1.本發(fā)明屬于氨加工制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種直耦式光伏高壓無膜式兩步法電解水制氫合成氨系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

2.氨作為傳統(tǒng)的化工原料，廣泛用于制造氨水、氮肥(尿素、碳銨等)、復(fù)合肥料、硝酸、銨鹽、純堿等，應(yīng)用于化工、輕工、化肥、制藥、合成纖維等領(lǐng)域；現(xiàn)在隨著雙碳目標(biāo)的提出，我國面臨著能源轉(zhuǎn)型的重任。迫切需要清潔無污染的能源來代替化石燃料。然而越來越多的研究表明，氫并不是最合適的能源載體，其本身的諸多缺點成為阻礙其大規(guī)模推廣應(yīng)用的障礙。這些缺點包括：傳統(tǒng)方式制氫碳排放高而低碳或無碳方式制氫成本居高不下；氫氣的難液化，高腐蝕性，高逃逸性等特性導(dǎo)致其儲存或運輸相當(dāng)困難，對材料、技術(shù)與設(shè)備要求高，且浪費多、成本高；氫氣易泄露且易爆，安全性很低。將氨能作為氫能的補充與發(fā)展，正成為現(xiàn)階段氫能應(yīng)用研究的熱點之一。

3.現(xiàn)有的電解水制氫技術(shù)使用傳統(tǒng)的薄膜結(jié)構(gòu)，并在0.5-4mpa壓力范圍內(nèi)輸出氫氣，用于合成氨生產(chǎn)的氫氣需要7-23mpa的壓力，而大多數(shù)氣體存儲應(yīng)用的壓力范圍在35-70mpa，低壓氫氣儲存、運輸或應(yīng)用都需要昂貴的多級氣體壓縮，增加成本。

4.氨氣一般可由氮和氫直接合成而制得，工業(yè)上氨是以哈伯法通過n2和h2在高溫高壓和催化劑存在下直接化合而制成，該方法存在一些不可回避的問題，如效率較、能耗高、co2的排放量高等。并且在實際的生產(chǎn)過程中，通常需要將氫氣通過氫氣壓縮機通入到制氨系統(tǒng)中，存在操作不便的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

5.本發(fā)明的目的在于提供一種直耦式光伏高壓無膜式兩步法電解水制氫合成氨系統(tǒng)，通過將壓濾式無膜電解槽進行氫氣制備，并將制備得到的高壓氫氣直接通入到合成氨系統(tǒng)中，解決了現(xiàn)有需要將氫氣通過氫氣壓縮機加壓通入到制氨系統(tǒng)中的問題。

6.為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

7.本發(fā)明為一種直耦式光伏高壓無膜式兩步法電解水制氫合成氨系統(tǒng)，包括依次連通的光伏發(fā)電系統(tǒng)、電解水制氫系統(tǒng)、氫氣干燥系統(tǒng)、合成氨系統(tǒng)；所述電解水制氫系統(tǒng)包括電解槽、設(shè)置在電解槽內(nèi)的陽極電極和陰極電極，所述陽極電極和陰極電極均連接有電源；所述電解槽的頂部設(shè)置有出氣口，所述電解槽的底部設(shè)置有進出液口；所述電源電性為光伏電池板，所述出氣口連通氫氣干燥系統(tǒng)。

8.進一步地，所述陽極電極采用泡沫鎳負載ni(oh)2/niooh及摻雜鈷，所述陰極電極采用鎳板或堿性電解水電極；所述堿性電解水電極選自貴金屬材料、過渡金屬化合物；所述貴金屬材料包括鉑、鉑黑、及鉑黑與碳材料的復(fù)合材料；所述過渡金屬化合物包括金屬鎳、鉬、鎢的磷化物、氮化物、氧化物、碳化物以及磷氮化物；所述電解槽內(nèi)填充有電解液。

