申请日2018.04.10
公开(公告)日2018.08.10
IPC分类号C25B1/02; C25B15/08; C25B9/00; H01M8/0606; C02F1/461; C02F101/16
摘要
本发明公开了一种氨电解用于废水处理和燃料电池汽车供氢的系统及方法，该系统包括电解液补充系统、电解制氢系统、氢气纯化系统和燃料电池汽车系统;电解液补充系统的电解液出口连接电解制氢系统的电解液入口，电解制氢系统的阴极氢气出口连接氢气纯化系统的氢气入口，氢气纯化系统的氢气出口连接燃料电池汽车系统的氢气入口;本发明通过电解法同时实现废水中氨的氧化降解和高纯氢气的生产，并将获得的高纯氢气用于燃料电池汽车系统，具有较高的环保意义和综合效益。本发明能够降低电解制氢的能耗，且采用废水中的氨氮作为原料，进一步降低了成本;通过电解法去除废水中的氨，反应条件温和、处理效果好;实现了废水处理和高效电解制氢的耦合。
权利要求书
1.一种氨电解用于废水处理和燃料电池汽车供氢的系统，其特征在于：包括电解液补充系统、电解制氢系统、氢气纯化系统(C)和燃料电池汽车系统(D);所述电解液补充系统的电解液出口连接电解制氢系统的电解液入口，电解制氢系统的阴极氢气出口连接氢气纯化系统(C)的氢气入口，氢气纯化系统C)的氢气出口连接燃料电池汽车系统(D)的氢气入口;
所述电解液补充系统包括预处理装置(A1)、废水储罐(A2)及相应流量调节阀和连接管道;氨氮废水管道连接预处理装置(A1)的废水入口，预处理装置(A1)的废水出口连接废水储罐(A2)的废水入口，废水储罐(A2)的废水出口管道连接电解液补充系统的废水出口;废水储罐(A2)设有KOH加料口和搅拌装置;废水储罐(A2)的废水出口与电解制氢系统的阳极补充液入口间设有流量调节阀;
所述电解制氢系统包括电解池(B1)、第一气水分离器(B2)、第二气水分离器(B3)以及水箱、控制柜、循环泵辅助设备;电解制氢系统的阳极补充液入口连接电解池(B1)的阳极入口，电解池(B1)的阳极产物出口连接第一气水分离器(B2)的入口，第一气水分离器(B2)的气体出口连接N2收集装置;第一气水分离器(B2)的液体出口连接回用水收集装置;第一气水分离器(B2)的液体出口连接电解池(B1)的阳极入口;新鲜水经过水箱补充到电解池(B1)的阴极入口，电解池(B1)的阴极出口连接第二气水分离器(B3)的入口，第二气水分离器(B3)的液体出口连接水箱的入口，第二气水分离器(B3)的气体出口连接电解制氢系统的阴极氢气出口;
所述氢气纯化系统(C)包括氢气纯化装置和氢气压缩装置;
所述燃料电池汽车系统(D)包括相连接的车载储氢装置、燃料电池电堆及辅助单元;车载储氢装置采用高压气态储氢或固态储氢。
2.权利要求1所述的一种氨电解用于废水处理和燃料电池汽车供氢的系统进行废水处理和燃料电池汽车供氢的方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1：氨氮废水经电解液补充系统进行预处理，与KOH一起配成电解液进入电解制氢系统;
步骤2：在电解制氢系统中发生氨电解反应，在电解池(B1)的阴极获得氢气，在电解池(B1)的阳极获得电解处理后的水和氮气;
步骤3：将步骤2获得的氢气在氢气纯化系统(C)进行纯化和加压处理;
步骤4：将氢气纯化系统(C)出口的经过纯化和加压处理的氢气加注到燃料电池汽车系统(D)的车载储氢装置中，发动燃料电池汽车运行。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤1中，氨氮废水来源于化工废水、医药废水或市政污水。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤1中，氨氮废水经电解液补充系统进行预处理包括在预处理装置(A1)中进行预沉淀、絮凝、过滤的一种或几种。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤1中，电解液为碱性电解液，包含0.2-2mol/L的KOH以及0.01-2mol/L的氨氮，根据氨浓度的需要调整氨氮废水的稀释比。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2中，电解池(B1)为常规碱性电解池，电极催化剂材料为Pt、Ru、Rh、Ir、Ni、Co、Fe、Zn、Ti和Ta金属中的一种或多种的合金。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2中，电解池(B1)的电源是风电、光伏类可再生能源发电。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2中，电解反应在常温下发生。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤3中，进行纯化和加压处理后氢气的纯度达到99.999%以上，氢气的压力根据燃料电池汽车系统(D)的要求进行调节。
10.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤4中，燃料电池汽车的车载储氢装置是高压气态储氢方式或固体储氢方式。
说明书
氨电解用于废水处理和燃料电池汽车供氢的系统及方法
技术领域
本发明涉及制氢和环保技术领域，特别涉及一种氨电解用于废水处理和燃料电池汽车供氢的系统及方法。
背景技术
