一种基于可再生能源的强碱溶液电解制氢、氢气纯化装置及其使用方法与流程

本发明涉及可再生能源技术领域，尤其涉及一种基于可再生能源的强碱溶液电解制氢、氢气纯化装置及其使用方法。

背景技术：

二十一世纪是清洁能源的世纪，随着全球范围内化石燃料的枯竭，以氢气为代表的清洁能源正越来越受到各国政府重视。目前电解制氢受制于成本过高、电解效率低下、设备不紧凑且可移动性差等因素制约，未能普及开来。本发明一种基于可再生能源发电的强碱溶液电解制氢，氢气纯化技术及装置，利用生物质气等可再生能源发电，利用强碱溶液电解制得粗制氢气，然后通过吸附塔吸附水分和氧气，得到纯度为5n的高纯氢气。

技术实现要素：

为普及具有现实可操作性的电解制氢技术，本发明开发了种基于可再生能源发电的强碱溶液电解制氢，氢气纯化技术及装置，该技术及装置通过生物质气等可再生能源发电，所发电能用于强碱溶液电解制氢，制得的氢气通过吸附塔吸附水分和氧气，得到纯度为5n的高纯氢气。

为实现本发明的目的，本发明一种基于可再生能源的强碱溶液电解制氢、氢气纯化装置，该装置由可再生能源发电系统，电解用水纯化系统，强碱溶液电解制氢系统，粗制氢气加压系统，氢气催化除氧/水分吸附系统，水吸附塔再生系统，仪电控系统，抽真空系统八部分构成，所述可再生能源发电系统与强碱溶液电解制氢系统相连，所述强碱溶液电解制氢系统分别与粗制氢气加压系统和电解用水纯化系统相连，粗制氢气加压系统与电解用水纯化系统通过工业用水与粗制压缩氢气热交换器相连接，所述工业用水与粗制压缩氢气热交换器与氢气催化除氧/水分吸附系统与水吸附塔再生系统相连，所述抽真空系统设置在氢气催化除氧/水分吸附系统中，所述仪电控系统分别与每一个系统相连接，以便观察系统的状态。

作为优选：所述可再生能源发电系统由带生物质废料入口截止阀的生物质气生产罐组成，所述生物质气生产罐的顶部设有生物质气温度监测和生物质气压力监测，其底部设有生物质废料残渣排出截止阀，所述罐体内还设有生物质气收集囊，生物质气收集囊底部设有生物质气收集囊呼吸阀，所述生物质气生产罐与生物质气发电机管道相连，并在管道上设有生物质气出口质量流量控制器，所述生物质气发电机与输出电能稳压器连接。

作为优选：所述电解用水纯化系统由带工业用水截止阀的电解用水纯化槽组成，所述电解用水纯化槽内设有工业用水净化膜，所述工业用水净化膜与设置在槽外的推动液压缸相连接，液压缸推动工业净化膜净化工业纯水，所述电解用水纯化槽与工业用水与粗制压缩氢气热交换器用管道连接，并在管道上设有纯化后工业用水截止阀，所述粗制压缩氢气热交换器后端还设有纯化工业自来水入电解槽截止阀。

作为优选：所述强碱溶液电解制氢系统由带阴极和阳极的电解槽组成，所述阴极和阳极之间设有电解槽隔板，所述电解液顶部设有阴极和阳极两根电解液过滤丝网分别连接底部槽中的阴极和阳极，所述阳极电解液过滤丝网连接阳极氧气囊并且用阳极氧气进氧气囊截止阀控制，所述阴极电解液过滤丝网连接阴极氢气囊并且用阴极氢气进氢气囊截止阀控制，所述阳极氧气囊与外部的阳极氧气排出压力检测计连接并用阳极氧气排出呼吸阀保证阳极氧气囊不超压，所述阳极氧气排出压力检测计还连接有阳极氧气排出单向阀和阳极氧气排出截止阀，所述阴极氢气囊连接阴极氢气排出压力检测计并用阴极氢气排出呼吸阀保证阴极氢气囊不超压，所述阴极氢气排出压力检测计连接电解制氢装置出口氢气质量流量控制器，所述氢气质量控制器连接仪电控系统。

