一种高压质子交换膜电解水系统的制作方法

1.本发明涉及水电解制氢技术领域，特别是涉及一种高压质子交换膜水电解系统。


背景技术：

2.鉴于能源紧缺和环境污染的双重压力，目前国内外正大力发展可再生能源发电技术。但可再生能源，如太阳能、风能等，存在一个致命的问题是能源供应的不连续、不稳定，给其实用化进程带来不少障碍。另外一个关键问题是在可再生能源充足时，如何将可再生能源系统中过剩的电能储存起来，以待系统供电不足时使用。
3.再生燃料电池储/供能系统分为质子交换膜电解槽和燃料电池两部分。其中质子交换膜电解槽起储能作用，质子交换膜电解槽能够利用电能将水电解为氢气和氧气，质子交换膜电解槽具有电流密度高、可再生、无污染、启动速度快等优点，属于高效清洁的能量利用储存装置，燃料电池起供能作用。具体的工作原理是：将再生氢氧燃料电池与发电装置相衔接，当用电低谷期时，系统中的质子交换膜电解槽利用多余的电能电解纯水，产生氢气和氧气，并分别储存在氢气和氧气的储存装置中；当用电高峰期时，氢气和氧气通入燃料电池中发生化学反应产生电能以补充供电，能够将可再生能源系统中过剩的电能储存起来，以待系统供电不足时使用。对于能量的储存也可以单独将氢气储存起来，作为燃料储能。
4.目前，常压质子交换膜电解槽多工作于低压条件(≤3mpa)下，因此后端需要增加氢气增压设备将氢气压力提高，以配合常用氢气储运系统。高压质子交换膜电解槽工作在高压力操作条件(20mpa～30mpa)，其阴极排液口能够排出混合有氢气的高压水溶液，所排出的氢气本身具有较高压力，能够免除氢气压缩设备投资，日常运行节省氢气压缩能耗，而且，高压质子交换膜电解槽的电解效率更高，因此，运用高压质子电解器进行电解的高压质子交换膜电解系统是目前质子交换膜电解水领域的主要发展方向。
5.然而，现有高压质子交换膜电解水系统工作时，随着高压电解的进行，水循环管路中的水量会逐渐减少，需要补水泵来向水循环管路中补充水溶液，补水泵能耗较高，导致现有的高压质子交换膜电解水系统的整体能量转换效率偏低。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：现有的高压质子交换膜电解水系统工作时，需要补水泵来向水循环管路中补充水溶液，补水泵能耗较高，导致现有的高压质子交换膜电解水系统的整体能量转换效率偏低。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高压质子交换膜电解水系统，包括高压质子交换膜电解槽、水箱、阳极循环管路和阴极循环管路；所述高压质子交换膜电解槽上设有阳极进水口、阴极进水口、用于排出混合有氧气的水溶液的阳极排气口、用于排出混合有氢气的水溶液的阴极排气口；
8.所述阳极循环管路上设有第一喷射真空泵和第一气液分离器；所述第一喷射真空泵的进液口与所述阳极排气口连通，所述第一喷射真空泵的排液口与所述第一气液分离器
的进液口连通，所述第一喷射真空泵的吸液口与所述水箱连通，所述第一气液分离器的排液口与所述阳极进水口连通；
9.所述阴极循环管路上设有第二喷射真空泵和第二气液分离器；所述第二喷射真空泵的进液口与所述阴极排气口连通，所述第二喷射真空泵的排液口与所述第二气液分离器的进液口连通，所述第二喷射真空泵的吸液口与所述水箱连通；所述第二气液分离器的排液口与所述阴极进水口连通。
10.作为优选方案，所述第一气液分离器内设有第一液位传感器，所述第一喷射真空泵的吸液口处设有第一控制阀；
11.所述第二气液分离器内设有第二液位传感器，所述第二喷射真空泵的吸液口处设有第二控制阀；
12.所述高压质子交换膜电解水系统还包括控制器，所述第一液位传感器、所述第一控制阀、所述第二液位传感器和所述第二控制阀均与所述控制器电连接。
13.作为优选方案，所述第一喷射真空泵的吸液口处连接有第一吸液管，所述第一控制阀设置在所述第一吸液管上，所述第一吸液管上还设有使所述水箱内的水溶液流入所述第一喷射真空泵的吸液口内的第一单向阀；
