一种用于氚浓集的spe电解系统及其实现方法_2

文档序号:9922734阅读:来源:国知局
水则进入产品氚水储罐,未达标的含氚水引入到循环水箱;
[0033](7)阴极双极板上的双极板流道中富集的含氚氢气在氢气出口引出,然后经干燥后,达到氚含量指标的氢气进入产品氢气储存罐中储存,未达标的含氚氢气则进入到未达标氢气储罐;
[0034](8)当待处理含氚水储罐液位低于5cm时,通过水循环栗将未达到氚浓度指标的氚水以及冷凝系统冷凝的含氚水输入待处理含氚水储罐,或从外部引入含氚水;
[0035](9)按步骤(4)?(8)所述方式进行循环。
[0036]与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
[0037](I)本发明设计的SPE电解池模块不仅电解氢气纯度高(2 99.999%),而且可以有效降低欧姆损耗,具有所需电压小、电流密度大、工作发热量少、电解效率高的优点。
[0038](2)本发明大幅提升了纯水扩散性能和阳极双极板排氧能力,其不仅沿程压降小、流道面积大,而且膜电极工作效率高。
[0039](3)本发明通过改进双极板流道的结构设计,在其上设置了由多折复合流道构成的蛇形通道,并在复合流道中设置点状矩阵结构圆柱体群,从而提升了液相载气能力,解决了流体在SPE电解池模块中排气困难的问题。
[0040](4)本发明双极板流道的复合流道中的平行流道的条数采用等差递减设计,流道后程流速增大提高了阳极双极板载带氧气的能力,同时提高后程压力有利于保证液相扩散能力,提升膜电极工作效率。并且每折复合流道最下方的平行流道和最下方复合流道的所有平行流道的宽度比其他平行流道宽50%,可以使流场流速分布更加均匀。
[0041](5)本发明在每折复合流道中用于使流体转向的端部均设有光滑过渡圆倒角,可进一步降低流体沿程压降,更加有利于流道各向均匀分配流体,减少流场死区。
[0042](6)本发明设计的贫氚氢气和氧气干燥系统分别包含两套独立的分子筛干燥床干燥系统,分子筛干燥床可以交替运行,互不影响,一套分子筛干燥床进行干燥除水的同时,另一套分子筛干燥床可以进行预热再生,保证了系统的不间断运行,提升了系统工作效率。
[0043](7)本发明通过合理的结构及流程设计,实现了含氚水的循环浓集,从而使没有达到氚浓度指标的含氚水循环输入原料储罐,达到指标的含氚水存入产品储罐,最大程度实现了含氚废水的去氚化处理。
[0044](8)本发明所述SPE电解系统中电解产生的氢气和氧气被半渗透膜隔离,不会产生爆鸣气体,安全性能好;同时系统设置氢气报警器,在氢气泄露时启动断电继电器,停止向电解池供电。
[0045](9)本发明将多种技术原理和实际结构结合,设计巧妙、结构紧凑、流程明晰、操作便捷、操作弹性大,可以满足SPE电解氚浓集过程的全部工艺需求,大幅提高了氚浓集处理效率,实现了成本与技术的相对平衡,理想地解决了现有技术的弊端。因此,该技术进步明显,具有突出的实质性特点和显著的进步,非常适合在相关领域内进行推广应用。
【附图说明】
[0046]图1为本发明的系统结构示意图。
[0047]图2为本发明中SPE电解池模块的结构分解示意图。
[0048]图3为本发明中双极板流道的结构示意图。
[0049]图4为本发明分别使用第一分子筛干燥床和第三分子筛干燥床干燥氢气和氧气的工作原理图。
[0050]图5为本发明分别使用第二分子筛干燥床和第四分子筛干燥床干燥氢气和氧气的工作原理图。
[0051]其中,附图标记对应的各部件名称为:
[0052]1-SPE电解池模块,101-圆柱体群,102-平行流道脊,103-平行流道,104-贯通口,105-光滑过渡圆倒角,106-阳极双极板,107-阳极密封圈,108-阳极扩散层,109-阳极催化层,110-质子交换膜,111-阴极催化层,112-阴极扩散层,113-阴极密封圈,114-阴极双极板,115-双极板流道,2-第一液相阀门,3-第一液相质量流量计,4-待处理含氚水储罐,5-第一液位仪,6-计量栗,7-直流电源,8-断电继电器,9-氢气报警器,10-气液两相阀门,11-气液分离器,12-磁质谱仪,13-第二液相阀门,14-第二液位仪,15-循环水箱,16-水循环栗,17-第三液相阀门,18-第四液相阀门,19-产品氚水储罐,20-第三液位仪,21-第二液相质量流量计,22-第五液相阀门,23-第一露点仪,24-第一气相阀门,25-第一分子筛干燥床加热器,26-第一分子筛干燥床,27-第二气相阀门,28-第三气相阀门,29-第二分子筛干燥床加热器,30-第二分子筛干燥床,31-第四气相阀门,32-第二露点仪,33-第五气相阀门,34-第一气体压缩机,35-四极质谱仪,36-第六气相阀门,37-第三露点仪,38-第一气体加热器,39-第七气相阀门,40_第八气相阀门,41-第九气相阀门,42_第十气相阀门,43-第一冷凝器,44-第一气体循环栗,45-第^ 