一种高水质管理的质子交换膜电解水制氢系统

1.本实用新型涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种高水质管理的质子交换膜电解水制氢系统。


背景技术：

2.我国具有丰富的可再生能源资源，水利资源居世界首位，适于集中式开发的风能资源技术可开发量为25.7亿kw，太阳能资源丰富或较丰富的地区,约占全国总面积的2/3以上，此外还有丰富的地热能、生物质能和潮汐能。但是，目前除了水利发电可直接用于电网输送外，其他可再生能源由于其空间和时间分布不均匀性导致功率大幅波动频繁，而电网又缺乏快速调峰调频的手段，可再生能源电力并网会对电网造成巨大冲击，甚至导致电网瘫痪，因此急需寻找连接可再生能源与消费端稳定供应的桥梁。
3.氢能是一种绿色、高效的二次能源，被业界专家称为“终极能源”。氢能是大规模消纳并高效利用可再生能源的重要媒介，氢能也作为可存储的二次能源，高效地转化为热能、化学能、动力、电能等能量形式，在多个时间尺度上满足各种用能负荷需求，并可以和电能这种传统二次能源相互补充、相互支撑。根据氢能联盟数据，2050年，我国氢气需求量将达到9690万吨，其中70％来源于可再生能源制氢。因此发展可适应可再生能源发电波动性的电解水制氢技术是实现我国深度脱碳的重要举措。
4.基于质子交换膜的固体聚合物电解质电解水制氢技术(pem电解水技术)具有能效高、产氢纯度高、高压耐受性好、结构紧凑以及输入电力波动适应性强等优点，尤其适用于可再生能源电力电解制氢。具体工作原理为：纯水经加热后泵入pem电解堆阳极，在可再生能源的电力驱动下水在阳极催化剂上生成质子和氧气，质子则通过质子交换膜迁移至阴极与阴极催化剂反应生成氢气，生成的氧气和氢气分别经过汽水分离、干燥、加压(大气压-30mpa)获得高压气体。目前质子交换膜电解水装置的寿命是制约其商业化的主要障碍。研究表明金属离子(特别是铁离子)是导致质子交换膜寿命降低的主要原因，其主要来源于不锈钢管路中的金属溶出。因此，需要从系统层面对质子交换膜电解水装置的水质进行管理，兼顾成本与寿命，为质子交换膜电解水制氢装置的商业化提供保障。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的不足，本实用新型公开一种高水质管理的质子交换膜电解水制氢系统，其技术方案为：
6.一种高水质管理的质子交换膜电解水制氢系统，包括通过管道顺序连接的供水系统、余热利用系统、净水处理装置、二次加热装置以及制氢装置、氢气分离系统、氧气分离系统、控制和监测系统；其特征为：
7.所述制氢装置分别通过阴极出气/液口和阳极出气/液口与氢气分离系统和氧气分离系统相连接；
8.所述氢气分离系统将制备的氢气通过氢气出气口与储氢设备连接；所述氧气分离
系统则通过阳极出气/液口与余热利用系统连接实现阳极出液的余热回收；所述供水系统通过排液口二实现水的回收利用；
9.所述控制和监测系统与所述质子交换膜电解水制氢系统中的温度仪表、流量仪表、电导率仪表、压力仪表以及电解电源连接，实现系统的总体控制。
10.优选为：所述供水系统包括储水罐、水泵、备用泵、进水口一、进水口二、出水口一以及出水口二；所述储水罐上安装水位计，用于监测水位，当水位过低时通过进水口一补充水量；所述进水口二将氧气分离系统中的水回收至储水罐中；所述储水罐的出水口一连接主供水管道；水泵以及备用泵管道通过三通阀与主供水管道相连接；水泵出口管道处安装流量计，用于监测水泵输出流量，当出水异常时即启用备用泵；所述出水口二通过输水管道连接余热利用系统。