9.更進一步地，所述陽極電極采用泡沫鎳負載ni(oh)2/niooh及摻雜鈷；所述陰極電

極采用鎳板；所述電解液選用5mol/l的koh溶液。

10.更進一步地，所述合成氨系統(tǒng)的進氣端還連通有供氮裝置，所述合成氨系統(tǒng)的出氣端依次連通設(shè)置有氨液化系統(tǒng)、加儲氨系統(tǒng)；所述供氮裝置采用深冷空分制氮、變壓吸附制氮或膜分離制氮，所述供氮裝置和合成氨系統(tǒng)之間還連通有氮氣純化裝置。

11.所述電解水制氫系統(tǒng)、氫氣干燥系統(tǒng)、合成氨系統(tǒng)、供氮裝置、氨液化系統(tǒng)、加儲氨系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的尺寸進行模塊化組裝，只需將撬裝式加氫站運輸至公路附近的地坪，然后接入電源和水源，即可調(diào)試工作，有利于加氫站的集中生產(chǎn)和組配，保證統(tǒng)一的質(zhì)量；所述光伏電池板安裝在撬裝式的集裝箱頂部。

12.進一步地，所述電解槽內(nèi)的陽極電極和陰極電極沿電解槽的長度方向交替設(shè)置。

13.基于該的制備氨系統(tǒng)的氨氣制備方法包括：

14.stp1、氮氣和氫氣制備：通過電解水制氫系統(tǒng)制備氫氣，并通過氫氣干燥系統(tǒng)進行干燥后供入至合成氨系統(tǒng)；

15.通過供氮裝置利用各空氣的沸點不同使用液態(tài)空氣分離法，將氧氣和氮氣分離得到氮氣，并將所得氮氣經(jīng)氮氣純化裝置純化后供入至合成氨系統(tǒng)；

16.stp2、氨氣合成：氮氣和氫氣在合成氨系統(tǒng)反應(yīng)生成氨氣，生成的氨氣經(jīng)氨液化系統(tǒng)液化后，注入加儲氨系統(tǒng)。

17.所述stp1包括：

18.stp11、在白天有光照的時候，向電解槽內(nèi)通入溫度低于25℃的電解液，此時將電源分別與陽極電極和陰極電極接通，此時通過光伏電池板進行供電，此時陰極析氫，電解完成后進入stp12；

19.stp12、在晚上無光照時，向電解槽內(nèi)通入溫度95℃的熱水，此時光伏電池板無光照則無法發(fā)電供電，此時陽極析氧。

20.進一步地，還包括設(shè)置在電解槽內(nèi)的液位傳感器。

21.本發(fā)明具有以下有益效果：

22.本發(fā)明通過將壓濾式無膜電解槽進行氫氣制備，高壓運行，電解液可以強制循環(huán)，能夠減少電解液的中的含氣度，減少電解液的實際內(nèi)阻，從而減少電能消耗；并且制備得到的高壓氫氣直接通入到合成氨系統(tǒng)中，省略了價格昂貴且容易出現(xiàn)故障的氣體壓縮的需求；同時該電解水制氫系統(tǒng)在進行制氫制氧過程中完成的時間的錯開，避免制備所得的氫氣中包含少量氧氣，以及氧氣中包含少量氫氣，便于獲得純度更高的氧氣和氫氣，簡化了后續(xù)的純化流程。電解水制氫系統(tǒng)、氫氣干燥系統(tǒng)、合成氨系統(tǒng)、供氮裝置、氨液化系統(tǒng)、加儲氨系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的尺寸進行模塊化組裝，使用方面。當(dāng)然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達到以上所述的所有優(yōu)點。

附圖說明

23.為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

24.圖1為本發(fā)明電解水制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

25.圖2為本發(fā)明制備氨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

26.一種直耦式光伏高壓無膜式兩步法電解水制氫合成氨系統(tǒng)，包括依次連通的光伏發(fā)電系統(tǒng)、電解水制氫系統(tǒng)1、氫氣干燥系統(tǒng)2、合成氨系統(tǒng)3；合成氨系統(tǒng)3的進氣端還連通有供氮裝置7，合成氨系統(tǒng)3的出氣端依次連通設(shè)置有氨液化系統(tǒng)4、加儲氨系統(tǒng)5；供氮裝置7采用深冷空分制氮、變壓吸附制氮或膜分離制氮，供氮裝置7和合成氨系統(tǒng)3之間還連通有氮氣純化裝置70。

