一种液氨电解制氢装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种液氨电解制氢装置及控制方法，涉及氢能源与氨能源技术领域。所述液氨电解制氢装置，包括高压液氨电解槽和电解液供应系统。所述高压液氨电解槽为以离子交换膜作为隔膜的双极型压滤式结构电解槽，其中离子交换膜对阴阳极气体产物隔离的同时，保证氧化还原反应需要的电极间离子移动，并通过控制液氨电解制氢装置，将液态氨电化学分解生产氢气和氮气。本发明专利技术所提液氨电解制氢装置具有低成本、高效率、高纯度的氨制氢的优势。高纯度的氨制氢的优势。高纯度的氨制氢的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种液氨电解制氢装置及控制方法


[0001]本专利技术属于氢能源和氨能源
，特别是涉及一种液氨电解制氢装置及控制方法。

技术介绍

[0002]氢能作为一种绿色可再生二次能源，具有发热值高、储量丰富、环保清洁等显著优点，在低碳零碳能源领域中脱颖而出，引起了政府、企业和科研院所重视。但是，氢能利用成本过高和能量密度低是限制其推广的主要障碍，由于氢气存储条件苛刻、能量密度低，高压储运安全性差，因此解决生产储运环节的问题是氢能发展的关键。
[0003]众所周知，氨的储氢密度高于水、甲醇和无碳媒介的液氢，在常温加压下很容易液化，是十分理想的储氢运氢载体。为此，氨制氢技术也逐渐引起关注。现有氨制氢技术包括热催化裂解、电催化氧化含氨溶液制氢、电化学分解液氨制氢。其中热催化氨裂解技术较成熟且运用广泛，但700摄氏度以上的高温反应条件导致成本过高，分解出的氮气和氢气分离困难；电催化氧化含氨溶液是被认为工业化可能性较大的技术之一，具有环境友好、能量效率高、反应条件温和的优点；电化学分解液氨制氢技术在无水无氧条件下对液态氨电化学分解，氢完全来自氨分子中，充分发挥了氨高体积、高质量含氢密度的优势。
[0004]电化学分解液氨能够充分发挥氨高含氢密度优势，较其他氨制氢技术路线更具潜力，其原理与碱性电解水制氢类似，在液态氨中加入铵盐、氨基化合物或碱性溶液作为电解质使液氨具备导电性，使用催化剂对氨电化学分解，生成氮气和氢气。但是液氨电解槽中需要阴阳两电极间必要离子的移动，而电极间电解液直接贯通又使得气体产物的分离提纯变得困难，后续处理流程复杂，影响了氢气生产纯度。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种液氨电解制氢装置，它能有效地解决在不影响电化学反应所需离子转移的前提下对阳极与阴极气体产物隔离的技术问题。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种液氨电解制氢装置，包括高压液氨电解系统、电解液供应系统和控制器CC，所述高压液氨电解系统包括高压液氨电解槽D9和外部的直流电源D24，高压液氨电解槽D9内设有阳极和阴极，直流电源D24的正负极分别与阳极和阴极连接，其特征在于：所述高压液氨电解槽D9为双极型压滤式结构电解槽，在其内部的阳极和阴极之间设有离子交换膜，高压液氨电解槽D9的外部靠近阳极一侧分别设有压力传感器P1及温度传感器T1，靠近阴极一侧分别设有压力传感器P2及温度传感器T2；高压液氨电解槽D9获得直流电源D24的直流电能，将液态氨电化学分解，在阳极生成氮气、在阴极生成氢气，其中高压液氨电解槽D9的离子交换膜对阴极与阳极气体产物隔离的同时，为氧化还原反应需要的电极间离子提供通道；
[0007]进一步地，所述电解液供应系统包括通过管路与高压液氨储罐D1、电解质储罐D4
连接的电解液调匀调温罐D6，设置在电解液调匀调温罐D6内部的阳极换热器D22与阴极换热器D23，设置在电解液调匀调温罐D6出口管路上的电解液循环泵D3，以及通过管路与高压液氨电解槽D9两侧连接的氮气冷凝分离装置D11与氢气冷凝分离装置D15；电解质储罐D4的出口与电解液调匀调温罐D6的电解质补给入口之间通过管路L1相连、且管路L1上设有电解质阀D5，高压液氨储罐D1的出口与电解液调匀调温罐D6的液氨补给入口之间通过管路L2相连、且管路L2上设有液氨阀D2，电解液调匀调温罐D6的出口与电解液循环泵D3的入口之间通过管路L3相连，电解液循环泵D3的出口与高压液氨电解槽D9的阳极电解液入口之间通过管路L4相连、且管路L4上设有阳极进液阀D7，电解液循环泵D3的出口与高压液氨电解槽D9的阴极电解液入口之间通过管路L5相连、且管路L5上设有阴极进液阀D8，高压液氨电解槽D9的阳极出口与氮气冷凝分离装置D11的入口之间通过管路L6相连、且管路L6上设有