一种制氨制氢双功能电解系统的制作方法

1.本实用新型涉及电解制氨制氢技术领域，尤其涉及一种制氨制氢双功能电解系统。


背景技术：

2.近年来，氨在国民经济中发挥着十分重要的作用。用于工业合成氨的haber-bosch工艺需要高温高压的反应条件，导致大量的能源消耗和碳排放。在当前“双碳”政策下，具有零碳排放特性的电催化氮还原(nrr)合成氨技术极具发展前景，电催化氮还原(nrr)技术为绿色合成氨提供了新途径。除了氨能以外，作为清洁能源的氢能同样具有无污染、可持续发展的优点。目前随着可再生能源装机容量的不断增大，通过电化学制氢的技术已经非常成熟，常规的碱性电解水制氢技术通过电解槽装置实现氢气的制备。目前通过电解法制备氢气和氨气是在不同的电解槽中实现的，不能够达到制氨制氢的双功能目的，因此有必要提出一种制氨制氢双功能电解系统以实现一槽两用的效果。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
4.为此，本发明提出了一种制氨制氢双功能电解系统。
5.本实用新型提出了一种制氨制氢双功能电解系统，包括：
6.电解槽，所述电解槽内部设置析氨阴极、析氢阴极和析氧阳极，所述析氧阳极设置在所述析氢阴极和所述析氨阴极之间，所述析氨阴极和所述析氧阳极通电时制备氨气，所述析氢阴极和所述析氧阳极通电时制备氢气；
7.ph测试仪，所述ph测试仪用于测试电解液的ph值；
8.加热装置，所述加热装置用于加热所述电解液。
9.在一些实施例中，氨气存储装置通过管道连接所述析氨阴极。
10.在一些实施例中，氢气存储装置通过管道连接所述析氢阴极。
11.在一些实施例中，氧气存储装置通过管道连接所述析氧阳极。
12.在一些实施例中，所述氨气存储装置和所述析氨阴极之间的管线上、所述氢气存储装置和所述析氢阴极之间的管线上以及所述氧气存储装置和所述析氧阳极之间的管线上均设置分离装置。
13.在一些实施例中，酸性溶液存储装置和碱性溶液存储装置均通过管道连接所述电解槽。
14.在一些实施例中，所述酸性溶液存储装置和所述电解槽之间的管线上设置第一阀门和第一输送泵，所述碱性溶液存储装置和所述电解槽之间的管线上设置第二阀门和第二输送泵。
15.在一些实施例中，所述第一输送泵和所述第二输送泵均为恒速恒压泵。
16.在一些实施例中，所述ph测试仪为酸度计、笔式ph计、酸碱计或便携式ph计中的一
种。
17.在一些实施例中，所述加热装置为电加热或太阳能加热。
18.相对于现有技术，本实用新型的有益效果为：
19.本实用新型的制氨制氢双功能电解系统通过在电解槽内部设置析氨阴极、析氢阴极和析氧阳极将电解槽分为制氨工作区和制氢工作区，可以根据实际需求制备氢气和氨气，实现了一槽多用的效果。
20.本实用新型的制氨制氢双功能电解系统在收集氨气时对电解液进行加热，达到了电解水制氢的温度，在电解制氢时不需要再次加热电解液，节约了成本，降低了能耗。
附图说明
21.本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
22.图1为本实用新型提供的制氨制氢双功能电解系统示意图。
23.附图标记说明：
24.析氨阴极1、析氢阴极2、析氧阳极3、ph测试仪4、加热装置5、氨气存储装置6、氢气存储装置7、氧气存储装置8、分离装置9、酸性溶液存储装置10、碱性溶液存储装置11、第一阀门12、第一输送泵13、第二阀门14、第二输送泵15。
具体实施方式
25.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
26.下面参照附图描述根据本实用新型实施例提出的制氨制氢双功能电解系统。
27.如图1所示，本实用新型的制氨制氢双功能电解系统，包括电解槽、ph测试仪4和加热装置5。
28.电解槽内部设置析氨阴极1、析氢阴极2和析氧阳极3，析氧阳极3设置在析氢阴极2和析氨阴极1之间。电解槽具有两个工作区，即制氨工作区和制氢工作区。析氢阴极2为镍钼合金、硫化钼等高效制氢阴极；析氨阴极1为层状双金属氢氧化物等催化阴极、钴基型催化剂；析氧阳极3为nife-ldh等高效析氧阳极。催化制氨和催化制氢的电极种类不同，分成两个工作区可以提高电解效率。
29.析氨阴极1和析氧阳极3通电时制备氨气，制备氨气时向析氨阴极1通入氮气，氮气的纯度在98％以上，析氨阴极1处产生氨气，析氧阳极3处产生氧气。析氢阴极2和析氧阳极3通电时制备氢气，析氢阴极2处产生氢气，析氧阳极3处产生氧气。