14.所述第二喷射真空泵的吸液口处连接有第二吸液管，所述第二控制阀设置在所述第二吸液管上，所述第二吸液管上还设有使所述水箱内的水溶液流入所述第二喷射真空泵的吸液口内的第二单向阀。
15.作为优选方案，所述阳极循环管路上还设有第一过滤装置，所述第一过滤装置的进水口与所述第一气液分离器的排液口连通，所述第一过滤装置的排水口与所述阳极进水口连通；
16.所述阴极循环管路上还设有用于第二过滤装置，所述第二过滤装置的进水口与所述第二气液分离器的排液口连通，所述第二过滤装置的排水口与所述阴极进水口连通。
17.作为优选方案，所述第一过滤装置包括第一过滤器和第一去离子器，所述第一去离子器位于所述第一过滤器与所述阳极进水口之间；
18.所述第一过滤器用于对流入所述阳极进水口内的水溶液中的固体颗粒进行过滤；所述第一去离子器用于对流入所述阳极进水口内的水溶液中的离子进行去除；
19.所述第二过滤装置包括第二过滤器和第二去离子器，所述第二去离子器位于所述第二过滤器与所述阴极进水口之间；
20.所述第二过滤器用于对流入所述阴极进水口内的水溶液中的固体颗粒进行过滤；所述第二去离子器用于对流入所述阴极进水口内的水溶液中的离子进行去除。
21.作为优选方案，所述阳极循环管路上还设有第一冷却装置，所述第一冷却装置位于所述第一过滤装置与所述第一气液分离器之间；
22.所述第一冷却装置包括第一换热器、第一散热器和第一冷却液循环泵；所述第一换热器用于对从所述第一气液分离器的出液口流出的水溶液进行冷却，所述第一换热器的内腔设有冷却液；所述第一散热器的内腔与所述第一换热器的内腔连通,所述第一冷却液循环泵设置在所述第一换热器与所述第一散热器之间；
23.所述阴极循环管路上还设有第二冷却装置，所述第二冷却装置位于所述第二过滤装置与所述第二气液分离器之间；
24.所述第二冷却装置包括第二换热器、第二散热器和第二冷却液循环泵；所述第二换热器用于对从所述第二气液分离器的出液口流出的水溶液进行冷却，所述第二换热器的内腔设有冷却液；所述第二散热器的内腔与所述第二换热器的内腔连通；所述第二冷却液循环泵设置在所述第二换热器与所述第二散热器之间。
25.作为优选方案，所述第一换热器和所述第二换热器均为板式换热器。
26.作为优选方案，所述阳极循环管道上设有第一循环泵，所述第一循环泵的进液口与所述第一气液分离器的排液口连通，所述第一循环泵的出液口与所述第一换热器的进液口连通；
27.所述阴极循环管道上设有第二循环泵，所述第二循环泵的进液口与所述第二气液分离器的排液口连通，所述第二循环泵的出液口与所述第二换热器的进液口连通。
28.作为优选方案，所述第二气液分离器的排气口连接有氢气干燥器，所述氢气干燥器的出气口连接有氢气罐，所述氢气罐的进气口处设有氢气罐入口控制阀，所述氢气罐的出口处设有压力容器安全阀。
29.作为优选方案，所述第一气液分离器的排气口连接有氧气干燥器，所述氧气干燥器的出气口连接有用于调节所述第一气液分离器内氧气压力的氧气放空控制阀。
30.本发明的高压质子交换膜电解水系统与现有技术相比，其有益效果在于：
31.本发明的高压质子交换膜电解水系统，包括高压质子交换膜电解槽、水箱、阳极循环管路和阴极循环管路；高压质子交换膜电解槽上设有阳极进水口、阳极排气口、阴极进水口和阴极排气口；阳极循环管路上设有第一喷射真空泵和第一气液分离器；第一喷射真空泵的进液口与阳极排气口连通，第一喷射真空泵的吸液口与水箱连通，第一喷射真空泵的排液口与第一气液分离器的进液口连通，高压质子交换膜电解槽工作时，阳极排气孔中排出混合有氧气的高压水溶液，高压水溶液进入第一喷射真空泵的进液口，使得第一喷射真空泵内形成负压，水箱内的水溶液在负压的作用下通过第一喷射真空泵的吸液口进入第一喷射真空泵内并与高压水溶液混合，然后从第一喷射真空泵的排液口中排出至第一气液分离器中，经第一气液分离器分离氧气后的水溶液进入阳极进水口内；阴极循环管路上设有第二喷射真空泵和第二气液分离器；第二喷射真空泵的进液口与阴极排气口连通，第二喷射真空泵的排液口与第二气液分离器的进液口连通，第二喷射真空泵的吸液口与水箱连通；第二气液分离器的排液口与所述阴极进水口连通，阴极排气口中排出混合有氢气的高压水溶液，高压水溶液进入第二喷射真空泵的进液口，使得第二喷射真空泵内形成负压，水箱内的水溶液在负压的作用下进入第二喷射真空泵内并与高压水溶液混合，然后从第二喷射真空泵的排液口中排出至第二气液分离器中，经第二气液分离器分离氧气后的水溶液进入阴极进水口内。因此，阳极循环管路中的第一喷射真空泵和阴极循环管路中的第二喷射真空泵均利用高压质子交换膜电解槽所产生的压力来进行补水，不需要另外设置水泵进行补水，降低了高压质子交换膜电解水系统的能耗。
