CN110923738A - 一种高温电解海水制备氢气的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温电解海水制备氢气的装置，高温电解水制氢系统与海水淡化系统连接以将来自于海水淡化系统的水蒸气通过固体氧化物电解池进行电解得到氢气和未反应水蒸气的混合气体；海水淡化系统与熔盐储热系统连接以通过海水加热蒸发后的结晶盐为熔盐储热系统提供制备氯盐的原料；熔盐储热系统与海水淡化系统连接以为海水加热过程提供热能，熔盐储热系统与高温电解水制氢系统连接以为进入固体氧化物电解池的水蒸气提供热能。本发明还提供一种利用上述的装置进行高温电解海水制备氢气的方法。根据本发明的高温电解海水制备氢气的装置和方法，进行海水高温电解制氢同时实现海水淡化，应用范围广泛。

Description

一种高温电解海水制备氢气的装置和方法
技术领域
本发明涉及海水处理，更具体地涉及一种高温电解海水制备氢气的装置和方法。
背景技术
目前，能源危机和环境污染是人类社会最迫切解决的两大难题。开发新型、清洁、高效的能源与能源利用技术是解决这两大难题的最直接、有效的方法。长期以来，氢能源一直被认为是解决未来人类能源危机的重要途径之一。氢气作为新兴、清洁的二次能源载体，在现代社会中的应用愈加广泛，越来越受到美国、德国、日本等发达国家的关注，并制定了相关发展规划，将氢能源和燃料电池确定为维系经济繁荣和国家安全的技术之一。我国能源对外依存度也呈逐年递增的态势。2015年，原油对外依存度超过60％，2013 年，天然气对外依存度超过30％。预计到2020年，原油和天然气的对外依存度将分别达到70％和37.2％，国家能源供应安全面临严峻挑战。因此，在此背景下，促进氢能产业快速发展，是中国应对全球气候变化、保障国家能源供应安全和实现可持续发展的重大战略选择。
固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell，简称SOEC)是一种利用电能和热能，将水、二氧化碳等原料电化学还原生成燃料气体(化学能)的装置，被认为是最具有前景的能源转换装置之一。水是高温电解水制备氢气的主要原料，现在被广泛研究的SOEC高温电解水装置主要使用的是淡水。整体上看，水资源覆盖了地球70％的面积，但并不是所有的水都能被人类所利用。地球上的水资源主要来自于海洋，海水占全球水资源总量的 97.3％，淡水只占2.7％。而且，在这有限的淡水资源中，约70％的淡水在两极还有高山冰川中被冰封着；约30％的淡水在地下含水层和永冻土层中，是不可再生资源，人类可以利用的不到总量的1％，多分布在河流、土地、湖泊中。因此，虽然水资源总量巨大，但淡水资源严重缺乏，比我们想象中要少得多，这极大限制了SOEC广泛的应用。
另外，自20世纪以来，随着全球人口的迅速增长，人类文明不断的扩张，生态环境的改变以及工业化生产中造成的污染与浪费，淡水资源短缺已经成为人类面临的最重要的问题。据预测，到2025年，全球将有2/3的人口生活在水资源极度缺乏的城市里。我国水资源总量丰富，但分布不均匀，南多北少，且人均占有量少，仅是世界平均水平的1/4，已被联合国列为世界最贫水国之一。面对严峻的淡水资源危机，迫切需要我们寻求各种解决方法来提高水的利用率、或者拓展新的淡水来源。
目前，解决人类水资源危机最有效的方法是海水淡化技术，同时，高温海水蒸汽还可用于高温电解水制备氢气。目前，国内兴建了大量的水电、风电、太阳能、核能等可再生能源电站，包括目前的火电厂，电力方面供大于求。如果能利用电能将海水进行电解以及淡化，不仅可以制备氢气实现能源的存储，还能实现淡水的生产。氢气作为一种清洁能源能对于全球温室效应以及环境污染问题都会产生积极的作用，另外，通过水电、风电、太阳能、核能到氢能的转换，还能解决并网难的问题(风能和太阳能存在波动性，并网相对困难)，进一步增强可再生能源的充分利用。
