专利名称：一种高温水蒸汽电解制氢过程水蒸汽准确控制装置及方法
技术领域：
本发明属于高温水蒸汽电解制氢领域，特别是涉及一种高温水蒸汽电解 制氢过程水蒸汽准确控制装置及方法。
技术背景高温水蒸汽电解制氢技术采用高温固体氧化物电解池将高温水蒸汽分解生成氢气和氧气，其理论制氢效率可以高达50%以上，是目前己知的效率最 高的制氢技术之一。该技术的实现，被认为是迈向未来氢能经济目标的里程 碑。高温水蒸汽电解制氢过程中，进气组成为氢气与水蒸汽的混合气，以防止 固体氧化物电解池氢电极在高温高湿环境下的氧化。进气的混合气体中水蒸 汽含量要求进行准确控制这对固体氧化物电解池的稳定运行、防止氢电极的 氧化至关重要。现有的水蒸汽控制方法多采用加湿器与湿度测量装置相结合的方法。该水 蒸汽控制方法存在问题如下首先加湿器的水蒸汽供给量有限，无法满足大 气体流量，高气体湿度条件下对水蒸汽的需求，其次系统水蒸汽含量是通过 湿度值间接计算得出，而气体湿度值是一个很难准确测量的物理量，存在较 大的误差，特别是在高湿度条件下，更不易于准确测量。 发明内容本发明提出一种高温水蒸汽电解制氢水蒸汽准确控制装置及方法，根据实 际的氢气流量，通过调节液态水的流量，可连续调节系统水蒸汽的含量，并 实现水蒸汽含量的准确控制。为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本装置包括有通过管道相互连通的计量泵l、蒸发器2、第一单向阀3、质量流量计5、外表面设 置有外加热套8的混合气体缓冲器6和预加热器9。其中，计量泵1的出水口与蒸发器2的进口相连通，蒸发器2的出口通过单向阀3与混合气体缓冲器 6的进气口相连通，混合气体缓冲器6的另一个进气口与设置有质量流量计5 的氢气管道相连通；混合气体缓冲器6的出气口通过预加热器9与炉体10内 的单体电解池或电解池堆11相连通。所述的计量泵1为平流泵。 所述的预加热器9的温度范围200 300°C 。还设置有与氢气管道相并联的氮气管道，二者通过第二单向阀13与混合 气体缓冲器6的进气口相连通。在混合气体缓冲器6内及其进气口处均设置有温度传感器。一种高温水蒸汽电解制氢过程水蒸汽准确控制装置的使用方法，其特征 在于，该方法是按如下步骤实现的-氢气和汽化后的水蒸汽分别送入混和气体缓冲器6，通过设置在混合气体 缓冲器内及其进气口处的温度传感器测得进气口的工作温度为L CC)，氢气 与水蒸汽混合气体缓冲器6内的工作温度为T2(°C)，通过质量流量计5测得 进气口氢气体积流量为Ql h (ml/min);设混合气体缓冲器内氢气体积流量为 Q2,H (ral/min)，进气口液态水体积流量为Q^(ml/min)，温度为L下液态水的 密度为P ,(kg/cm3)，混合气体缓冲器6内水蒸汽体积流量为Q2, w(ml/min)，混合气体水蒸汽体积百分含量为根据理想气体状态方程PV二nRT，可得进气口氢气流量qlh与混合气体缓 冲器6内的氢气体积流量Q2, h关系为Q2,h(T2+273. 15)/(T,+273.15) (1)根据气体在标准状态下的摩尔体积(22.4L/mol)及理想气体状态方程PV =nRT，可得进气口液态水流量Qw与混合气体缓冲器水蒸汽流量Qu，关系为Q2, w二(QwP 'X22400/18) X (T2+273. 15)/273. 15 (2)则混合气体水蒸汽体积百分含量Yw为YW=Q2, W/(Q2, H+ Q2,》X100%二[(QuP 'X22400/18) X (L+273. 15)/273. 15]/[(QuP tX22400/18) X (T2 + 273. 15)/273. 15 + H(T2 + 273. 15)/(1\ + 273. 15) ] X 100 % (3) 由于T,、 T2、 P:均为已知条件，则根据进气口氢气流量Qu与系统所需 的水蒸汽含量L，仅通过计量泵1调节液态水流量Qw，即可实现对系统水蒸 汽含量的准确控制。所述的混合气体缓冲器6内的工作温度L为150 200°C。 根据系统的氢气流量及系统所需的水蒸汽百分含量，由公式(3)计算出 所需液态水流量，然后通过平流泵1控制液态水流量，由于液态水流量可以 精确控制，从而可以准确控制系统水蒸汽含量。具体过程为由平流泵1控制 的液态水在蒸发器2内被汽化成为水蒸汽，水蒸汽经由管路进入混合气体缓 冲器6与氢气混合，蒸发器2出口与混合气体缓冲器6入口之间管路均由管 路加热带7进行加热，以防止水蒸汽冷凝。