CN108390085A - 一种电解尿素制氢用于燃料电池汽车的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电解尿素制氢用于燃料电池汽车的系统及方法，该系统包括碱性尿素溶液供应系统、碱性尿素电解池、氢气纯化系统和燃料电池汽车系统；方法为：先将尿素加入碱性KOH溶液中配成碱性尿素电解液，然后在电解池中通电发生碱性尿素电解反应，制得的高纯氢气通过氢气纯化系统进行纯化和压力调节，供给燃料电池汽车系统；本发明通过引入尿素降低了电解制氢反应的电压和能耗，是对常规碱性水电解制氢的良好改进；能够将清洁能源发电转化为燃料电池汽车的动力，实现绿色交通方式；通过利用高含尿素废水作为电解原材料，能够将氢气生产和废水处理耦合起来。本发明有利于电解制氢和燃料电池汽车技术的推广。

Description

一种电解尿素制氢用于燃料电池汽车的系统及方法
技术领域
本发明涉及氢能和燃料电池领域，特别涉及一种电解尿素制氢用于燃料电池汽车的系统及方法。
背景技术
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们的环境保护意识逐渐增强。近年来，对温室气体排放、空气污染及能源安全等问题的担忧迫使人们一直寻找清洁能源和各领域内的替代能源载体，尤其是作为液体石油燃料消耗大户的交通运输领域。以氢气作为燃料的燃料电池汽车具有能量转换效率高、无温室气体排放、续航里程长、驾驶体验良好等优点，被认为是未来绿色运输的首选方案。
为了维持燃料电池汽车的运行，需要提供稳定、便捷的氢气供应。传统的煤化工制氢方式会产生碳排放，对环境造成危害。利用清洁能源发电进行电解制氢是唯一能够实现绿色环保的氢气生产方式。常规的电解制氢采用20％-30％的KOH水溶液作为电解液，电解过程能耗较高，通常每标准立方米氢气的电耗在5kWh以上，导致电解制氢的经济性较差，限制了电解制氢方式的推广。造成电解制氢能耗高的一个基本原因是电解水产生氢气和氧气的反应电动势较高(1.23V)，意味着必须用较高的电压才能促使反应发生。为了降低电解制氢能耗，需要从原理上寻找一种高效反应体系，降低电解制氢反应的电动势。
尿素[(NH2)2CO]是一种无毒、稳定、不易燃烧的物质，常温下以固体形态存在。理论上，尿素可通过电化学方式氧化，在阳极获得氮气，在阴极得到氢气，标准电动势为0.37V，远低于电解水产生氢气和氧气的反应电动势(1.23V)，因此尿素可能在较低的能耗下实现电解制氢。尿素已经实现了工业化生产，每年从人和牲畜的尿液等途径也会产生数量可观的尿素，这使尿素成为一种良好的潜在供氢材料。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明希望寻找一种高效的供氢材料替代电解水制氢；本发明提供了一种尿素电解制氢用于燃料电池汽车的系统及方法，降低电解制氢的能耗，实现从氢气供应到燃料电池汽车全程绿色无污染，降低整个过程的综合成本，从而推动清洁交通运输方式的发展。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种电解尿素制氢用于燃料电池汽车的系统，包括碱性尿素溶液供应系统1、碱性尿素电解池2、氢气纯化系统3和燃料电池汽车系统4；所述碱性尿素溶液供应系统1的电解液出口连接碱性尿素电解池2的电解液入口，碱性尿素电解池2的电解液出口连接碱性尿素溶液供应系统1的电解液循环入口，碱性尿素电解池2的阴极气体出口连接氢气纯化系统3的气体入口，氢气纯化系统3的气体出口连接燃料电池汽车系统4的气体入口。
所述碱性尿素溶液供应系统1包括搅拌反应釜，与搅拌反应釜连通的尿素加料装置和碱液储罐，连通搅拌反应釜与尿素加料装置和碱液储罐的输送泵。
所述碱性尿素电解池为常规碱性电解槽，阳极为镍基氧化物或镍基合金氧化物，阴极为镍基合金。
所述燃料电池汽车系统4包括相连接的车载储氢装置、燃料电池电堆及辅助单元；所述车载储氢装置采用高压气态储氢或固态储氢。
所述的系统进行电解尿素制氢用于燃料电池汽车的方法，包括如下步骤：
步骤1：在碱性尿素溶液供应系统1中配成碱性尿素电解液；
步骤2：将在碱性尿素溶液供应系统1中配成的碱性尿素电解液打入碱性尿素电解池2中，通电发生如下电解反应：
阴极：
6H2O+6e-→3H2+6OH- E°＝-0.83V vs SHE
阳极：
CO(NH2)2+6OH-→N2+5H2O+CO2+6e- E°＝-0.46V vs SHE