11.优选为：所述余热利用系统包括热交换器、n2进气口一、进水口三、出水口三、阳极出水进水口以及阳极出水出水口；该热交换器利用制氢装置阳极输出o2/水混合物的高温热量对来自供水系统的水进行预加热，同时n2进气口一位于热交换器上方，通入高压n2对水进行加压；阳极出水进水口位于热交换器下方，阳极出水出水口位于热交换器上方，用于加强换热效果；经该余热利用系统预加热的水通过出水口三与主供水管道二相连接，进入净水处理系统。
12.优选为：所述净水处理装置包括离子交换树脂、备用输水管路、进水口四以及出水口四；该离子交换树脂与备用输水管路通过三通阀与主供水管道二相连接；离子交换树脂对水进行净化处理，出口管路处安装电导率测试仪，监测水质变化，当离子交换树脂运行异常时，启用备用输水管路；经净水处理系统净化的超纯水通过管道输送进入二次加热装置中。
13.优选为：二次加热装置包括加热器、进水口五以及出水口五；所述加热器和与之连接的管路材质均为内部镀钛/铌的不锈钢；该加热器对超纯水进行再次加热，使其达到指定温度以确保氢气反应装置内氢气的高效生成；所述出水口五与制氢装置相连接，并在管道上安装温度传感器，实时监测水温。
14.优选为：所述制氢装置包括电堆、阴极出气/液口、阳极出气/液口以及n2进气口二；通过对电堆施加电流或电压信号，进行电解水制氢；所述阴极出气/液口排出高温氢气以及少量水，经管道输送至氢气分离系统，同时在阴极出气/液口处安装n2进气口二，通入高压n2进行加压，实现高压操作；所述阳极出气/液口排出的o2以及具有较高温度水通过管道与余热利用系统相连接，回收此部分热量。
15.优选为：所述氢气分离系统包括氢气分离器、阴极出气进气口、冷凝水进液口、冷凝水出液口、排液口一、背压阀一以及h2出气口；该氢气分离器用于分离来自电堆阴极的高温h2与水，并对其进行降温；所述冷凝水进液口位于氢气分离器下方，冷凝水出液口位于氢气分离器上方，用于增强冷却效果；所述h2出气口处安装压力传感器，用于监测氢气分离器中的气压；所述排液口一位于氢气分离器下方，当系统检测到分离器中液位过高时，自动打开排液口一，进行排水。
16.优选为：所述氧气分离系统包括氧气分离器、阳极出水进水口二、排液口二、o2出气口；该氧气分离器用于分离来自余热利用系统中的o2与水；o2出气口处安装压力传感器，监测氧气分离系统中的气压；排液口二位于氧气分离器下方，通过管道与阳极出水进水口
二相连接，回收氧气分离系统中的水至储水罐。
17.有益效果
18.(1)将离子交换树脂滤芯前置，位于加压罐/热交换器与预热器之间，在保证离子交换树脂操作温度(＜80℃)的前提下，做到离子交换树脂水出口为预热器和电堆，用以滤除储水罐和管路中的金属杂质离子；
19.(2)将离子交换树脂前置，其制取的纯水出水口直接进入预热器加热后再进入电堆，离子交换树脂出水后的零部件为内部镀钛/铌的不锈钢管材，杜绝金属离子的二次污染，用以获得高纯度电堆进水，实现质子交换膜电解水制氢装置的寿命提升；
20.(3)离子交换树脂出水口后至电堆阴阳极出口之间均采用内部镀钛/铌的不锈钢管路和预热器以及钛材质的电堆极板，可杜绝金属离子对进水的二次污染，也可承受高压操作，成本较整个装置镀钛/铌更加低廉；
21.(4)增加电堆阳极出水废热回收装置，与电堆进水进行换热，回收热量，可有效降低装置整体的能耗。
附图说明
22.图1为本实用新型实施例中高水质管理的质子交换膜电解水制氢系统工作流程图。
23.图2为本实用新型和传统电解水制氢系统实施过程中的水品质随时间的变化趋势对比图。
具体实施方式
24.一种高水质管理的质子交换膜电解水制氢系统，包括通过管道顺序连接的供水系统、余热利用系统、净水处理装置、二次加热装置以及制氢装置、氢气分离系统、氧气分离系统、控制和监测系统；其特征为：
25.所述制氢装置分别通过阴极出气/液口和阳极出气/液口与氢气分离系统和氧气分离系统相连接；