27.電解水制氫系統(tǒng)1包括電解槽10、設(shè)置在電解槽10內(nèi)的陽極電極11和陰極電極12，陽極電極11采用泡沫鎳負載ni(oh)2/niooh及摻雜鈷，陰極電極12采用鎳板；電解槽10內(nèi)填充有5mol/l的koh溶液，電解槽10內(nèi)的陽極電極11和陰極電極12沿電解槽10的長度方向交替設(shè)置，陽極電極11和陰極電極12均連接有電源13；電解槽10的頂部設(shè)置有出氣口101，電解槽10的底部設(shè)置有進出液口102；電源13為光伏電池板。

28.光伏電池板發(fā)電屬于可再生能源，由于可再生能源具有隨機性、間歇性和波動性的特性，易造成隔膜兩側(cè)的壓力失衡，加劇氫氧氣體滲透隔膜，特別是堿水電解；因此在本發(fā)明中采用無隔膜的電解水制氫系統(tǒng)1；

29.可再生能源發(fā)電是離網(wǎng)制氫將可再生能源例如光伏板發(fā)出的直流電直接與電解水裝置相連，不需要經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換并網(wǎng)傳輸，兩步法電解水制氫可以通過控制光伏板和電極數(shù)量，實現(xiàn)白天有太陽照射的時候制氫，夜晚通入熱水，發(fā)生陽極的析氧反應(yīng)。

30.同時制氫系統(tǒng)采用兩步法電解水制氫系統(tǒng)，兩步法實現(xiàn)了產(chǎn)氫產(chǎn)氧在空間是的分離和時間上的分布；產(chǎn)氫產(chǎn)氧是分開進行，制備的的氫氣很純凈，不需要經(jīng)過純化系統(tǒng)；中間不需要使用隔膜，系統(tǒng)可以承受高壓，高壓條件下，氫氣不需要加壓裝置，可以在直接通入到制氨系統(tǒng)中去；或高壓高純氧氣也可作為副產(chǎn)品直接入罐，省去增壓環(huán)節(jié)和價格昂貴的氫氣增壓泵。

31.基于該的制備氨系統(tǒng)的氨氣制備方法包括：

32.stp1、氮氣和氫氣制備：通過電解水制氫系統(tǒng)1制備氫氣，并通過氫氣干燥系統(tǒng)2進行干燥后供入至合成氨系統(tǒng)3；

33.通過供氮裝置7利用各空氣的沸點不同使用液態(tài)空氣分離法，將氧氣和氮氣分離得到氮氣，并將所得氮氣經(jīng)氮氣純化裝置70純化后供入至合成氨系統(tǒng)3；

34.stp2、氨氣合成：氮氣和氫氣在合成氨系統(tǒng)3反應(yīng)生成氨氣，生成的氨氣經(jīng)氨液化系統(tǒng)4液化后，注入加儲氨系統(tǒng)5。

35.stp1包括：

36.stp11、在白天有光照的時候，向電解槽10內(nèi)通入溫度為室溫左右的電解液，此時將電源13分別與陽極電極11和陰極電極12接通，此時通過光伏電池板進行供電，則此時陰極發(fā)生如下反應(yīng)：

37.4h2o+4e

–→

4oh

–

+2h2；

38.陽極發(fā)生的是ni(oh)2+oh

–→

niooh+h2o+e

–

39.電解液的溫度可為25℃；

40.電解完成后進入stp12；

41.stp12、在晚上無光照時，向電解槽10內(nèi)通入溫度高95℃的熱水，此時光伏電池板無光照則無法發(fā)電供電；

42.則此時陽極發(fā)生反應(yīng)為：

43.4niooh+2h2o

→

4ni(oh)2+o2；

44.還包括用于將冷水加熱至95℃的太陽能熱水器。

45.還包括設(shè)置在電解槽10內(nèi)的液位傳感器；通過液位傳感器的設(shè)置，實現(xiàn)根據(jù)白天消耗的水的量，晚上向電解槽10內(nèi)注入當(dāng)量的水，保持白天在電解初期時電解槽10內(nèi)電解液濃度相同。

