一种碱溶液电解制氢装置及制氢方法与流程

本发明涉及一种氢气生产装置和生产方法，特别涉及一种电解制氢装置及其制氢方法。

背景技术：

现有技术中，有一种电解水制氢系统，其申请号：201210422579.1；申请日：2012-10-30；该装置包括供电装置、电解槽、氢分离器、氧分离器、纯化塔，供电装置与电解槽相连，氢分离器、氧分离器分别连接在电解槽上，氢分离器与纯化塔相互连接。本发明所述的电解水制氢系统，将碱性液体电解分离获得氢气，并对氢气经过纯化塔进行纯化处理，以获得高纯度的氢气。

现有技术中，还有一种制氢系统，其申请号：201320772271.X；申请日：2013-11-28；公开号：203625483U；公开日：2014-06-04，该装置包括依次连接的自动补水子系统、电解子系统、气体分离子系统和氢气过滤子系统，所述氢气过滤子系统设置标准氢气出口与废气出口，还包括氢气标定装置，所述氢气标准装置的外部端口连接标准氢气瓶，所述自动补水子系统包括集水箱，所述集水箱内设置电解水进口、电解水进口与浑浊水出口，所述集水箱在电解水进口设置过滤器；电解水进口连接电解子系统。

现有技术中的不足之处在于：现有的制氢系统主要是从理论上解决如何制氢的问题，而不能用于生产实践，其未能解决初始状态下氢气不纯的问题，如何高效洗涤氢气的问题，其电解效能不高，制氢过程控制不方便，且生产的连续性差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种碱溶液电解制氢装置，使其可以安全制氢，制氢效率高，设备资金投入低，生产连续性好。

为此，本发明是通过如下技术方案得以实现的：一种碱溶液电解制氢装置，包括直流电源、电解槽、氢分离器和氧分离器，直流电源的电源正极和负极分别接通电解槽的阳极板和阴极板，电解槽的底部设有碱液进液口；电解槽的阳极区上部接通氧分离器的循环液进口，氧分离器顶部的气相出口经阀接通大气；电解槽的阴极区上部接通氢分离器的循环液进口，氢分离器顶部的气相出口连接至氢气洗涤器的进口并延伸至氢气洗涤器内的溢流口下方，氢气洗涤器顶部的出口连接三通阀一的进口，三通阀一的一路出口经丝网阻火器接通大气，三通阀一的另一路出口接通气水分离器的进口；氢分离器和氧分离器底部分别设有循环液出口，所述循环液出口依次经碱液冷却器、碱液循环泵和碱液过滤器接通碱液进液口；所述气水分离器的出气口经三通阀二连接至干燥系统，干燥系统的出口经管道过滤器连接至氢气储罐；所述氢分离器和氧分离器内分别设有水冷却机构；气水分离器的底部经阀连接至氢气排水水封机构；所述氢气洗涤器上设有补水口，氢气洗涤器的溢流口连接至氢分离器。

本发明在工作时，其电解液采用质量浓度为25~30%的 KOH或NaOH水溶液，在电解时，阳极产生氧气，阴极产生氢气；工作过程中，电解槽是满液的，通过两路出口分别接通氢分离器和氧分离器，在氢分离器和氧分离器中实现氢分离和氧分离，碱溶液可以通过碱液循环泵再次循环进入电解槽内，分离后的氢气经洗涤、气水分离、干燥后进入氢气储罐。通过三通阀一可以选择将氢气通过丝网阻火器后在大气中点燃焚烧，在系统内产生氢气纯度不高时，可避免其他气体的影响，尤其是在生产初期，可避免系统内的残留气体进入氢气储罐内。此外，电解液的消耗可通过氢气洗涤器补充进入系统内，补充的水中无碱，可充分洗涤氢气，避免氢气中夹带碱液或析出的碱颗粒，清洗后的水通过与氢分离器内的碱液混合，最后再与氧分离器内抽出的碱液混合，使其进入电解槽时，已经被充分混合，避免了电解槽内局部碱浓度不均匀所带来的问题。与现有技术相比，本发明的结构简单、控制方便，能够解决初始产氢时的气体不纯的问题，产氢后，可连续生产，其设备投资小，管理成本低。