阳极流量调节阀D10，氮气冷凝分离装置D11的氮气出口与氮气储罐D13的入口之间通过管路L13相连、且管路L13上设有氮气流量调节阀D12，氮气冷凝分离装置D11的电解液出口与电解液调匀调温罐D6的阳极入口之间通过管路L11相连、且管路L11上设有截止阀D18，阳极流量调节阀D10的入口侧与阳极换热器D22的入口之间通过管路L8相连、且管路L8上设有换热调节阀D20，阳极换热器D22的出口与阳极流量调节阀D10的出口侧之间通过管路L14相连，高压液氨电解槽D9的阴极出口与氢气冷凝分离装置D15的入口之间通过管路L7相连、且管路L7上设有阴极流量调节阀D14，氢气冷凝分离装置D15的氢气出口与氢气储罐D17的入口之间通过管路L12相连、且管路L12上设有氢气流量调节阀D16，氢气冷凝分离装置D15的电解液出口与电解液调匀调温罐D6的阴极入口之间通过管路L10相连、且管路L10上设有截止阀D19，阴极流量调节阀D14的入口侧与阴极换热器D23的入口之间通过管路L9相连、且管路L9上设有换热调节阀D21，阴极换热器D23的出口与阴极流量调节阀D14的出口侧之间通过管路L15相连；同时电解液调匀调温罐D6的内部设有温度传感器T3及压力传感器P3；氮气冷凝分离装置D11的内部设有温度传感器T4与压力传感器P4；氢气冷凝分离装置D15的内部设有温度传感器T5与压力传感器P5；
[0008]进一步地，所述控制器CC的采集信号输入端口T1、T2、T3、T4、T5、P1、P2、P3、P4、P5分别与温度传感器T1、温度传感器T2、温度传感器T3、温度传感器T4、温度传感器T5、压力传感器P1、压力传感器P2、压力传感器P3、压力传感器P4、压力传感器P5的信号端一一对应相连，控制器CC的控制信号输出端口D2、D3、D5、D7、D8、D10、D11、D12、D14、D15、D16、D20、D21、D24分别与液氨阀D2、电解液循环泵D3、电解质阀D5、阳极进液阀D7、阴极进液阀D8、阳极流量调节阀D10、氮气冷凝分离装置D11、氮气流量调节阀D12、阴极流量调节阀D14、氢气冷凝分离装置D15、氢气流量调节阀D16、换热调节阀D20、换热调节阀D21、直流电源D24的信号端一一对应相连；
[0009]进一步地，所述高压液氨电解槽D9内部的离子交换膜，由对特定离子具有选择透过性的有机高分子材料或复合材料制成，优选地，所述有机高分子材料为搭载磺酸基离子交换膜树脂的聚乙烯、聚氯乙烯、氯乙烯
‑
乙烯共聚物中的一种或多种材料构成的聚烯烃类织布基材或其它具有类似功能的有机高分子材料；所述复合材料为有机或无机材料经表面改性得到。
[0010]进一步地，所述电解质储罐D4内储存铵盐或者碱性溶液。
[0011]可选地，当所述电解质储罐D4内储存铵盐时，所述高压液氨电解槽D9内的离子交
换膜为阳离子交换膜，电解反应过程中，阳极氨分子NH3氧化为氮气N2，并向阴极提供铵根离了阴极铵根离子得到电子e
‑
还原为氢气H2和氨分子NH3；它们包括如下S411和S412两个反应过程：
[0012]S411.阳极发生氨的氧化反应生成氮气，并产生铵根离本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液氨电解制氢装置，包括高压液氨电解系统、电解液供应系统和控制器CC，所述高压液氨电解系统包括高压液氨电解槽D9和外部的直流电源D24，高压液氨电解槽D9内设有阳极和阴极，直流电源D24的正负极分别与阳极和阴极连接，其特征在于：所述高压液氨电解槽D9为双极型压滤式结构电解槽，在其内部的阳极和阴极之间设有离子交换膜，高压液氨电解槽D9的外部靠近阳极一侧分别设有压力传感器P1及温度传感器T1，靠近阴极一侧分别设有压力传感器P2及温度传感器T2；高压液氨电解槽D9获得直流电源D24的直流电能，将液态氨电化学分解，在阳极生成氮气、在阴极生成氢气，其中高压液氨电解槽D9的离子交换膜对阴极与阳极气体产物隔离的同时，为氧化还原反应需要的电极间离子提供通道；所述电解液供应系统包括：通过管路与高压液氨储罐D1、电解质储罐D4连接的电解液调匀调温罐D6，设置在电解液调匀调温罐D6内部的阳极换热器D22与阴极换热器D23，设置在电解液调匀调温罐D6出口管路上的电解液循环泵D3，以及通过管路分别与高压液氨电解槽D9两侧连接的氮气冷凝分离装置D11与氢气冷凝分离装置D15；电解质储罐D4的出口与电解液调匀调温罐D6的电解质补给入口之间通过管路L1相连、且管路L1上设有电解质阀D5，高压液氨储罐D1的出口与电解液调匀调温罐D6的液氨补给入口之间通过管路L2相连、且管路L2上设有液氨阀D2，电解液