发明内容
本发明提供一种高温电解海水制备氢气的装置和方法，相对于淡水高温电解水装置，海水资源丰富，对于一些淡水资源缺乏但风电、太阳能丰富的区域，本发明通过对海水的高温电解，同样可以实现可再生能源的存储，应用范围广。
本发明提供一种高温电解海水制备氢气的装置，其包括：用于加热和冷凝海水以提供水蒸气和第一淡水的海水淡化系统；具有固体氧化物电解池的高温电解水制氢系统，其与海水淡化系统连接以将来自于海水淡化系统的水蒸气通过固体氧化物电解池进行电解得到氢气和未反应水蒸气的混合气体；用于通过具有氯盐的熔盐储存外部能源的熔盐储热系统；以及变压吸附气体分离系统，其与高温电解水制氢系统连接以将来自于高温电解水制氢系统的混合气体分离制备氢气和第二淡水；其中，海水淡化系统与熔盐储热系统连接以通过海水加热蒸发后的结晶盐为熔盐储热系统提供制备氯盐的原料；其中，熔盐储热系统与海水淡化系统连接以为海水淡化系统的海水加热过程提供热能，熔盐储热系统与高温电解水制氢系统连接以为进入固体氧化物电解池的水蒸气提供热能。
优选地，该装置还包括热管理及气体监控系统，其分别与海水淡化系统、高温电解水制氢系统、熔盐储热系统和变压吸附气体分离系统相连接。
优选地，该海水淡化系统包括：用于泵送海水以得到汲取海水的海水取水泵；用于对汲取海水进行过滤以得到干净海水的海水过滤器；用于对干净海水进行加热蒸发以产生高温的第一水蒸气并回收海水中的结晶盐的海水加热器；以及用于对第一水蒸气进行冷凝以制备第一淡水并提供未完全冷凝的第二水蒸气的水蒸气冷凝器；其中，该海水加热器分别与高温电解水制氢系统和熔盐储热系统连接；其中，该水蒸气冷凝器与高温电解水制氢系统连接。
优选地，该海水取水泵为机械抽水泵；该海水过滤器为污水过滤机；该海水加热器为陶瓷或耐腐蚀合金罐和加热电阻丝组成的装置。
优选地，该高温电解水制氢系统还包括：用于提供直流电的直流稳压电源供给装置；其中，固体氧化物电解池分别与直流稳压电源供给装置和海水淡化系统连接以通过直流电电解水蒸气产生氢气和未反应水蒸气的混合气体。
优选地，该直流稳压电源供给装置为整流器或直流电源；固体氧化物电解池包括水蒸气进气口、热箱、水蒸气电解槽及氢气和未反应水蒸气的出气口，其中，该水蒸气进气口与海水淡化系统连接以将第一水蒸气和第二水蒸气通入水蒸气电解槽进行电解，该热箱为水蒸气电解槽提供高温环境，该水蒸气电解槽由一个或者多个固体氧化物电解池堆组成以形成水蒸气电解制氢的核心反应器，该氢气和未反应水蒸气的出气口与变压吸附气体分离系统连接以得到氢气和第二淡水。
优选地，该熔盐储热系统包括：用于容纳熔融态的低温熔盐的低温罐；电加热器；用于容纳熔融态的高温熔盐的高温罐；以及换热器；其中，电加热器设置在低温罐和高温罐之间以加热熔盐；其中，换热器设置在高温罐和低温罐之间以提取熔盐中的热能，该换热器分别与海水淡化系统和高温电解水制氢系统连接。
优选地，该变压吸附气体分离系统包括：用于储存氢气和未反应水蒸气的混合气体的低压储罐；用于进行增压的增压泵；以及变压吸附气体分离装置；其中，增压泵设置在低压储罐和变压吸附气体分离装置之间以将增压后的混合气体输送至变压吸附气体分离装置中分离得到氢气和第二淡水。
本发明还提供一种利用上述的装置进行高温电解海水制备氢气的方法，其包括如下步骤：S1，在海水淡化系统中借助于熔盐储热系统提供的热能将海水通过加热形成水蒸气并通过冷凝得到第一淡水；S2，在高温电解水制氢系统中将水蒸气借助于熔盐储热系统提供的热能经过预加热后进行电解得到氢气和未反应水蒸气的混合气体；以及S3，在变压吸附气体分离系统中将混合气体分离后得到氢气和第二淡水。
