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  2、) C25B 1/04(2006.01) C25B 15/00(2006.01) C25B 15/08(2006.01) (54)发明名称 一种电解水制氢余热利用系统及其工作方 法 (57)摘要 本发明公开的一种电解水制氢余热利用系 统及其工作方法， 属于电解水制氢技术领域。 包 括电解水制氢系统、 膜蒸馏系统、 热用户供暖系 统和循环冷却系统； 将电解水制氢过程中产生的 余热， 作为膜蒸馏过程的热量来源， 用于制备电 解水制氢系统的补水， 节省了膜蒸馏过程中的加 热能耗。 相对于传统制水系统， 膜蒸馏系统制水 的能耗更低。 余热梯级利用方式， 用于加热膜蒸 馏原水后的循环水中仍然带有余热， 。

  3、可以用于热 用户如电解制氢车间或集装箱的冬季供暖， 保障 制氢系统所在空间的温度需求， 通过余热的梯级 利用， 提高了整个电解制氢系统的能量利用效 率。 该系统设计合理， 对电解水制氢的余热进行 了梯级综合利用， 提高了能量的转换效率， 具有 良好的应用前景。 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 CN 111336571 A 2020.06.26 CN 111336571 A 1.一种电解水制氢余热利用系统， 其特征在于， 包括电解水制氢系统(1)、 膜蒸馏系统 (2)、 热用户供暖系统(3)和循环冷却系统(4)； 电解水制氢系统(1)包括电解槽(11)、 电解液 换热器(12)、 气液分离。

  4、器(13)、 气体冷却器(14)、 水雾捕滴器(15)和补水系统(16)； 膜蒸馏 系统(2)包括膜蒸馏组件(21)、 原水辅热系统(22)、 原水换热系统(23)和产水换热系统 (24)； 电解槽(11)、 气液分离器(13)和电解液换热器(12)通过电解液循环管路连接， 构成电 解液循环回路； 气液分离器(13)的纯水进口与补水系统(16)纯水出口连接， 气液分离器 (13)气体出口与气体冷却器(14)气体进口连接， 气体冷却器(14)的气体出口与水雾捕滴器 (15)连接， 水雾捕滴器(15)连接有氢气和氧气排出管道； 气体冷却器(14)的循环水出口与 电解液换热器(12)的循环水入口连接。

  5、， 电解液换热器(12)的循环水出口与原水换热系统 (23)的循环水入口连接； 原水换热系统(23)的循环水出口与热用户供暖系统(3)连接， 原水换热系统(23)、 原水 辅热系统(22)和膜蒸馏组件(21)通过原水循环管路连接， 构成原水循环回路； 膜蒸馏组件 (21)和产水换热系统(24)间通过产水循环管路构成产水循环回路； 产水换热系统(24)的产 水出口与补水系统(16)的纯水进口连接， 产水换热系统(24)与循环冷却系统(4)通过循环 水管路连接， 构成循环水循环回路； 循环冷却系统(4)与气体冷却器(14)的循环水入口连 接， 热用户供暖系统(3)与循环冷却系统(4)连接， 用户供。

  6、暖系统(3)、 循环冷却系统(4)、 气 体冷却器(14)、 电解液换热器(12)和原水换热系统(23)之间构成循环水循环回路。 2.根据权利要求1所述的电解水制氢余热利用系统， 其特征在于， 电解槽(11)为碱性电 解槽或固体聚合物电解槽。 3.根据权利要求1所述的电解水制氢余热利用系统， 其特征在于， 电解液换热器(12)、 气体冷却器(14)、 原水换热系统(23)和产水换热系统(24)为间壁式换热器。 4.根据权利要求1所述的电解水制氢余热利用系统， 其特征在于， 原水辅热系统(22)为 电阻式加热器或间壁式换热器。 5.根据权利要求1所述的电解水制氢余热利用系统， 其特征在于， 热用。

  7、户供暖系统(3) 为暖气热交换器。 6.根据权利要求1所述的电解水制氢余热利用系统， 其特征在于， 电解液循环管路、 原 水循环管路和产水循环管路上均设有温度计和调节阀。 7.根据权利要求16任意一项所述电解水制氢余热利用系统的工作方法， 其特征在 于， 包括： 电解槽(11)中电解反应的产物经气液分离器(13)分离液体后进入气体冷却器(14)降 温， 再经水雾捕滴器(15)进一步去除水雾， 得到得氢气和氧气经氢气和氧气排出管道排出； 电解液中的水被逐渐消耗， 电解液逐渐升温； 循环冷却系统(4)中的循环水分为两路， 一路进入气体冷却器(14)对分离液体后的电 解反应产物降温后进入电解液换热器。