30.ph测试仪4用于测试电解液的ph值。在一些实施例中，ph测试仪4为酸度计、笔式ph计、酸碱计或便携式ph计中的一种。可以理解的是，ph测试仪4还可以为其他合适的种类。
31.在一些实施例中，电解液为摩尔浓度为0.3-0.6mol/l的硫酸铵溶液，通过向电解液溶液中加入酸性溶液调节电解液的ph值至5.5-6.5以在酸性条件下电解制备氨气。电解制备氨气时析氨阴极1处的电极反应为：n2+6h
+
+6e-→
2nh3；析氧阳极3处的电极反应为：
32.在一些实施例中，酸性溶液为质量分数为80％-98％的硫酸溶液。酸性溶液存储在酸性溶液存储装置10中，酸性溶液存储装置10和电解槽之间通过管道连接，酸性溶液存储装置10和电解槽之间的管线上设置第一阀门12和第一输送泵13。当需要向电解槽中加入酸性溶液以调节电解液的ph值时，开启第一阀门12和第一输送泵13，将酸性溶液泵送到电解槽中，酸性溶液在第一输送泵13的作用下经第一阀门12进入电解槽溶液中。在一些实施例中，第一输送泵13为恒速恒压泵。恒速恒压泵可以灵活设定酸性溶液输出压力、排量，并且计量酸性溶液的瞬时和累计输出量。可以理解的是，第一输送泵13可以为恒速恒压泵但不限于泵速恒压泵。
33.在电解制氨过程中，析氨阴极1处产生的氨气很容易因为溶液是酸性的而结合成铵根离子存在于电解液中。此时，向电解液中加入碱性溶液将电解液的ph值调为13-14，同时通过加热装置5将电解液溶液加热到70℃-90℃。加热装置5为电加热或太阳能加热，可以理解的是，加热装置5还可以为其他合适的方式。
34.加入碱性溶液一方面可以避免电解产生的氨气存在于电解液溶液中，另一方面可以将电解液的ph调节为碱性，为在碱性条件下电解水做准备。将电解液溶液加热到70℃-90℃使得氨气更加容易释放，同时达到了常规电解水制氢的温度，在电解制氢时不需要再次加热电解液，降低了能耗。
35.在一些实施例中，碱性溶液为质量分数为20％-40％的氢氧化钾溶液。碱性溶液存储在碱性溶液存储装置11中，碱性溶液存储装置11和电解槽之间通过管道连接，碱性溶液存储装置11和电解槽之间的管线上设置第二阀门14和第二输送泵15。当需要向电解槽中加入碱性溶液以调节电解液的ph值时，开启第二阀门14和第二输送泵15，将碱性溶液泵送到电解槽中，碱性溶液在第二输送泵15的作用下经第二阀门14进入电解槽溶液中。在一些实施例中，第二输送泵15为恒速恒压泵。恒速恒压泵可以灵活设定碱性溶液输出压力、排量，并且计量碱性溶液的瞬时和累计输出量。可以理解的是，第二输送泵15可以为恒速恒压泵但不限于泵速恒压泵。
36.收集的氨气存储在氨气存储装置6中，氨气存储装置6通过管道连接析氨阴极1。在一些实施例中，氨气存储装置6和析氨阴极1之间的管线上设置分离装置9以除去氨气中的电解液等杂质，纯化氨气。
37.收集氨气后，改变通电方式，在碱性条件下电解制备氢气，在析氢阴极2收集氢气。改变通电方式即为将通电方式从电解制氨工作区变换到电解制氢工作区。电解制备氢气时析氢阴极2的电极反应为：4h2o+4e-→
2h2↑
+4oh-；析氧阳极3的电极反应为：4oh-‑
4e-→
2h2o+o2↑
。收集的氢气存储在氢气存储装置7中，氢气存储装置7通过管道连接析氢阴极2。在一些实施例中，氢气存储装置7和析氢阴极2之间的管线上设置分离装置9以除去氢气中的电解液等杂质，纯化氢气。制备氢气过程完成后，若想电解制备氨气，则将电解液ph值调为5.5-6.5，改变通电方式切换到制氨工作区即可。可以理解的是，可以根据实际需要选择制备氨气或者制备氢气。
38.可以看出，在整个电解过程中析氧阳极3一直有氧气产生，因此在析氧阳极3收集氧气，储存备用。收集的氧气存储在氧气存储装置8中，氧气存储装置8通过管道连接析氧阳
极3。在一些实施例中，氧气存储装置8和析氧阳极3之间的管线上设置分离装置9以除去氧气中的电解液等杂质，纯化氧气。
39.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
40.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
41.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。