总反应：
CO(NH2)2+H2O→N2+3H2+CO2 E＝0.37V
在碱性尿素电解池2的阴极产生高纯氢气，在阳极产生氮气和二氧化碳；
步骤3：碱性尿素电解池2的阴极产生的高纯氢气进入氢气纯化系统3；
步骤4：氢气从氢气纯化系统3加注到燃料电池汽车系统4，通过燃料电池电堆发电带动汽车发动机运转。
所述步骤1中，碱性尿素溶液供应系统1中配成的碱性尿素电解液为含有尿素的KOH溶液，其中尿素的质量分数为2-10％，KOH的质量分数为20-30％。
所述步骤1中，碱性尿素溶液供应系统1中尿素采用人或牲畜的尿液或工业制成品。
所述步骤2中，尿素电解反应所需外加电压为0.40-1.10V；尿素电解反应的温度为25-40℃；碱性尿素电解池2的阳极产生的CO2会与电解液中的OH-反应产生碳酸盐，过程中无CO2排放。
所述步骤3中，氢气纯化系统3产生的氢气纯度在99.999％以上；
所述步骤4中，氢气纯化系统3的出口氢气压力随着燃料电池汽车系统4的使用需求而调整，其中：当燃料电池系统采用35MPa高压储氢瓶时，氢气纯化系统3的氢气压力为45MPa以上；当燃料电池系统采用70MPa高压储氢瓶时，氢气纯化系统3的氢气压力为90MPa以上；当燃料电池系统采用固态储氢方式时，氢气纯化系统3的氢气压力为10-30MPa。
本发明由于采用碱性尿素溶液作为电解制氢的电解液，具有如下突出的优点：
(1)相比于常规的碱性电解水制氢，本发明的碱性电解尿素反应具有更低的电压，极大地降低了电解制氢的电耗。由于电费占碱性电解制氢成本的80％以上，降低电耗能够显著降低氢气的成本，提高氢气的市场竞争力；
(2)当电解尿素制氢的电能来自清洁能源发电时，本发明可以实现清洁、绿色、无污染的氢气生产过程；
(3)电解尿素制氢使用的电解槽是常规碱性电解槽，便于实现工程应用；电解法产生的氢气纯度很高，可以直接供给燃料电池汽车使用，无需纯化，使本发明中的系统在成本上更具优势；
(4)本发明中的尿素可以采用人或牲畜的尿液或其他高含尿素废水为来源，进一步降低系统成本，并且通过电解将尿素变为氮气排出，在生产氢气的同时达到了废水处理的效果。同时，在电解制氢过程中，阳极产生的二氧化碳能被碱性的电解液吸收或者捕获而不被排放出来，减少因CO2带来的温室效应的影响。
附图说明
图1是碱性尿素电解池的工作原理图。
图2是高效电解尿素制氢用于燃料电池汽车的系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细叙述。
实例1：
如图1所示，碱性尿素电解池2的阴极为Ni-Co-Fe合金电极，阳极为Ni(OH)2纳米电极，碱性尿素电解液的成分为：KOH的质量分数为30％，尿素的质量分数为10％。尿素来自工业制成品。
如图2所示，将在碱性尿素溶液供应系统1中配成的碱性尿素电解液打入碱性尿素电解池2中，在0.52V的外加电压下发生电解反应，在碱性尿素电解池2的阴极产生高纯氢气，在碱性尿素电解池2的阳极产生氮气和二氧化碳，其中CO2与电解液中的OH-反应产生K2CO3，过程中无CO2排放。在碱性尿素电解池2的阴极产生的高纯氢气，进入氢气纯化系统3，经纯化后氢气纯度达到99.999％，通过压缩机增压后储存在45MPa的高压储氢罐内，燃料电池汽车系统4配备35MPa的车载高压储氢装置，氢气从氢气纯化系统3加注到燃料电池汽车系统4，通过燃料电池电堆发电带动汽车发动机运转。本例中，产生一标方氢气的能耗仅为常规电解水制氢方式的一半，极大地降低了运行成本。当外加电压来自清洁能源发电，如水电、风电、光伏发电时，可以实现清洁、绿色、无污染的氢气生产过程。
实例2：
如图1所示，碱性尿素电解池2的阴极为Ni-Fe/RGO复合电极，阳极为纳米NiO/泡沫镍电极，碱性尿素电解液的成分为：KOH的质量分数为30％，尿素的质量分数为5％。尿素来自农场的高含尿素废水。
如图2所示，将在碱性尿素溶液供应系统1中配成的碱性尿素电解液打入碱性尿素电解池2中，在0.88V的外加电压下发生电解反应，在碱性尿素电解池2的阴极产生高纯氢气，在碱性尿素电解池2的阳极产生氮气和二氧化碳，其中CO2与电解液中的OH-反应产生K2CO3，过程中无CO2排放。在碱性尿素电解池2的阴极产生的高纯氢气，进入氢气纯化系统3，经纯化后氢气纯度达到99.999％，通过压缩机增压后储存在45MPa的高压储氢罐内，燃料电池汽车系统4配备35MPa的车载高压储氢装置，氢气从氢气纯化系统3加注到燃料电池汽车系统4，通过燃料电池电堆发电带动汽车发动机运转。本例中，产生一标方氢气的能耗仅为常规电解水制氢方式的80％，极大地降低了运行成本。当外加电压来自清洁能源发电，如水电、风电、光伏发电时，可以实现清洁、绿色、无污染的氢气生产过程。尿素采用农场的高含尿素废水为来源，进一步降低了系统成本，并且通过电解将尿素变为氮气排出，在生产氢气的同时达到了废水处理的效果。