附图说明
32.图1是本发明实施例一种高压质子交换膜电解水系统的示意图；
33.图中，100、阳极循环管路；200、阴极循环管路；1、高压质子交换膜电解槽；1a、阳极进水口；1b、阳极排气口；1c、阴极进水口；1d、阴极排气口；2、水箱；3a、第一喷射真空泵；
31a、第一控制阀；32a、第一单向阀；3b、第二喷射真空泵；31b、第二控制阀；32b、第二单向阀；4a、第一气液分离器；41a、氧气干燥器；42a、氧气放空控制阀；4b、第二气液分离器；41b、氢气干燥器；5a、第一过滤装置；51a、第一过滤器；52a、第一去离子器；5b、第二过滤装置；51b、第一过滤器；52b、第一去离子器；6a、第一冷却装置；61a、第一换热器；62a、第一散热器；63a、第一冷却液循环泵；6b、第二冷却装置；61b、第二换热器；62b、第二散热器；63b、第二冷却液循环泵；7、氢气罐；71、氢气罐入口控制阀；72、压力容器安全阀；8a、第一循环泵；8b、第二循环泵；91a、第一温度压力传感器；92a、第二温度压力传感器；93a、第一温度传感器；94a、第三温度压力传感器；91b、第四温度压力传感器；92b、第五温度压力传感器；93b、第六温度压力传感器；94b、第七温度压力传感器；95b、第二温度传感器；96b、第八温度压力传感器。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
35.在本发明的描述中，应当理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。
36.如图1所示，本发明高压质子交换膜电解水系统的实施例的优选实施例，包括高压质子交换膜电解槽1、水箱2、阳极循环管路100、阴极循环管路200；高压质子交换膜电解槽1上设有阳极进水口1a、阳极排气口1b、阴极进水口1c和阴极排气口1d；阳极循环管路100上设有第一喷射真空泵3a和第一气液分离器4a；第一喷射真空泵3a的进液口与阳极排气口1b连通，第一喷射真空泵3a的排液口与第一气液分离器4a的进液口连通，第一喷射真空泵3a的吸液口与水箱2连通，第一气液分离器4a的排液口与阳极进水口1a连通；阴极循环管路200上设有第二喷射真空泵3b和第二气液分离器4b；第二喷射真空泵3b的进液口与阴极排气口1d连通，第二喷射真空泵3b的排液口与第二气液分离器4b的进液口连通，第二喷射真空泵3b的吸液口与水箱2连通；第二气液分离器4b的排液口与阴极进水口1c连通。
37.具体的，高压质子交换膜电解槽1工作时，阳极排气孔1b中排出混合有氧气的高压水溶液，高压水溶液进入第一喷射真空泵3a的进液口，使得第一喷射真空泵3a内形成负压，水箱2内的水溶液在负压的作用下通过第一喷射真空泵3a的吸液口进入第一喷射真空泵3a内并与高压水溶液混合，然后从第一喷射真空泵的排液口中排出至第一气液分离器中4a，经第一气液分离器4a分离氧气后的水溶液进入阳极进水口1a内；与此同时，阴极排气口1d中排出混合有氢气的高压水溶液，高压水溶液进入第二喷射真空泵3b的进液口，使得第二喷射真空泵3b内形成负压，水箱2内的水溶液在负压的作用下进入第二喷射真空泵3b内并与高压水溶液混合，然后从第二喷射真空泵3b的排液口中排出至第二气液分离器4b中，经第二气液分离器4b分离氧气后的水溶液进入阴极进水口1c内。因此，阳极循环管路100中的
