1.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：
2.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。
3.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。
4.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。
技术实现要素：
5.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。
6.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
7.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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.所述电解水制氢系统、氢气干燥系统、合成氨系统、供氮装置、氨液化系统、加储氨系统以标准集装箱的尺寸进行模块化组装，只需将撬装式
加氢站运输至公路附近的地坪，然后接入电源和水源，即可调试工作，有利于加氢站的集中生产和组配，保证统一的质量；所述光伏电池板安装在撬装式的集装箱顶部。
12.进一步地，所述电解槽内的阳极电极和阴极电极沿电解槽的长度方向交替设置。
13.基于该的制备氨系统的氨气制备方法包括：
14.stp1、氮气和氢气制备：通过电解水制氢系统制备氢气，并通过氢气干燥系统进行干燥后供入至合成氨系统；
15.通过供氮装置利用各空气的沸点不同使用液态空气分离法，将氧气和氮气分离得到氮气，并将所得氮气经氮气纯化装置纯化后供入至合成氨系统；
16.stp2、氨气合成：氮气和氢气在合成氨系统反应生成氨气，生成的氨气经氨液化系统液化后，注入加储氨系统。
17.所述stp1包括：
18.stp11、在白天有光照的时候，向电解槽内通入温度低于25℃的电解液，此时将电源分别与阳极电极和阴极电极接通，此时通过光伏电池板进行供电，此时阴极析氢，电解完成后进入stp12；
19.stp12、在晚上无光照时，向电解槽内通入温度95℃的热水，此时光伏电池板无光照则无法发电供电，此时阳极析氧。
20.进一步地，还包括设置在电解槽内的液位传感器。
21.本发明具有以下有益效果：
22.本发明通过将压滤式无膜电解槽进行氢气制备，高压运行，电解液可以强制循环，能够减少电解液的中的含气度，减少电解液的实际内阻，从而减少电能消耗；并且制备得到的高压氢气直接通入到合成氨系统中，省略了价格昂贵且容易出现故障的气体压缩的需求；同时该电解水制氢系统在进行制氢制氧过程中完成的时间的错开，避免制备所得的氢气中包含少量氧气，以及氧气中包含少量氢气，便于获得纯度更高的氧气和氢气，简化了后续的纯化流程。电解水制氢系统、氢气干燥系统、合成氨系统、供氮装置、氨液化系统、加储氨系统以标准集装箱的尺寸进行模块化组装，使用方面。当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明电解水制氢系统结构示意图；
25.图2为本发明制备氨系统结构示意图。
具体实施方式
26.一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1、氢气干燥系统2、合成氨系统3；合成氨系统3的进气端还连通有供氮装置7，合成氨系统3的出气端依次连通设置有氨液化系统4、加储氨系统5；供氮装置7采用深冷空分制氮、变压吸附制氮或膜分离制氮，供氮装置7和合成氨系统3之间还连通有氮气纯化装置70。
27.电解水制氢系统1包括电解槽10、设置在电解槽10内的阳极电极11和阴极电极12，阳极电极11采用泡沫镍负载ni(oh)2/niooh及掺杂钴，阴极电极12采用镍板；电解槽10内填充有5mol/l的koh溶液，电解槽10内的阳极电极11和阴极电极12沿电解槽10的长度方向交替设置，阳极电极11和阴极电极12均连接有电源13；电解槽10的顶部设置有出气口101，电解槽10的底部设置有进出液口102；电源13为光伏电池板。
28.光伏电池板发电属于可再生能源，由于可再生能源具有随机性、间歇性和波动性的特性，易造成隔膜两侧的压力失衡，加剧氢氧气体渗透隔膜，特别是碱水电解；因此在本发明中采用无隔膜的电解水制氢系统1；
29.可再生能源发电是离网制氢将可再生能源例如光伏板发出的直流电直接与电解水装置相连，不需要经过逆变器转换并网传输，两步法电解水制氢可以通过控制光伏板和电极数量，实现白天有太阳照射的时候制氢，夜晚通入热水，发生阳极的析氧反应。
30.同时制氢系统采用两步法电解水制氢系统，两步法实现了产氢产氧在空间是的分离和时间上的分布；产氢产氧是分开进行，制备的的氢气很纯净，不需要经过纯化系统；中间不需要使用隔膜，系统可以承受高压，高压条件下，氢气不需要加压装置，可以在直接通入到制氨系统中去；或高压高纯氧气也可作为副产品直接入罐，省去增压环节和价格昂贵的氢气增压泵。
31.基于该的制备氨系统的氨气制备方法包括：
32.stp1、氮气和氢气制备：通过电解水制氢系统1制备氢气，并通过氢气干燥系统2进行干燥后供入至合成氨系统3；
33.通过供氮装置7利用各空气的沸点不同使用液态空气分离法，将氧气和氮气分离得到氮气，并将所得氮气经氮气纯化装置70纯化后供入至合成氨系统3；
34.stp2、氨气合成：氮气和氢气在合成氨系统3反应生成氨气，生成的氨气经氨液化系统4液化后，注入加储氨系统5。
35.stp1包括：
36.stp11、在白天有光照的时候，向电解槽10内通入温度为室温左右的电解液，此时将电源13分别与阳极电极11和阴极电极12接通，此时通过光伏电池板进行供电，则此时阴极发生如下反应：
37.4h2o+4e
–→
4oh
–
+2h2；
38.阳极发生的是ni(oh)2+oh
–→
niooh+h2o+e
–
39.电解液的温度可为25℃；
40.电解完成后进入stp12；
41.stp12、在晚上无光照时，向电解槽10内通入温度高95℃的热水，此时光伏电池板无光照则无法发电供电；
