一种连续电解海水制氢系统及其工作方法与流程

1.本发明属于电解海水技术领域，具体涉及一种连续电解海水制氢系统及其工作方法。


背景技术：

2.以往的碱性电解水和酸性电解水制氢策略中原料水为超纯水或去离子水，该类水属于淡水的范畴，通过将淡水进行一系列的纯化得来，成本较高；另一方面考虑到淡水资源储量仅占全球水资源储量的2.8％，其中2.1％是不可开发的冰川水，人类可用淡水仅仅占全球水资源的0.2％。人类巨大的能源、化工供氢都依赖于淡水资源的话，势必给人类的生存带来巨大的压力。地球上超过97％的水资源是含盐水，海水资源相当丰富，因此利用海水电解制氢可以缓解水源的压力，电解海水制氢技术也越来越受到广泛的重视。
3.海水中含有约0.5m的氯化钠，随着电解进行水的消耗，电解系统中的氯化钠浓度会持续水升高直至饱和析出，如果不及时将氯化钠晶体分离，会导致电解系统堵塞和加速电解系统的腐蚀。
4.为了解决以上问题，提出本发明。


技术实现要素：

5.为解决以上问题，本发明提出一种用于连续电解海水制氢的系统，该系统包含电解模块和氯化钠析出模块，将氯化钠析出过程与电解系统分隔，不影响电解的情况下实现氯化钠从电解系统中的分离。
6.本发明第一方面提供一种连续电解海水制氢系统，所述电解海水制氢系统包含以下部件：电解槽1、氢气液分离器3、氧气液分离器5和氯化钠析出装置；
7.所述氯化钠析出装置包含：氯化钠析出池6；
8.其中，所述氯化钠析出池6包括：冷却结构和挤出结构；所述冷却结构用于对所述氯化钠析出池6内的电解液降温，所述挤出结构用于将氯化钠析出池6中的氯化钠晶体挤出分离出来
9.上述部件的连接关系是：
10.电解槽1的阴极通过氢气输出管道2连接氢气液分离器3，电解槽1的阳极通过氧气输出管道4连接氧气液分离器5，氢气液分离器3和氧气液分离器5的出口共同通过循环管道9连通至电解槽1的电解液入口，电解槽1的电解液出口通过氯化钠析出管道5连通至氯化钠析出池6，氯化钠析出池6的电解液出口通过回流管道8连通至循环管道9；
11.其中氯化钠析出管道6上设置有第一阀门11，电解液回流管道8上设置有第二阀门12。
12.优选地，所述氯化钠析出池6包括：
13.氯化钠结晶罐61，冷却介质进口62，可垂直活动顶杆63，第三阀门64，挤出管65，氯化钠收集烘干池68，冷却介质出口610；
14.其中，所述氯化钠结晶罐61为双层结构，内层为电解液容纳腔，夹层为冷却介质腔体，所述氯化钠结晶罐61下端连接有挤出管65，第三阀门64设置在所述挤出管65上；
15.所述可垂直活动顶杆63贯通所述氯化钠结晶罐61且可垂直抵达所述阀门64，以将氯化钠结晶罐61中的氯化钠通过挤出管65挤出；
16.所述冷却介质进口62和冷却介质出口610与氯化钠结晶罐61的冷却介质腔体连通；
17.所述氯化钠收集烘干池68为中空双层结构，内腔为氯化钠收集烘干腔，夹层可充入液体，通过对夹层内的液体加热，实现氯化钠的烘干。
18.优选地，挤出管65下方直接为氯化钠收集烘干池68。当然，这种方式的缺点是，如果氯化钠收集烘干池68与挤出管65之间的距离过小，氯化钠收集烘干池68的热量容易传递到上方的挤出管65和氯化钠结晶罐61中，影响氯化钠结晶罐61的冷却结晶效果。
19.优选地，所述电解槽包含阴极、阳极、阴阳极之间的隔膜、固定阴阳极和隔膜的双极板和端板以及对所述阴阳极通电的电源装置；所述阳极为导电集流体负载的析氧催化剂，所述阴极为导电集流体负载的析氢催化剂，并且阳极和阴极均采用防腐蚀电极材料。
20.所述阳极为导电集流体负载的析氧催化剂，所述阴极为导电集流体负载的析氢催化剂，并且阳极和阴极均采用防腐蚀电极材料。
21.优选地，所述氯化钠析出池6包括：传送带67，推动杆66，刮板69；