混合气体缓冲器6由外加热套8 进行加热，温度控制在150 200°C。氢气通过质量流量计5控制其流量，经 由第二单向阀13进入混合气体缓冲器6与水蒸汽混合。单向阀可防止水蒸汽 与氢气在混合气体缓冲器6外的气路内发生混合。水蒸汽与氢气混合气体经 由预加热器9进入置于炉体10中间的单体电解池或电解池堆11内进行反应。 混合气体缓冲器6出口与预加热器9之间管路均由管路加热带7进行加热， 预加热器9工作温度一般为200 300°C。本发明高温水蒸汽电解制氢水蒸汽准确控制装置采用平流泵精确控制液 态水的供给，替代了原有系统的加湿器与湿度测量装置，不仅简化了系统结 构，而且使水蒸汽的控制和测量更为简便、准确。其次该装置无需湿度测量 装置，从而避免了湿度测量过程所引入的较大误差。另外该水蒸汽准确控制 装置可使系统保持良好的稳定性，使高温水蒸汽电解过程运行更为稳定，从 而延长固体氧化物电解池的使用寿命。
图1为不同水蒸汽体积百分含量所对应的液态水流量2为高温水蒸汽电解制氢水蒸汽准确控制装置示意图 图中1、平流泵，2、蒸发器，3、第一单向阔，4、 二通阀，5、质量流 量计，6、混合气体缓冲器，7、管路加热带，8、外加热套，9、预加热器， 10、炉体，11、单体电解池或电解池堆、12、排水阀，13、第二单向阀。
具体实施方式
下面结合图1、图2对本发明作进一步说明。如图2所示，本装置包括有通过管道相互连通的平流泵l、蒸发器2、第 一单向阀3、质量流量计5、外表面设置有外加热套8的混合气体缓冲器6和 预加热器9。其中，平流泵1的出水口与蒸发器2的进口相连通，蒸发器2 的出口通过第一单向阀3与混合气体缓冲器6的进气口相连通，混合气体缓 冲器6的另一个进气口通过第二单向阀13与设置有质量流量计5的氢气管道 和氮气管道相连通，混合气体缓冲器6的出气口通过预加热器9与炉体10内 的单体电解池或电解池堆11相连。在混合气体缓冲器6内及其进气口处均设置有温度传感器。蒸发器2出口与混合气体缓冲器6入口之间的管路由管路加热带7进行 加热，以防止水蒸汽冷凝。在混合气体缓冲器6出口与预加热器9之间管路 也由管路加热带7进行加热。本装置控制过程为首先根据高温水蒸汽电解制氢过程的具体运行情况 确定氢气流量Qu，进气口工作温度L，混合气体缓冲器工作温度T2，其温度 测量均采用温度传感器，及系统所需的水蒸汽含量l。设混合缓冲器6进气口工作温度为L为室温25°C，混合气体缓冲器工作 温度T2为15(TC， 25。C时水的密度为0.997g/cm3，当进气口氢气流量Q1, H为 100ral/min，欲控制系统水蒸汽含量为90% ，则需调节的液态水流量QL, W根据 公式(3)计算如下90%=[(QwX0. 997X22400/18) X (150 + 273. 15)/273. 15]/[(QuX0. 997X22400/18) X (150 + 273. 15)/273. 15 +100X (150 + 273. 15)/(25 + 273. 15)] X100% 得出Qu二 0. 665ml/min。即通过调节的液态水流量为0. 665ml/min，即可准确控制系统水蒸汽含量 为90%。通过平流泵1控制所需的液态水流量，平流泵流量范围一般为 0.001 10ml/min。液态水在蒸发器2内汽化为水蒸汽，然后进入混合气体缓 冲器6内与氢气混合，混合气体缓冲器6的工作温度一般为150 20(TC。水 蒸汽与氢气混合气通过预加热器9进入置于炉体10中间的单体电解池或电解 池堆11内发生反应，预加热器9工作温度一般为200 300°C。氢气与氮气流 量通过质量流量计5控制，其中氮气气路的作用主要有(1)稀释系统中反 应气体，并可更加灵活的控制系统混合气体的组成；(2)在停止反应的过程 中，氮气起到吹扫系统水蒸汽及防止电解池在降温过程被氧化的作用。也可通过图1不同水蒸汽体积百分含量所对应的液态水流量图，查找出 相应的液态水流量。但图1仅给出了进气口工作温度为25°C，混合气体缓冲 器工作温度为15(TC， 50 300ml/min氢气流量下，系统不同水蒸汽含量，所 对应的液态水需求量。通过公式(3)也可得到其它各种不同条件下，水蒸汽 体积百分含量所对应的液态水流量图，以方便在应用过程中可直接查表使用。为简化处理过程，本发明在计算中采用理想气体状态方程。为进一步提 高准确度，也可采用实际气体状态方程，如范德华(van der Waals)气体状态 方程、彭-罗宾逊(Peng-Robinson)方程等。
