[发明专利]一种低品位热能驱动的电极液自循环式制氢方法

说明书

一种低品位热能驱动的电极液自循环式制氢方法，属于新能源技术领域,以低品位热能为驱动力、借助工作溶液的浓度变化实现连续制氢。包括：首先利用低温多效蒸馏法将低品位热能转换为工作溶液的化学势能；再基于逆电渗析原理将该化学势能转换为电池堆两极间的电势差；然后在同一种电极液中的产氢和产氧电极上分别发生的还原反应或氧化反应，实现氢气和氧气的制取。失去部分化学势能的废液流出电池堆后被回收，进而在低品位热能驱动下实现再生。电极液在电池堆两端的产氢极液腔和产氧极液腔之间自循环。本发明低品位热能可得到连续、高效、稳定地转换利用；制氢系统不需要在高温高压下运行，机械运动部件少，产能配置灵活；采用单一种类电极液且为电解液闭式循环，仅补给去离子水便可长时间运行。

技术领域

本发明属于新能源技术领域，涉及一种以低品位热能为驱动力的、借助工作溶液的浓度变化而实现连续制氢的方法。

背景技术

氢能因能量密度高、燃烧产物环境友好、来源(水)储量丰富、可应用范围广泛等优势，而被认为是极具发展潜质的新能源。目前常见的制氢方法主要有电解水制氢、气化煤炭制氢、催化转化重油及天然气水蒸气制氢等，但这些方法所需要消耗的能量都要大于其产生的能量，而且有些方法还会增加碳排放、加剧空气污染。如果制氢方法得不到有效改进，氢能的广泛应用势必会受到阻碍。

自然界和工业生产中存在种类丰富、可供应量巨大的低品位热能(如太阳能、地热能、工业余热等)，如果能被高效转换利用，则对能源可持续发展具有重要意义。当前低品位热能转换利用技术主要有两类：其一是基于温位提升逆循环系统(如热泵)，将其转换为高温位的热量或冷量输出给用户；二是基于动力转换正循环系统(如有机朗肯循环系统)，将低品位热能转化为高品位的电能输出给用户。前者目前技术成熟度较高，但其应用要受时间(季节性需求)与空间(难以远距离传输)约束。后者是能源领域近年来受到热切关注的研究热点之一，但技术上目前仍有需深入探索的问题，例如热-功转换效率、初投资和维护费、关键部件国产能力等。

从制氢角度，即使将来上述基于动力转换正循环系统的热-电转换技术发展成熟，但直接用其所产生的高品位电能来电解水制氢仍存在一些不足，比如电极电位高、能量消耗量大、能量转换损失多等问题，而且通常要求驱动热源温度在150℃以上。如果能以低品位热能(可低至85℃)为驱动能源，并且跨过低品位热能发电过程，而直接借助工作溶液的电化学过程来实现连续制氢，则可以大大提升氢能的发展竞争力。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种以低品位热能为驱动力的、借助工作溶液的浓度变化而实现连续制氢的方法。其基本技术原理是，首先利用低温多效蒸馏法将低品位热能转换为工作溶液的化学势能，再基于逆电渗析原理将该化学势能转换为电池堆两端的电势差，然后分别通过产氢和产氧电极上发生的还原反应或氧化反应，分别实现氢气和氧气的制取。失去部分化学势能的废液流出电池堆后被回收，进而在低品位热能驱动下实现再生。而电极液在电池堆两端的产氢极液腔和产氧极液腔之间自循环。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种低品位热能驱动的电极液自循环式制氢方法，该方法以低品位热能为驱动力的、借助工作溶液的浓度变化实现连续制氢，整套制氢系统由三个子系统组成：包括热子系统，逆电渗析子系统和产氢子系统。制氢方法包括以下步骤：

第一步，通过热子系统将外界输入的低品位热能转换为工作溶液的浓差能