26.所述氢气分离系统将制备的氢气通过氢气出气口与储氢设备连接；所述氧气分离系统则通过阳极出气/液口与余热利用系统连接实现阳极出液的余热回收；所述供水系统通过排液口二实现水的回收利用；
27.所述控制和监测系统与所述质子交换膜电解水制氢系统中的温度仪表、流量仪表、电导率仪表、压力仪表以及电解电源连接，实现系统的总体控制。所述供水系统包括储水罐、水泵、备用泵、进水口一、进水口二、出水口一以及出水口二；所述储水罐上安装水位计，用于监测水位，当水位过低时通过进水口一补充水量；所述进水口二将氧气分离系统中的水回收至储水罐中；所述储水罐的出水口一连接主供水管道；水泵以及备用泵管道通过三通阀与主供水管道相连接；水泵出口管道处安装流量计，用于监测水泵输出流量，当出水异常时即启用备用泵；所述出水口二通过输水管道连接余热利用系统。
28.余热利用系统包括热交换器、n2进气口一、进水口三、出水口三、阳极出水进水口以及阳极出水出水口；该热交换器利用制氢装置阳极输出o2/水混合物的高温热量对来自供水系统的水进行预加热，同时n2进气口一位于热交换器上方，通入高压n2对水进行加压；
阳极出水进水口位于热交换器下方，阳极出水出水口位于热交换器上方，用于加强换热效果；经该余热利用系统预加热的水通过出水口三与主供水管道二相连接，进入净水处理系统。
29.净水处理系统包括离子交换树脂、备用输水管路、进水口四以及出水口四；该离子交换树脂与备用输水管路通过三通阀与主供水管道二相连接；离子交换树脂对水进行净化处理，出口管路处安装电导率测试仪，监测水质变化，当离子交换树脂运行异常时，启用备用输水管路；经净水处理系统净化的超纯水通过管道输送进入二次加热装置中。二次加热装置包括加热器、进水口五以及出水口五；所述加热器和与之连接的管路材质均为内部镀钛/铌的不锈钢；该加热器对超纯水进行再次加热，使其达到指定温度以确保氢气反应装置内氢气的高效生成；所述出水口五与制氢装置相连接，并在管道上安装温度传感器，实时监测水温。
30.制氢装置包括电堆、阴极出气/液口、阳极出气/液口以及n2进气口二；通过对电堆施加电流或电压信号，进行电解水制氢；所述阴极出气/液口排出高温氢气以及少量水，经管道输送至氢气分离系统，同时在阴极出气/液口处安装n2进气口二，通入高压n2进行加压，实现高压操作；所述阳极出气/液口排出的o2以及具有较高温度水通过管道与余热利用系统相连接，回收此部分热量。
31.氢气分离系统包括氢气分离器、阴极出气进气口、冷凝水进液口、冷凝水出液口、排液口一、背压阀一以及h2出气口；该氢气分离器用于分离来自电堆阴极的高温h2与水，并对其进行降温；所述冷凝水进液口位于氢气分离器下方，冷凝水出液口位于氢气分离器上方，用于增强冷却效果；所述h2出气口处安装压力传感器，用于监测氢气分离器中的气压；所述排液口一位于氢气分离器下方，当系统检测到分离器中液位过高时，自动打开排液口一，进行排水。
32.氧气分离系统包括氧气分离器、阳极出水进水口二、排液口二、o2出气口；该氧气分离器用于分离来自余热利用系统中的o2与水；o2出气口处安装压力传感器，监测氧气分离系统中的气压；排液口二位于氧气分离器下方，通过管道与阳极出水进水口二相连接，回收氧气分离系统中的水至储水罐。
33.下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。
34.如图1所示，本实用新型的高水质管理的质子交换膜电解水制氢系统包括供水系统、余热利用系统、净水处理装置、二次加热装置、氢气反应装置、氢气分离系统、氧气分离系统以及控制和监测系统。根据图1所示工作流程图，利用该发明装置进行电解水制氢，具体工作原理如下：
