本發(fā)明屬于電解水制氫，具體地講，是涉及一種降低氧中氫含量的氧氣氣液分離裝置、電解水制氫系統(tǒng)及其運(yùn)行方法。

背景技術(shù)：

1、水電解制氫將光伏、風(fēng)電等可再生能源轉(zhuǎn)化為綠色氫能，應(yīng)用于化工、冶金、交通等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)深度脫碳，是我國(guó)“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要支撐。然而，水電解過(guò)程中氣體純度問(wèn)題一直是制約系統(tǒng)效率的重要因素。氧中氫(hto)濃度是確定水電解負(fù)荷極限的關(guān)鍵因素，高h(yuǎn)to水平存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。一般情況下，氧中氫濃度超過(guò)2％時(shí)，電解系統(tǒng)會(huì)被強(qiáng)制停機(jī)，制氫過(guò)程隨之停止。減少電解系統(tǒng)中氧中氫濃度不僅可以最大限度地減少安全問(wèn)題，還能提高電解效率。

2、因此，為解決電解水制氫系統(tǒng)在低負(fù)載下氧中氫濃度增加帶來(lái)的運(yùn)行安全問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)合適的方案，減少氧氣分離器中的氫氣雜質(zhì)含量。這一措施不僅有助于提升系統(tǒng)的安全性，還能進(jìn)一步優(yōu)化電解效率，促進(jìn)綠色氫能產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。

3、cn115140712a公開(kāi)了一種堿性電解水制氫系統(tǒng)及其氧氣除雜保護(hù)裝置及保護(hù)方法，氧氣氣液分離器并連一個(gè)氧氣純化設(shè)備，對(duì)分離器中粗氧進(jìn)行純化除雜，同時(shí)純化后氧存入所述氧氣存儲(chǔ)設(shè)備，當(dāng)電解水制氫系統(tǒng)處于低負(fù)載工作時(shí)將儲(chǔ)存的氧氣通入氧氣分離器，以降低所述氧氣分離器中氧氣內(nèi)氫氣雜質(zhì)含量。該方法通過(guò)增大氧氣含量的方法降低可氧中氫含量，但系統(tǒng)中引入了復(fù)雜的氣體純化和氣體儲(chǔ)存設(shè)備，大幅增加了電解系統(tǒng)的占地面積，不符合工業(yè)集裝緊湊式的發(fā)展需求。

4、因此，針對(duì)工業(yè)低負(fù)荷運(yùn)行電解系統(tǒng)氧中氫含量過(guò)高的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)更高效、可實(shí)施性更高、集成式氧中氫濃度降低技術(shù)裝置，以保障低負(fù)荷下電解系統(tǒng)安全運(yùn)行，對(duì)促進(jìn)電解水工業(yè)安全穩(wěn)定高效發(fā)展具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種降低電解水制氫系統(tǒng)中氧中氫含量的氧氣氣液分離裝置、電解水制氫系統(tǒng)及其運(yùn)行方法。不僅能降低電解水制氫系統(tǒng)的氧中氫的含量和氣液分離器分離負(fù)荷，確保電解水制氫系統(tǒng)可在低負(fù)載時(shí)安全穩(wěn)定運(yùn)行；甚至還能直接耦合在氣液分離器內(nèi)部，可滿足電解系統(tǒng)集約緊湊式的工業(yè)發(fā)展需求。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一種降低電解水制氫系統(tǒng)中氧中氫含量的氧氣氣液分離裝置，包括氧氣氣液分離器和氧中氫深度分離裝置，所述氧中氫深度分離裝置包括氧氣純化催化反應(yīng)器和曝氣裝置；所述氧氣氣液分離器沿液體流動(dòng)方向的頂部左右兩側(cè)分別開(kāi)設(shè)有第一排氣口和第二排氣口，所述曝氣裝置設(shè)于靠近所述第二排氣口一側(cè)的所述氧氣氣液分離器的內(nèi)部且設(shè)于電解液的液面之下；

4、所述氧氣純化催化反應(yīng)器的兩端分別開(kāi)設(shè)有粗氧氣進(jìn)口和純化氧氣出口，所述粗氧氣進(jìn)口連接至所述第一排氣口，所述純化氧氣出口連接至所述曝氣裝置的進(jìn)氣端，所述氧氣純化催化反應(yīng)器采用催化劑使h2和o2迅速反應(yīng)生成h2o。

5、本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為，所述氧氣純化催化反應(yīng)器設(shè)于所述氧氣氣液分離器的外部。

6、本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為，所述氧氣純化催化反應(yīng)器設(shè)于所述氧氣氣液分離器的內(nèi)部且位于電解液的液面之下。

7、本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為，所述第一排氣口和氧氣純化催化反應(yīng)器間的連接管道上安裝有動(dòng)力裝置，用于將所述氧氣氣液分離器中的粗氧氣輸送至氧氣純化催化反應(yīng)器中。所述動(dòng)力裝置優(yōu)選為風(fēng)機(jī)。

8、本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為，所述粗氧氣出口和風(fēng)機(jī)間的連接管道上安裝有除霧器。所述除霧器是用于除去氣體中夾雜的微量液體。

9、本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為，所述氧氣純化催化反應(yīng)器的進(jìn)氣端和氣體出口間的連接管道上安裝有氫氣傳感器，所述純化氧氣出口處安裝有氫氣傳感器。用于監(jiān)測(cè)氧中氫含量。

10、本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為，所述氧氣純化催化反應(yīng)器中的催化劑選自鈀觸媒催化劑、鉑基催化劑、銀基催化劑中的一種或多種。