含氮污染物是一种重要的水体污染物，会引起水体的富营养化，导致水华、赤潮等有害现象;造成水体缺氧和水质恶化，使水生物质大批死亡，威胁人类健康。氨氮是水体中含氮污染物的主要成分，化工、医药等行业的废水和市政生活污水中都可能含有氨氮。氨氮难以通过常规的污水处理方法难以去除，且氨氮的存在导致水体可生化性较差，影响了污水的生物法深度处理效果。因此，需要开发新的工艺对水中氨氮进行有效去除。
电化学法是一种新型的水处理方法，对多种水体污染物都有去除效果，具有反应条件温和、适应范围广、操作方便、灵活可控的优点。对于水体中的氨氮污染物，通过外加电源和电催化阳极，可发生如下阳极氧化反应：
2NH3+6OH-→N2+6H2O+6e-E°=-0.77V vs SHE
从而将氨氮转化为惰性的氮气，达到污染物去除的效果。与此同时，在电解池的阴极可发生如下还原反应：
6H2O+6e-→3H2+6OH-E°=-0.83V vs SHE
由标准电极电势判断，该反应仅需要0.06V的理论电压，远低于电解水制氢的理论电压(1.23V)。因此，通过电化学法电解氨，既可以达到去除水中氨氮的目的，又能够产生高纯氢气，降低电解制氢的能耗，是一种很有竞争力的新型技术。据了解，目前尚未出现氨电解用于废水处理和氢气供应的相关报道。制得的氢气可以作为燃料电池汽车的燃料，促进氢能经济的发展。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种氨电解用于废水处理和燃料电池汽车供氢的系统及方法，所要解决的技术问题是：通过电解法同时实现废水中氨的氧化降解和高纯氢气的生产，并将获得的高纯氢气用于燃料电池汽车系统;本发明能够降低电解制氢的能耗，促进清洁氢气的生产及下游燃料电池汽车产业的发展，同时达到处理废水和保护环境的目的。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种氨电解用于废水处理和燃料电池汽车供氢的系统，其特征在于：包括电解液补充系统、电解制氢系统、氢气纯化系统C和燃料电池汽车系统D;所述电解液补充系统A的电解液出口连接电解制氢系统的电解液入口，电解制氢系统的阴极氢气出口连接氢气纯化系统C的氢气入口，氢气纯化系统C的氢气出口连接燃料电池汽车系统D的氢气入口;
所述电解液补充系统包括预处理装置A1、废水储罐A2及相应流量调节阀和连接管道;氨氮废水管道连接预处理装置A1的废水入口，预处理装置A1的废水出口连接废水储罐A2的废水入口，废水储罐A2的废水出口管道连接电解液补充系统的废水出口;废水储罐A2设有KOH加料口和搅拌装置;废水储罐A2的废水出口与电解制氢系统的阳极补充液入口间设有流量调节阀。
所述电解制氢系统包括电解池B1、第一气水分离器B2、第二气水分离器B3以及水箱、控制柜、循环泵辅助设备;电解制氢系统的阳极补充液入口连接电解池B1的阳极入口，电解池B1的阳极产物出口连接第一气水分离器B2的入口，第一气水分离器B2的气体出口连接N2收集装置;第一气水分离器B2的液体出口连接回用水收集装置;第一气水分离器B2的液体出口连接电解池B1的阳极入口;新鲜水经过水箱补充到电解池B1的阴极入口，电解池B1的阴极出口连接第二气水分离器B3的入口，第二气水分离器B3的液体出口连接水箱的入口，第二气水分离器B3的气体出口连接电解制氢系统的阴极氢气出口。
所述氢气纯化系统C包括氢气纯化装置和氢气压缩装置。
所述燃料电池汽车系统D包括包括相连接的车载储氢装置、燃料电池电堆及辅助单元;车载储氢装置采用高压气态储氢或固态储氢。
所述的一种氨电解用于废水处理和燃料电池汽车供氢的系统进行废水处理和燃料电池汽车供氢的方法，具体步骤如下：
步骤1：氨氮废水经电解液补充系统进行预处理，与KOH一起配成电解液进入电解制氢系统;
步骤2：在电解制氢系统中发生氨电解反应，在电解池B1的阴极获得氢气，在电解池B1的阳极获得电解处理后的水和氮气;
步骤3：将步骤2获得的氢气在氢气纯化系统C进行纯化和加压处理;
步骤4：将氢气纯化系统C出口的经过纯化和加压处理的氢气加注到燃料电池汽车系统D的车载储氢装置中，发动燃料电池汽车运行。
所述步骤1中，氨氮废水来源于化工废水、医药废水或市政污水。
所述步骤1中，氨氮废水经电解液补充系统进行预处理包括在预处理装置A1中进行预沉淀、絮凝、过滤的一种或几种;
所述步骤1中，电解液为碱性电解液，包含0.2-2mol/L的KOH以及0.01-2mol/L的氨氮，根据氨浓度的需要调整氨氮废水的稀释比。
所述步骤2中，电解池B1为常规碱性电解池，电极催化剂材料为Pt、Ru、Rh、Ir、Ni、Co、Fe、Zn、Ti和Ta金属中的一种或多种的合金;
所述步骤2中，电解池B1的电源是风电、光伏类可再生能源发电;
所述步骤2中，电解反应在常温下发生;
所述步骤3中，进行纯化和加压处理后氢气的纯度达到99.999%以上，氢气的压力根据燃料电池汽车系统D的要求进行调节;
所述步骤4中，燃料电池汽车的车载储氢装置是高压气态储氢方式或固体储氢方式。
和现有技术相比较，本发明具有如下特点：
(1)本发明实现了氨氮废水处理和高效电解制氢的耦合，具有较高的环保意义和综合效益;
(2)废水氨电解相比于常规的电解水制氢可节省30-60%的能耗，且采用废水中的氨氮作为原料，进一步降低了电解制氢的成本，有利于绿色无害的电解制氢方式的推广;
(3)通过电解法去除废水中的氨，反应条件温和、处理效果好，可有效避免环境污染;
(4)将电解制得的氢气用于燃料电池汽车，促进了绿色交通方式的发展。