Claims (10)

1.一种电解尿素制氢用于燃料电池汽车的系统，其特征在于：包括碱性尿素溶液供应系统(1)、碱性尿素电解池(2)、氢气纯化系统(3)和燃料电池汽车系统(4)；
所述碱性尿素溶液供应系统(1)的电解液出口连接碱性尿素电解池(2)的电解液入口，碱性尿素电解池(2)的电解液出口连接碱性尿素溶液供应系统(1)的电解液循环入口，碱性尿素电解池(2)的阴极气体出口连接氢气纯化系统(3)的气体入口，氢气纯化系统(3)的气体出口连接燃料电池汽车系统(4)的气体入口。
2.根据权利要求1所述的一种电解尿素制氢用于燃料电池汽车的系统，其特征在于：所述碱性尿素溶液供应系统(1)包括搅拌反应釜，与搅拌反应釜连通的尿素加料装置和碱液储罐，连通搅拌反应釜与尿素加料装置和碱液储罐的输送泵。
3.根据权利要求1所述的一种电解尿素制氢用于燃料电池汽车的系统，其特征在于：所述碱性尿素电解池为常规碱性电解槽，阳极为镍基氧化物或镍基合金氧化物，阴极为镍基合金。
4.根据权利要求1所述的一种电解尿素制氢用于燃料电池汽车的系统，其特征在于：所述燃料电池汽车系统(4)包括相连接的车载储氢装置、燃料电池电堆及辅助单元；所述车载储氢装置采用高压气态储氢或固态储氢。
5.权利要求1至4任一项所述的系统进行电解尿素制氢用于燃料电池汽车的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：在碱性尿素溶液供应系统(1)中配成碱性尿素电解液；
步骤2：将在碱性尿素溶液供应系统(1)中配成的碱性尿素电解液打入碱性尿素电解池(2)中，通电发生如下电解反应：
阴极：
6H2O+6e-→3H2+6OH- E°＝-0.83V vs SHE
阳极：
CO(NH2)2+6OH-→N2+5H2O+CO2+6e- E°＝-0.46V vs SHE
总反应：
CO(NH2)2+H2O→N2+3H2+CO2 E＝0.37V
在碱性尿素电解池(2)的阴极产生高纯氢气，在阳极产生氮气和二氧化碳；
步骤3：碱性尿素电解池(2)的阴极产生的高纯氢气进入氢气纯化系统3；
步骤4：氢气从氢气纯化系统(3)加注到燃料电池汽车系统(4)，通过燃料电池电堆发电带动汽车发动机运转。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤1中，碱性尿素溶液供应系统(1)中配成的碱性尿素电解液为含有尿素的KOH溶液，其中尿素的质量分数为2-10％，KOH的质量分数为20-30％。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤1中，碱性尿素溶液供应系统(1)中尿素采用人或牲畜的尿液或工业制成品。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤2中，尿素电解反应所需外加电压为0.40-1.10V；尿素电解反应的温度为25-40℃；
碱性尿素电解池(2)的阳极产生的CO2会与电解液中的OH-反应产生碳酸盐，过程中无CO2排放。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤3中，氢气纯化系统(3)产生的氢气纯度在99.999％以上。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤4中，氢气纯化系统(3)的出口氢气压力随着燃料电池汽车系统(4)的使用需求而调整，其中：当燃料电池系统采用35MPa高压储氢瓶时，氢气纯化系统(3)的氢气压力为45MPa以上；当燃料电池系统采用70MPa高压储氢瓶时，氢气纯化系统(3)的氢气压力为90MPa以上；当燃料电池系统采用固态储氢方式时，氢气纯化系统)(3的氢气压力为10-30MPa。
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Application publication date: 20180810