35.在优选实施例中，供水系统包括储水罐、水泵、备用泵、进水口一、进水口二、出水口一以及出水口二；储水罐上安装水位计，用于监测水位，当水位低于储水罐最高液位的1/5时通过进水口一补充水量至满；进水口二将氧气分离系统中的水回收至储水罐中；储水罐的出水口一连接主供水管道；水泵以及备用泵管道通过三通阀与主供水管道相连接；设置供水系统中水泵流量为2l/min，开启水泵，水泵出口管道处安装流量计，通过流量计实时监测流量变化，当出水异常时可启用备用泵，保证供水系统的正常运行；出水口二通过输水管道连接余热利用系统。余热利用系统包括热交换器、n2进气口一、进水口三、出水口三、阳极出水进水口以及阳极出水出水口；该热交换器利用制氢装置阳极输出o2/水混合物的高温
热量对来自供水系统的水进行预加热；阳极出水管路与输水管逆流布置，用于加强换热效果；该换热器可将制氢装置阳极输出o2/水混合物从80℃冷却至40℃，同时将进水从25℃预热至45℃；经该余热利用系统预加热的水通过出水口三与主供水管道二相连接，进入净水处理系统。净水处理系统包括离子交换树脂、备用输水管路、进水口四以及出水口四；离子交换树脂与备用输水管路通过三通阀与主供水管道二相连接；离子交换树脂对水进行净化处理，出口管路处安装电导率测试仪，用以控制进水电导率低于1μs/cm，并实时监测水质变化，当电导率大于1μs/cm，启用备用输水管路，更换离子交换树脂；经净水处理系统净化的超纯水通过管道输送进入二次加热装置中。二次加热装置包括加热器、进水口五以及出水口五；加热器和与之连接的管路材质均为内部镀钛/铌的不锈钢；该加热器对超纯水进行再次加热至80℃，使其达到指定温度以确保氢气反应装置内氢气的高效生成；出水口五与制氢装置相连接，并在管道上安装温度传感器，实时监测水温。制氢装置包括电堆、阴极出气/液口、阳极出气/液口以及n2进气口二；制氢装置的电解电源启动，通过对电堆施加1.5a/cm-2
电流密度信号，进行电解水制氢；阴极出气/液口排出高温氢气以及少量水，经管道输送至氢气分离系统；阳极出气/液口排出的o2以及具有较高温度水通过管道与余热利用系统相连接，回收此部分热量。制取的h2以及部分水通过阴极出气口进入到氢气分离系统，氢气分离系统包括氢气分离器、阴极出气进气口、冷凝水进液口、冷凝水出液口、排液口一、背压阀一以及h2出气口；该氢气分离器用于分离来自电堆阴极的高温h2与水，并对其降温至10℃；冷凝水进液口位于氢气分离器下方，冷凝水出液口位于氢气分离器上方；排液口一位于氢气分离器下方，当系统检测到分离器中液位过高时，自动打开排液口一，进行排水。阳极出气/液口输出的高温o2以及大部分水进入余热利用系统中，经余热利用系统降温后的o2以及大部分水进入氧气分离系统中。氧气分离系统包括氧气分离器、阳极出水进水口二、排液口二、o2出气口；氧气经o2出气口进行收集；排液口二位于氧气分离器下方，通过管道与阳极出水进水口二相连接，回收氧气分离系统中的水至储水罐。
36.在另一优选实施例中，供水系统包括储水罐、水泵、备用泵、进水口一、进水口二、出水口一以及出水口二；储水罐上安装水位计，用于监测水位，当水位过低时通过进水口一补充水量；进水口二将氧气分离系统中的水回收至储水罐中；储水罐的出水口一连接主供水管道；水泵以及备用泵管道通过三通阀与主供水管道相连接；设置供水系统中水泵流量为4l/min，开启水泵，水泵出口管道处安装流量计，通过流量计实时监测流量变化，当出水异常时可启用备用泵，保证供水系统的正常运行；出水口二通过输水管道连接余热利用系统。余热利用系统包括热交换器、n2进气口一、进水口三、出水口三、阳极出水进水口以及阳极出水出水口；该热交换器利用制氢装置阳极输出o2/水混合物的高温热量对来自供水系统的水进行预加热；阳极出水管路与输水管逆流布置，用于加强换热效果；该换热器可将制氢装置阳极输出o2/水混合物从80℃冷却至40℃，同时将进水从25℃预热至45℃；同时n2进气口一位于热交换器上方，用于将进水的压力提升至3mpa；经该余热利用系统预加热的水通过出水口三与主供水管道二相连接，进入净水处理系统。