[發明專利]制備氫氣的系統和相關的方法

有效

• 申請號: 201780014889.0
• 申請日: 2017-01-04
• 公開（公告）號: CN108699713B
• 公開（公告）日: 2019-07-30
• 發明（設計）人: 大衛·科洛馬爾
• 申請（專利權）人: 法國電力公司
• 主分類號: C25B15/02
• 分類號: C25B15/02;C25B15/08;C25B1/12
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 劉明海;胡彬

本發明涉及一種用于制備氫氣的系統(1)，其包含：適用于實施水的電解并產生氧氣和氫氣的電解槽(2)；氫氣壓縮機(3)；氫氣冷卻器(4)；來自電解槽(2)的氫氣的主回路(10)，在該回路上至少依次布置壓縮機(3)和冷卻器(4)；來自電解槽(2)的氧氣和殘余水蒸氣的輔助回路(20)，所述系統的特征在于：其還包括所述殘余蒸汽的冷凝器；冷卻器(4)包括膨脹器、交換器和儲熱模塊；冷凝器、膨脹器和交換器依次布置在輔助回路(20)上，交換器(41)使由壓縮機(3)壓縮的氫氣、由膨脹器膨脹的氧氣、和儲熱模塊進行熱交換。

技術領域

本發明涉及通過電解的氫氣制備系統。

背景技術

在無碳化解決方案即低二氧化碳排放解決方案的強勁發展背景下，對于貨物和乘客的移動和運輸，氫氣看起來是一種有前途的燃料。

其與車輛中的燃料電池和電動機相關聯的使用可以替代化石燃料，尤其是如果其通過本身清潔的能量，特別是通過水電解而產生的話。一些汽車制造商，如豐田，已經開始銷售氫氣車，其他汽車制造商將在2020年之前推出他們的第一批車。

燃料電池的運行(其一個實例在圖1a中示出)由以下氧化還原反應控制：

-在陽極：2H₂→4H⁺+4e^-

-在陰極：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O。

在陽極產生的電子流由此可以在被傳送到陰極之前供應電負載。

目前氫氣主要通過烴蒸汽重整大量生產，主要由天然氣(甲烷，蒸汽重整反應由此通過下面的方程式描述：CH₄+2H₂O+熱→4H₂+CO₂，以200巴在氣缸座中通過卡車運輸和輸送到服務站，其中將其在壓縮機中壓縮至420至880巴的壓力，然后儲存在服務站的高壓罐中(事實上，氫氣的低體積密度—89克，就是在正常溫度和壓力條件下，在一立方米的氫氣中為3.54kWh能量—意味著根據車輛將其在350巴或700巴壓縮以達到足夠的密度用作燃料)。

這種蒸汽重整制備方法具有工業上成熟和便宜的優點。然而，它有許多缺點：它消耗化石能源，二氧化碳排放量高，而且僅適合在大容量單元(高達幾百MW)中大規模生產。在分散使用氫氣的情況下，所產生的氫氣因此必須通過卡車運輸，并且必須以氣缸座形式運輸，這導致很大的經濟和能源成本。

因此，工業界越來越傾向于替代技術：水電解，其利用電力而不是化石能源將氫氣與氧氣分離，并且可以在小型分散單元中，甚至在使用氫氣的地方制造，例如服務站。電解原理可以用下面的公式總結：2H₂O+電→2H₂+O₂。

電解具有許多優點：如果電力無碳化(例如核或可再生來源)其不產生二氧化碳)，其是靈活的因此可以為電網提供服務，并且其是一種模塊技術，可以是小容量的(不到1MW)，因此非常適合分散生產。另一方面，它具有消耗昂貴的能源的缺點：電。因此，其產率是關鍵問題。

圖1b表示包含電解槽2的已知設施，該電解槽2為其操作消耗55kWh的電能。這種類型的電解槽2向大氣中(通過輔助回路20)釋放每摩爾產生的氫氣1/2摩爾的氧氣。氫氣在至少16巴，有利地至少30巴，和優選約35巴，60℃產生，然后在電解槽中純化和冷卻，然后在35巴和25℃下放置。然后，將其輸送到儲存緩沖儲器11，在其中在35巴儲存。

然后將氫氣從主回路10輸送到壓縮機3，氫氣在420巴或880巴的壓力下離開，這取決于它是在350巴還是在700巴用于供應車輛。壓縮機每千克壓縮氫氣消耗4至6kWh(+/-1kWh)。保持每千克壓縮氫氣5kWh電力的平均值。