[发明专利]制备氢气的系统和相关的方法

说明书

本发明涉及一种用于制备氢气的系统(1)，其包含：适用于实施水的电解并产生氧气和氢气的电解槽(2)；氢气压缩机(3)；氢气冷却器(4)；来自电解槽(2)的氢气的主回路(10)，在该回路上至少依次布置压缩机(3)和冷却器(4)；来自电解槽(2)的氧气和残余水蒸气的辅助回路(20)，所述系统的特征在于：其还包括所述残余蒸汽的冷凝器；冷却器(4)包括膨胀器、交换器和储热模块；冷凝器、膨胀器和交换器依次布置在辅助回路(20)上，交换器(41)使由压缩机(3)压缩的氢气、由膨胀器膨胀的氧气、和储热模块进行热交换。

技术领域

本发明涉及通过电解的氢气制备系统。

背景技术

在无碳化解决方案即低二氧化碳排放解决方案的强劲发展背景下，对于货物和乘客的移动和运输，氢气看起来是一种有前途的燃料。

其与车辆中的燃料电池和电动机相关联的使用可以替代化石燃料，尤其是如果其通过本身清洁的能量，特别是通过水电解而产生的话。一些汽车制造商，如丰田，已经开始销售氢气车，其他汽车制造商将在2020年之前推出他们的第一批车。

燃料电池的运行(其一个实例在图1a中示出)由以下氧化还原反应控制：

-在阳极：2H₂→4H⁺+4e^-

-在阴极：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O。

在阳极产生的电子流由此可以在被传送到阴极之前供应电负载。

目前氢气主要通过烃蒸汽重整大量生产，主要由天然气(甲烷，蒸汽重整反应由此通过下面的方程式描述：CH₄+2H₂O+热→4H₂+CO₂，以200巴在气缸座中通过卡车运输和输送到服务站，其中将其在压缩机中压缩至420至880巴的压力，然后储存在服务站的高压罐中(事实上，氢气的低体积密度—89克，就是在正常温度和压力条件下，在一立方米的氢气中为3.54kWh能量—意味着根据车辆将其在350巴或700巴压缩以达到足够的密度用作燃料)。

这种蒸汽重整制备方法具有工业上成熟和便宜的优点。然而，它有许多缺点：它消耗化石能源，二氧化碳排放量高，而且仅适合在大容量单元(高达几百MW)中大规模生产。在分散使用氢气的情况下，所产生的氢气因此必须通过卡车运输，并且必须以气缸座形式运输，这导致很大的经济和能源成本。

因此，工业界越来越倾向于替代技术：水电解，其利用电力而不是化石能源将氢气与氧气分离，并且可以在小型分散单元中，甚至在使用氢气的地方制造，例如服务站。电解原理可以用下面的公式总结：2H₂O+电→2H₂+O₂。

电解具有许多优点：如果电力无碳化(例如核或可再生来源)其不产生二氧化碳)，其是灵活的因此可以为电网提供服务，并且其是一种模块技术，可以是小容量的(不到1MW)，因此非常适合分散生产。另一方面，它具有消耗昂贵的能源的缺点：电。因此，其产率是关键问题。

图1b表示包含电解槽2的已知设施，该电解槽2为其操作消耗55kWh的电能。这种类型的电解槽2向大气中(通过辅助回路20)释放每摩尔产生的氢气1/2摩尔的氧气。氢气在至少16巴，有利地至少30巴，和优选约35巴，60℃产生，然后在电解槽中纯化和冷却，然后在35巴和25℃下放置。然后，将其输送到储存缓冲储器11，在其中在35巴储存。

然后将氢气从主回路10输送到压缩机3，氢气在420巴或880巴的压力下离开，这取决于它是在350巴还是在700巴用于供应车辆。压缩机每千克压缩氢气消耗4至6kWh(+/-1kWh)。保持每千克压缩氢气5kWh电力的平均值。