一种氢气纯化系统和电解水制氢系统的制作方法

1.本公开涉及氢气纯化技术领域，具体涉及一种氢气纯化系统和电解水制氢系统。


背景技术：

2.水电解氢气中含有微量氧和大量水汽，为了获得高纯度的氢气，需要对水电解氢气进行纯化处理。
3.中国专利cn1920100a公开了一种连续纯化水电解氢气的装置，该装置包括3座干燥塔，每座干燥塔内均设有电加热棒，用于在对干燥塔内的干燥剂进行再生时加热营造高温环境；每座干燥塔外均分别连接一个再生冷却器，用于对干燥剂再生过程中产生的高温再生尾气进行冷却。
4.上述装置中具有较多的电加热棒和冷却器，且没有对高温再生尾气的余热进行充分利用，因此存在制造成本较高且能源浪费的问题。


技术实现要素：

5.本公开的目的是解决现有氢气纯化装置中存在的制造成本较高且能源浪费的问题，提供一种氢气纯化系统和电解水制氢系统。
6.为了实现上述目的，本公开提供一种氢气纯化系统，用于对待纯化氢气进行纯化形成提纯氢气，所述氢气纯化系统包括：
7.依次连通的脱氧模块、干燥模块和再生循环模块，所述干燥模块包括并联连接的第一干燥器、第二干燥器和第三干燥器；所述再生循环模块包括加热器以及具有第一气体通道和第二气体通道的第一气气换热器；
8.所述氢气纯化系统还包括：
9.第一限气模块，用于供所述待纯化氢气依次流经所述脱氧模块和所述第一干燥器形成纯化通道，获得所述提纯氢气；
10.第二限气模块，用于供部分所述提纯氢气依次流经第一气气换热器的所述第一气体通道、所述加热器、所述第二干燥器、所述第一气气换热器的第二气体通道和所述第三干燥器，形成再生通道，获得回收氢气。
11.可选地，所述第一干燥器、所述第二干燥器和所述第三干燥器均具有第一开口和第二开口，其中，所述第一干燥器的第一开口、所述第二干燥器的第一开口和所述第三干燥器的第一开口能够各自分别与所述脱氧模块的出口、所述第一气气换热器的第二气体通道入口和所述第一气气换热器的第二气体通道出口连通；所述第一干燥器的第二开口、所述第二干燥器的第二开口和所述第三干燥器的第二开口能够各自分别与提纯氢气出口、所述第一气气换热器的第一气体通道入口、所述加热器的出口以及回收氢气出口连通；所述第一气气换热器的第一气体通道出口与所述加热器的入口连通；
12.其中，所述提纯氢气出口用于输出所述提纯氢气，所述回收氢气出口用于输出所述回收氢气。
13.可选地，所述第一限气模块包括至少一个第一控制阀，所述第二限气模块包括至少一个第二控制阀；
14.所述第一控制阀设置在所述脱氧模块的出口与各干燥器的第一开口之间以及所述提纯氢气出口与各干燥器的第二开口之间；
15.所述第二控制阀设置在所述第一气气换热器的第一气体通道入口与各干燥器的第二开口之间、所述加热器的出口与各干燥器的第二开口之间、所述第一气气换热器的第二气体通道入口与各干燥器的第一开口之间、所述第一气气换热器的第二气体通道出口与各干燥器的第一开口之间以及所述回收氢气出口与各干燥器的第二开口之间。
16.可选地，所述再生循环模块还包括：
17.冷却器，用于对所述第二干燥器进行降温；
18.第三限气模块，用于供部分所述提纯氢气依次流经所述冷却器、所述第二干燥器、所述第一气气换热器的第二气体通道和所述第三干燥器，形成再生冷却通道。
19.可选地，所述冷却器的入口能够分别与所述第一干燥器的第二开口、所述第二干燥器的第二开口和所述第三干燥器的第二开口连通，所述冷却器的出口能够分别与所述第一干燥器的第二开口、所述第二干燥器的第二开口和所述第三干燥器的第二开口连通。
20.可选地，所述第三限气模块包括至少一个第三控制阀，第三控制阀设置在所述冷却器的入口与各干燥器的第二开口之间，和/或，所述冷却器的出口与各干燥器的第二开口之间。
21.可选地，所述再生循环模块还包括再生冷却器和第一汽水分离器，所述再生冷却器的入口与所述第一气气换热器的第二气体通道出口连通，所述再生冷却器的出口与所述第一汽水分离器的入口连通，所述第一汽水分离器的出口能够分别与所述第一干燥器的第一开口、所述第二干燥器的第一开口或所述第三干燥器的第一开口连通。
22.可选地，所述脱氧模块包括第二气气换热器和脱氧器，所述第二气气换热器具有第一气体通道和第二气体通道，其中，所述第二气气换热器的第一气体通道出口与所述脱氧器的入口连通，所述脱氧器的出口与所述第二气气换热器的第二气体通道入口连通，所述第二气气换热器的第二气体通道出口能够分别与所述第一干燥器的第一开口、所述第二干燥器的第一开口或所述第三干燥器的第一开口连通。
