[发明专利]一种自热平衡电解水制氢系统及制氢方法

说明书

本发明提供一种自热平衡电解水制氢系统及制氢方法，属于电解水制氢领域。该系统包括相互连接的电解装置和气体后处理装置，所述气体后处理装置设有液体回路，所述液体回路与所述电解装置通过泵连通。该方法为所述电解装置在小室电压1‑3V的直流电作用下电解制得氢气和氧气，通过利用自身工作中产生的热量，保持所述电解装置中电解液的温度为100‑160℃；工作压力为1.0‑3.5MPa；本发明通过对整体工艺的优化，在取消了碱液冷却系统的前提下，回收利用电解槽散热和碱液冷却器的换热，实现了电解系统的自热平衡，减少能量损失，提高电解槽工作温度，可有效降低电解电压，提高电解槽电流密度，缩小电解槽体积，减少电解槽运行过程中的整体能耗。

技术领域

本发明涉及电解水制氢领域，尤其涉及一种自热平衡电解水制氢系统及制氢方法。

背景技术

随着人类面临的环境问题不断加剧，化石能源不得不快速转向“清洁、低碳、安全、高效”的可再生能源，氢能是目前为止最理想的清洁能源，目前工业上常用的制氢方式有甲醇转化制氢、天然气转化制氢、煤气化制氢、氨裂解制氢等，均为非可再生过程，存在着化石资的消耗和CO₂的排放，不符合低碳产业的理念。利用水电解制氢是一种清洁、可再生的过程，不消耗化石资源，产物为氢气和氧气，对环境不造成负担。

就目前技术而言，根据使用的电解质类型，电解水制氢可以分为碱性电解水制氢(AWE)、质子交换膜电解水制氢(PEM)、固体氧化物电解水制氢(SOEC)和阴离子交换膜电解水制氢(AEM)四类。其中AWE是最早工业化的水电解技术，已有数十年的应用经验，是目前最为成熟的工业化电解水制氢技术；质子交换膜电解水技术电解效率较高，电解槽体积小，可适应动态操作，但因贵金属的使用，设备成本较高，目前无法达到大规模工业化；固体氧化物电解水制氢反应温度高，对材料耐温性能要求苛刻，目前仍处于实验室研究阶段；阴离子交换膜电解水制氢应用过渡金属代替贵金属催化剂，降低成本，性能稳定，发展前景广阔，目前处于实验室研究阶段。

现有的工业化碱性水电解制氢系统一般由电解槽和后处理框架组成，工业上电解槽的工作温度一般为85℃-95℃，多用聚苯硫醚隔膜，可满足工业化生产需求，但其耐高温性能差，工作温度不能超过100℃，高温下工作容易击穿破裂，造成氢氧串气发生危险。

另外，工业化电解槽运行过程中放出的热量包括水蒸气带走的热量Q₁、补充水吸收的热量Q₂、被氢气氧气带走的热量Q₃、被冷却水带走的热量Q₄以及电解设备的散热损失Q₅，运行过程中被冷却水带走的热量Q₄主要包括氢氧冷却器的换热和碱液循环系统的换热，电解槽中碱液温度主要靠冷却水调节，通过控制冷却水的流量，来控制碱液温度。如果提高电解槽的工作温度就有可能合理利用这些被浪费掉的热量。现有技术中，对隔膜进行了改性处理制作出一种碱性水电解用耐高温的复合隔膜，以聚苯硫醚、聚砜、聚醚醚酮、聚丙烯、苯乙烯-CO-丙烯腈等为支撑结构，通过加入SiO₂、Al₂O₃、Mg(OH)₂、二甲亚砜、氢氧化锆、五氧化二磷、钛酸钾等改善其亲水性和耐高温性能，改性后的复合隔膜可在220℃高温条件下稳定工作，保证气体纯度。这样就使得提高电解槽工作温度成为现实可能。

理想条件下，如果Q₄＝Q₅＝0，此时热效率达到最大，考虑到后处理系统运行稳定，必须保证氢氧冷却器的换热量，如何通过整体工艺调整，合理回收利用Q₄中用于碱液系统换热的热量及电解设备的散热，提高电解温度进而有效降低电解电压，降低电解过程中的整体能耗，是一个还需解决的技术问题。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自热平衡电解水制氢系统及制氢方法，能够在不改变现有工业化电解液和电极体系的情况下，实现热量的合理利用，提高能量转化效率，同时降低电解电压。