  8、(12)与电解液进行换热， 电解液温度减低后重新回到 电解槽(11)中参与电解反应； 循环水温度升高后进入原水换热系统(23)与原水换热后循环 水进入热用户供暖系统(3)供热后进入循环冷却系统(4)， 换热后的原水温度升高， 再经原 水辅热系统(22)进一步升温后进入膜蒸馏组件(21)； 膜蒸馏组件(21)中的蒸汽压力差， 驱 动原水侧的水以蒸汽形式透过膜进入产水侧， 降温后冷凝为液体， 得到高品质的产水， 经产 权利要求书 1/2 页 2 CN 111336571 A 2 水换热系统(24)降温后进入补水系统(16)补充电解反应消耗的水； 循环冷却系统(4)中的另一路循环水进入产水换热系统(。

  9、24)对产水降温后重新回到循 环冷却系统(4)。 8.根据权利要求7所述的电解水制氢余热利用系统的工作方法， 其特征在于， 电解槽 (11)内电解液的运行温度为80100， 经电解液换热器(12)降温后的电解液温度为60 70， 经原水换热系统(23)升温后的原水的温度为4080， 经产水换热系统(24)降温后 的产水的温度为520。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111336571 A 3 一种电解水制氢余热利用系统及其工作方法 技术领域 0001 本发明属于电解水制氢技术领域， 具体涉及一种电解水制氢余热利用系统及其工 作方法。 背景技术 0002 氢能是一种绿色、 高效的二次能源， 。

  10、在交通、 电力、 燃料等领域具有广阔的应用前 景。 随着风电、 光伏等可再生能源的大规模发展， 利用可再生能源电解水制氢为氢能提供了 绿色、 低碳、 低成本、 可持续的生产方式。 然而， 电解水制氢相对于煤气化制氢、 天然气重整 制氢等传统的化石原料制氢， 成本还相对较高， 主要是由于耗电量较大。 电解水制氢的过程 中， 电能除了通过电极的催化作用产生氢气、 氧气外， 由于电极、 电解液、 隔膜存在电阻， 电 流的热效应会使得电解液的温度逐渐升高， 而为了控制电解温度在一定的范围内(60-100 )， 通常需要对电解液进行循环冷却， 因此， 会导致一部分热能损失， 使得电能整体转换效 率下降。。

  11、 为了提高电解水制氢的电能转换效率， 当前技术发展的热点是改善电极的催化活 性， 以达到提高电-氢转化效率的目的， 但是受限于催化剂成本、 使用寿命、 工业放大等因 素， 一些高性能的催化剂尚难实现工业应用。 发明内容 0003 为了解决上述现有技术中存在的缺陷， 本发明的目的在于提供一种电解水制氢余 热利用系统及其工作方法， 系统设计合理， 对电解水制氢的余热进行了梯级综合利用， 提高 了能量的转换效率。 0004 本发明通过以下技术方案来实现： 0005 本发明公开了一种电解水制氢余热利用系统， 包括电解水制氢系统、 膜蒸馏系统、 热用户供暖系统和循环冷却系统； 电解水制氢系统包括电解槽、。

  12、 电解液换热器、 气液分离 器、 气体冷却器、 水雾捕滴器和补水系统； 膜蒸馏系统包括膜蒸馏组件、 原水辅热系统、 原水 换热系统和产水换热系统； 0006 电解槽、 气液分离器和电解液换热器通过电解液循环管路连接， 构成电解液循环 回路； 气液分离器的纯水进口与补水系统纯水出口连接， 气液分离器气体出口与气体冷却 器气体进口连接， 气体冷却器的气体出口与水雾捕滴器连接， 水雾捕滴器连接有氢气和氧 气排出管道； 气体冷却器的循环水出口与电解液换热器的循环水入口连接， 电解液换热器 的循环水出口与原水换热系统的循环水入口连接； 0007 原水换热系统的循环水出口与热用户供暖系统连接， 原水换热系。

  13、统、 原水辅热系 统和膜蒸馏组件通过原水循环管路连接， 构成原水循环回路； 膜蒸馏组件和产水换热系统 间通过产水循环管路构成产水循环回路； 产水换热系统的产水出口与补水系统的纯水进口 连接， 产水换热系统与循环冷却系统通过循环水管路连接， 构成循环水循环回路； 循环冷却 系统与气体冷却器的循环水入口连接， 热用户供暖系统与循环冷却系统连接， 用户供暖系 统、 循环冷却系统、 气体冷却器、 电解液换热器和原水换热系统之间构成循环水循环回路。 说明书 1/4 页 4 CN 111336571 A 4 0008 优选地， 电解槽为碱性电解槽或固体聚合物电解槽。 0009 优选地， 电解液换热器、 气。

