一种质子交换膜电解水系统技术方案

本发明专利技术公开了一种质子交换膜电解水系统，包括电解槽

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜电解水系统


[0001]本专利技术涉及电解水
，特别涉及一种质子交换膜电解水系统
。

技术介绍

[0002]质子交换膜电解水是一种高效的方法，用于从水中产生纯净的氢气和氧气
。
这种技术的意义在于它为清洁
、
可再生的氢能源提供了一种生产途径，有助于减少对化石燃料的依赖并减少温室气体排放
。
相比于碱性电解水技术，质子交换膜电解水的效率高
、
制取的氢气纯度高
、
电解液对环境无污染，以及响应速度快，非常适合与可再生能源
(
如风能和太阳能
)
相结合，因此具有广阔的发展前景
。
[0003]目前，传统的质子交换膜电解水系统在较低压下运行，其设计也按照低压运行来设计，如图2所示，水经由水泵
91
抽取至第一气水分离器
92
，第一气水分离器
92
将低压水经由换热器
93
送入低压电解槽
94
的阳极侧，低压电解槽
94
发生电解反应，水与氧气的混合物被循环水泵
95
抽出，送至换热器
93
，再经由第一气水分离器
92
，分离出水与氧气；同时电解槽的阴极极侧产生氢气和水，经由第二气水分离器
96
后分离出水和氢气
。
但是，低压条件下，水电解产生的离子运动速率较慢，电解反应效率较低
>。
同时，电解水系统产生的氢气收集后，需要压缩成高压后存储，存储过程部件繁琐
。
[0004]但是，如果直接将电解槽设置在高压条件下，高压运行时氢气和空气会大量溶解在水中，导致电解槽中氧气增多，氧气浓度的升高影响化学反应，以及氧气析出变为气态占据催化剂反应位点，影响化学反应；同时，高压氧气释放会造成能量浪费
。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种质子交换膜电解水系统，可以解决高压运行时氢气和空气会大量溶解在水中的问题
。
[0006]为此，本专利技术的技术方案是：一种质子交换膜电解水系统，包括电解槽
、
第一闪蒸罐
、
第一水泵
、
第一减压阀和换热器；所述电解槽为高压电解槽，电解槽的阳极侧连接换热器，第一水泵设置于第一闪蒸罐的液体出口与换热器的入口之间，第一水泵用于向电解槽提供高压水；所述换热器的出口通过第一减压阀连接至第一闪蒸罐，第一减压阀和第一闪蒸罐用于对电解槽的阳极侧产物进行降压
、
分离
。
[0007]在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述第一闪蒸罐的气体出口连接一透平机，透平机连接一发电机
。
[0008]在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：还包括第二闪蒸罐
、
第二水泵和第二减压阀，第二水泵设置于第二闪蒸罐和第一闪蒸罐之间；所述第二减压阀设置于第一减压阀和第二闪蒸罐之间
。
[0009]在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：还包括氢气分离器，第一闪蒸罐的气体出口
、
第二闪蒸罐的气体出口均接入氢气分离器，氢气分离器用于分离氢气和氧气
。
[0010]在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述电解槽的阴极侧连接一气水分离器，气水分离器的液体出口通过第三减压阀连接至第二闪蒸罐
。
[0011]在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述第一闪蒸罐的绝对压力大于等于
6MPa
，小于等于
90MPa。
[0012]在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述第二闪蒸罐的绝对压力大于等于
0.2MPa
，小于等于
1MPa。
[0013]本专利技术的电解槽是在高压下运行的，即高压水在催化剂的作用下，通电分解为氢气和氧气
。
其中，阳极部分水中的
O2‑
生成氧气，
H
+
通过质子交换膜进入阴极，发生还原作用生成氢气
。
同时，水由于电渗透
、
扩散
、
压力驱动
、
渗透作用等原因由阳极透过质子交换膜进入阴极
。
因此，阳极侧产物为高压的水和氧气的混合物，阴极侧产物为高压的水和氢气的混合物
。
[0014]阳极侧：低压的纯水经过第二水泵和第一水泵两级升压，使其压力达到高压状态，可以进入高压电解槽
。
同时，为了使供水过程更易于控制，在第二水泵前设置了第二闪蒸罐，以及在第一水泵设置了第一闪蒸罐；
[0015]电解槽阳极侧出口流出的是反应后的水，其温度较高，大约
80℃
，且水中含有大量的溶解氧
。
为了回收水的热量并使电解槽的入口温度更均匀，在电解槽的阳极侧设置换热器，进入电解槽的水与反应后的水进行热交换
。
[0016]为了防止溶解的氧气再进入电解槽，导致电解槽中氧气增多，避免作为产物，其浓度的升高影响化学反应，以及氧气析出变为气态占据催化剂反应位点，影响化学反应
。
在换热器和第一闪蒸罐之间设置第一减压阀，经过换热后的水经由第一减压阀进入第一闪蒸罐，通过减压闪蒸
、
分离
、
缓冲，使水中溶解的氧气析出
。
析出的氧气由于依然具备很高的压力，为了防止直接泄放导致能量的浪费，在第一闪蒸罐的气体出口处设置一透平机，通过透平机回收能量，即透平回收高压势能，并通过发电机转化成电能
。
[0017]为了进一步降低水中的溶解氧，经过换热后的水在通过第一减压阀后，再通过第二减压阀进入第二闪蒸罐
。
由于，减压可以减少水中的溶解氧，对反应有益处，但是同时减压会导致能量的损失，因此，需要根据实际情况控制进入第一闪蒸罐和第二闪蒸罐的反应物比例，从而平衡压缩的能效和电化学效率
。
[0018]由于第一闪蒸罐
、
第二闪蒸罐析出的氧气中，含有部分氢气，因此，将第二闪蒸罐的气体出口与透平机的出口连接至氢气分离装置，通过氢气分离装置，分离出氢气，回收利用，减少浪费
。
[0019]另外
。
阴极侧的液体出口处，同样流出高压水，此部分水可以回收利用
。
同时，为了避免溶解氢进入阳极，阴极侧的高压水通过第三减压阀解压后，再进入第二闪蒸罐内
。
[0020]本专利技术通过以上过程，可以实现水的回收利用
(
闪蒸后利用
)、
热量的回收利用
、
势能的回收利用以及氢气的回收利用
。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种质子交换膜电解水系统，其特征在于：包括电解槽
、
第一闪蒸罐
、
第一水泵
、
第一减压阀和换热器；所述电解槽为高压电解槽，电解槽的阳极侧连接换热器，第一水泵设置于第一闪蒸罐的液体出口与换热器的入口之间，第一水泵用于向电解槽提供高压水；所述换热器的出口通过第一减压阀连接至第一闪蒸罐，第一减压阀和第一闪蒸罐用于对电解槽的阳极侧产物进行降压
、
分离
。2.
如权利要求1所述的一种质子交换膜电解水系统，其特征在于：所述第一闪蒸罐的气体出口连接一透平机，透平机连接一发电机
。3.
如权利要求1所述的一种质子交换膜电解水系统，其特征在于：还包括第二闪蒸罐
、
第二水泵和第二减压阀，第二水泵设置于第二闪蒸罐和第一闪蒸罐之间；所述第二减压阀设置于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张继锋，汪宗御，白昊，朱正斌，刘锦华，杨开九，姚望，
申请(专利权)人：嘉兴锋华氢能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：