23.可选地，所述氢气纯化系统还包括冷却冷凝器和第二汽水分离器，其中，所述冷却冷凝器的入口与所述第二气气换热器的第二气体通道出口连通，所述冷却冷凝器的出口与所述第二汽水分离器的入口连通，所述第二汽水分离器的出口能够分别与所述第一干燥器的第一开口、所述第二干燥器的第一开口或所述第三干燥器的第一开口连通。
24.可选地，所述第一气气换热器的第二气体通道入口与各干燥器的第一开口之间还设置有第一冷凝水排放管道，所述第一冷凝水排放管道的一端同时与所述第一气气换热器的第二气体通道入口和各干燥器的第一开口连通；
25.所述第二气气换热器的第二气体通道入口与所述脱氧器的出口之间还设置有第二冷凝水排放管道，所述第二冷凝水排放管道同时与所述第二气气换热器的第二气体通道入口和所述脱氧器的出口连通；
26.所述第一冷凝水排放管道和所述第二冷凝水排放管道上均设有控制阀。
27.可选地，所述脱氧器上设有第一测温设备，所述脱氧器的出口处设有第二测温设
备，所述第一干燥器的第一开口处设有第三测温设备，所述第二干燥器的第一开口处设有第四测温设备，所述第三干燥器的第一开口处设有第五测温设备，所述加热器上设有第六测温设备，所述加热器的出口处设有第七测温设备。
28.可选地，所述第一干燥器、所述第二干燥器和所述第三干燥器均为筒状结构，筒内设有分子筛干燥剂。
29.本公开还提供一种电解水制氢系统，所述电解水制氢系统包括电解水制氢模块和上述任意一项所述的氢气纯化系统，所述电解水制氢模块与所述氢气纯化系统的所述脱氧模块连通。
30.通过上述技术方案，本公开的氢气纯化系统中的三台干燥器共用一个再生循环模块，显著减少了加热器和冷却器的数量，因此，该系统的制造成本较低；同时，再生循环系统中设置有第一气气换热器，使得再生前的低温再生氢气与再生后的高温再生尾气能够进行热量交换，这一方面能够充分利用高温再生尾气的余热，另一方面能够显著减少后续加热器和再生冷却器的功耗，因此，该系统的能耗较低。
31.本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
32.附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
33.图1是本公开的氢气纯化系统的结构示意图。
34.附图标记说明
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第一干燥器
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第二干燥器
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第三干燥器
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第一气气换热器
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加热器
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再生冷却器
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第一汽水分离器
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冷却器
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第三汽水分离器
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10
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第二气气换热器
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11
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脱氧器
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冷却冷凝器
[0041]
13
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第二汽水分离器
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14
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第一冷凝水排放管道