22.其中，所述推动杆66设置在所述挤出管65下方的侧部，用于将所述挤出管65排出的氯化钠推到传送带67上，
23.所述传送带67设置在所述挤出管65下方，用于将氯化钠搬运至所述氯化钠收集烘干池68中；
24.所述刮板69设置在所述传送带67的末端，用于将所述传送带67上残留的氯化钠刮至氯化钠收集烘干池68中。
25.氯化钠在所述传送带67上传输的过程中，也可以加入热气流烘干等操作，加快氯化钠干燥速度。热气流烘干装置可以设置在传送带67的下方，传送带67可以具有细密的孔道，以允许热气流通过，并不会泄漏下氯化钠晶体。
26.当然，也可以不设置推动杆66，传送带67直接设置在挤出管65下方即可。
27.优选地，所述氯化钠结晶罐62上部为圆柱形，下部为上大下小的锥体结构，以方便析出的氯化钠沉积到氯化钠结晶罐62的底部。氯化钠结晶罐62也可认为是漏斗状。
28.优选地，所述氯化钠结晶罐62内壁涂有促进晶体结晶的涂层。涂层可以包含纳米阵列化的金属氢氧化物、纳米阵列化的金属氧化物、纳米阵列化的金属磷化物、纳米阵列化的金属硫化物中的一种或几种。金属可以选自：镍、铁、钴、镁、铝、铜等中的一种或几种。上述涂层可以促进微晶的异向成核，进而促进晶体的形成。
29.上述纳米阵列化的金属氢氧化物、纳米阵列化的金属氧化物、纳米阵列化的金属磷化物、纳米阵列化的金属硫化物可以通过现有技术制备得到。
30.优选地，所述氯化钠收集烘干池68内设置有震动装置和/或搅拌装置，以防止氯化钠在干燥过程中堆积，加快氯化钠干燥速度。
31.例如氯化钠收集烘干池68内可以设置震动网筛，以将干燥完成后一定粒径的氯化钠晶体过滤到下层，未完全干燥或仍结团的氯化钠晶体留在震动网筛上继续干燥和震动/
搅拌。氯化钠收集烘干池68的下层可设置为可抽出结构，以将干燥完成后的一定粒径的氯化钠晶体收集出来。
32.优选地，所述电解槽1中的电解液包含氢氧化钠和氯化钠，其中氢氧化钠的浓度不低于3mol/l。由于同离子效应的存在，促进电解液中的氯化钠饱和析出。
33.优选地，所述电解槽1的阴阳两极表面电流密度为100ma/cm-2
～800ma/cm-2
。
34.优选地，在所述连续电解海水制氢系统中，串联有一个以上所述氯化钠结晶罐62，并且不同的氯化钠结晶罐62之间存在温度梯度，以实现氯化钠晶体的多级析出。
35.本发明第二方面提供一种连续电解海水制氢系统的工作方法，包括以下步骤：
36.电解槽1内通入海水和氢氧化钠，给所述电解槽1通电，电解系统开始运行，电解海水产生的氢气和部分电解液通过氢气输出管道2进入氢气液分离器3进行气液分离，产生的氧气和部分电解液通过氧气输出管道4进入氧气气液分离器5进行气液分离；
37.氢气液分离器3和氧气气液分离器5内分离出的电解液再混合后经过管道进入电解槽1中进行循环；
38.当系统运行一段时间后，系统内的电解液中的氯化钠达到运行温度下的饱和，此时氯化钠析出装置开始运行：
39.第一阀门11开启，从电解槽1中排出一定量电解液，电解槽1内留有的电解液仍可以满足电解系统的正常运行，当电解液进入氯化钠析出池6后，关闭第一阀门11；
40.氯化钠析出池6内的冷却结构为电解液降温，由于温差的原因，电解液中的氯化钠会在氯化钠析出池6内结晶析出；
41.然后，电解液经回流管道8和循环管道9再回流入电解槽1。
42.上述技术方案在不矛盾的前提下，可以自由组合。
43.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
44.1、本发明提出一种用于连续电解海水制氢的系统，该系统包含电解模块和氯化钠析出模块，将氯化钠析出过程与电解系统分隔，不影响电解的情况下实现氯化钠从电解系统中的分离，因而实现了电解海水制氢系统的连续运行。
45.2、优选的实施方式中，电解液为氢氧化钠和海水，其中氢氧化钠的浓度不低于3mol/l。由于同离子效应的存在，电解液中的氯化钠更容易结晶析出。
