢气管路上设置有第三温度传感器。
[0020]进一步地，所述纯水箱通过氧气收集储存管路与所述气体收集组件连接；所述气体收集组件包括气体压缩机和与所述气体压缩机连接的保护气储存罐，所述气体压缩机连
接所述纯水箱的气体输出端；
[0021]所述气体收集组件的气体输出端还连接有保护气调压设备，所述保护气储存罐内的气体经过所述保护气调压设备输出；所述保护气调压设备通过所述第一保护气管路输送至所述纯水换热器的输入端前管路，所述保护气调压设备通过第二保护气管路输送至所述氧气和纯水回流管路，所述保护气调压设备通过第三保护气管路输送至所述电解槽；所述保护气储存罐通过第一阻火器放空。
[0022]进一步地，所述第一保护气管路上设置有第二止回阀，所述第二保护气管路上设置有第三止回阀，所述第三保护气管路上设置有第四止回阀。
[0023]进一步地，第一保护气输送管路还连接有惰性气体装置，所述惰性气体装置包括储罐和设置于所述储罐输出端的调压阀，所述储罐内的保护气经所述调压阀输出至所述第一保护气输送管路上。
[0024]进一步地，所述干燥器还连接有冷凝水收集器，所述冷凝水收集器上设置有第三液位传感器；所述冷凝水收集器的气体输出端经过第二阻火器进行排出，所述冷凝水收集器的液体输出端经过第二电磁阀输出。
[0025]进一步地，所述干燥器上设置有露点仪和氢中氧分析仪。
[0026]本实施例提供的质子交换膜纯水电解制氢系统，其有益效果在于：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜纯水电解制氢系统，其特征在于，包括：电解槽(10)；供水组件，所述供水组件包括纯水箱(22)和与所述纯水箱(22)连接的纯水换热器(25)，所述纯水换热器(25)的输出端形成两支路，一支路与所述电解槽(10)的纯水接口连接，另一支路回流至所述纯水箱(22)内；气体收集组件，所述纯水箱(22)的气体输出端连接所述气体收集组件，以存储所述纯水箱(22)内释放的气体；第一保护气输送管路(L16)，所述第一保护气输送管路(L16)一端用于连接保护气气源以获得保护气，所述第一保护气输送管路(L16)的另一端连接至所述纯水换热器(25)的输入端前端管路；其中，所述电解槽(10)内的纯水和氧气回流至所述纯水箱(22)内，以在所述纯水箱(22)内的氧气在重力作用下实现分离；所述电解槽(10)的纯水出口通过氧气和纯水回流管路(L19)回流至所述纯水箱(22)，且在所述氧气和纯水回流管路(L19)上设置有除氢催化反应床(12)。2.根据权利要求1所述的质子交换膜纯水电解制氢系统，其特征在于，所述供水组件还包括纯水机(21)，所述纯水机(21)生产的纯水经过纯水补水管路(L11)输送至所述纯水箱(22)；所述纯水补水管路(L11)上设置有电动阀(23)和第一水质电导率分析仪(24)；所述纯水换热器(25)的输入端通过第一纯水输送管路(L12)连接所述纯水箱(22)的输出端；所述纯水换热器(25)的输出端其中一支路通过第二纯水输送管路(L13)连接所述电解槽(10)，所述纯水换热器(25)的输出端的另一支路通过纯水净化管路(L14)连接至所述纯水箱(22)。3.根据权利要求2所述的质子交换膜纯水电解制氢系统，其特征在于，所述第一纯水输送管路(L12)上设置有纯水输送泵(26)；所述第二纯水输送管路(L13)沿纯水流动方向依次设置有第一温度传感器(251)、第二水质电导率分析仪(252)、纯水流量计(253)、第一压力传感器(254)以及流量开关(255)；所述纯水净化管路(L14)沿纯水流动方向依次设置有第一止回阀(256)、纯水净化器(257)以及精密过滤器(258)；所述纯水箱(22)上设置有可燃气体报警仪(221)、第一温度传感器(222)以及第一液位传感器(223)，所述第一液位传感器(223)与所述电动阀(23)联锁，以实现液位自控反馈。4.根据权利要求1所述的质子交换膜纯水电解制氢系统，其特征在于，所述电解槽(10)内设置有质子交换膜(12)，所述质子交换膜(12)的阳极侧涂敷析氧和除氢催化剂层(13)，所述质子交换膜(12)的阴极设置有析氢催化剂层(14)；所述电解槽(10)上设置有第二温度传感器(11)。5.根据权利要求1所述的质子交换膜纯水电解制氢系统，其特征在于，所述质子交换膜纯水电解制氢系统还包括氢组件，所述氢组件连接所述电解槽(10)的氢气出口；所述氢组件包括依次连接地气水分离器(41)、氢气换热器(42)、捕滴器(43)以及干燥器(44)，所述气水分离器(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐乾，徐凤麒，段东霞，张显峰，
申请(专利权)人：厦门双瑞海洋环境工程有限公司，
类型：发明
国别省市：