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15
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第二冷凝水排放管道
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第一测温设备
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17
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第二测温设备
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第三测温设备
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第四测温设备
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第五测温设备
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第六测温设备
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第七测温设备
具体实施方式
[0046]
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
[0047]
本公开的第一方面提供一种氢气纯化系统，用于对待纯化氢气进行纯化形成提纯氢气，如图1所示，所述氢气纯化系统可以包括：依次连通的脱氧模块、干燥模块和再生循环模块，所述干燥模块包括并联连接的第一干燥器1、第二干燥器2和第三干燥器3；所述再生循环模块包括加热器5以及具有第一气体通道和第二气体通道的第一气气换热器4；
[0048]
所述氢气纯化系统还包括：第一限气模块，用于供所述待纯化氢气依次流经所述脱氧模块和所述第一干燥器1形成纯化通道，获得所述提纯氢气；第二限气模块，用于供部分所述提纯氢气依次流经第一气气换热器4的所述第一气体通道、所述加热器5、所述第二干燥器2、所述第一气气换热器4的第二气体通道和所述第三干燥器3，形成再生通道，获得回收氢气。
[0049]
根据本公开，所述第一干燥器1、所述第二干燥器2和所述第三干燥器3均具有第一开口和第二开口，其中，所述第一干燥器1的第一开口、所述第二干燥器2的第一开口和所述第三干燥器3的第一开口能够分别与所述脱氧模块的出口、所述第一气气换热器4的第二气体通道入口和所述第一气气换热器4的第二气体通道出口连通；所述第一干燥器1的第二开口、所述第二干燥器2的第二开口和所述第三干燥器3的第二开口能够分别与提纯氢气出口、所述第一气气换热器4的所述第一气体通道入口、所述加热器5的出口以及回收氢气出口连通；所述第一气气换热器的第一气体通道出口与所述加热器的入口连通；其中，所述提纯氢气出口用于输出所述提纯氢气，所述回收氢气出口用于输出所述回收氢气。
[0050]
在本公开中，具体地，各开口(包括各出口和各入口)之间可以通过气体输送管道进行连通，当多个开口同时与同一个其他开口连通时，多个开口可以分别独立地与该其他开口连通，多个开口也可以互相并联后再通过一根气体输送管道与该其他开口连通。为了节约系统的制造成本同时简化系统的复杂程度，当多个开口同时与同一个其他开口连通时，本公开优选多个开口互相并联后再通过一根气体输送管道与该其他开口连通。
[0051]
示例性地，如图1所示，在本公开的氢气纯化系统中，第一干燥器的第一开口、第二干燥器的第一开口和第三干燥器的第一开口可以互相并联后，再通过不同的管道分别与脱氧模块的出口、第一气气换热器的第二气体通道入口和第一气气换热器的第二气体通道出口连通；第一干燥器的第二开口、第二干燥器的第二开口和第三干燥器的第二开口也可以互相并联后，再通过不同的管道分别与提纯氢气出口、第一气气换热器的第一气体通道入口、加热器的出口以及回收氢气出口连通。
[0052]
本公开的氢气纯化系统具体可以用于进行水电解氢气的纯化，其中，脱氧模块可以用于除去水电解氢气中含有的少量氧，干燥模块可以用于除去水电解氢气中含有的大量的水汽，再生循环模块可以用于在干燥剂的再生过程中加热再生之前的冷气流并冷却再生之后的热气流。
[0053]
