CN109666947A - 一种回收利用废热降低电解水制氢能耗模拟装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于能源利用技术领域，一种回收利用废热降低电解水制氢能耗模拟装置及其方法，其中方法包括以下步骤：(1)将盛有电解液的电解槽置于加热套中，利用加热套对电解液进行加热，(2)设置电源电压为电解水所需电压，打开电源开关开始电解。本发明一是解决了低品质废热难以回收利用的问题，提高能量利用效率；二是废热使得电解液温度升高，有效改善电解液的物理性质，如离子迁移速率，电导率等，有利于提高电解水反应动力学，降低电解水反应的过电势，从而降低电能的消耗。

Description

一种回收利用废热降低电解水制氢能耗模拟装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种回收利用废热降低电解水制氢能耗模拟装置及其方法，属于能源利用技术领域。
背景技术
随着化石能源不断消耗，以及其使用伴随产生的环境污染问题日益严重，提高能源利用效率以及开发新型清洁能源成为研究热点。其中，来自化工厂、发电厂、钢铁厂等工业生产中的废热资源(尤其是低于150℃的显热资源)难以回收利用是造成巨大的能量损失和资源浪费的源头之一。迄今为止，研究者们在显热的回收利用方面不断尝试并取得了一些突破，但应用过程中仍有不足。比如，将高炉冲渣水应用于城市供暖，代替化石能源的燃烧加热，但其含有大量杂质易堵塞传输管道的问题未能得到解决；或者利用热泵技术将低品质热转化成高品质热加以利用，但该技术需附加能量注入，耗费资源。
近年来，氢能作为高能量密度的清洁能源，成为颇具发展前景的传统化石能源的替代品。电解水制氢技术具有工艺简单，制氢纯度高等优势，唯一缺点是能耗大，其中约三分之一的能耗是由析氧反应(OER)和析氢反应(HER)过程中所需的高过电势产生，导致电解水体系能量转化效率低且成本较高。其中OER涉及四电子转移过程，反应动力学尤为缓慢，成为电解水制氢技术发展的主要瓶颈。而经研究表明，升高温度有利于提高反应速率，改善电解液的物理性质，如离子迁移速率，电导率等，进而有利于电解水制氢过程，并进一步提高该过程的能量转化效率。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，一是现有废热回收技术难以回收低品质废热而造成资源的浪费，二是电解水制氢技术因析氧和析氢反应的过电势较大导致电能转化效率低的问题。本发明目的是提供一种回收利用废热降低电解水制氢能耗模拟装置及其方法。它是将废热回收与电解水制氢技术联用，在回收低品质废热的同时，降低电解水制氢过程的过电势，从而降低电能的消耗，提高能量的利用率。
为了实现上述发明目的，解决己有技术中存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种回收利用废热降低电解水制氢能耗的方法，包括以下步骤：
步骤1、将盛有电解液的电解槽置于加热套中，再将废热水或废热气从加热套废热水或废热气入口输入，用于提供热源，利用加热套加热电解槽中的电解液，然后从加热套废热水或废热气出口输出，再循环到废热水或废热气入口，实现废热水或废热气的回收利用；
步骤2、设置电源电压为电解水所需电压，打开电源开关开始电解，分别在电解槽顶部设置的氢气出口及氧气出口收集氢气和氧气。
所述方法中采用的模拟装置，包括加热套，所述加热套左侧底部及右侧上部分别开设有废热水或废热气入口及废热水或废热气出口，所述加热套中还安放有盛有电解液的电解槽，在电解槽的内部悬挂有阳电极板和阴电极板并浸没于电解液中，阳电极板和阴电极板分别通过导线与外部直流电源的正、负极连接；在阳电极板与阴电极板的中间处还安放有离子交换膜，用于隔离生产的氢气与氧气，防止互混引起爆炸；所述电解槽的顶部分别开设有氢气出口及氧气出口，用于收集氢气和氧气。
