專利名稱：一種高溫水蒸汽電解制氫過(guò)程水蒸汽準(zhǔn)確控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高溫水蒸汽電解制氫領(lǐng)域，特別是涉及一種高溫水蒸汽電解 制氫過(guò)程水蒸汽準(zhǔn)確控制裝置及方法。
技術(shù)背景高溫水蒸汽電解制氫技術(shù)采用高溫固體氧化物電解池將高溫水蒸汽分解生成氫氣和氧氣，其理論制氫效率可以高達(dá)50%以上，是目前己知的效率最 高的制氫技術(shù)之一。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，被認(rèn)為是邁向未來(lái)氫能經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的里程 碑。高溫水蒸汽電解制氫過(guò)程中，進(jìn)氣組成為氫氣與水蒸汽的混合氣，以防止 固體氧化物電解池氫電極在高溫高濕環(huán)境下的氧化。進(jìn)氣的混合氣體中水蒸 汽含量要求進(jìn)行準(zhǔn)確控制這對(duì)固體氧化物電解池的穩(wěn)定運(yùn)行、防止氫電極的 氧化至關(guān)重要?，F(xiàn)有的水蒸汽控制方法多采用加濕器與濕度測(cè)量裝置相結(jié)合的方法。該水 蒸汽控制方法存在問(wèn)題如下首先加濕器的水蒸汽供給量有限，無(wú)法滿足大 氣體流量，高氣體濕度條件下對(duì)水蒸汽的需求，其次系統(tǒng)水蒸汽含量是通過(guò) 濕度值間接計(jì)算得出，而氣體濕度值是一個(gè)很難準(zhǔn)確測(cè)量的物理量，存在較 大的誤差，特別是在高濕度條件下，更不易于準(zhǔn)確測(cè)量。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出一種高溫水蒸汽電解制氫水蒸汽準(zhǔn)確控制裝置及方法，根據(jù)實(shí) 際的氫氣流量，通過(guò)調(diào)節(jié)液態(tài)水的流量，可連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)水蒸汽的含量，并 實(shí)現(xiàn)水蒸汽含量的準(zhǔn)確控制。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。本裝置包括有通過(guò)管道相互連通的計(jì)量泵l、蒸發(fā)器2、第一單向閥3、質(zhì)量流量計(jì)5、外表面設(shè) 置有外加熱套8的混合氣體緩沖器6和預(yù)加熱器9。其中，計(jì)量泵1的出水口與蒸發(fā)器2的進(jìn)口相連通，蒸發(fā)器2的出口通過(guò)單向閥3與混合氣體緩沖器 6的進(jìn)氣口相連通，混合氣體緩沖器6的另一個(gè)進(jìn)氣口與設(shè)置有質(zhì)量流量計(jì)5 的氫氣管道相連通；混合氣體緩沖器6的出氣口通過(guò)預(yù)加熱器9與爐體10內(nèi) 的單體電解池或電解池堆11相連通。所述的計(jì)量泵1為平流泵。 所述的預(yù)加熱器9的溫度范圍200 300°C 。還設(shè)置有與氫氣管道相并聯(lián)的氮?dú)夤艿?，二者通過(guò)第二單向閥13與混合 氣體緩沖器6的進(jìn)氣口相連通。在混合氣體緩沖器6內(nèi)及其進(jìn)氣口處均設(shè)置有溫度傳感器。一種高溫水蒸汽電解制氫過(guò)程水蒸汽準(zhǔn)確控制裝置的使用方法，其特征 在于，該方法是按如下步驟實(shí)現(xiàn)的-氫氣和汽化后的水蒸汽分別送入混和氣體緩沖器6，通過(guò)設(shè)置在混合氣體 緩沖器內(nèi)及其進(jìn)氣口處的溫度傳感器測(cè)得進(jìn)氣口的工作溫度為L(zhǎng) CC)，氫氣 與水蒸汽混合氣體緩沖器6內(nèi)的工作溫度為T(mén)2(°C)，通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)5測(cè)得 