一种阴离子交换膜电解水制氢及余热回收系统技术方案

本发明专利技术公开了一种阴离子交换膜电解水制氢及余热回收系统，系统由电解水制氢系统、蒸汽压缩式制冷循环系统、气体纯化系统和余热回收系统组成；电解水制氢系统用来电解水产生氢气和氧气，蒸汽压缩式制冷循环系统包括蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀；气体纯化系统用来对氢气进行冷却和干燥，最终获得纯度合格的氢气；余热回收系统中的冷却液吸收冷凝器放出的热量，高温冷却液可存储在储热罐中用于提供生活热水和取暖，可以通过管路进入循环换热器对循环回路中的碱液或纯水进行加热；本发明专利技术将电解过程中的低品位的热能转化为高品位热能并充分回收利用，降低了氢气纯化过程中的电能消耗，提高了阴离子交换膜电解水制氢系统在变载工况下的适应性。工况下的适应性。工况下的适应性。

【技术实现步骤摘要】
一种阴离子交换膜电解水制氢及余热回收系统


[0001]本专利技术属于电解水制氢领域，具体涉及一种阴离子交换膜电解水制氢及余热回收系统。

技术介绍

[0002]目前，我国正加速能源清洁化转型进程，脱碳减排需求日益增长。为实现规模化低碳甚至无碳能源，我国提出“碳达峰”、“碳中和”目标。而如何解决大规模可再生能源消纳成为实现“双碳目标”必须解决的问题。近年来，利用可再生能源发电来电解水制绿氢技术受到人们的普遍关注，其在推进我国的能源结构转型和实现“双碳”目标的进程中将发挥至关重要的作用。
[0003]在四种水电解制氢技术中，阴离子交换膜(AEM)电解水制氢技术目前尚处于研发阶段。作为最新的电解水技术，阴离子交换膜电解水制氢的潜力在于将碱性水电解制氢的低成本与质子交换膜(PEM)电解水制氢的简单、高效相结合。AEM电解水制氢技术的运行温度一般小于60℃，其电解质通常为纯水或1mol/L的氢氧化钾溶液。
[0004]在AEM电解水制氢过程中会有一部分的电能转化成热能，而这些热能最终被冷却水带走或散失在周围环境中，降低了系统的热能利用率。同时，可再生能源发电由于自然条件的影响呈现间歇性、波动性和随机性的特点，其对AEM电解槽供电不稳定。当新能源发电功率较低时，电解槽的电解功率下降，电解槽的实际散热量大于电解槽的产热量，从而使电解槽的温度下降，低于电解的最佳运行温度，最终导致水电解效率和速率大幅降低。
[0005]电解槽由于故障经常需要停机检修，电解槽停机启动时间越短，系统的产氢的损失也就越小。若电解槽启动时处于热备用状态，其启动时间将大大缩短，远低于冷状态启动时间。但目前尚未存在有效的电解槽保温措施使电解槽启动时处于热备用状态，其启动时间比较长，启动阶段的电能消耗比较大。
[0006]当AEM电解槽的电解质为低浓度的碱液或纯水时，由于电解槽出口的气液混合物温度较高，在气液分离器中进行气液分离时碱液或纯水的雾化程度高，气体和碱液或纯水分离比较困难，导致分离出的氢气中的碱雾含量较大，增加水电解过程中碱的消耗。
[0007]另外，氢气的干燥采用的是吸附法，通常用分子筛作为吸附剂，当分子筛吸附饱和时需要对其进行加热再生。该过程需用电加热器将氢气加热至200，氢气被加热后通过分子筛，对其吸附的水分进行解析，这也增加了分子筛再生时的电耗，增加整个制氢系统的成本。
[0008]综上所述，现有的AEM电解水制氢系统存在运行期间热能回收利用率低，对新能源发电功率波动适应性较差、停机启动时间长、碱液或纯水和电能消耗量较高等问题。