作为本发明的进一步改进，所述干燥系统包括干燥塔A、干燥塔B和再生冷却器，所述干燥塔A、干燥塔具有相同的内部结构，分别包括同轴设置的外塔和内塔，内塔和外塔之间设有分子筛，内塔底部与外塔接通，内塔中心设有加热器，内塔上部设有内塔进出气口，外塔上部设有外塔进出气口；所述再生冷却器包括可以互换的两个气相口，还包括冷却水的进出口，以及内底部设置的排污口，排污口经阀连接至氢气排水水封机构；三通阀二的出口一路接通三通阀三的进口，另一路连接至再生冷却器上的任一气相口，三通阀三两路出口一路连接至干燥塔A的内塔进出气口，另一路连接至干燥塔B的内塔进出气口；干燥塔A和干燥塔B的内塔进出气口还经三通阀四连接所述干燥系统的出口；干燥塔A的外塔进出气口与再生冷却器的一个气相口相连，干燥塔B的外塔进出气口与再生冷却器的另一个气相口相连。该方案通过干燥塔A、干燥塔B和再生冷却器的设置，使得两个干燥塔中的一个在工作，另一个则利用氢的热量进行干燥塔的再生，无须利用外界气体进行再生，使得干燥塔A和干燥塔B在工作和再生两种工况下可以随时进行切换，无需停止系统的工作，使得制氢的连续性更好。

作为本发明的进一步改进，所述电解槽为压滤式双极结构，中间极板为正极，两端极板为负极，进液管设置在电解槽下部，阴极区的上部设有氢液出口，阳极区上部设有氧液出口。其中的氢液是指含氢的碱液，氧液是指含氧的碱液。该电解槽的结构使得碱液易于分配，氢液和氧液能充分分离，电解槽工作效率高。

进一步地，所述氢气洗涤器、氧分离器和氢分离器上分别设有用于控制压力和液位的传感器。通过压力和液位调节，使得装置内可稳定产氢。

进一步地，所述氢气洗涤器的气相出口的管路上旁通连接有在线氢中氧分析仪；所述氧分离器的气相出口的管路上旁通连接有在线氧中氢分析仪。通过相应的分析仪可以得知所产氢气和氧气的纯度，以便可以通过相应阀的转换实现氢气储存和排空；同时，可以通过产氢气和氧气的纯度对系统内的各工作参数进行调节，使其处于最佳产氢状态。

为了能实现自动排污，所述气水分离器和再生冷却器底部与氢气排水水封机构相连的阀为自动排污阀。

为能实现自动控制，所述三通阀为气动三通球阀。

本发明还提供了利用上述装置进行制氢的方法，采用KOH或NaOH碱液作为电解液，电解槽内的碱液中的碱质量百分浓度为25~30%，电解槽的工作温度为85~90℃，额定电流900~950A，电压48~55V。电解液中还可以加入有质量浓度0.2~0.3%的V₂O₅，V₂O₅的加入可增加碱液中水的电离率，提高水的电解，减少能耗，可获得最佳制氢效果。

附图说明

图1为本发明工作原理图。

图2为干燥塔结构示意图。

其中，1电解槽，2碱液过滤器，3碱液循环泵，4碱液冷却器，5氢分离器，6氧分离器，7氢气洗涤器，8三通阀一，9丝网阻火器，10气水分离器，11干燥塔A，1101外塔进出气口，1102内塔进出气口，1103内塔，1104外塔，1105分子筛，1106加热器，12再生冷却器，13干燥塔B，14管道过滤器，15三通阀二，16三通阀三，17三通阀四，18氢气排水水封机构，19在线氢中氧分析仪，20在线氧中氢分析仪，21排污阀一，22排污阀二，23直流电源。