進(jìn)氣口氫氣體積流量為Ql h (ml/min);設(shè)混合氣體緩沖器內(nèi)氫氣體積流量為 Q2,H (ral/min)，進(jìn)氣口液態(tài)水體積流量為Q^(ml/min)，溫度為L(zhǎng)下液態(tài)水的 密度為P ,(kg/cm3)，混合氣體緩沖器6內(nèi)水蒸汽體積流量為Q2, w(ml/min)，混合氣體水蒸汽體積百分含量為根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV二nRT，可得進(jìn)氣口氫氣流量qlh與混合氣體緩 沖器6內(nèi)的氫氣體積流量Q2, h關(guān)系為Q2,h(T2+273. 15)/(T,+273.15) (1)根據(jù)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的摩爾體積(22.4L/mol)及理想氣體狀態(tài)方程PV =nRT，可得進(jìn)氣口液態(tài)水流量Qw與混合氣體緩沖器水蒸汽流量Qu，關(guān)系為Q2, w二(QwP 'X22400/18) X (T2+273. 15)/273. 15 (2)則混合氣體水蒸汽體積百分含量Yw為YW=Q2, W/(Q2, H+ Q2,》X100%二[(QuP 'X22400/18) X (L+273. 15)/273. 15]/[(QuP tX22400/18) X (T2 + 273. 15)/273. 15 + H(T2 + 273. 15)/(1\ + 273. 15) ] X 100 % (3) 由于T,、 T2、 P:均為已知條件，則根據(jù)進(jìn)氣口氫氣流量Qu與系統(tǒng)所需 的水蒸汽含量L，僅通過(guò)計(jì)量泵1調(diào)節(jié)液態(tài)水流量Qw，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)水蒸 汽含量的準(zhǔn)確控制。所述的混合氣體緩沖器6內(nèi)的工作溫度L為150 200°C。 根據(jù)系統(tǒng)的氫氣流量及系統(tǒng)所需的水蒸汽百分含量，由公式(3)計(jì)算出 所需液態(tài)水流量，然后通過(guò)平流泵1控制液態(tài)水流量，由于液態(tài)水流量可以 精確控制，從而可以準(zhǔn)確控制系統(tǒng)水蒸汽含量。具體過(guò)程為由平流泵1控制 的液態(tài)水在蒸發(fā)器2內(nèi)被汽化成為水蒸汽，水蒸汽經(jīng)由管路進(jìn)入混合氣體緩 沖器6與氫氣混合，蒸發(fā)器2出口與混合氣體緩沖器6入口之間管路均由管 路加熱帶7進(jìn)行加熱，以防止水蒸汽冷凝?；旌蠚怏w緩沖器6由外加熱套8 進(jìn)行加熱，溫度控制在150 200°C。氫氣通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)5控制其流量，經(jīng) 由第二單向閥13進(jìn)入混合氣體緩沖器6與水蒸汽混合。單向閥可防止水蒸汽 與氫氣在混合氣體緩沖器6外的氣路內(nèi)發(fā)生混合。水蒸汽與氫氣混合氣體經(jīng) 由預(yù)加熱器9進(jìn)入置于爐體10中間的單體電解池或電解池堆11內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。 混合氣體緩沖器6出口與預(yù)加熱器9之間管路均由管路加熱帶7進(jìn)行加熱， 預(yù)加熱器9工作溫度一般為200 300°C。本發(fā)明高溫水蒸汽電解制氫水蒸汽準(zhǔn)確控制裝置采用平流泵精確控制液 態(tài)水的供給，替代了原有系統(tǒng)的加濕器與濕度測(cè)量裝置，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)，而且使水蒸汽的控制和測(cè)量更為簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確。其次該裝置無(wú)需濕度測(cè)量 裝置，從而避免了濕度測(cè)量過(guò)程所引入的較大誤差。另外該水蒸汽準(zhǔn)確控制 裝置可使系統(tǒng)保持良好的穩(wěn)定性，使高溫水蒸汽電解過(guò)程運(yùn)行更為穩(wěn)定，從 而延長(zhǎng)固體氧化物電解池的使用壽命。