所述电解槽选自常压电解槽或高压电解槽中的一种。
所述离子交换膜采用杜邦公司的全氟磺酸隔膜。
所述阳电极板材料选自经高温处理过的碳布、泡沫镍或碳纳米片中的一种。
所述阴电极板材料选自铂片。
本发明有益效果是：一种回收利用废热降低电解水制氢能耗模拟装置及其方法，其中方法包括以下步骤：(1)将盛有电解液的电解槽置于加热套中，利用加热套对电解液进行加热，(2)设置电源电压为电解水所需电压，打开电源开关开始电解。与已有技术相比，本发明一是解决了低品质废热难以回收利用的问题，提高能量利用效率；二是废热使得电解液温度升高，有效改善电解液的物理性质，如离子迁移速率，电导率等，有利于提高电解水反应动力学，降低电解水反应的过电势，从而降低电能的消耗。
附图说明
图1是本发明中的模拟装置结构示意图。
图中：1、加热套，1a、废热水或废热气入口，1b、废热水或废热气出口，2、电解槽，2a、氢气出口，2b、氧气出口，3、阳电极板，4、阴电极板，5、离子交换膜，6、直流电源。
图2是实施例1中20℃、40℃电解液温度下测得的OER极化曲线图。
图3是实施例2中20℃、80℃电解液温度下测得的OER极化曲线图。
图4是实施例3中20℃、80℃电解液温度下测得的OER极化曲线图。
图5是实施例4中20℃、120℃电解液温度下测得的OER极化曲线图。
图6是实施例5中20℃、60℃电解液温度下测得的OER极化曲线图。
图7是实施例6中20℃、80℃电解液温度下测得的OER极化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种回收利用废热降低电解水制氢能耗的模拟装置，包括加热套1，所述加热套1左侧底部及右侧上部分别开设有废热水或废热气入口1a及废热水或废热气出口1b，所述加热套1中还安放有盛有电解液的电解槽2，在电解槽2的内部悬挂有阳电极板3和阴电极板4并浸没于电解液中，阳电极板3和阴电极板4分别通过导线与外部直流电源6的正、负极连接；在阳电极板3与阴电极板4的中间处还安放有离子交换膜5，用于隔离生产的氢气与氧气，防止互混引起爆炸；所述电解槽2的顶部分别开设有氢气出口2a及氧气出口2b，用于收集氢气和氧气。
所述离子交换膜5采用杜邦公司的全氟磺酸隔膜，阳电极板3材料选自经高温处理过的碳布、泡沫镍或碳纳米片中的一种，阴电极板4材料选自铂片，所述电解槽选自常压电解槽或高压电解槽中的一种。
实施例1
向加热套通入温度为20℃的温水模拟废热水，并将其作为电解水热源，采用经高温处理过的碳布作为阳电极板，铂片作为阴电极板，Ag/AgCl电极作为参比电极，采用1MKOH溶液作为电解液，在常压电解槽中测试碳布材料电解水制氢的析氧反应性能。极化曲线的测试结果如图2所示，测试方法采用伏安曲线法，测试电压范围是0.3-0.8V vs.Ag/AgCl。启动加热套工作，当温度从20℃升高到40℃时，从图中可以看出，在10mA cm-2电流密度下，过电势由380mV降低到310mV。
实施例2
向加热套通入温度为20℃的温水模拟废热水，并将其作为电解水热源，采用经高温处理过的碳布作为阳电极板，铂片作为阴电极板，Ag/AgCl电极作为参比电极，采用1MKOH溶液作为电解液，在常压电解槽中测试碳布材料电解水制氢的析氧反应性能。极化曲线的测试结果如图3所示，测试方法采用伏安曲线法，测试电压范围是0.3-0.8V vs.Ag/AgCl。启动加热套工作，当温度从20℃升高到80℃时，从图中可以看出，在10mA cm-2电流密度下，过电势由380mV降低到200mV，由此可见利用废热加热电解液可大大降低电解水制氢过程中的能耗。
实施例3