本公开的氢气纯化系统能够同时实现对待纯化氢气的纯化处理、对干燥器中待生干燥剂的再生处理以及对再生尾气的回收处理，具体地，可以利用任意一个干燥器对待纯化氢气进行纯化处理，同时对另一个干燥器中的待生干燥剂进行再生处理，并利用剩余干燥器对再生尾气进行干燥回收处理。
[0054]
具体地，本公开的氢气纯化系统在运行时，可以先使待纯化氢气进入脱氧模块中进行脱氧处理，得到脱氧后氢气；再使脱氧后氢气从任一干燥器的第一开口进入该干燥器中进行干燥处理，得到提纯氢气，并将提纯氢气分出一部分作为低温再生氢气从第一气气换热器的第一气体通道入口进入第一气气换热器的第一气体通道中进行换热处理，再经第一气气换热器的第一气体通道出口和加热器的入口进入加热器中进行加热处理，得到高温再生氢气；然后，使高温再生氢气从另一干燥器的第二开口进入该干燥器中，对该干燥器中的待生分子筛干燥剂进行吹干再生，得到高温再生尾气，并使得到的高温再生尾气从该干
燥器的第一开口流出后，再从第一气气换热器的第二气体通道入口流入第一气气换热器的第二气体通道中与第一气气换热器的第一气体通道中的低温再生氢气进行换热处理，再经第一气气换热器的第二气体通道出口流出，得到低温再生尾气；接下来，使低温再生尾气从剩余干燥器的第一开口流入该干燥器中进行干燥处理后从该干燥器的第二开口流出，得到回收氢气，并使回收氢气从回收氢气出口流出；最后，使从提纯氢气出口流出的提纯氢气和从回收氢气出口流出的回收氢气合并，得到纯化后氢气。
[0055]
可以在各干燥器中轮流执行上述各操作过程，从而实现对待纯化氢气的连续纯化，例如，可以先在第一干燥器中对脱氧后氢气进行干燥处理，对第二干燥器中的待生分子筛干燥剂进行吹干再生，在第一干燥器中对低温再生尾气进行干燥处理；然后，在第二干燥器中对脱氧后氢气进行干燥处理，对第三干燥器中的待生分子筛干燥剂进行吹干再生，在第一干燥器中对低温再生尾气进行干燥处理；最后，在第三干燥器中对脱氧后氢气进行干燥处理，对第一干燥器中的待生分子筛干燥剂进行吹干再生，在第二干燥器中对低温再生尾气进行干燥处理。以此形成一个闭环循环过程，从而实现对待纯化氢气的连续纯化。
[0056]
在本公开中，氢气纯化系统中的三台干燥器共用一个再生循环模块，显著减少了加热器和冷却器的数量，因此，该系统的制造成本较低；同时，再生循环系统中设置有第一气气换热器，使得再生前的低温再生氢气与再生后的高温再生尾气能够进行热量交换，这一方面能够充分利用高温再生尾气的余热，另一方面能够显著减少后续加热器和再生冷却器的功耗，因此，该系统的能耗较低。
[0057]
根据本公开，所述第一限气模块可以包括至少一个第一控制阀，所述第二限气模块可以包括至少一个第二控制阀；所述第一控制阀可以设置在所述脱氧模块的出口与各干燥器的第一开口之间以及所述提纯氢气出口与各干燥器的第二开口之间；所述第二控制阀可以设置在所述第一气气换热器4的第一气体通道入口与各干燥器的第二开口之间、所述加热器5的出口与各干燥器的第二开口之间、所述第一气气换热器4的第二气体通道入口与各干燥器的第一开口之间、所述第一气气换热器4的第二气体通道出口与各干燥器的第一开口之间以及所述回收氢气出口与各干燥器的第二开口之间。
[0058]
在本公开中，具体地，第一控制阀和第二控制阀的类型可以在一定的范围内选择，例如，可以是气动球阀。通过控制第一控制阀或第二控制阀的开关情况，能够实现各开口之间流路的切换，避免气流进入其他流路中，例如，通过开启脱氧模块出口与第一干燥器第一开口之间的第一控制阀，并关闭脱氧模块出口与第二干燥器第一开口、第三干燥器第一开口之间的第一控制阀，能够开启脱氧模块与第一干燥器之间的流路，关闭脱氧模块与第二干燥器和第三干燥器之间的流路，使得脱氧后氢气进入第一干燥器中，而不会进入第二干燥器和第三干燥器中。
[0059]
根据本公开，所述再生循环模块还可以包括：冷却器8，用于对所述第二干燥器2进行降温；第三限气模块，用于供部分所述提纯氢气依次流经所述冷却器8、所述第二干燥器2、所述第一气气换热器4的第二气体通道和所述第三干燥器3，形成再生冷却通道。
[0060]
其中，所述冷却器8的入口能够分别与所述第一干燥器1的第二开口、所述第二干燥器2的第二开口和所述第三干燥器3的第二开口连通，所述冷却器8的出口能够分别与所述第一干燥器1的第二开口、所述第二干燥器2的第二开口和所述第三干燥器3的第二开口连通。
[0061]
在本公开中，具体地，冷却器8的类型可以在一定的范围内选择，例如可以是吹冷冷却器，主要用于在干燥剂再生一段时间后，对来自用于待纯化氢气干燥的干燥器的部分提纯氢气进行降温处理，并使降温处理后的这部分提纯氢气进入用于干燥剂再生的干燥器中，以对再生后的高温再生干燥剂进行快速冷却，这一方面能够缩短再生过程的持续时间，另一方面能够使得再生干燥剂处于低温状态而增加其吸附能力。