46.通過上述，實現(xiàn)白天通過光伏發(fā)電制氫，晚上釋放出氧氣。

47.本發(fā)明裝置在使用時，方便在環(huán)境條件和供電條件不好的地區(qū)工作，通水通電通入氮氣就可以合成氨，避免大量中長距離的電能和氫氣的運輸。氨氣比氫氣更好壓縮成液體。解決了氫氣輸運成本高，難度大的問題。

48.電解水制氫系統(tǒng)1、氫氣干燥系統(tǒng)2、合成氨系統(tǒng)3、供氮裝置7、氨液化系統(tǒng)4、加儲氨系統(tǒng)5以標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的尺寸進行模塊化組裝，只需將撬裝式加氫站運輸至公路附近的地坪，然后接入電源和水源，即可調(diào)試工作，有利于加氫站的集中生產(chǎn)和組配，保證統(tǒng)一的質(zhì)量；安裝在光伏電池板安裝在撬裝式的集裝箱頂部。

49.同時本發(fā)明制備所得的氨可以用于用氨設(shè)備，包括氨能重卡，氨摻燒鍋爐等供氨設(shè)備。

50.在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“示例”、“具體示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

51.以上公開的本發(fā)明優(yōu)選實施例只是用于幫助闡述本發(fā)明。優(yōu)選實施例并沒有詳盡敘述所有的細節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實施方式。顯然，根據(jù)本說明書的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地理解和利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。技術(shù)特征：

1.一種直耦式光伏高壓無膜式兩步法電解水制氫合成氨系統(tǒng)，其特征在于：包括依次連通的光伏發(fā)電系統(tǒng)、電解水制氫系統(tǒng)(1)、氫氣干燥系統(tǒng)(2)、合成氨系統(tǒng)(3)；還包括自動化控制系統(tǒng)；所述電解水制氫系統(tǒng)(1)包括電解槽(10)、設(shè)置在電解槽(10)內(nèi)的陽極電極(11)和陰極電極(12)，所述陽極電極(11)和陰極電極(12)均連接有電源(13)，所述電源(13)為光伏電池板；所述電解槽(10)的頂部設(shè)置有出氣口(101)，所述電解槽(10)的底部設(shè)置有進出液口(102)；所述出氣口(101)連通氫氣干燥系統(tǒng)(2)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直耦式光伏高壓無膜式兩步法電解水制氫合成氨系統(tǒng)，其特征在于，所述陽極電極(11)采用泡沫鎳負載ni(oh)2/niooh及摻雜鈷，所述陰極電極(12)采用鎳板或堿性電解水電極；所述堿性電解水電極選自貴金屬材料、過渡金屬化合物；所述貴金屬材料包括鉑、鉑黑、及鉑黑與碳材料的復(fù)合材料；所述過渡金屬化合物包括金屬鎳、鉬、鎢的磷化物、氮化物、氧化物、碳化物以及磷氮化物；所述電解槽(10)內(nèi)填充有電解液。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種直耦式光伏高壓無膜式兩步法電解水制氫合成氨系統(tǒng)，其特征在于，所述陽極電極(11)采用泡沫鎳負載ni(oh)2/niooh及摻雜鈷；所述陰極電極(12)采用鎳板；所述電解液選用5mol/l的koh溶液。4.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項所述的一種直耦式光伏高壓無膜式兩步法電解水制氫合成氨系統(tǒng)，其特征在于，所述合成氨系統(tǒng)(3)的進氣端還連通有供氮裝置(7)，所述合成氨系統(tǒng)(3)的出氣端依次連通設(shè)置有氨液化系統(tǒng)(4)、加儲氨系統(tǒng)(5)。5.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種直耦式光伏高壓無膜式兩步法電解水制氫合成氨系統(tǒng)，其特征在于，所述電解水制氫系統(tǒng)(1)、氫氣干燥系統(tǒng)(2)、合成氨系統(tǒng)(3)、供氮裝置(7)、氨液化系統(tǒng)(4)、加儲氨系統(tǒng)(5)以標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的尺寸進行模塊化組裝。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種直耦式光伏高壓無膜式兩步法電解水制氫合成氨系統(tǒng)，其特征在于，所述供氮裝置(7)采用深冷空分制氮、變壓吸附制氮或膜分離制氮，所述供氮裝置(7)和合成氨系統(tǒng)(3)之間還連通有氮氣純化裝置(70)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種直耦式光伏高壓無膜式兩步法電解水制氫合成氨系統(tǒng)，其特征在于，所述電解槽(10)內(nèi)的陽極電極(11)和陰極電極(12)沿電解槽(10)的長度方向交替設(shè)置。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種直耦式光伏高壓無膜式兩步法電解水制氫合成氨系統(tǒng)，其特征在于，基于該的制備氨系統(tǒng)的氨氣制備方法包括：stp1、氮氣和氫氣制備：通過電解水制氫系統(tǒng)(1)制備氫氣，并通過氫氣干燥系統(tǒng)(2)進行干燥后供入至合成氨系統(tǒng)(3)；通過供氮裝置(7)利用各空氣的沸點不同使用液態(tài)空氣分離法，將氧氣和氮氣分離得到氮氣，并將所得氮氣經(jīng)氮氣純化裝置(70)純化后供入至合成氨系統(tǒng)(3)；stp2、氨氣合成：氮氣和氫氣在合成氨系統(tǒng)(3)反應(yīng)生成氨氣，生成的氨氣經(jīng)氨液化系