向加热套通入温度为20℃的温水模拟废热水，并将其作为电解水热源，采用经高温处理过的泡沫镍作为阳电极板，铂片作为阴电极板，采用1M KOH溶液作为电解液，在高压电解槽中测试泡沫镍材料的全解水性能。极化曲线的测试结果如图4所示，测试方法采用伏安曲线法，测试电压范围是1.2–2V。启动加热套工作，当温度从20℃升高到80℃时，从图中可以看出，在10mA cm-2电流密度下，过电势降低了195mV。
实施例4
向加热套通入温度为20℃的空气模拟废热气，并将其作为电解水热源，采用商业化泡沫镍作为阳电极板，铂片作为阴电极板，采用1M KOH溶液作为电解液，在高压电解槽中测试泡沫镍材料的全解水性能。极化曲线的测试结果如图5所示，测试方法采用伏安曲线法，测试电压范围是1.2–2V。启动加热套工作，当温度从20℃升高到120℃时，从图中可以看出，在10mA cm-2电流密度下，过电势降低了262mV。
实施例5
向加热套通入温度为20℃的温水模拟废热水，并将其作为电解水热源，采用经高温处理过的碳纳米片作为阳电极板，铂片作为阴电极板，Ag/AgCl电极为参比电极，采用1MKOH溶液作为电解液，在常压电解槽中测试碳纳米片材料电解水制氢的析氧反应性能。极化曲线的测试结果如图6所示，测试方法采用伏安曲线法，测试电压范围是0.3-0.8V vs.Ag/AgCl。启动加热套工作，当温度从20℃升高到60℃时，从图中可以看出，在5mA cm-2电流密度下，过电势降低了112mV，由此可见利用废热加热电解液也可降低碳纳米片做电极材料时电解水制氢过程的能耗。
实施例6
向加热套通入温度为20℃的温水模拟废热水，并将其作为电解水热源，采用经高温处理过的碳纳米片作为阳电极板，铂片作为阴电极板，Ag/AgCl电极为参比电极，采用1MKOH溶液作为电解液，在常压电解槽中测试碳纳米片材料电解水制氢的析氧反应性能。极化曲线的测试结果如图7所示，测试方法采用伏安曲线法，测试电压范围是0.3-0.8V vs.Ag/AgCl。启动加热套工作，当温度从20℃升高到80℃时，从图中可以看出，在5mA cm-2电流密度下，过电势降低了280mV，由此可见利用废热加热电解液也可降低碳纳米片做电极材料时电解水制氢过程的能耗。

Claims (6)

1.一种回收利用废热降低电解水制氢能耗的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、将盛有电解液的电解槽置于加热套中，再将废热水或气从加热套废热水或气入口输入，用于提供热源，利用加热套加热电解槽中的电解液，然后从加热套废热水或废热气出口输出，再循环到废热水或废热气入口，实现废热水或废热气的回收利用；
步骤2、设置电源电压为电解水所需电压，打开电源开关开始电解，分别在电解槽顶部设置的氢气出口及氧气出口收集氢气和氧气。
2.根据权利要求1所述方法中采用的模拟装置，包括加热套，其特征在于：所述加热套左侧底部及右侧上部分别开设有废热水或废热气入口及废热水或废热气出口，所述加热套中还安放有盛有电解液的电解槽，在电解槽的内部悬挂有阳电极板和阴电极板并浸没于电解液中，阳电极板和阴电极板分别通过导线与外部直流电源的正、负极连接；在阳电极板与阴电极板的中间处还安放有离子交换膜，用于隔离生产的氢气与氧气，防止互混引起爆炸；所述电解槽的顶部分别开设有氢气出口及氧气出口，用于收集氢气和氧气。
3.根据权利要求2所述方法中采用的模拟装置，其特征在于：所述电解槽选自常压电解槽或高压电解槽中的一种。
4.根据权利要求2所述方法中采用的模拟装置，其特征在于：所述离子交换膜采用杜邦公司的全氟磺酸隔膜。
5.根据权利要求2所述方法中采用的模拟装置，其特征在于：所述阳电极板材料选自经高温处理过的碳布、泡沫镍或碳纳米片中的一种。
6.根据权利要求2所述方法中采用的模拟装置，其特征在于：所述阴电极板材料选自铂片。
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