技术实现思路

[0009]针对上述现有AEM电解水制氢技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种阴离子交换膜电解水制氢及余热回收系统，提高电解槽宽功率波动的适应性，减少电解槽停机
启动时间，降低干燥剂再生期间的电能消耗，提高了能量综合利用率和制氢的经济效益。
[0010]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0011]一种阴离子交换膜电解水制氢及余热回收系统，包括制氢系统、蒸汽压缩式制冷循环系统、余热回收系统及气体纯化系统；
[0012]所述制氢系统包括电解槽，电解槽阴极出口依次连接氢侧第一气液分离器、氢侧洗涤器和氢侧第二气液分离器，氢侧第二气液分离器的气体出口与气体纯化系统连通；所述的电解槽阳极出口依次连接氧侧第一气液分离器、氧侧洗涤器、氧侧第二气液分离器和储氧罐；氢侧第一气液分离器和氧侧第一气液分离器相连通，氢侧第一气液分离器和氧侧第一气液分离器液体出口均通过管路依次经过滤器、循环泵与电解槽连通；氢侧洗涤器进口和出口之间通过三通阀第三控制阀连接有旁路管道；
[0013]气体纯化系统主要包括第一干燥塔、第二干燥塔、第三干燥塔，氢侧第二气液分离器的气体出口并联连接第一干燥塔、第二干燥塔、第三干燥塔，第一干燥塔、第二干燥塔、第三干燥塔气体出口连接储氢罐；
[0014]蒸汽压缩式制冷循环系统包括氢侧蒸发器，氢侧蒸发器安装在氢侧洗涤器和第二气液分离器之间的气体管路上用于对氢侧洗涤器出口的氢气进行冷却；氧侧蒸发器安装在氧侧洗涤器和氧侧第二气液分离器之间的气体管路上用于对氧侧洗涤器出口的氧气进行冷凝除水；循环蒸发器安装在循环泵与电解槽连通管路上用于对循环泵出口的碱液或纯水冷却；第一再生蒸发器、第二再生蒸发器、第三再生蒸发器分别安转在第二气液分离器的气体出口与第一干燥塔、第二干燥塔及第三干燥塔连接一侧的管路上对进入各干燥塔的氢气进行冷却；第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器分别安装在第一干燥塔、第二干燥塔及第三干燥塔另一侧的气体出口或者气体入口管路上；
[0015]氢侧蒸发器、氧侧蒸发器、循环蒸发器、第一再生蒸发器、第二再生蒸发器、第三再生蒸发器、压缩机、第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器、节流阀、氢侧蒸发器依次连接形成蒸汽压缩式制冷循环系统；
[0016]余热回收系统包括氢侧换热器、氧侧换热器；氢侧换热器、氧侧换热器分别安装在电解槽阴极出口和电解槽阳极出口的气液混合物管路上，循环泵出口分成两个支路，一个分支管路依次连接氢侧换热器、氧侧换热器和循环换热器后与电解槽连接，另一分支管路连接循环蒸发器后与电解槽连接，循环泵出口的部分碱液或纯水进入循环蒸发器中被冷却后进入电解槽中，循环泵出口的另一部分碱液或纯水进入碱液氢侧换热器、氧侧换热器和循环换热器的碱液被加热后进入电解槽中；
[0017]循环换热器、储热罐和冷却液循环泵依次连接形成冷却液循环回路，冷却液循环回路还分别与第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器连通用于吸收冷凝器释放的热量。
[0018]进一步，包括纯水箱，纯水箱连接补水泵，补水泵经三通阀第二控制阀与氢侧洗涤器和氢侧第一气液分离器液体进口连通。
[0019]进一步，所述第一再生蒸发器、第二再生蒸发器、第三再生蒸发器之间采用并联布置，所述第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器之间也采用并联布置。
[0020]进一步，氢侧蒸发器冷却分离出的液体出口与氢侧洗涤器洗涤液入口连通，氧侧蒸发器冷却分离出的液体出口与氧侧洗涤器洗涤液入口连通，氢侧蒸发器和氧侧蒸发器冷却分离出的液体最终汇集到过滤器进行过滤后经循环泵流回到电解槽。
[0021]进一步，所述的第一再生蒸发器、第二再生蒸发器、第三再生蒸发器冷凝水出口通过管路分别与氢侧第一气液分离器、氧侧第一气液分离器的液体出口管路连通；所述的第一再生蒸发器、第二再生蒸发器、第三再生蒸发器冷凝氢气后分离出的水与氢侧第一气液分离器、氧侧第一气液分离器分离出的碱液或纯水汇合后一同流入过滤器进行过滤。
[0022]进一步，还包括用三通阀第一控制阀，安装在循环泵出口管路上，将循环泵出口分成两个支路，一个分支管路依次连接氢侧换热器、氧侧换热器和循环换热器，另一分支管路连接循环蒸发器。