作为优选：所述氢气催化除氧/水分吸附系统为触媒型除氧塔和水分吸附塔与水分吸附切换塔组成，所述触媒型除氧塔的塔内设有除氧树脂，其塔外设有电加热器，所述电加热器紧贴塔体并在外包裹电加热器保温层，所述触媒型除氧塔和吸附塔填料之间由粗氢气入水分吸附塔截止阀控制，并且粗氢气入水分吸附塔截止阀分别与两座水分吸附塔底部的切换阀门连接，所述水分吸附塔与水分吸附切换塔内部分别设有吸附塔填料，并在塔的外部设有电加热器，所述电加热器紧贴塔体并在外包裹电加热器保温层，所述水分吸附塔与水分吸附切换塔顶部相连并与高纯氢质量流量控制器连接，所述高纯氢质量流量控制器连接仪电控系统。

作为优选：所述水分吸附塔底部与水分吸附切换塔底部与带再生废气排空截止阀的空气冷却器连接，所述水分吸附塔顶部与水分吸附切换塔顶部还设有再生气体截止阀来控制再生气体的流量。

本发明装置的制备方法，步骤1：通过生物质发酵罐产生的生物沼气作为能源，输送入生物质气燃烧发电机发电，输出电能；

步骤2：所述输出电能经稳压模块稳压后输出稳压电能。利用稳压电能作为能源，在强碱溶液电解槽中电解电解液产生氢气和氧气；

步骤3：强碱溶液电解槽中输出的粗制氢气由质量流量控制器控制流量；

步骤4：粗制氢气由氢气压缩机压缩到一定压力，成为带压粗制氢气；

步骤5：带压粗制氢气与经工业水纯化罐纯化的工业纯水换热，在降低带压粗制氢气温度的同时预热了进强碱溶液电解槽的工业纯水，有利于电解槽电解制氢效率提升；

步骤6：降温后带压粗制氢气进入触媒型除氧塔除去为微量氧气，催化除氧后产物为水分；

步骤7：催化除氧后粗制氢气进入吸附塔除去水分，得到5n高纯氢气；

步骤8：再生气体实现吸附塔吸附剂解析；再生废气经空气冷却器冷却后可有两种选择：一是排空气体直接排放气；二是如果以氢气作为再生气源，则再生废气回到氢气压缩机入口，循环使用。

本发明涉及一种基于可再生能源的强碱溶液电解制氢、氢气纯化技术及装置，具体来说以生物质气等可再生能源提供电能，用来电解强碱溶液得到粗制氢气，然后通过触媒型除氧树脂除去氢气中微量氧气，通过变温吸附除去氢气中微量水分，得到纯度为5n氢气。

附图说明

图1为本发明构成示意图；

图2为图1中可再生能源发电系统结构示意图；

图3为图1中电解用水纯化系统结构示意图；

图4为图1中强碱溶液电解制氢系统结构示意图；

图5为图1中氢气催化除氧/水分吸附系统；

图6为图1中水吸附塔再生系统结构示意图。

具体实施方式

现结合附图，对本图1所示为本发明涉及一种基于可再生能源的强碱溶液电解制氢、氢气纯化技术及装置构成示意图，图中各序号所示组成部分明晰如下：1、生物质气生产罐，2、生物质气燃气发电机，3、强碱溶液电解制氢装置，4、工业自来水纯化系统，5、工业自来水截止阀，6、工业用水与粗制压缩氢气热交换器，7、纯化工业自来水入电解槽截止阀，8、粗制氢气出电解制氢装置压力，9、电解制氢装置出口氢气质量流量控制器，10、粗制氢气压缩机，11、粗制氢气入触媒型除氧塔截止阀，12、触媒型除氧塔，13、触媒型除氧树脂；14、粗制氢气出触媒型除氧塔截止阀，15、水分吸附塔；16、水分吸附备份塔，17、水分吸附床层，18、粗制氢气入水分吸附塔15截止阀，19、粗制氢气入水分吸附备份塔16截止阀，20、空气冷却器，21、高纯氢质量流量控制器，22、水分吸附塔再生气源截止阀，23、再生用氢气反流截止阀，24、触媒型除氧塔电加热器，25、水分吸附塔电加热器，26、系统抽真空截止阀，27、系统真空泵，28、生物质气发电机输出电能稳压器，29、水分吸附塔再生废气排空截止阀，30、plc组态控制。