11、本發(fā)明還提供一種電解水制氫系統(tǒng)，包括電解槽，分別連接電解槽的氧氣氣液分離裝置和氫氣氣液分離裝置，所述氧氣氣液分離裝置采用上述所述的氧氣氣液分離裝置。

12、本發(fā)明還提供一種所述電解水制氫系統(tǒng)的運(yùn)行方法，所述氧中氫深度分離裝置在電解水制氫系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行或者氧氣氣液分離器中氧中氫含量較高時(shí)開(kāi)啟運(yùn)行；在電解水制氫系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)行或者氧氣氣液分離器中氧中氫含量較低時(shí)關(guān)閉運(yùn)行。

13、本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為，控制所述氧氣純化催化反應(yīng)器入口的氧氣空速≥5h-1。優(yōu)選地，空速為5～15h-1，進(jìn)一步優(yōu)選為7.5～10h-1。

14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

15、(1)本發(fā)明提供的一種降低電解水制氫系統(tǒng)中氧中氫含量的氧氣氣液分離裝置，所述氧中氫深度分離裝置可完全耦合加裝在氧氣氣液分離器內(nèi)，不僅能降低電解水制氫系統(tǒng)的氧中氫的含量，確保電解水制氫系統(tǒng)在低負(fù)載時(shí)安全穩(wěn)定運(yùn)行，還能滿足電解系統(tǒng)集約緊湊式的工業(yè)發(fā)展需求。

16、(2)本發(fā)明提供的氧氣氣液分離裝置，先利用氫氣和氧氣在催化劑的作用下反應(yīng)生成水而脫除微量氫氣，同時(shí)利用產(chǎn)生的余熱與電解液換熱并用曝氣裝置吹脫，可大幅降低氧中氫濃度。該方法原理簡(jiǎn)單，氫氣脫除效果好，應(yīng)用于工業(yè)電解水系統(tǒng)中擁有良好的前景。

技術(shù)特征：

1.一種降低電解水制氫系統(tǒng)中氧中氫含量的氧氣氣液分離裝置，其特征在于，包括氧氣氣液分離器和氧中氫深度分離裝置，所述氧中氫深度分離裝置包括氧氣純化催化反應(yīng)器和曝氣裝置；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧氣氣液分離裝置，其特征在于，所述氧氣純化催化反應(yīng)器設(shè)于所述氧氣氣液分離器的外部。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧氣氣液分離裝置，其特征在于，所述氧氣純化催化反應(yīng)器設(shè)于所述氧氣氣液分離器的內(nèi)部且位于電解液的液面之下。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧氣氣液分離裝置，其特征在于，所述第一排氣口和氧氣純化催化反應(yīng)器間的連接管道上安裝有動(dòng)力裝置。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧氣氣液分離裝置，其特征在于，所述粗氧氣出口和風(fēng)機(jī)間的連接管道上安裝有除霧器。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧氣氣液分離裝置，其特征在于，所述氧氣純化催化反應(yīng)器的進(jìn)氣端和氣體出口間的連接管道上安裝有氫氣傳感器，所述純化氧氣出口處安裝有氫氣傳感器。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧氣氣液分離裝置，其特征在于，所述氧氣純化催化反應(yīng)器中的催化劑選自鈀基催化劑、鉑基催化劑、銀基催化劑中的一種或多種。

8.一種電解水制氫系統(tǒng)，其特征在于，包括電解槽，分別連接電解槽的氧氣氣液分離裝置和氫氣氣液分離裝置，所述氧氣氣液分離裝置采用權(quán)利要求1～7任意一項(xiàng)所述的氧氣氣液分離裝置。

9.一種如權(quán)利要求8所述的電解水制氫系統(tǒng)的運(yùn)行方法，其特征在于，所述氧中氫深度分離裝置在電解水制氫系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行或者氧氣氣液分離器中氧中氫含量較高時(shí)開(kāi)啟運(yùn)行；在電解水制氫系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)行或者氧氣氣液分離器中氧中氫含量較低時(shí)關(guān)閉運(yùn)行。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電解水制氫系統(tǒng)的運(yùn)行方法，其特征在于，控制所述氧氣純化催化反應(yīng)器入口的氧氣空速≥5h-1。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種降低電解水制氫系統(tǒng)中氧中氫含量的氧氣氣液分離裝置、電解水制氫系統(tǒng)及其運(yùn)行方法，所述氧氣氣液分離裝置包括氧氣氣液分離器和氧中氫深度分離裝置，所述氧中氫深度分離裝置包括氧氣純化催化反應(yīng)器和曝氣裝置；所述氧氣氣液分離器頂部的左右兩側(cè)分設(shè)有第一排氣口和第二排氣口，曝氣裝置設(shè)于氧氣氣液分離器的內(nèi)部且設(shè)于液面之下；所述氧氣純化催化反應(yīng)器的兩端分設(shè)有粗氧氣進(jìn)口和純化氧氣出口，所述粗氧氣進(jìn)口連接至第一排氣口，純化氧氣出口連接至曝氣裝置的進(jìn)氣端，所述氧氣純化催化反應(yīng)器采用催化劑使H<subgt;2</subgt;和O<subgt;2</subgt;迅速反應(yīng)生成H<subgt;2</subgt;O。本發(fā)明可大幅降低氧中氫濃度，確保電解水制氫系統(tǒng)在低負(fù)載時(shí)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

技術(shù)研發(fā)人員：楊強(qiáng),吳濤,劉博,袁方,祝子堅(jiān),楊薪宇,劉磊鑫
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華東理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23