46.3、优选的实施方式中，电解槽的端板和双极板采用耐腐蚀的不锈钢或钛基板材，可以耐氯离子的腐蚀。特别的，氯化钠结晶罐的内壁设有涂层，涂层的存在可以促进氯化钠的结晶析出。
47.4、优选的实施方式中，氯化钠析出装置中还设置有氯化钠收集烘干池68，用于随时干燥并收集析出的氯化钠，防止析出的氯化钠结团。
附图说明
48.图1是实施例1中该连续电解海水制氢系统的流程图。
49.图2是实施例1中氯化钠析出装置的结构示意图。
50.附图说明：
51.1、电解槽，2、氢气输出管道，3、氢气液分离器，4、氧气输出管道，5、氧气气液分离器，6、氯化钠析出池，61、氯化钠结晶罐，62、冷却介质进口，63、可垂直活动顶杆，64、第三阀
门，65、挤出管，66、推动杆，67、传送带，68、氯化钠收集烘干池，69、刮板，610、冷却介质出口，612、串联管道，611、串联泵，613、串联氯化钠结晶罐，8、回流管道，9、循环管道，611、循环泵，11、第一阀门，12、第二阀门。
具体实施方式
52.下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
53.本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
54.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接。
55.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
56.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
57.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
58.实施例1
59.一种连续电解海水制氢系统，该电解海水制氢系统包含：电解槽1、氢气液分离器3、氧气液分离器5、氯化钠析出装置。
60.其中，电解槽1包含阴极、阳极、阴阳极之间的隔膜、固定阴阳极和隔膜的双极板和端板以及对所述阴阳极通电的电源装置，电解槽中的端板和双极板采用耐腐蚀的不锈钢或钛基板材，并且表面涂覆有耐氯腐蚀涂层。
61.所述阳极为导电集流体负载的高活性、高选择性、高稳定性析氧催化剂，所述阴极为导电集流体负载的析氢催化剂，并且阳极和阴极均采用防腐蚀电极材料。所述氯化钠析出装置包含析出池6。
62.上述部件的连接关系是：
63.电解槽1的阴极通过氢气输出管道2连接氢气液分离器3，电解槽1的阳极通过氧气
输出管道4连接氧气液分离器5，氢气液分离器3和氧气液分离器5的出口共同通过循环管道9连通至电解槽1的电解液入口，电解槽1的电解液出口通过氯化钠析出管道6连通至氯化钠析出池7，氯化钠析出池7的电解液出口通过回流管道8连通至循环管道9；
64.其中氯化钠析出管道6上设置有第一阀门11，电解液回流管道8上设置有第二阀门12。
65.所述连续电解海水制氢系统，对其电解槽1连通电源后，在阳极侧选择性产生氧气，不产生氯气和次氯酸根；在阴极侧选择性产生氢气。阴极产生的氢气经过氢气液分离器3进行分离和收集。阳极产生的氧气经过氧气液分离器5进行分离和收集。
66.所述的连续电解海水制氢系统，其中电解槽阴阳两极表面电流密度为400ma/cm-2
。
67.所述的连续电解海水制氢系统，氯化钠析出在氯化钠析出池中发生，系统每隔一段时间将系统中电解液注入氯化钠析出池中进行氯化钠晶体的析出，同时将析出氯化钠后的电解液注入电解系统中以保证系统的连续工作。
68.氯化钠析出池6的具体结构如下：
69.如图2所示，所述氯化钠析出池6包括：氯化钠结晶罐61，冷却介质进口62，可垂直活动顶杆63，阀门64，挤出管65，氯化钠收集烘干池68，冷却介质出口610，传送带67，推动杆66，刮板69；