调匀调温罐D6的出口与电解液循环泵D3的入口之间通过管路L3相连，电解液循环泵D3的出口与高压液氨电解槽D9的阳极电解液入口之间通过管路L4相连、且管路L4上设有阳极进液阀D7，电解液循环泵D3的出口与高压液氨电解槽D9的阴极电解液入口之间通过管路L5相连、且管路L5上设有阴极进液阀D8，高压液氨电解槽D9的阳极出口与氮气冷凝分离装置D11的入口之间通过管路L6相连、且管路L6上设有阳极流量调节阀D10，氮气冷凝分离装置D11的氮气出口与氮气储罐D13的入口之间通过管路L13相连、且管路L13上设有氮气流量调节阀D12，氮气冷凝分离装置D11的电解液出口与电解液调匀调温罐D6的阳极入口之间通过管路L11相连、且管路L11上设有截止阀D18，阳极流量调节阀D10的入口侧与阳极换热器D22的入口之间通过管路L8相连、且管路L8上设有换热调节阀D20，阳极换热器D22的出口与阳极流量调节阀D10的出口侧之间通过管路L14相连，高压液氨电解槽D9的阴极出口与氢气冷凝分离装置D15的入口之间通过管路L7相连、且管路L7上设有阴极流量调节阀D14，氢气冷凝分离装置D15的氢气出口与氢气储罐D17的入口之间通过管路L12相连、且管路L12上设有氢气流量调节阀D16，氢气冷凝分离装置D15的电解液出口与电解液调匀调温罐D6的阴极入口之间通过管路L10相连、且管路L10上设有截止阀D19，阴极流量调节阀D14的入口侧与阴极换热器D23的入口之间通过管路L9相连、且管路L9上设有换热调节阀D21，阴极换热器D23的出口与阴极流量调节阀D14的出口侧之间通过管路L15相连；同时电解液调匀调温罐D6的内部设有温度传感器T3及压力传感器P3；氮气冷凝分离装置D11的内部设有温度传感器T4与压力传感器P4；氢气冷凝分离装置D15的内部设有温度传感器T5与压力传感器P5；所述控制器CC的采集信号输入端口T1、T2、T3、T4、T5、P1、P2、P3、P4、P5分别与温度传感器T1、温度传感器T2、温度传感器T3、温度传感器T4、温度传感器T5、压力传感器P1、压力传感器P2、压力传感器P3、压力传感器P4、压力传感器P5的信号端一一对应相连，控制器CC的控制信号输出端口D2、D3、D5、D7、D8、D10、D11、D12、D14、D15、D16、D20、D21、D24分别与液氨阀D2、电解液循环泵D3、电解质阀D5、阳极进液阀D7、阴极进液阀D8、阳极流量调节阀D10、氮气冷凝分离装置D11、氮气流量调节阀D12、阴极流量调节阀D14、氢气冷凝分离装置D15、氢气流量调节阀D16、换热调节阀D20、换热调节阀D21、直流电源D24
的信号端一一对应相连。2.根据权利要求1所述的一种液氨电解制氢装置，其特征在于，所述高压液氨电解槽D9内部的离子交换膜，由对特定离子具有选择透过性的有机高分子材料或复合材料制成。3.根据权利要求2所述的一种液氨电解制氢装置，其特征在于，所述有机高分子材料为搭载磺酸基离子交换膜树脂的聚乙烯、聚氯乙烯、氯乙烯
‑
乙烯共聚物中的一种或多种材料构成的聚烯烃类织布基材或其它具有类似功能的有机高分子材料；所述复合材料为有机或无机材料经表面改性得到。4.根据权利要求1所述的一种液氨电解制氢装置，其特征在于：所述电解质储罐D4内储存铵盐或者碱性溶液；当所述电解质储罐D4内储存铵盐时，所述高压液氨电解槽D9内离子交换膜为阳离子交换膜，电解反应过程中，阳极氨分子NH3氧化为氮气N2，并向阴极提供铵根离子阴极铵根离子得到电子e
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还原为氢气H2和氨分子NH3；它们包括如下S411和S412两个反应过程：S411.阳极发生氨的氧化反应生成氮气，并产生铵根离子通过阳离子交换膜传送到阴极，发生如下反应：S412.铵根离子通过阳离子交换膜达到阴极，在阴极上发生还原反应生成氢气，发生如下反应：当所述电解质储罐D4内储存碱性溶液时，所述高压氨水电解槽D9内的离子交换膜为阴离子交换膜，电解反应过程中，阳极氨分子NH3与氢氧根离子氧化为氮气N2与水；阴极铵根离子水得到电子e
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还原为氢气H2，并为阳极提供氢氧根离子；它们包括如下S421和S422两个反应过程：S421.阴极水发生还原反应生成氢气，发生如下反应：6H2...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴朝华，
申请(专利权)人：四川通通友铁科技有限公司，
类型：发明
国别省市：