圖1為不同水蒸汽體積百分含量所對(duì)應(yīng)的液態(tài)水流量2為高溫水蒸汽電解制氫水蒸汽準(zhǔn)確控制裝置示意圖 圖中1、平流泵，2、蒸發(fā)器，3、第一單向闊，4、 二通閥，5、質(zhì)量流 量計(jì)，6、混合氣體緩沖器，7、管路加熱帶，8、外加熱套，9、預(yù)加熱器， 10、爐體，11、單體電解池或電解池堆、12、排水閥，13、第二單向閥。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖1、圖2對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖2所示，本裝置包括有通過(guò)管道相互連通的平流泵l、蒸發(fā)器2、第 一單向閥3、質(zhì)量流量計(jì)5、外表面設(shè)置有外加熱套8的混合氣體緩沖器6和 預(yù)加熱器9。其中，平流泵1的出水口與蒸發(fā)器2的進(jìn)口相連通，蒸發(fā)器2 的出口通過(guò)第一單向閥3與混合氣體緩沖器6的進(jìn)氣口相連通，混合氣體緩 沖器6的另一個(gè)進(jìn)氣口通過(guò)第二單向閥13與設(shè)置有質(zhì)量流量計(jì)5的氫氣管道 和氮?dú)夤艿老噙B通，混合氣體緩沖器6的出氣口通過(guò)預(yù)加熱器9與爐體10內(nèi) 的單體電解池或電解池堆11相連。在混合氣體緩沖器6內(nèi)及其進(jìn)氣口處均設(shè)置有溫度傳感器。蒸發(fā)器2出口與混合氣體緩沖器6入口之間的管路由管路加熱帶7進(jìn)行 加熱，以防止水蒸汽冷凝。在混合氣體緩沖器6出口與預(yù)加熱器9之間管路 也由管路加熱帶7進(jìn)行加熱。本裝置控制過(guò)程為首先根據(jù)高溫水蒸汽電解制氫過(guò)程的具體運(yùn)行情況 確定氫氣流量Qu，進(jìn)氣口工作溫度L，混合氣體緩沖器工作溫度T2，其溫度 測(cè)量均采用溫度傳感器，及系統(tǒng)所需的水蒸汽含量l。設(shè)混合緩沖器6進(jìn)氣口工作溫度為L(zhǎng)為室溫25°C，混合氣體緩沖器工作 溫度T2為15(TC， 25。C時(shí)水的密度為0.997g/cm3，當(dāng)進(jìn)氣口氫氣流量Q1, H為 100ral/min，欲控制系統(tǒng)水蒸汽含量為90% ，則需調(diào)節(jié)的液態(tài)水流量QL, W根據(jù) 公式(3)計(jì)算如下90%=[(QwX0. 997X22400/18) X (150 + 273. 15)/273. 15]/[(QuX0. 997X22400/18) X (150 + 273. 15)/273. 15 +100X (150 + 273. 15)/(25 + 273. 15)] X100% 得出Qu二 0. 665ml/min。即通過(guò)調(diào)節(jié)的液態(tài)水流量為0. 665ml/min，即可準(zhǔn)確控制系統(tǒng)水蒸汽含量 為90%。通過(guò)平流泵1控制所需的液態(tài)水流量，平流泵流量范圍一般為 0.001 10ml/min。液態(tài)水在蒸發(fā)器2內(nèi)汽化為水蒸汽，然后進(jìn)入混合氣體緩 沖器6內(nèi)與氫氣混合，混合氣體緩沖器6的工作溫度一般為150 20(TC。水 蒸汽與氫氣混合氣通過(guò)預(yù)加熱器9進(jìn)入置于爐體10中間的單體電解池或電解 池堆11內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，預(yù)加熱器9工作溫度一般為200 300°C。氫氣與氮?dú)饬?