此外，P为压力计或压力继电器，T为温度计或温度继电器，L为液位计，K为补水管接口，M为碱液补充口。

具体实施方式

如图所示，为一种碱溶液电解制氢装置，主要包括直流电源23、电解槽1、氢分离器5和氧分离器6，直流电源23的电源正极和负极分别接通电解槽1的阳极板和阴极板，电解槽1的底部设有碱液进液口；电解槽1的阳极区上部接通氧分离器6的循环液进口，氧分离器6顶部的气相出口经阀接通大气；电解槽1的阴极区上部接通氢分离器5的循环液进口，氢分离器5顶部的气相出口连接至氢气洗涤器7的进口并延伸至氢气洗涤器7内的溢流口下方，氢气洗涤器7顶部的出口连接三通阀一8的进口，三通阀一8的一路出口经丝网阻火器9接通大气，三通阀一8的另一路出口接通气水分离器10的进口；氢分离器5和氧分离器6底部分别设有循环液出口，所述循环液出口依次经碱液冷却器4、碱液循环泵3和碱液过滤器2接通碱液进液口；所述气水分离器10的出气口经三通阀二15连接至干燥系统，干燥系统的出口经管道过滤器14连接至氢气储罐；所述氢分离器5和氧分离器6内分别设有水冷却机构；气水分离器10的底部经阀连接至氢气排水水封机构18；所述氢气洗涤器7上设有补水口，氢气洗涤器7的溢流口连接至氢分离器5。干燥系统包括干燥塔A11、干燥塔B13和再生冷却器12，干燥塔A11、干燥塔具有相同的内部结构；以干燥塔A11为例，其结构包括同轴设置的外塔1104和内塔1103，内塔1103和外塔1104之间设有分子筛1105，内塔1103底部与外塔1104接通，内塔1103中心设有加热器1106，内塔1103上部设有内塔进出气口1102，外塔1104上部设有外塔进出气口1101；再生冷却器12包括可以互换的两个气相口I和O，还包括冷却水的进出口，以及内底部设置的排污口，排污口经阀连接至氢气排水水封机构18；三通阀二15的出口一路接通三通阀三16的进口，另一路连接至再生冷却器12上的任一气相口，三通阀三16两路出口一路连接至干燥塔A11的内塔进出气口，另一路连接至干燥塔B13的内塔进出气口；干燥塔A11和干燥塔B13的内塔进出气口还经三通阀四17连接所述干燥系统的出口；干燥塔A11的外塔进出气口与再生冷却器12的一个气相口相连，干燥塔B13的外塔进出气口与再生冷却器12的另一个气相口相连。

电解槽1为压滤式双极结构，中间极板为正极，两端极板为负极，进液管设置在电解槽1下部，阴极区的上部设有氢液出口，阳极区上部设有氧液出口。

氢气洗涤器7、氧分离器6和氢分离器5上分别设有用于控制压力和液位的传感器。

氢气洗涤器7的气相出口的管路上旁通连接有在线氢中氧分析仪19；所述氧分离器6的气相出口的管路上旁通连接有在线氧中氢分析仪20。

所述气水分离器10和再生冷却器12底部与氢气排水水封机构18相连的阀为自动排污阀，分变为排污阀一21和排污阀二22。该装置中的三通阀全部为气动三通球阀，工作时，无电火花，安全可靠。

氢气洗涤器7的补水口经补水管路连接到补水管接口K，该补水管接口K可与补水泵出口相连，用于补充系统内消耗的水。碱液循环泵3的进口还连接到碱液补充口M，必要时补充碱液，保证碱液的浓度在合适范围内。压力计或压力继电器P、温度计或温度继电器T以及液位计L用于显示或探测压力、温度和液位，用于系统的自动控制。

其主要工作流程包括电解制氢、净化、干燥、储存、冷却、干燥塔再生、排污等，初始工作时，需要将系统内的空气排空，内部需要清洗，再工作的初期，可以将制得的不纯的氢气经三通阀一8和丝网阻火器9排空焚烧。正常工作时，电解液的循环路径为：从碱液循环泵3出口经碱液过滤器2后供入电解槽1内，电解槽1中的阳极区产生的氧液上行进入氧分离器6，电解槽1中的阴极区产生的氢液上行进入氢分离器5，氧气和氢气与相应的碱液分离后，碱液从氧分离器6、氢分离器5的底部经碱液冷却器4冷却后，再次回到碱液循环泵3进口处，完成碱液的一个循环。当需要补充电解消耗的水时，可以通过氢气洗涤器7的补水口补水，补入的是去离子水，一方面可以将氢气洗涤干净，使其中的碱的液滴或析出的颗粒能被清洗进入水中，并从溢流口流入氢分离器5，进入系统循环，其还有助于将氢分离器5内的碱液浓度降低，进一步减少氢气分离时夹带碱液的可能性，可进一步保证制氢的纯度，减少管道腐蚀。