如图1所示，本发明一种基于可再生能源的强碱溶液电解制氢、氢气纯化技术及装置包括可再生能源发电系统，电解用水纯化系统，强碱溶液电解制氢系统，粗制氢气加压系统，氢气催化除氧/水分吸附系统，水吸附塔再生系统，仪电控系统，抽真空系统八部分；其中，可再生能源发电系统包括31、生物质废料入口截止阀，32、生物质气收集囊呼吸阀，33、生物质废料残渣排出截止阀，34、生物质气温度监测，35、生物质气压力监测，36、生物质气收集囊，37、生物质气出口质量流量控制器，2、生物质气发电机，28、输出电能稳压器；电解用水纯化系统包括5、工业用水截止阀，39、工业用水流量计，40、工业用水净化膜，41、工业净化膜推动液压缸，42、推动液压缸动力源，43、纯化后工业用水截止阀，6、工业用水与粗制压缩氢气热交换器，7、纯化工业自来水入电解槽截止阀；强碱溶液电解制氢系统包括44、电解槽阳极，45、电解槽阴极，46、电解槽隔板，47、电解液过滤丝网，48、阳极氧气进氧气囊截止阀，49、阳极氧气囊，50、阴极氢气入氢气囊截止阀，51、阴极氢气囊，53、阳极氧气排出压力检测计，54、阳极氧气排出呼吸阀，55、阳极氧气排出单向阀，56、阳极氧气排出截止阀，57、阴极氢气排出呼吸阀，8、阴极氢气排出压力检测计，9、电解制氢装置出口氢气质量流量控制器；粗制氢气加压系统包括氢气压缩机组件；氢气催化除氧/水分吸附系统包括11、粗氢入触媒型除氧塔截止阀，12、触媒型除氧塔，13、除氧树脂，14、粗氢气入水分吸附塔截止阀，15、水分吸附塔，16、水分吸附切换塔，17、吸附塔填料，18、水分吸附塔入口阀门，19、水分吸附切换塔入口阀门，21、高纯氢质量流量控制器，58、电加热器，59、电加热器保温层；水吸附塔再生系统包括20、空气冷却器，22、再生气体截止阀，29、再生废气排空截止阀；

抽真空系统包括26、抽真空截止阀27、旋片真空泵。

如图2所示，可再生能源发电系统包括31、生物质废料入口截止阀，32、生物质气收集囊呼吸阀，33、生物质废料残渣排出截止阀，34、生物质气温度监测，35、生物质气压力监测，36、生物质气收集囊，37、生物质气出口质量流量控制器，2、生物质气发电机，28、输出电能稳压器。

进一步，图2中36、生物质气收集囊用来收集生物质废料发酵产生的可燃气体，作为2、生物质气燃烧发电机燃料。

进一步，图2中28、输出电能稳压器对生物质气燃烧发电机输出电能进行稳压，使电解制氢过程电压保持稳定。

如图3所示，电解用水纯化系统包括5、工业用水截止阀，39、工业用水流量计，40、工业用水净化膜，41、工业净化膜推动液压缸，42、推动液压缸动力源，43、纯化后工业用水截止阀，6、工业用水与粗制压缩氢气热交换器，7、纯化工业自来水入电解槽截止阀。