70.其中，所述氯化钠结晶罐61为双层结构，内层为电解液容纳腔，夹层为冷却介质腔体，所述氯化钠结晶罐61下端连接有挤出管65，阀门66设置在所述挤出管65上，氯化钠结晶罐61整体为上大下小的漏斗状；
71.所述可垂直活动顶杆63贯通所述氯化钠结晶罐61且可垂直抵达所述阀门64，以将氯化钠结晶罐61中的氯化钠通过挤出管65挤出，氯化钠结晶罐61漏斗状的底部结晶并堆积一定量氯化钠后即可使用可垂直活动顶杆63挤出，而不必将氯化钠结晶罐61中的电解液排出干净；
72.所述冷却介质进口62和冷却介质出口610与氯化钠结晶罐61的冷却介质腔体连通；
73.所述氯化钠收集烘干池68为中空双层结构，内腔为氯化钠收集烘干腔，夹层可充入液体，通过对夹层内的液体加热，实现氯化钠的烘干。
74.所述推动杆66设置在所述挤出管65下方的侧部，用于将所述挤出管65排出的氯化钠推到传送带67上；
75.所述传送带67设置在所述挤出管65下方，用于将氯化钠搬运至所述氯化钠收集烘干池68中；
76.所述刮板69设置在所述传送带67下方且靠近传送带的末端，用于将所述传送带67上残留的氯化钠刮至氯化钠收集烘干池68中。
77.所述氯化钠结晶罐62上部为圆柱形，下部为上大下小的锥体结构。
78.所述氯化钠收集烘干池68内设置有震动装置和搅拌装置，以防止氯化钠在干燥过程中堆积，加快氯化钠干燥速度。
79.整个连续电解海水制氢系统中还可以设置控制器，以控制循环泵14、传送带67等的运行。
80.氯化钠析出池6包括：与氯化钠结晶罐61通过串联管道612串联的串联氯化钠结晶
罐613。串联氯化钠结晶罐613结构与氯化钠结晶罐61相同。串联管道612上设置有串联泵611以将电解液从氯化钠结晶罐61泵入串联氯化钠结晶罐613进行氯化钠晶体的二级析出。串联氯化钠结晶罐613通入的冷却介质的温度比氯化钠结晶罐61更低。
81.串联氯化钠结晶罐613和氯化钠结晶罐61共用一个氯化钠推到传送带67、刮板69和氯化钠收集烘干池68。
82.串联氯化钠结晶罐613之后当然可以设置升温装置，以实现电解液的升温后再进入电解槽1中。
83.实施例2
84.实施例1的连续电解海水制氢系统的工作方法如下：
85.在电解槽1内通入一定量海水，给电解槽1通电，电解系统开始运行。电解海水在阴极产生的氢气和一定量电解液通过氢气输出管道2进入氢气液分离器3，在阳极产生的氧气和一定量电解液通过氧气输出管道4进入氧气气液分离器5；
86.氢气液分离器3内，氢气被分离并收集；
87.氧气气液分离器5内，氧气被分离出并收集；
88.氢气液分离器3和氧气气液分离器5内与气体分离后的电解液混合后经过循环管道10进入电解槽中进行循环，完成电解系统的电解液循环。
89.当电解系统运行一段时间后，电解系统内的氯化钠达到运行温度下的饱和，此时氯化钠析出装置开始运行。氯化钠析出装置运行时，第一阀门11开启，排出电解系统中的一定量电解液，电解系统内留有的电解液仍可以满足电解系统的正常运行，当该部分电解液进入氯化钠析出池6后关闭第一阀门11。进入氯化钠析出池6的电解液中的氯化钠为电解槽运行温度下的饱和状态，氯化钠析出池6内的冷却结构可以为电解液降温，由于温差的原因，氯化钠会在析出池内结晶析出。氯化钠析出池6内的氯化钠电解液分离并且放入氯化钠收集烘干池68；电解液则经管路8、循环管道10进入电解系统内。
90.第二阀门12的开启时间为第一阀门11关闭后，进入电解系统的电解液的量与电解系统进入氯化钠析出池6中的量相同。该氯化钠析出装置的运行的过程中，不影响电解系统的正常运行，因此实现了电解海水制氢系统的连续运行。
91.当需要在系统内补充电解液时，直接将电解液加氯化钠析出池6中即可。