[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

摘要

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。

主权项

1.一种低品位热能驱动的电极液自循环式制氢方法，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)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相连，其出口与发生器(1)的溶液入口相连接，溶液流动的驱动力通过位于二者之间的废液泵(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，部分溶剂会蒸发而出，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)；在发生器(1)中，从废液储罐(5)中导入的废液因部分溶剂的蒸发而被再生成浓溶液，浓溶液从发生器(1)底部的溶液出口流出，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)之间设有溶液切换阀(6)；第二步，通过逆电渗析子系统将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，且阳离子交换膜(10)的数量比阴离子交换膜(11)的数量多一片；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)向相邻的稀溶液流道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便形成离子流、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最外两侧均为阳离子交换膜，其中一侧的最外层阳离子交换膜(10)与产氢电极(12)和端板(14)之间构成了产氢极液腔S3；相对应地，另一侧最外层阳离子交换膜与产氧电极(13)和端板(14)之间形成产氧极液腔S4；在电极液循环泵(17)的驱动下，电极液在产氢极液腔S3和产氧极液腔S4之间循环流动；与产氢极液腔S3相邻的是浓溶液流道S1，与氧极液腔S4相邻的是稀溶液流道S2；所述的在逆电渗析电池堆内加入的电极液既可以是酸性电极液，也可以是碱性电极液，而且还包括在系统运行时某一动态过程中可能出现电中性的情况；所述电极液主要包括盐酸、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，硫酸氢钠水溶液，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；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电极液回收罐(16)、电极液循环泵(17)、氢气分离器(18)、氢气储罐(19)、电极液补充罐(20)、氧气分离器(22)、氧气储罐(23)及管路；所述的产氢极液腔S3的电极液入口与产氧极液腔S4的出口相连，产氢极液腔S3的电极液出口与产氧极液腔S4的入口相连；在电极液循环泵(17)驱动下，电极液在产氢极液腔S3与产氧极液腔S4循环流动；产氢极液腔S3不与电极液回收罐(16)连通，而产氧极液腔S4与电极液补充罐(20)连通；在产氢极液腔S3中产生的氢气从产氢极液腔S3的顶部出气口逸出，进入氢气分离器(18)；经过氢气分离器(18)后，气态的氢气进入氢气储罐(19)，而液态的电极液回流到电极液回收罐(16)内；在产氧极液腔S4中产生的氧气从产氧极液腔S4的顶部出气口逸出，进入氧气分离器(22)；经过氧气分离器(22)后，气态氧气进入氧气储罐(23)，而液态电极液回流到电极液补充罐(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自循环式氢、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。