統(tǒng)(4)液化后，注入加儲氨系統(tǒng)(5)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直耦式光伏高壓無膜式兩步法電解水制氫合成氨系統(tǒng)，其特征在于，所述stp1包括：stp11、在白天有光照的時候，向電解槽(10)內(nèi)通入溫度低于25℃的電解液，此時將電源(13)分別與陽極電極(11)和陰極電極(12)接通，此時通過光伏電池板進行供電，此時陰極析氫，電解完成后進入stp12；stp12、在晚上無光照時，向電解槽(10)內(nèi)通入溫度95℃的熱水，此時光伏電池板無光照則無法發(fā)電供電，此時陽極析氧。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種直耦式光伏高壓無膜式兩步法電解水制氫合成氨系統(tǒng)，其特征在于，還包括設(shè)置在電解槽(10)內(nèi)的液位傳感器。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種直耦式光伏高壓無膜式兩步法電解水制氫合成氨系統(tǒng)，涉及氨加工制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括依次連通的光伏發(fā)電系統(tǒng)、電解水制氫系統(tǒng)、氫氣干燥系統(tǒng)、合成氨系統(tǒng)；光伏發(fā)電系統(tǒng)不需要逆變器直接和電解水系統(tǒng)相聯(lián)、電解水制氫系統(tǒng)包括電解槽、設(shè)置在電解槽內(nèi)的陽極電極和陰極電極。本發(fā)明通過將光伏板分布式的直接連接壓濾式電解槽進行兩步法氫氣制備，兩步法電解水制氫裝置采用無膜設(shè)計，能夠在超過15Mpa壓力下輸出氣體；制備的氫氣經(jīng)管路連接氫氣罐匯總；高壓氫氣罐輸送氫氣到撬裝式合成氨裝置中，解決了現(xiàn)有需要逆變器將光伏上網(wǎng)后集中電解水系統(tǒng)和間歇式電源不匹配和需要將氫氣通過昂貴的氫氣壓縮機通入到制氨系統(tǒng)中的問題。到制氨系統(tǒng)中的問題。到制氨系統(tǒng)中的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：項婷 丁軍

受保護的技術(shù)使用者：合肥氫聚科技有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2022.06.16

技術(shù)公布日：2022/10/17