权利要求
1、一种高温水蒸汽电解制氢过程水蒸汽准确控制装置，包括有预加热器(9)；其特征在于，还包括有通过管道相互连通的计量泵(1)、蒸发器(2)、第一单向阀(3)、质量流量计(5)、外表面设置有外加热套(8)的混合气体缓冲器(6)；其中，计量泵(1)的出水口与蒸发器(2)的进口相连通，蒸发器(2)的出口通过第一单向阀(3)与混合气体缓冲器(6)的进气口相连通，混合气体缓冲器(6)的另一个进气口与设置有质量流量计(5)的氢气管道相连通；混合气体缓冲器(6)的出气口通过预加热器(9)与炉体(10)内的单体电解池或电解池堆(11)相连。
2、 根据权利要求1所述的一种高温水蒸汽电解制氢过程水蒸汽准确控制装置， 其特征在于所述的计量泵(1)为平流泵。
3、 根据权利要求1或权利要求2所述的一种高温水蒸汽电解制氢过程水蒸汽 准确控制装置，其特征在于所述的预加热器(9)的温度范围200 30(TC。
4、 根据权利要求1或权利要求2所述的一种高温水蒸汽电解制氢过程水蒸汽 准确控制装置，其特征在于还设置有与氢气管道相并联的氮气管道，二者 通过第二单向阀(13)与混合气体缓冲器(6)的迸气口相连通。
5、 根据权利要求1或权利要求2所述的一种高温水蒸汽电解制氢过程水蒸汽 准确控制装置，其特征在于在混合气体缓冲器(6)内及其进气口处均设置 有温度传感器。
6、 权利要求1所述的一种高温水蒸汽电解制氢过程水蒸汽准确控制装置的使用方法，其特征在于，该方法是按如下步骤实现的氢气和汽化后的水蒸汽分别送入混和气体缓冲器(6)，通过设置在混合 气体缓冲器内及其进气口处的温度传感器测得进气口的工作温度为L rc)， 氢气与水蒸汽混合气体缓冲器(6)内的工作温度为T2(。C)，通过质量流量计 (5)测得进气口氢气体积流量为Qu (ml/min);设混合气体缓冲器内氢气体 积流量为Q2. h (ml/min)，进气口液态水体积流量为QuOnl/min)，温度为T\ 下液态水的密度为P, (kg/cm3)，混合气体缓冲器(6)内水蒸汽体积流量为Q2.w(ml/min)，混合气体水蒸汽体积百分含量为Yw;根据理想气体状态方程PV=nRT，可得进气口氢气流量Q,, h与混合气体缓 冲器(6)内的氢气体积流量q2, h关系为Q2, h二Ql h(T2+273. 15)/(1\+273. 15) (1) 根据气体在标准状态下的摩尔体积(22.4L/mol)及理想气体状态方程PV 二nRT，可得进气口液态水流量Qu与混合气体缓冲器水蒸汽流量Qu，关系为 Q2, w二(Q口P22400/18) X (T2+273. 15)/273. 15 (2) 则混合气体水蒸汽体积百分含量Yw为 YW=Q2, W/(Q2, H+ Q2, w) X100%二[(QuP A22400/18) x (T2+273. 15)/273. 15]/[(Q^ p )22400/18) X (T2 + 273. 15)/273. 15 + Ql h(T2 + 273. 15)/(L + 273. 15)] X 100 % (3) 由于L、 T2、 P,均为已知条件，则根据进气口氢气流量Qi, h与系統所需 的水蒸汽含量Yw，仅通过调节液态水流量Qu，即可实现对系统水蒸汽含量的 准确控制。
7、根据权利要求6所述的一种高温水蒸汽电解制氢过程水蒸汽准确控制的方 法，其特征在于所述的混合气体缓冲器(6)内的工作温度L为150 200 °C。
全文摘要
本发明属于高温水蒸汽电解制氢领域，特别是一种高温水蒸汽电解制氢过程水蒸汽准确控制装置及方法。该方法根据高温水蒸汽电解制氢过程中实际的氢气流量，通过调节液态水的流量，实现系统水蒸汽含量的连续调节和准确控制。反应装置包括有平流泵、蒸发器、混合气体缓冲器等。平流泵控制液态水流量，液态水在蒸发器内汽化为水蒸汽，水蒸汽在混合气体缓冲器内与氢气混合，混合气体经预加热器进入电解池发生电解反应产生氢气。本发明简化了水蒸汽控制系统，避免了湿度测量过程所引入的误差，使水蒸汽的控制和测量更为简便、准确。该装置使高温水蒸汽电解制氢系统保持了良好的稳定性，使电解过程运行更为稳定，从而延长固体氧化物电解池的使用寿命。
文档编号C25B1/04GK101255561SQ20071017892
公开日2008年9月3日 申请日期2007年12月7日 优先权日2007年12月7日
发明者波 于, 刘明义, 徐景明, 靖 陈 申请人:清华大学