[发明专利]一种中高压固体聚合物水电解装置

说明书

技术领域

本发明涉及固体聚合物电解质水电解，尤其涉及阳极供水的中高压固体聚合物电解质水电解系统和流程。

背景技术

固体聚合物电解质(SPE)水电解池由于使用全氟磺酸膜为电解质，因而具有电化学效率高、环境优化、系统维护简单，寿命长等优点。SPE水电解池是一种酸性电解池，它的电极反应如下：

2H₂O→4H^＋＋4e＋O₂（阳极）

4H⁺＋4e→2H₂（阴极）

与传统碱性水电解技术相比，SPE水电解技术的优势主要表现在：(1)以固体聚合物膜为电解质，膜内含有磺酸基团，被水湿润后具有优良的离子导电能力，相对与碱性水电解技术不需要使用碱性液体作电解质，因此SPE水电解过程中没有碱流失、腐蚀等问题；(2)全氟磺酸膜具有透水阻气的特性，因而气体纯度高；（3）全氟磺酸膜具有聚四氟材料高强度的物理特性，在较好支撑下可承受较高的压差，因而有利于提高系统的安全性；(4)SPE水电解池通常将阴阳极与膜合为一体，堪称零极距电池，因而电解效率高。

SPE水电解的突出优势使其在军事、特殊用途及未来氢能经济中具有现实及潜在应用前景。该技术早期应用于潜艇及空间站的供氧。高纯氢气可以作为冷却剂，用于大型火力发电机组的冷却；此外高纯氢气可以作为还原剂或保护气，如作为半导体行业硅单品制备的保护气等。氢气作为储能介质，具有质量能量密度高、环境友好的特点，采用可再生能源如风能等现场制氢储存，需要时可用燃料电池再转换为电能。

水电解池本质上是燃料电池的逆过程，它把电能转化为化学能并储存起来，实现上述过程需要连续不断的输入电能和水，并连续排出电解生成气和废热。因此电解池系统包括电解池、水供应及管理流程、气体分离及管理流程和冷却流程。电解池的供水方式有三种：阳极供水、阴极供水、静态供水。阳极供水方式直接将水供入阳极，由于水在阳极发生电解，因此有利于电解池在电流密度较大的条件下工作。而对于阴极供水和静态供水，水需要通过电解质膜扩散进入阳极供电解消耗，因而电解速率受到扩散速率的限制，从而限制了电解池的工作电流密度。但静态和阴极供水系统流程比较简化。静态供水不需要气水分离器，阴极供水需要一个气水分离器，而阳极需要二个气水分离器。为了保证电解效率，通常条件下均选择阳极供水方式。

专利CN101010354A提供了一种固体聚合物水电解系统。该专利SPE水电解系统包括供水装置、电解装置、吹扫装置和供电装置，供水装置和电解装置分别处于各自的整体密封结构中，吹扫装置用于向整体密封结构内通入吹扫气体。该专利同时提供了一种控制方法，应用于供水装置、电解装置、气体净化装置、吹扫装置和供电装置的SPE水电解系统中。该专利提供的SPE水电解系统由于供水装置和电解装置封装在各自的整体密封结构中，需要增加吹扫装置，因而系统整体结构复杂，制造难度较大。

专利ZL200920021752.0提供了一种自循环SPE纯水电解制氢设备。该专利制氢装置主要由进水通道、氧气通道、氢气通道和与这三个通道相连的至少一个电解单元组。电解单元组包括有一个水槽和连接在水槽上至少一个SPE电解池组。水槽及电堆端板表面带有散热片，因而该专利一个显著的优点是不需要提高进水压力，不额外增加散热设备。但该专利也存在明显的局限性，第一，为了散热需要，专利采用的电解池组为2-20个，因而该专利不利于组建紧凑型系统；第二，为了安装多个电解池组，水槽必须适当放大，这样不利于组建中高压水电解系统。

目前以固体聚合物为电解质的水电解池的研究已经成为当前国际上的热点，但研究主要集中在关键材料或部件的制备工艺上，如催化剂、MEA等。而对于系统方面的研究则相对较少，现有的SPE系统存在系统复杂、维护困难、不适用于中高压操作等不足，因此需要开发一种高效的适合中高压操作的SPE水电解系统。

发明内容

本发明的目的是为了优化SPE水电解池水气热管理，简化系统流程，提供一种中高压SPE水电解系统及流程。

本发明技术方案如下：

一种中高压固体聚合物水电解装置，包括：核心部件电解池堆、水热管理过程部件、及气体分离及管理过程部件；

水热管理过程部件包括：水箱、循环水泵、高压补水泵、第一两位两通电磁阀、第一水净化装置、第二水净化装置、换热器；

气体分离及管理过程部件包括：阳极侧气水分离器、阴极侧气水分离器、第一单向阀、第二单向阀、氢储箱、氧储箱；