净水处理系统包括离子交换树脂、备用输水管路、进水口四以及出水口四；离子交换树脂与备用输水管路通过三通阀与主供水管道二相连接；离子交换树脂对水进行净化处理，出口管路处安装电导率测试仪，用以控制进水电导率低于1μs/cm，并实时监测水质变化，当电导率大于1μs/cm，启用备用输水管路，更换离子交换树脂，以保证正常供水；经净水处理系统净化的超纯水通过管道输送进入
二次加热装置中。二次加热装置包括加热器、进水口五以及出水口五；加热器和与之连接的管路材质均为内部镀钛/铌的不锈钢；该加热器对超纯水进行再次加热至80℃，使其达到指定温度以确保氢气反应装置内氢气的高效生成；出水口五与制氢装置相连接，并在管道上安装温度传感器，实时监测水温。制氢装置包括电堆、阴极出气/液口、阳极出气/液口以及n2进气口二；制氢装置的电解电源启动，通过对电堆施加2a/cm-2
电流密度信号，进行电解水制氢；阴极出气/液口排出高温氢气以及少量水，经管道输送至氢气分离系统；同时通过在阴极出气/液口处的n2进气口二，对阴极出气进行快速加压至3mpa；阳极出气/液口排出的o2以及具有较高温度水通过管道与余热利用系统相连接，回收此部分热量。打开n2进气口一和二阀门，关闭背压阀一和二，通入n2，对阳极水和阴极进行加压，直至氧气分离系统和氢气分离系统压力表均为3mpa，用以实现高压电解水制氢。制取的h2以及部分水通过阴极出气口进入到氢气分离系统，氢气分离系统包括氢气分离器、阴极出气进气口、冷凝水进液口、冷凝水出液口、排液口一、背压阀一以及h2出气口；该氢气分离器用于分离来自电堆阴极的高温h2与水，并对其降温至10℃；冷凝水进液口位于氢气分离器下方，冷凝水出液口位于氢气分离器上方，用于增强冷却效果；h2出气口处安装压力传感器，用于监测氢气分离器中的气压，当监测到压力过高时通过调节背压阀一释放氢气至高压气瓶中，完成氢气的高压存储；排液口一位于氢气分离器下方，当系统检测到分离器中液位过高时，自动打开排液口一，进行排水。阳极出气/液口输出的高温o2以及大部分水进入余热利用系统中，经余热利用系统降温后的o2以及大部分水进入氧气分离系统中。氧气分离系统包括氧气分离器、阳极出水进水口二、排液口二、o2出气口；o2出气口处安装压力传感器，监测氧气分离系统中的气压，当监测到压力过高时通过调节背压阀二释放氧气至高压气瓶中，完成氧气的高压存储；排液口二位于氧气分离器下方，通过管道与阳极出水进水口二相连接，回收氧气分离系统中的水至储水罐。
37.本发明通过设计一种高水质管理的质子交换膜电解水制氢系统，包括通过管道顺序连接的供水系统、余热利用系统、净水处理装置、二次加热装置以及制氢装置、氢气分离系统、氧气分离系统、控制和监测系统，解决了现有质子交换膜电解水制氢技术的不足，并达到了有益效果：将离子交换树脂滤芯前置，位于加压罐/热交换器与预热器之间，在保证离子交换树脂适宜操作温度(＜80℃)的前提下，做到离子交换树脂水出口为预热器和电堆，用以滤除储水罐和管路中的金属杂质离子；将离子交换树脂前置，其制取的纯水出水口直接进入预热器加热后再进入电堆，离子交换树脂出水后的零部件为内部镀钛/铌的不锈钢管材，既可杜绝金属离子的二次污染，也可承受高压操作，成本较整个装置镀钛/铌更加低廉，用以获得高纯度电堆进水，实现质子交换膜电解水制氢装置的寿命提升；增加电堆阳极出水废热回收装置，与电堆进水进行换热，回收热量，可有效降低装置整体的能耗。
38.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。