  14、体冷却器、 原水换热系统和产水换热系统为间壁式换热 器。 0010 优选地， 原水辅热系统为电阻式加热器或间壁式换热器。 0011 优选地， 热用户供暖系统为暖气热交换器。 0012 优选地， 电解液循环管路、 原水循环管路和产水循环管路上均设有温度计和调节 阀。 0013 本发明公开了上述电解水制氢余热利用系统的工作方法， 包括： 0014 电解槽中电解反应的产物经气液分离器分离液体后进入气体冷却器降温， 再经水 雾捕滴器进一步去除水雾， 得到得氢气和氧气经氢气和氧气排出管道排出； 电解液中的水 被逐渐消耗， 电解液逐渐升温； 0015 循环冷却系统中的循环水分为两路， 一路进入气体冷却器对。

  15、分离液体后的电解反 应产物降温后进入电解液换热器与电解液进行换热， 电解液温度减低后重新回到电解槽中 参与电解反应； 循环水温度升高后进入原水换热系统与原水换热后循环水进入热用户供暖 系统供热后进入循环冷却系统， 换热后的原水温度升高， 再经原水辅热系统进一步升温后 进入膜蒸馏组件； 膜蒸馏组件中的蒸汽压力差， 驱动原水侧的水以蒸汽形式透过膜进入产 水侧， 降温后冷凝为液体， 得到高品质的产水， 经产水换热系统降温后进入补水系统补充电 解反应消耗的水； 0016 循环冷却系统中的另一路循环水进入产水换热系统对产水降温后重新回到循环 冷却系统。 0017 优选地， 电解槽内电解液的运行温度为80。

  16、100， 经电解液换热器降温后的电解 液温度为6070， 经原水换热系统升温后的原水的温度为4080， 经产水换热系统降 温后的产水的温度为520。 0018 与现有技术相比， 本发明具有以下有益的技术效果： 0019 本发明公开的一种电解水制氢余热利用系统， 结合电解水制氢系统、 膜蒸馏系统、 热用户供暖系统和循环冷却系统， 将电解水制氢过程中产生的余热， 作为膜蒸馏过程的热 量来源， 用于制备电解水制氢系统的补水， 节省了膜蒸馏过程中的加热能耗。 相对于采用传 统超滤、 反渗透等制水系统， 膜蒸馏系统制水的能耗更低。 采用余热梯级利用方式， 用于加 热膜蒸馏原水后的循环水中仍然带有余热， 。

  17、可以用于热用户如电解制氢车间或集装箱的冬 季供暖， 保障制氢系统所在空间的温度需求， 通过余热的梯级利用， 提高了整个电解制氢系 统的能量利用效率。 该系统设计合理， 对电解水制氢的余热进行了梯级综合利用， 提高了能 量的转换效率， 拥有非常良好的应用前景。 0020 进一步地， 电解槽采用碱性电解槽或固体聚合物电解槽， 均采用液态电解质， 电解 质运行温度相近， 对本系统的适用性好。 0021 进一步地， 电解液换热器、 气体冷却器、 原水换热系统和产水换热系统采用间壁式 换热器， 能够通过循环换热过程实现热量的回收和梯级利用。 0022 进一步地， 原水辅热系统采用电阻式加热器或间壁式换热器，。

  18、 能够实现对原水温 度进行调节， 控制产水量。 0023 进一步地， 电解液循环管路、 原水循环管路和产水循环管路上均设有温度计和调 说明书 2/4 页 5 CN 111336571 A 5 节阀， 能够实时监测各系统的温度， 并进行调节， 保障系统的正常运行。 0024 本发明公开的上述电解水制氢余热利用系统的工作方法， 能耗低、 节能效果显著， 梯级利用预热的方式提高了能量的综合利用率， 具有良好的经济收益， 环保优势明显， 具有 良好的应用前景。 0025 进一步地， 各装置中温度的设置， 有利用对电解反应余热进行高效的梯级综合利 用， 满足各级对热量的需求。 附图说明 0026 图1为。

  19、本发明的电解水制氢余热利用系统的整体结构示意图。 0027 图中： 1-电解水制氢系统， 11-电解槽， 12-电解液换热器， 13-气液分离器， 14-气体 冷却器， 15-水雾捕滴器， 16-补水系统， 2-膜蒸馏系统， 21-膜蒸馏组件， 22-原水辅热系统， 23-原水换热系统， 24-产水换热系统， 3-热用户供暖系统， 4-循环冷却系统。 具体实施方式 0028 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述， 其内容是对本发明的解 释而不是限定： 0029 如图1， 本发明的电解水制氢余热利用系统， 包括电解水制氢系统1、 膜蒸馏系统2、 热用户供暖系统3和循环冷却系统4； 电。