第一喷射真空泵3a和阴极循环管路200中的第二喷射真空泵3b均利用高压质子交换膜电解槽1所产生的压力来进行补水，不需要另外设置水泵进行补水，降低了高压质子交换膜电解水系统的能耗。其中，第一喷射真空泵3a与第一气液分离器4a之间设有第二温度压力传感器92a，第二温度压力传感器92a能够监测第一喷射真空泵3a的运行状况。第二喷射真空泵3b与第二气液分离器4b之间设有第五温度压力传感器92b，第五温度压力传感器92b能够监测第二喷射真空泵3b的运行状况。高压质子交换膜电解槽1的工作压力大于等于15mpa时既能够保证第一喷射真空泵3a和第二喷射真空泵3b的正常工作，而且能够免除氢气压缩设备投资，日常运行节省氢气压缩能耗。现有的高压质子交换膜电解槽能够工作在高压力操作条件20mpa～30mpa下，能够满足本技术的使用要求。
38.优选的，由于工作压力过高容易导致高压质子交换膜电解水系统的运行稳定性降低且成本增高，因此，本实施例中高压质子交换膜电解槽1的工作压力大于等于15mpa且小于等于30mpa。
39.需要说明的是，第一喷射真空泵3a和第二喷射真空泵3b均为流体动力泵，流体动力泵没有机械传动和机械工作构件，它借助另一种工作流体的能量做动力源来输送低能量液体。喷射真空泵目前常用于气体与液体或者液体与液体的混合，本技术通过在高压质子交换膜电解槽1后设置喷射真空泵，利用高压质子交换膜1的排气口的压力作为动力实现了对电解水系统的补水，降低了高压质子交换膜电解水系统的能耗，提高了电解系统的能量转换效率。
40.其中，第一气液分离器4a内设有第一液位传感器，第一喷射真空泵3a的吸液口处设有第一控制阀31a；第二气液分离器4b内设有第二液位传感器，第二喷射真空泵3b的吸液口处设有第二控制阀31b；高压质子交换膜电解水系统还包括控制器，第一液位传感器、第一控制阀31a、第二液位传感器和第二控制阀31b均与控制器电连接。具体的，第一气液分离器4a将混合有氧气的水容溶液分离为水和氧气，分离后的水在第一气液分离器4a内蓄积并流入阳极循环管路100，当第一气液分离器4a内的水位低于第一液位传感器时，通过控制器打开第一控制阀31a使得水箱2内水进入第一喷射真空泵3a，实现对阳极循环管路100的补水，阴极循环管路的补水方式与阳极相同。
41.本实施例中，第一喷射真空泵3a的吸液口处连接有第一吸液管，第一控制阀31a设置在第一吸液管上，第一吸液管上还设有使水箱2内的水溶液流入第一喷射真空泵3a的吸液口内的第一单向阀32a；第二喷射真空泵3b的吸液口处连接有第二吸液管，第二控制阀31b设置在第二吸液管上，第二吸液管上还设有使水箱2内的水溶液流入第二喷射真空泵3b的吸液口内的第二单向阀32b。第一单向阀32a能够防止第一气液分离器4a内的水返流入水箱2内，第二单向阀32b能够防止第二气液分离器4b内的水返流入水箱2内。进一步提高了高压质子交换膜电解水系统的稳定性。
42.本实施例中，阳极循环管路100上还设有第一过滤装置5a，第一过滤装置5a的进水口与第一气液分离器4a的排液口连通，第一过滤装置5a的排水口与阳极进水口1a连通；阴极循环管路200上还设有用于第二过滤装置5b，第二过滤装置5b的进水口与第二气液分离器4b的排液口连通，第二过滤装置5b的排水口与阴极进水口1c连通。具体的，第一过滤装置5a包括第一过滤器51a和第一去离子器52a，第一去离子器52a位于第一过滤器51a与阳极进水口1a之间；第一过滤器51a用于对流入阳极进水口1a内的水溶液中的固体颗粒进行过滤；
第一去离子器52a用于对流入阳极进水口1a内的水溶液中的离子进行去除；第二过滤装置5b包括第二过滤器51b和第二去离子器52b，第二去离子器52b位于第二过滤器51b与阴极进水口1c之间；第二过滤器51b用于对流入阴极进水口1c内的水溶液中的固体颗粒进行过滤；第二去离子器52b用于对流入阴极进水口1c内的水溶液中的离子进行去除。过滤装置5的设置提高了进入高压质子交换膜电解槽1中的水质，保证了电解效率，提高了高压质子交换膜电解槽的使用寿命。