进一步，图3中40、工业用水净化膜用来过滤工业用水中的固体颗粒，以减少电解槽中电解液杂质，提高电解效率和电解液使用寿命。

进一步，图3中41、液压缸利用液压动力迫使工业用水通过净化膜，高效除去水中固体颗粒。

进一步，图3中6、工业用水与粗制压缩氢气热交换器可使进入电解槽的工业净化水得到预热，有利于提高电解制氢效率。

如图4所示，强碱溶液电解制氢系统包括44、电解槽阳极，45、电解槽阴极，46、电解槽隔板，47、电解液过滤丝网，48、阳极氧气进氧气囊截止阀，49、阳极氧气囊，50、阴极氢气入氢气囊截止阀，51、阴极氢气囊，53、阳极氧气排出压力检测，54、阳极氧气排出呼吸阀，55、阳极氧气排出单向阀，56、阳极氧气排出截止阀，57、阴极氢气排出呼吸阀，8、阴极氢气排出压力检测，9、电解制氢装置出口氢气质量流量控制器；

进一步，图4中46、电解槽隔板间阳极和阴极隔离，防止氢气和氧气之间混杂。

进一步，图4中49、阳极氧气囊，51、阴极氢气囊，分别用来存放电解产生的氧气和氢气。

进一步，图4中47、电解液过滤丝网用来过滤氢气和氧气中夹杂的电解液细雾。

如图5所示，氢气催化除氧/水分吸附系统包括11、粗氢入触媒型除氧塔截止阀，12、触媒型除氧塔，13、除氧树脂，14、粗氢气入水分吸附塔截止阀，15、水分吸附塔，16、水分吸附切换塔，17、吸附塔填料，18、水分吸附塔入口阀门，19、水分吸附切换塔入口阀门，21、高纯氢质量流量控制器，22、再生气体截止阀，58、电加热器，59、电加热器保温层。

进一步，图4中除氧塔采用触媒型树脂，催化除去氢气中混入的微量氧气。

进一步，水分吸附塔为双塔，一个使用，一个再生，保证设备持续运行。

如图6所示，水分吸附塔再生系统包括20、空气冷却器，22、再生气体截止阀，29、再生废气排空截止阀。

进一步，图6中20、空气冷却器冷却再生废气，冷却后再生废气安全排空。

本发明实施例：

以图1为依据，本发明一种基于可再生能源的强碱溶液电解制氢、氢气纯化技术及装置，通过1、生物质发酵罐产生的60、生物沼气作为能源，输送入2、生物质气燃烧发电机发电，输出电能61.

61、输出电能经28、稳压模块稳压后输出62、稳压电能。利用62、稳压电能作为能源，在3、强碱溶液电解槽中电解电解液产生氢气和氧气。

从3、强碱溶液电解槽中输出的63、粗制氢气由9、质量流量控制器控制流量。

63、粗制氢气由10、氢气压缩机压缩到一定压力，成为64、带压粗制氢气。

64、带压粗制氢气与经4、工业水纯化罐纯化的67、工业纯水换热，在降低带压粗制氢气温度的同时预热了进3、强碱溶液电解槽的工业纯水，有利于电解槽电解制氢效率提升。

降温后65、带压粗制氢气进入12、触媒型除氧塔除去为微量氧气，催化除氧后产物为水分。

68、催化除氧后粗制氢气进入15/16、变温吸附塔除去水分，得到5n高纯氢气。

利用71、再生气体实现15/16、变温吸附塔吸附剂解析。74、再生废气经20、空气冷却器冷却后可有两种选择：一是72、排空气体直接排放气；二是如果以氢气作为再生气源，则73、再生废气回到氢气压缩机入口，循环使用。

变温吸附塔设置两个（15和16），当其中一个再生解析时，另个正常工作。保证装置运行的连续性。

本发明一种基于可再生能源的强碱溶液电解制氢、氢气纯化技术及装置，利用生物质废料发酵产生的可燃气体作为能源产生电能；利用生物质能源电解强碱溶液得到粗制氢气，然后通过催化和吸附手段除去粗制氢气中的氧气和水分，得到纯度达5n氢气。本发明利用压缩粗制氢气和工业纯水换热来预热工业纯水，从而使电解制氢效率保持在较高水平。本发明设有两个水分吸附塔，可切换使用；一个再生的同时另一个正常工作，保证了连续生产。