[发明专利]一种直耦式光伏高压无膜式两步法电解水制氢合成氨系统

说明书

本发明公开了一种直耦式光伏高压无膜式两步法电解水制氢合成氨系统，涉及氨加工制备技术领域。本发明包括依次连通的光伏发电系统、电解水制氢系统、氢气干燥系统、合成氨系统；光伏发电系统不需要逆变器直接和电解水系统相联、电解水制氢系统包括电解槽、设置在电解槽内的阳极电极和阴极电极。本发明通过将光伏板分布式的直接连接压滤式电解槽进行两步法氢气制备，两步法电解水制氢装置采用无膜设计，能够在超过15Mpa压力下输出气体；制备的氢气经管路连接氢气罐汇总；高压氢气罐输送氢气到撬装式合成氨装置中，解决了现有需要逆变器将光伏上网后集中电解水系统和间歇式电源不匹配和需要将氢气通过昂贵的氢气压缩机通入到制氨系统中的问题。

技术领域

本发明属于氨加工制备技术领域，特别是涉及一种直耦式光伏高压无膜式两步法电解水制氢合成氨系统。

背景技术

氨作为传统的化工原料，广泛用于制造氨水、氮肥(尿素、碳铵等)、复合肥料、硝酸、铵盐、纯碱等，应用于化工、轻工、化肥、制药、合成纤维等领域；现在随着双碳目标的提出，我国面临着能源转型的重任。迫切需要清洁无污染的能源来代替化石燃料。然而越来越多的研究表明，氢并不是最合适的能源载体，其本身的诸多缺点成为阻碍其大规模推广应用的障碍。这些缺点包括：传统方式制氢碳排放高而低碳或无碳方式制氢成本居高不下；氢气的难液化，高腐蚀性，高逃逸性等特性导致其储存或运输相当困难，对材料、技术与设备要求高，且浪费多、成本高；氢气易泄露且易爆，安全性很低。将氨能作为氢能的补充与发展，正成为现阶段氢能应用研究的热点之一。

现有的电解水制氢技术使用传统的薄膜结构，并在0.5-4MPa压力范围内输出氢气，用于合成氨生产的氢气需要7-23MPa的压力，而大多数气体存储应用的压力范围在35-70MPa，低压氢气储存、运输或应用都需要昂贵的多级气体压缩，增加成本。

氨气一般可由氮和氢直接合成而制得，工业上氨是以哈伯法通过N₂和H₂在高温高压和催化剂存在下直接化合而制成，该方法存在一些不可回避的问题，如效率较、能耗高、CO2的排放量高等。并且在实际的生产过程中，通常需要将氢气通过氢气压缩机通入到制氨系统中，存在操作不便的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直耦式光伏高压无膜式两步法电解水制氢合成氨系统，通过将压滤式无膜电解槽进行氢气制备，并将制备得到的高压氢气直接通入到合成氨系统中，解决了现有需要将氢气通过氢气压缩机加压通入到制氨系统中的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种直耦式光伏高压无膜式两步法电解水制氢合成氨系统，包括依次连通的光伏发电系统、电解水制氢系统、氢气干燥系统、合成氨系统；所述电解水制氢系统包括电解槽、设置在电解槽内的阳极电极和阴极电极，所述阳极电极和阴极电极均连接有电源；所述电解槽的顶部设置有出气口，所述电解槽的底部设置有进出液口；所述电源电性为光伏电池板，所述出气口连通氢气干燥系统。

进一步地，所述阳极电极采用泡沫镍负载Ni(OH)₂/NiOOH及掺杂钴，所述阴极电极采用镍板或碱性电解水电极；所述碱性电解水电极选自贵金属材料、过渡金属化合物；所述贵金属材料包括铂、铂黑、及铂黑与碳材料的复合材料；所述过渡金属化合物包括金属镍、钼、钨的磷化物、氮化物、氧化物、碳化物以及磷氮化物；所述电解槽内填充有电解液。

更进一步地，所述阳极电极采用泡沫镍负载Ni(OH)₂/NiOOH及掺杂钴；所述阴极电极采用镍板；所述电解液选用5mol/L的KOH溶液。

更进一步地，所述合成氨系统的进气端还连通有供氮装置，所述合成氨系统的出气端依次连通设置有氨液化系统、加储氨系统；所述供氮装置采用深冷空分制氮、变压吸附制氮或膜分离制氮，所述供氮装置和合成氨系统之间还连通有氮气纯化装置。