43.本实施例中，阳极循环管路100上还设有第一冷却装置6a，第一冷却装置6a位于第一过滤装置5a与第一气液分离器4a之间；第一冷却装置6a包括第一换热器61a、第一散热器62a和第一冷却液循环泵63a；第一换热器61a用于对从第一气液分离器4a的出液口流出的水溶液进行冷却，第一换热器61a的内腔设有冷却液；第一散热器62a的内腔与第一换热器61a的内腔连通,第一冷却液循环泵63a设置在第一换热器61a与第一散热器62a之间；阴极循环管路200上还设有第二冷却装置6b，第二冷却装置6b位于第二过滤装置5b与第二气液分离器4b之间；第二冷却装置6b包括第二换热器61b、第二散热器62b和第二冷却液循环泵63b；第二换热器61b用于对从第二气液分离器4b的出液口流出的水溶液进行冷却，第二换热器61b的内腔设有冷却液；第二散热器62b的内腔与第二换热器61b的内腔连通以对冷却液进行冷却；第二冷却液循环泵63b设置在第二换热器61b与第二散热器62b之间，以驱动冷却液在第二散热器与第二换热器之间循环流动。其中，阳极循环管路100上还设有第一温度传感器93a，第一温度传感器93a位于第一冷却装置6a与阳极进水口1c之间，第一冷却装置6a的设置能够控制进入高压质子交换膜电解槽1中的水的温度，进一步提高了高压质子交换膜电解槽的使用寿命，保证了高压质子交换膜电解槽的工作稳定。具体的，第一换热器61a和第二换热器61b均为板式换热器，第一散热器62a为管翅式散热器和风扇集成产品用于阳极冷却循环水和空气之间热交换。
44.本实施例中，第二气液分离器4b的排气口连接有氢气干燥器41b，氢气干燥器41b的出气口连接有氢气罐7，氢气罐7的进气口处设有氢气罐入口控制阀71，氢气罐7的出口处设有压力容器安全阀72，其中，氢气罐入口控制阀71为一般高压气体控制阀，用于控制是否向氢气罐内充气，压力容器安全阀72为高压压力容器瓶口阀，用于控制氢气排出。其中，氢气干燥器41b与氢气罐入口控制阀71之间设有第六温度压力传感器93b,第六温度压力传感器93b用于监控干燥器41b的运行状况，并且能够检测氢气罐进口处氢气压力；氢气罐7的出口与压力容器安全阀72之间设有第七温度压力传感器94b，第七温度压力传感器94b能够检测氢气罐7内的气体压力，保证氢气罐的使用安全。
45.本实施例中，第一气液分离器4a的排气口连接有氧气干燥器41a，氧气干燥器41a的出气口连接有用于调节第一气液分离器内氧气压力的氧气放空控制阀42a。
46.本实施例中，阳极循环管道100上设有第一循环泵8a，第一循环泵8a的进液口与第一气液分离器4a的排液口连通，第一循环泵8a的出液口与阳极进水口1a连通；第一循环泵8a能够为阳极循环管路100内的循环水提供外加循环动力，提高了高压质子交换膜电解水系统运行的稳定性；阴极循环管道100上设有第二循环泵8b，第二循环泵8b的进液口与第二气液分离器4b的排液口连通，第二循环泵8b的出液口与阴极进水口1c连通，第二循环泵8b能够为阴极循环管路200内的循环水提供外加循环动力，进一步提高了高压质子交换膜电解水系统运行的稳定性。
47.需要说明的是，第一循环泵8a可以设置在阳极循环管路100位于第一气液分离器4a与阳极进水口1a之间的任一位置，优选的，本实施例中第一循环泵8a设置在第一冷却装置6a与第一气液分离器4a之间；第二循环泵8b的可以设置在阴极循环管路200位于第二气液分离器4b与阴极进水口1c之间的任一位置，优选的，本实施例中第二循环泵8b设置在第二冷却装置6b与第二气液分离器4b之间。
48.本实施例中，在阳极进水口1a处设有第三温度压力传感器94a，在阳极排气口1b处设有第一温度压力传感器91a，通过监控第一温度压力传感器91a与第三温度压力传感器94a之间的温度和压力差以及能够判断高压质子交换膜电解槽阳极侧的运行状况，在阴极进水口1c处设有第八温度压力传感器96b、在阴极排气口处设有第四温度压力传感器91b，通过监控第四温度压力传感器91b与第八温度压力传感器96b之间的温度和压力差以及能够判断高压质子交换膜电解槽阴极侧的运行状况，保证了高压质子交换膜电解槽的工作稳定性。
49.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。