量通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)5控制，其中氮?dú)鈿饴返淖饔弥饕?1)稀釋系統(tǒng)中反 應(yīng)氣體，并可更加靈活的控制系統(tǒng)混合氣體的組成；(2)在停止反應(yīng)的過(guò)程 中，氮?dú)馄鸬酱祾呦到y(tǒng)水蒸汽及防止電解池在降溫過(guò)程被氧化的作用。也可通過(guò)圖1不同水蒸汽體積百分含量所對(duì)應(yīng)的液態(tài)水流量圖，查找出 相應(yīng)的液態(tài)水流量。但圖1僅給出了進(jìn)氣口工作溫度為25°C，混合氣體緩沖 器工作溫度為15(TC， 50 300ml/min氫氣流量下，系統(tǒng)不同水蒸汽含量，所 對(duì)應(yīng)的液態(tài)水需求量。通過(guò)公式(3)也可得到其它各種不同條件下，水蒸汽 體積百分含量所對(duì)應(yīng)的液態(tài)水流量圖，以方便在應(yīng)用過(guò)程中可直接查表使用。為簡(jiǎn)化處理過(guò)程，本發(fā)明在計(jì)算中采用理想氣體狀態(tài)方程。為進(jìn)一步提 高準(zhǔn)確度，也可采用實(shí)際氣體狀態(tài)方程，如范德華(van der Waals)氣體狀態(tài) 方程、彭-羅賓遜(Peng-Robinson)方程等。
權(quán)利要求
1、一種高溫水蒸汽電解制氫過(guò)程水蒸汽準(zhǔn)確控制裝置，包括有預(yù)加熱器(9)；其特征在于，還包括有通過(guò)管道相互連通的計(jì)量泵(1)、蒸發(fā)器(2)、第一單向閥(3)、質(zhì)量流量計(jì)(5)、外表面設(shè)置有外加熱套(8)的混合氣體緩沖器(6)；其中，計(jì)量泵(1)的出水口與蒸發(fā)器(2)的進(jìn)口相連通，蒸發(fā)器(2)的出口通過(guò)第一單向閥(3)與混合氣體緩沖器(6)的進(jìn)氣口相連通，混合氣體緩沖器(6)的另一個(gè)進(jìn)氣口與設(shè)置有質(zhì)量流量計(jì)(5)的氫氣管道相連通；混合氣體緩沖器(6)的出氣口通過(guò)預(yù)加熱器(9)與爐體(10)內(nèi)的單體電解池或電解池堆(11)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫水蒸汽電解制氫過(guò)程水蒸汽準(zhǔn)確控制裝置， 其特征在于所述的計(jì)量泵(1)為平流泵。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的一種高溫水蒸汽電解制氫過(guò)程水蒸汽 準(zhǔn)確控制裝置，其特征在于所述的預(yù)加熱器(9)的溫度范圍200 30(TC。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的一種高溫水蒸汽電解制氫過(guò)程水蒸汽 準(zhǔn)確控制裝置，其特征在于還設(shè)置有與氫氣管道相并聯(lián)的氮?dú)夤艿?，二?通過(guò)第二單向閥(13)與混合氣體緩沖器(6)的迸氣口相連通。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的一種高溫水蒸汽電解制氫過(guò)程水蒸汽 準(zhǔn)確控制裝置，其特征在于在混合氣體緩沖器(6)內(nèi)及其進(jìn)氣口處均設(shè)置 有溫度傳感器。
6、 權(quán)利要求1所述的一種高溫水蒸汽電解制氫過(guò)程水蒸汽準(zhǔn)確控制裝置的使用方法，其特征在于，該方法是按如下步驟實(shí)現(xiàn)的氫氣和汽化后的水蒸汽分別送入混和氣體緩沖器(6)，通過(guò)設(shè)置在混合 氣體緩沖器內(nèi)及其進(jìn)氣口處的溫度傳感器測(cè)得進(jìn)氣口的工作溫度為L(zhǎng) rc)， 氫氣與水蒸汽混合氣體緩沖器(6)內(nèi)的工作溫度為T(mén)2(。