[0062]
也就是说，本公开系统中的待生干燥剂的再生过程至少包括两个操作，第一个操作是利用经第一气气换热器和加热器加热后的高温再生氢气带走待生干燥剂中水分，第二个操作是利用经冷却器冷却后的低温提纯氢气对第一个操作后得到的高温再生干燥剂进行快速冷却。
[0063]
根据本公开，所述第三限气模块可以包括至少一个第三控制阀，第三控制阀可以设置在所述冷却器8的入口与各干燥器的第二开口之间，和/或，所述冷却器8的出口与各干燥器的第二开口之间。通过第三控制阀的调控，可以使得来自用于待纯化氢气干燥的干燥器的部分提纯氢气流向所述冷却器8，而不会流向第一气气换热器4的第一气体通道。
[0064]
根据本公开，所述再生循环模块还可以包括再生冷却器6和第一汽水分离器7，所述再生冷却器6的入口与所述第一气气换热器4的第二气体通道出口连通，所述再生冷却器6的出口与所述第一汽水分离器7的入口连通，所述第一汽水分离器7的出口能够分别与所述第一干燥器1的第一开口、所述第二干燥器2的第一开口或所述第三干燥器3的第一开口连通。
[0065]
根据本公开，所述脱氧模块还可以包括第二气气换热器10和脱氧器11，所述第二气气换热器10具有第一气体通道和第二气体通道，其中，所述第二气气换热器10的第一气体通道出口与所述脱氧器11的入口连通，所述脱氧器11的出口与所述第二气气换热器10的第二气体通道入口连通，所述第二气气换热器10的第二气体通道出口能够分别与所述第一干燥器1的第一开口、所述第二干燥器2的第一开口和所述第三干燥器3的第一开口连通。
[0066]
在本公开中，具体地，由于第二气气换热器的设置，在脱氧器中完成脱氧后的氢气热气流能够回流到第二气气换热器的第二气体通道中，并对流经第一气体通道中的低温待纯化氢气进行热交换加热，从而使得待纯化氢气的温度升高，而脱氧后氢气的温度降低，这能够有效降低脱氧器和后续冷却冷凝器的功耗。
[0067]
根据本公开，所述氢气纯化系统还可以包括冷却冷凝器12和第二汽水分离器13，其中，所述冷却冷凝器12的入口与所述第二气气换热器10的第二气体通道出口连通，所述冷却冷凝器12的出口与所述第二汽水分离器13的入口连通，所述第二汽水分离器13的出口能够分别与所述第一干燥器1的第一开口、所述第二干燥器2的第一开口和所述第三干燥器3的第一开口连通。
[0068]
根据本公开，所述第一气气换热器4的第二气体通道入口与各干燥器的第一开口之间还可以设置有第一冷凝水排放管道14，所述第一冷凝水排放管道14的一端同时与所述第一气气换热器4的第二气体通道入口和各干燥器的第一开口连通；所述第二气气换热器10的第二气体通道入口与所述脱氧器11的出口之间还可以设置有第二冷凝水排放管道15，所述第二冷凝水排放管道15同时与所述第二气气换热器10的第二气体通道入口和所述脱氧器11的出口连通。第一冷凝水排放管道和第二冷凝水排放管道均用于排放气体流路中累积的冷凝水，避免冷凝水进入气气换热器中，影响换热效果。
[0069]
根据本公开，所述第一冷凝水排放管道14和所述第二冷凝水排放管道15上均可以设有控制阀。
[0070]
根据本公开，所述脱氧器11上可以设有第一测温设备16，所述脱氧器11的出口处可以设有第二测温设备17，所述第一干燥器1的第一开口处可以设有第三测温设备18，所述第二干燥器2的第一开口处可以设有第四测温设备19，所述第三干燥器3的第一开口处可以设有第五测温设备20，所述加热器5上可以设有第六测温设备21，所述加热器5的出口处可以设有第七测温设备22。
[0071]
根据本公开，所述第一干燥器1、所述第二干燥器2和所述第三干燥器3均为筒状结构，筒内设有分子筛干燥剂。由于本公开系统中的各干燥器均共用一个气气换热器和加热器，因此各干燥器中无需设置电加热设备，节能减排效果明显。
[0072]
本公开的第二方面提供一种电解水制氢系统，所述电解水制氢系统可以包括电解水制氢模块和上述任意一项所述的氢气纯化系统，所述电解水制氢模块与所述氢气纯化系统的所述脱氧模块连通。
[0073]
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
[0074]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0075]
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。