氧气经氧分离器6分离后可直接排空，当然，也不排除可以有其他方式进行收集再利用，因此，排空的管路上可任意连接其他收集装置。

氢气在氢分离器5中被分离后，进入氢气洗涤器7中被洗涤，洗涤干净后的含饱和蒸汽的氢气经过三通阀一8进入气水分离器10中进一步分离，气水分离器10底部的水可经排污阀一21、氢气排水水封机构18向外排放；分离后的氢气进入干燥系统进行干燥。

干燥的过程可如图1中所示，图中的箭头代表氢气运行方向，图中，氢气经三通阀二15、三通阀三16进入干燥塔A11的内塔中，经加热器辅助加热后，再经过分子筛，将分子筛中的水分带走，使得分子筛干燥再生，然后带有水蒸汽的氢气经过再生冷却器12冷却，使其温度降低，绝对湿度降低，水蒸汽凝结并流入再生冷却器12底部，可经底部的排污阀二22排放，经冷却后的低温氢气进入干燥的干燥塔B13中，先进入干燥塔B13，经分子筛吸收其中残留的水分，使氢气的纯度进一步提高后，经管道过滤器14后进入氢气储罐中储存。该工作过程是干燥塔A11再生，同时，干燥塔B13干燥的工况；可以通过转换三通阀三16和三通阀四17，使得干燥塔B13再生，同时干燥塔A11干燥；上述干燥和再生工况之间可以随时切换，使得该装置可利用氢气自身能量进行干燥和再生，加热器用于辅助加热，再生过程中，氢气自带的热量也可以直接带走分子筛的水分，使其再生，辅助加热后效果更好切温度可控；该工作过程可以看出，该装置实现了氢气不停车的工况下连续生产。该系统并不排除所制得的氢气可以不经储存而直接使用，但作为可实施的系统，即使可以直接使用也需要调压、调温，暂存装置是不可缺少的，该暂存装置也是氢气储罐的一种形式。

该装置中还有冷却水系统，其主要用于氧分离器6、氢分离器5、碱液冷却器4、再生冷却器12的降温。

实施例2

一种利用上述装置电解制氢方法，其以KOH碱液作为电解液，电解槽1内的碱液中碱的质量百分浓度为25%，电解槽1的工作温度为85~90℃，额定电流900A，电压48V；电解液中加入有质量浓度0.2%的V₂O₅。

实施例3

又一种利用上述装置电解制氢方法，其以KOH碱液作为电解液，电解槽1内的碱液中碱的质量百分浓度为30%，电解槽1的工作温度为90℃，额定电流950A，电压55V；电解液中加入有质量浓度0.3%的V₂O₅。

实施例4

第三种利用上述装置电解制氢方法，其以NaOH碱液作为电解液，电解槽1内的碱液中碱的质量百分浓度为25~30%，电解槽1的工作温度为85~90℃，额定电流900~950A，电压48~55V；电解液中加入有质量浓度0.2~0.3%的V₂O₅。

实施例5

第四种利用上述装置电解制氢方法，其以NaOH碱液作为电解液，电解槽1内的碱液中碱的质量百分浓度为25%，电解槽1的工作温度为85~90℃，额定电流900A，电压50V；电解液中加入有质量浓度0.25%的V2O5。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。相应的管路上可以根据需要任意设置截止阀、单向阀、取样阀等，也可以任意增加压力计、温度计等，还可以在适当位置设置三通阀并将其中一路接通大气进行排空或焚烧，以便处理不纯的气体。