  20、解水制氢系统1包括电解槽11、 电解液换热器12、 气 液分离器13、 气体冷却器14、 水雾捕滴器15和补水系统16； 膜蒸馏系统2包括膜蒸馏组件21、 原水辅热系统22、 原水换热系统23和产水换热系统24； 0030 电解槽11、 气液分离器13和电解液换热器12通过电解液循环管路连接， 构成电解 液循环回路； 气液分离器13的纯水进口与补水系统16纯水出口连接， 气液分离器13气体出 口与气体冷却器14气体进口连接， 气体冷却器14的气体出口与水雾捕滴器15连接， 水雾捕 滴器15连接有氢气和氧气排出管道； 气体冷却器14的循环水出口与电解液换热器12的循环 水入口连接， 电解液换热器。

  21、12的循环水出口与原水换热系统23的循环水入口连接； 0031 原水换热系统23的循环水出口与热用户供暖系统3连接， 原水换热系统23、 原水辅 热系统22和膜蒸馏组件21通过原水循环管路连接， 构成原水循环回路； 膜蒸馏组件21和产 水换热系统24间通过产水循环管路构成产水循环回路； 产水换热系统24的产水出口与补水 系统16的纯水进口连接， 产水换热系统24与循环冷却系统4通过循环水管路连接， 构成循环 水循环回路； 循环冷却系统4与气体冷却器14的循环水入口连接， 热用户供暖系统3与循环 冷却系统4连接， 用户供暖系统3、 循环冷却系统4、 气体冷却器14、 电解液换热器12和原水换 热。

  22、系统23之间构成循环水循环回路。 0032 电解槽11优选采用碱性电解槽或固体聚合物电解槽。 0033 电解液换热器12、 气体冷却器14、 原水换热系统23和产水换热系统24优选采用间 壁式换热器。 0034 原水辅热系统22优选采用电阻式加热器或间壁式换热器。 0035 热用户供暖系统优选采用暖气热交换器。 0036 在电解液循环管路、 原水循环管路和产水循环管路上设置温度计和调节阀， 可以 实时监测各系统的运行健康状况， 配合自动控制系统， 能够实现自动化控制。 通常进行如下 说明书 3/4 页 6 CN 111336571 A 6 设置： 电解槽11内电解液的运行温度为80100， 经。

  23、电解液换热器12降温后的电解液温度 为6070， 经原水换热系统23升温后的原水的温度为4080， 经产水换热系统24降温 后的产水的温度为520。 0037 下面对本发明的解水制氢余热利用系统工作方法进行进一步的说明： 0038 电解水制氢系统1的电解槽11中发生电解反应产生氢气和氧气， 电解液中的水被 逐渐消耗， 同时电解槽11中的电解液温度升高至90； 循环冷却系统4的循环水分为两路， 第一路循环水首先进入电解水制氢系统1的气体冷却器14和电解液换热器12， 通过换热作 用， 电解液温度降低至60， 重新再回到电解槽11中； 由于换热作用， 循环水的温度上升， 接着 进入膜蒸馏系统2的原水。

  24、换热系统23， 通过换热作用， 原水温度上升， 再经原水辅热系统22， 使得原水的温度升高至60； 循环水从原水换热系统23出来后进入车间供暖系统， 通过换 热作用， 为车间提供热量。 循环冷却系统4的第二路循环水进入膜蒸馏系统2的产水换热系 统24， 通过换热作用， 使得产水温度降低至10； 膜蒸馏系统2中原水侧温度60， 产水侧温 度10， 由于膜蒸馏组件21两侧存在蒸汽压力差， 驱动原水侧的水以蒸汽形式透过膜进入 产水侧， 由于温度降低而在产水侧冷凝为液体， 原水中的盐份等杂质不能通过膜， 原水逐渐 较少， 产水逐渐增多； 膜蒸馏系统2获得品质较高的产水， 进入电解水制氢系统1的补水系统 16， 用于补充电解过程中消耗的水分。 0039 需要说明的是， 以上所述仅为本发明实施方式的一部分， 根据本发明所描述的系 统所做的等效变化， 均包括在本发明的保护范围内。 本发明所属技术领域的技术人员可以 对所描述的具体实例做类似的方式替代， 只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书 所定义的范围， 均属于本发明的保护范围。 说明书 4/4 页 7 CN 111336571 A 7 图1 说明书附图 1/1 页 8 CN 111336571 A 8 。