[0023]进一步，第五控制阀、第六控制阀分别安装在氢侧蒸发器、氧侧蒸发器制冷剂入口管路上；第十一控制阀、第十二控制阀、第十三控制阀分别安装在第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器的制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阴离子交换膜电解水制氢及余热回收系统，其特征在于：包括制氢系统、蒸汽压缩式制冷循环系统、余热回收系统及气体纯化系统；所述制氢系统包括电解槽(2)，电解槽(2)阴极出口依次连接氢侧第一气液分离器(5)、氢侧洗涤器(7)和氢侧第二气液分离器(11)，氢侧第二气液分离器(11)的气体出口与气体纯化系统连通；所述的电解槽(2)阳极出口依次连接氧侧第一气液分离器(6)、氧侧洗涤器(8)、氧侧第二气液分离器(12)和储氧罐(55)；氢侧第一气液分离器(5)和氧侧第一气液分离器(6)相连通，氢侧第一气液分离器(5)和氧侧第一气液分离器(6)液体出口均通过管路依次经过滤器(14)、循环泵(15)与电解槽(2)连通；氢侧洗涤器(7)进口和出口之间通过三通阀第三控制阀(33)连接有旁路管道；气体纯化系统主要包括第一干燥塔(25)、第二干燥塔(26)、第三干燥塔(27)，氢侧第二气液分离器(11)的气体出口并联连接第一干燥塔(25)、第二干燥塔(26)、第三干燥塔(27)，第一干燥塔(25)、第二干燥塔(26)、第三干燥塔(27)气体出口连接储氢罐(56)；蒸汽压缩式制冷循环系统包括氢侧蒸发器(9)，氢侧蒸发器(9)安装在氢侧洗涤器(7)和第二气液分离器(11)之间的气体管路上用于对氢侧洗涤器(7)出口的氢气进行冷却；氧侧蒸发器(10)安装在氧侧洗涤器(8)和氧侧第二气液分离器(12)之间的气体管路上用于对氧侧洗涤器(8)出口的氧气进行冷凝除水；循环蒸发器(16)安装在循环泵(15)与电解槽(2)连通管路上用于对循环泵(15)出口的碱液或纯水冷却；第一再生蒸发器(22)、第二再生蒸发器(23)、第三再生蒸发器(24)分别安转在第二气液分离器(11)的气体出口与第一干燥塔(25)、第二干燥塔(26)及第三干燥塔(27)连接一侧的管路上对进入各干燥塔的氢气进行冷却；第一冷凝器(28)、第二冷凝器(29)、第三冷凝器(30)分别安装在第一干燥塔(25)、第二干燥塔(26)及第三干燥塔(27)另一侧的气体出口或者气体入口管路上；氢侧蒸发器(9)、氧侧蒸发器(10)、循环蒸发器(16)、第一再生蒸发器(22)、第二再生蒸发器(23)、第三再生蒸发器(24)、压缩机(21)、第一冷凝器(28)、第二冷凝器(29)、第三冷凝器(30)、节流阀(20)、氢侧蒸发器(9)依次连接形成蒸汽压缩式制冷循环系统；余热回收系统包括氢侧换热器(3)、氧侧换热器(4)；氢侧换热器(3)、氧侧换热器(4)分别安装在电解槽(2)阴极出口和电解槽(2)阳极出口的气液混合物管路上，循环泵(15)出口分成两个支路，一个分支管路依次连接氢侧换热器(3)、氧侧换热器(4)和循环换热器(17)后与电解槽(2)连接，另一分支管路连接循环蒸发器(16)后与电解槽(2)连接，循环泵(15)出口的部分碱液或纯水进入循环蒸发器(16)中被冷却后进入电解槽(2)中，循环泵(15)出口的另一部分碱液或纯水进入碱液氢侧换热器(3)、氧侧换热器(4)和循环换热器(17)的碱液被加热后进入电解槽(2)中；循环换热器(17)、储热罐(19)和冷却液循环泵(18)依次连接形成冷却液循环回路，冷却液循环回路还分别与第一冷凝器(28)、第二冷凝器(29)、第三冷凝器(30)连通用于吸收冷凝器释放的热量。2.如权利要求1所述的阴离子交换膜电解水制氢及余热回收系统，其特征在于：包括纯水箱(1)，纯水箱(1)连接补水泵(13)，补水泵(13)经三通阀第二控制阀(32)与氢侧洗涤器(7)和氢侧第一气液分离器(5)液体进口连通。3.如权利要求2所述的阴离子交换膜电解水制氢及余热回收系统，其特征在于：所述第一再生蒸发器(22)、第二再生蒸发器(23)、第三再生蒸发器(24)之间采用并联布置，所述第
一冷凝器(28)、第二冷凝器(29)、第三冷凝器(30)之间也采用并联布置。4.如权利要求3所述的阴离子交换膜电解水制氢及余热回收系统，其特征在于：氢侧蒸发器(9)冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：李印实，李博铮，
申请(专利权)人：陕西清能动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：