42.则此时阳极发生反应为：
43.4niooh+2h2o
→
4ni(oh)2+o2；
44.还包括用于将冷水加热至95℃的太阳能热水器。
45.还包括设置在电解槽10内的液位传感器；通过液位传感器的设置，实现根据白天消耗的水的量，晚上向电解槽10内注入当量的水，保持白天在电解初期时电解槽10内电解液浓度相同。
46.通过上述，实现白天通过光伏发电制氢，晚上释放出氧气。
47.本发明装置在使用时，方便在环境条件和供电条件不好的地区工作，通水通电通入氮气就可以合成氨，避免大量中长距离的电能和氢气的运输。氨气比氢气更好压缩成液体。解决了氢气输运成本高，难度大的问题。
48.电解水制氢系统1、氢气干燥系统2、合成氨系统3、供氮装置7、氨液化系统4、加储氨系统5以标准集装箱的尺寸进行模块化组装，只需将撬装式加氢站运输至公路附近的地坪，然后接入电源和水源，即可调试工作，有利于加氢站的集中生产和组配，保证统一的质量；安装在光伏电池板安装在撬装式的集装箱顶部。
49.同时本发明制备所得的氨可以用于用氨设备，包括氨能重卡，氨掺烧锅炉等供氨设备。
50.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
51.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。技术特征：
1.一种直耦式光伏高压无膜式两步法电解水制氢合成氨系统，其特征在于：包括依次连通的光伏发电系统、电解水制氢系统(1)、氢气干燥系统(2)、合成氨系统(3)；还包括自动化控制系统；所述电解水制氢系统(1)包括电解槽(10)、设置在电解槽(10)内的阳极电极(11)和阴极电极(12)，所述阳极电极(11)和阴极电极(12)均连接有电源(13)，所述电源(13)为光伏电池板；所述电解槽(10)的顶部设置有出气口(101)，所述电解槽(10)的底部设置有进出液口(102)；所述出气口(101)连通氢气干燥系统(2)。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述阳极电极(11)采用泡沫镍负载ni(oh)2/niooh及掺杂钴，所述阴极电极(12)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(10)内填充有电解液。3.根据权利要求2所述的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，其特征在于，所述阳极电极(11)采用泡沫镍负载ni(oh)2/niooh及掺杂钴；所述阴极电极(12)采用镍板；所述电解液选用5mol/l的koh溶液。4.根据权利要求1-4任意一项所述的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，其特征在于，所述合成氨系统(3)的进气端还连通有供氮装置(7)，所述合成氨系统(3)的出气端依次连通设置有氨液化系统(4)、加储氨系统(5)。5.根据权利要求5所述的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，其特征在于，所述电解水制氢系统(1)、氢气干燥系统(2)、合成氨系统(3)、供氮装置(7)、氨液化系统(4)、加储氨系统(5)以标准集装箱的尺寸进行模块化组装。6.根据权利要求5所述的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，其特征在于，所述供氮装置(7)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(7)和合成氨系统(3)之间还连通有氮气纯化装置(70)。7.根据权利要求6所述的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，其特征在于，所述电解槽(10)内的阳极电极(11)和阴极电极(12)沿电解槽(10)的长度方向交替设置。8.根据权利要求7所述的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，其特征在于，基于该的制备氨系统的氨气制备方法包括：stp1、氮气和氢气制备：通过电解水制氢系统(1)制备氢气，并通过氢气干燥系统(2)进行干燥后供入至合成氨系统(3)；通过供氮装置(7)利用各空气的沸点不同使用液态空气分离法，将氧气和氮气分离得到氮气，并将所得氮气经氮气纯化装置(70)纯化后供入至合成氨系统(3)；stp2、氨气合成：氮气和氢气在合成氨系统(3)反应生成氨气，生成的氨气经氨液化系
统(4)液化后，注入加储氨系统(5)。9.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述stp1包括：stp11、在白天有光照的时候，向电解槽(10)内通入温度低于25℃的电解液，此时将电源(13)分别与阳极电极(11)和阴极电极(12)接通，此时通过光伏电池板进行供电，此时阴极析氢，电解完成后进入stp12；stp12、在晚上无光照时，向电解槽(10)内通入温度95℃的热水，此时光伏电池板无光照则无法发电供电，此时阳极析氧。10.根据权利要求9所述的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，其特征在于，还包括设置在电解槽(10)内的液位传感器。
技术总结
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。到制氨系统中的问题。到制氨系统中的问题。
技术研发人员：项婷 丁军
受保护的技术使用者：合肥氢聚科技有限公司
技术研发日：2022.06.16
技术公布日：2022/10/17
声明：
“直耦式光伏高压无膜式两步法电解水制氢合成氨系统的制作方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：合肥氢聚科技有限公司
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2024年08月08日 ~ 10日 