C)，通過(guò)質(zhì)量流量計(jì) (5)測(cè)得進(jìn)氣口氫氣體積流量為Qu (ml/min);設(shè)混合氣體緩沖器內(nèi)氫氣體 積流量為Q2. h (ml/min)，進(jìn)氣口液態(tài)水體積流量為QuOnl/min)，溫度為T(mén)\ 下液態(tài)水的密度為P, (kg/cm3)，混合氣體緩沖器(6)內(nèi)水蒸汽體積流量為Q2.w(ml/min)，混合氣體水蒸汽體積百分含量為Yw;根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，可得進(jìn)氣口氫氣流量Q,, h與混合氣體緩 沖器(6)內(nèi)的氫氣體積流量q2, h關(guān)系為Q2, h二Ql h(T2+273. 15)/(1\+273. 15) (1) 根據(jù)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的摩爾體積(22.4L/mol)及理想氣體狀態(tài)方程PV 二nRT，可得進(jìn)氣口液態(tài)水流量Qu與混合氣體緩沖器水蒸汽流量Qu，關(guān)系為 Q2, w二(Q口P22400/18) X (T2+273. 15)/273. 15 (2) 則混合氣體水蒸汽體積百分含量Yw為 YW=Q2, W/(Q2, H+ Q2, w) X100%二[(QuP A22400/18) x (T2+273. 15)/273. 15]/[(Q^ p )22400/18) X (T2 + 273. 15)/273. 15 + Ql h(T2 + 273. 15)/(L + 273. 15)] X 100 % (3) 由于L、 T2、 P,均為已知條件，則根據(jù)進(jìn)氣口氫氣流量Qi, h與系統(tǒng)所需 的水蒸汽含量Yw，僅通過(guò)調(diào)節(jié)液態(tài)水流量Qu，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)水蒸汽含量的 準(zhǔn)確控制。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高溫水蒸汽電解制氫過(guò)程水蒸汽準(zhǔn)確控制的方 法，其特征在于所述的混合氣體緩沖器(6)內(nèi)的工作溫度L為150 200 °C。
全文摘要
本發(fā)明屬于高溫水蒸汽電解制氫領(lǐng)域，特別是一種高溫水蒸汽電解制氫過(guò)程水蒸汽準(zhǔn)確控制裝置及方法。該方法根據(jù)高溫水蒸汽電解制氫過(guò)程中實(shí)際的氫氣流量，通過(guò)調(diào)節(jié)液態(tài)水的流量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)水蒸汽含量的連續(xù)調(diào)節(jié)和準(zhǔn)確控制。反應(yīng)裝置包括有平流泵、蒸發(fā)器、混合氣體緩沖器等。平流泵控制液態(tài)水流量，液態(tài)水在蒸發(fā)器內(nèi)汽化為水蒸汽，水蒸汽在混合氣體緩沖器內(nèi)與氫氣混合，混合氣體經(jīng)預(yù)加熱器進(jìn)入電解池發(fā)生電解反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。本發(fā)明簡(jiǎn)化了水蒸汽控制系統(tǒng)，避免了濕度測(cè)量過(guò)程所引入的誤差，使水蒸汽的控制和測(cè)量更為簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確。該裝置使高溫水蒸汽電解制氫系統(tǒng)保持了良好的穩(wěn)定性，使電解過(guò)程運(yùn)行更為穩(wěn)定，從而延長(zhǎng)固體氧化物電解池的使用壽命。
文檔編號(hào)C25B1/04GK101255561SQ20071017892
公開(kāi)日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者波 于, 劉明義, 徐景明, 靖 陳 申請(qǐng)人:清華大學(xué)