[发明专利]一种低品位热能驱动的电极液各独立式制氢方法

权利要求书

1.一种低品位热能驱动的电极液各独立式制氢方法，其特征在于，所述的制氢方法基于制氢系统实现，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，其中，制氢系统包括热子系统，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

所述的热子系统包括发生器(1)、冷凝器(2)、浓溶液储罐(3)、稀溶液储罐(4)、废液储罐(5)、溶液切换阀(6)、浓溶液泵(7)、稀溶液泵(8)、废液泵(9)以及溶液流通管道；所述废液储罐(5)入口与逆电渗析子系统的溶液排出口连接，出口与发生器(1)溶液入口连接，溶液流动的驱动力通过废液泵(9)提供；所述冷凝器(2)入口与发生器(1)的顶部蒸气出口相连，出口与稀溶液储罐(4)相连；流入发生器(1)的废液在发生器(1)中被低品位热流股加热后，部分溶剂蒸发而出，并且有极少量溶质随气化的溶剂一起从发生器(1)顶部蒸气出口逸出，进入冷凝器(2)；而在发生器(1)中，从废液储罐(5)中导入的废液因部分溶剂蒸发而被再生成浓溶液，浓溶液从发生器(1)底部溶液出口流出，在管道中沿程散热，而后流进浓溶液储罐(3)中；在浓溶液储罐(3)中浓溶液和在稀溶液储罐(4)中的稀溶液，分别被浓溶液泵(7)、稀溶液泵(8)泵入逆电渗析子系统中；所述的稀溶液储罐(4)和浓溶液储罐(3)之间还设有溶液切换阀(6)；

第二步，通过逆电渗析子系统将工作溶液的浓差能转换为电池堆阴、阳两极间的电势差

所述逆电渗析子系统主要由逆电渗析电池堆、电极液泵、负载及其各类电性连接组件构成；所述的逆电渗析电池堆为核心部件，包括阳离子交换膜(10)、阴离子交换膜(11)、产氢电极(12)、产氧电极(13)、两端的端板(14)，逆电渗析电池堆的工作溶液入口与热子系统中的浓溶液储罐(3)及稀溶液储罐(4)的出口相连，逆电渗析电池堆的工作溶液出口与热子系统中的废液储罐(5)的入口相连；所述阳离子交换膜(10)与阴离子交换膜(11)在逆电渗析电池堆中交替布置，分别只允许工作溶液中的阳离子和阴离子通过，且阴、阳离子交换膜数量相同，阴阳离子交换膜之间构成交替布置的浓溶液流道S1、稀溶液流道S2，将浓溶液储罐(3)中的浓溶液泵入浓溶液流道S1，将稀溶液储罐(4)中的稀溶液泵入稀溶液流道S2，任意两个相邻流道之间均存在浓度梯度；浓溶液流道S1中的阳离子通过阳离子交换膜(10)向相邻稀溶液流道S2迁移，同时，阴离子通过阴离子交换膜向反方向上的临近的稀溶液流道S2迁移，如此累加，最终在逆电渗析电池堆的内部形成离子流、两端之间形成电势差；而后，失去部分离子的浓溶液与得到部分离子的稀溶液分别从逆电渗析电池堆的底端出口流出，进入废液储罐(5)中；

所述的逆电渗析电池堆中阳离子运动方向上的最外侧的阴离子交换膜与产氢电极(12)和一侧端板(14)之间形成产氢极液腔S3；产氢极液腔S3与酸性极液储罐(16)互相连通，呈酸性的产氢电极液在产氢极液腔S3与酸性极液储罐(16)之间循环流动；与产氢极液腔S3相邻的是稀溶液流道S2,酸性极液储罐(16)内阴、阳离子动态平衡；相对应地，阴离子运动方向上的最外侧的阳离子交换膜与产氧电极(13)和另一侧端板(14)之间形成产氧极液腔S4；产氧极液腔S4与碱性极液储罐(20)互相连通，呈碱性的产氧电极液在泵的驱动下，在产氧极液腔S4与碱性极液储罐(20)之间循环流动；与产氧极液腔S4相邻的是稀溶液流道S2，碱性极液储罐(20)内阴、阳离子动态平衡；产氢电极液与产氧电极液各自独立运行，被逐渐消耗后，需要分别再向酸性极液储罐(16)和与碱性极液储罐(20)中加液补充；

所述的产氢电极液包括盐酸、次氯酸、硫酸、硝酸、亚硝酸、甲酸、乙酸、草酸、碳酸、氢氟酸、硫酸氢钠水溶液，产氢电极液浓度范围从0.005mol/L至其饱和液；所述的产氧电极液包括氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液、氢氧化锂水溶液、氢氧化铷水溶液、氢氧化铯水溶液、碳酸钠水溶液、碳酸氢钠水溶液、氢氧化钙水溶液，产氧电极液浓度范围从0.005mol/L至其饱和液；

第三步，通过产氢子系统利用逆电渗析子系统电池堆两端的电势差来生产氢气和氧气

所述的产氢子系统包括酸性极液储罐(16)、酸性极液循环泵(17)、氢气分离器(18)、氢气储罐(19)、碱性极液储罐(20)、碱性极液循环泵(21)、氧气分离器(22)、氧气储罐(23)及管路；

所述的酸性极液储罐(16)的出液口与产氢极液腔S3的电极液入口相连，其进液口与产氢极液腔S3的电极液出口相连，酸性极液循环泵(17)将酸性极液储罐(16)中的酸性产氢电极液泵入产氢极液腔S3中产生氢气，氢气从产氢极液腔S3顶部出气口逸出进入氢气分离器(18)，而失去部分氢离子的酸性电极液被泵回酸性极液储罐(16)中；经过氢气分离器(18)后，气态氢气进入氢气储罐(19)，而液态电极液回流到酸性极液储罐(16)内；

另一侧，所述的碱性极液储罐(20)的出液口与产氧极液腔S4的电极液入口相连，其进液口与产氧极液腔S4的电极液出口相连，碱性极液循环泵(21)将碱性极液储罐(20)中的碱性产氧电极液，泵入产氧极液腔S4中产生氧气，氧气从产氧极液腔S4顶部出气口逸出进入氧气分离器(22)，失去部分OH^-的碱性电极液被泵回碱性极液储罐(20)中；经过氧气分离器(22)后，气态氧气进入氧气储罐(23)，液态电极液回流到碱性极液储罐(20)内；

至此，实现以逆电渗析原理和低温多效蒸馏原理为基础的电极液各独立式氢、氧联制；

所述的工作溶液由溶质在溶剂中溶解而成，工作溶液在热子系统和逆电渗析子系统之间封闭循环流动；所述的溶质由阳离子和阴离子组成，阳离子包括锂Li⁺、钠Na⁺、钾K⁺、铷Rb⁺、铯Cs⁺、镁Mg²⁺、钙Ca²⁺、锶Sr⁺、银Ag⁺、氢H⁺及铵NH₄⁺、阴离子包括氟F^-、氯Cl^-、溴Br^-、碘I^-、及碳酸根CO₃^2-、碳酸氢根HCO₃^-、硫酸酸根SO₃^2-、硫酸氢根HSO₃^-、钴酸根CoO₂^-、硝酸根NO₃^-、氯酸根ClO₃^-、甲酸根HCOO^-及乙酸根COOH^-；所述的溶剂标准沸点温度在50℃～200℃之间，包括乙醇、甲醇、水、乙氰、乙醚、丙酮、异丙醇、六氟异丙醇、三氟乙醇、三氟乙酸、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺及其二元混合物。