气相阀门,46-产品氢气储罐,47-第一压力传感器,48-第一气体质量流量计,49-第十二气相阀门,50-第十三气相阀门,51-未达标氢气储罐,52-第二压力传感器,53-第二气体质量流量计,54-第十四气相阀门,55-第六液相阀门,56-第一冷水机,57-第七液相阀门,58-第八液相阀门,59-第三液相质量流量计,60-第四露点仪,61-第十五气相阀门,62-第三分子筛干燥床加热器,63-第三分子筛干燥床,64-第十六气相阀门,65-第十七气相阀门,66-第四分子筛吸附床加热器,67-第四分子筛干燥床,68-第十八气相阀门,69-第五露点仪,70-第十九气相阀门,71-第二气体压缩机,72-第二十气相阀门,73-第六露点仪,74-第二气体加热器,75-第二一气相阀门,76-第二二气相阀门,77-第二三气相阀门,78-第二四气相阀门,79-第二冷凝器,80-第二气体循环栗,81-第九液相阀门,82-第二冷水机,83-第十液相阀门,84-第^^一液相阀门,85-第二五气相阀门,86_产品氧气收集储罐,87-第三压力传感器,88-第三气体质量流量计,89-第二六气相阀门。
【具体实施方式】
[0053]下面结合【附图说明】和实施例对本发明作进一步说明,本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
[0054]如图1所示,本发明提供了一种SPE电解系统,其采用了复合式流场。本发明包括电解池系统、含氚水供应系统、气液分离器11、氚水收集系统、氢气干燥系统、氧气干燥系统、氢气收集系统、产品氧气收集储罐86、冷凝系统以及检测和控制系统。
[0055]所述电解池系统用于电解含氚水,获得氚浓集水相和贫氚氢气;其包括SPE电解池模块I和直流电源7。如图2所示,所述的SPE电解池模块I包括依次叠加组装的阳极双极板106、阳极密封圈107、阳极扩散层108、阳极催化层109、质子交换膜110、阴极催化层111、阴极扩散层112、阴极密封圈113和阴极双极板114;所述阳极双极板106连接阳极扩散层108的表面上刻有阳极双极板流道115,且该双极板流道中分别设有含氚水入口和水氧出口;所述阴极双极板114连接阴极扩散层112的表面上也刻有阴极双极板流道,且该双极板流道只设有氢气出口;所述的直流电源7正极连接阳极双极板106,负极连接阴极双极板106。本实施例中,扩散层、催化层和质子交换膜构成膜电极组件,是SPE电解池模块的核心组件。而所述的密封圈优选高弹性、耐腐蚀的硅橡胶密封圈,厚度优选0.5?1_,同时双极板上设置密封圈缓冲槽,与密封圈契合。
[0056]上述部件中,所述的阳极双极板106和阴极双极板114均优选采用钛合金或其他耐腐蚀合金进行表面处理的不锈钢制成。阳极扩散层108采用表面进行镀钽处理的不锈钢网,阴极扩散层112优选烧结多孔钛,保证通透性和耐久性。所述阳极催化层109采用IrO2催化剂,阴极催化层111采用Pt黑催化剂,阴极和阳极催化层均经喷涂工艺分别涂覆于质子交换膜110两侧,该质子交换膜110作为传递H+的介质,采用全氟磺酸膜,本实施例优选杜邦公司生产的Naf 1n 111膜。
[0057]此外,作为本发明的另一主要改进点,如图3所示,本实施例中,所述的双极板流道包括由不少于五折(本实施例采用五折)的复合流道从上往下依次弯折连接构成、用于含氚水在其中流动的蛇形通道。每折复合流道(深度优选1.2?2.0mm)的前后两端均设有呈点状矩阵结构设计的圆柱体群101(矩阵中的圆柱体群呈60°角交错的方式分布,圆柱直径2mm),并且,在每折复合流道上、且位于两端圆柱体群之间均设有呈交错方式分布、并将复合流道由上往下分成N条平行流道103的平行流道脊102(宽度为1.5?2.0mm),同时,相邻的平行流道脊之间均设有用于连通相邻两条平行流道、以便平衡复合流道中的流体压力和流速的贯通口 104。
[0058]此外,所述的复合流道由上往下,其平行流道的条数按照等差的方式依次递减,本实施例中,最上方的复合流道有108条平行流道,往下的复合流道依次等差递减一条平行流道,即最下方的复合流道有4条平行流道。并且,除最底部一折复合流道外的其他复合流道中的最下方平行流道,其宽度均比其他平行流道宽50%,而最底部的复合流道中的所有平行流道的宽度均与其他复合流道中的最下方平行流道宽度相同。
[0059]另外,由于采用了蛇形通道的设计结构,为降低流道变向时的流体沿程压降,每折复合流道中用于使流体转向的端部均设有光滑过渡圆倒角105。
[0060]所述含氚水供应系统用于向SPE电解池模块供应含氚水,并将SPE电解后未达到氚浓缩指标的含氚水循环引入SPE电解池模块中继续处理
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