根据本发明的高温电解海水制备氢气的装置和方法，采用海水进行高温电解制氢，应用范围广泛，原料水资源充足，可直接应用于海上风力发电厂、火电厂、核能发电厂等。尤其是对于一些淡水资源困乏但水电、风电、太阳能丰富的地区，通过本发明中所述装置可广泛实现能源的转换存储；另外，还具有系统模块化组成，氢气及淡水产量规模可调、操作简单、安全性高、投资小等特点。本发明将高温海水蒸发产生的结晶盐应用在高温熔盐储热系统中，实现过剩能源的储存，然后将热量应用在海水淡化和高温电解制氢的过程中提高了整个系统的能量效率。本发明将海水淡化技术和高温电解技术结合起来，充分利用了海水淡水过程中高温的水蒸气，提高了整个系统的能量效率。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的高温电解海水制备氢气的装置的结构示意图；
图2是图1的海水淡化系统的结构示意图；
图3是图1的高温电解水制氢系统的结构示意图；
图4是图1的熔盐储热系统的结构示意图；
图5是图1的PSA气体分离系统的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
如图1所示，根据本发明的一个优选实施例的高温电解海水制备氢气的装置包括海水淡化系统1、高温电解水制氢系统2、熔盐储热系统3、变压吸附(Pressure SwingAdsorption，简称PSA)气体分离系统4和热管理及气体监控系统5，其中，海水淡化系统1用于海水1a的取水、过滤、加热、蒸发和冷凝，在通过冷凝制备第一淡水141的同时，其与高温电解水制氢系统2 连接以为高温电解水制氢系统2提供水蒸气131，142用于电解，其与熔盐储热系统3连接以通过海水蒸发后的结晶盐132为熔盐储热系统3提供制备氯盐的原料；高温电解水制氢系统2用于将海水淡化系统1制得的水蒸气131， 142通过固体氧化物电解池(SOEC)进行电解得到氢气和未反应水蒸气的混合气体231；熔盐储热系统3用于将过剩的水电、风电、太阳能用于加热氯盐实现外部能源3a的储存，高温熔盐的热能3b可用于海水淡化系统1的海水蒸发加热过程及高温电解水制氢系统2的进气口水蒸气的预加热，以此来匹配SOEC运行的工作温度；PSA气体分离系统4用于将混合气体231进行分离制备氢气431和第二淡水432；热管理及气体监控系统5分别与海水淡化系统1、高温电解水制氢系统2、熔盐储热系统3和PSA气体分离系统4相连接。
如图2所示，海水淡化系统1包括依次连接的海水取水泵11、海水过滤器12、海水加热器13和水蒸气冷凝器14，其中，海水取水泵11例如为机械抽水泵，用于在海洋港口直接泵送海水1a得到汲取海水111；海水过滤器 12例如为污水过滤机，用于对汲取海水111进行过滤以通过污水处理除去污泥等其它海水中悬浮的杂质得到干净海水121；海水加热器13例如为陶瓷或者耐腐蚀合金罐和加热电阻丝组成的装置，用于对干净海水121进行加热蒸发以产生高温的第一水蒸气131并回收海水中的结晶盐132，该结晶盐132可以为熔盐储热系统3(参见图1)提供制备氯盐的原料，该高温的第一水蒸气 131可通入水蒸气冷凝器14中来制备第一淡水141，或者通入高温电解水制氢系统2(参见图1)用于电解；水蒸气冷凝器14中部分未冷凝的第二水蒸气142通入高温电解水制氢系统2(参见图1)用于制氢，水蒸气冷凝器14 中循环的冷却水可用于海水的预加热。应该理解，上述的海水淡化系统1的结构仅作为示例而非限制，实际上，其他任意已知的海水淡化系统都可考虑用于本发明中。
如图3所示，高温电解水制氢系统2包括直流稳压电源供给装置21、风机及空气净化装置22和固体氧化物电解池23，其中，该直流稳压电源供给装置21例如为整流器、直流电源等，用于把交流电、不稳定的或电流电压不满足要求的电力来源转化成稳定的直流电211；风机及空气净化装置22为风机与空气净化装置配套使用的装置，用于提供适量的经净化和加热的压缩空气221；固体氧化物电解池23包括提供高温环境的热箱23a和安装在热箱23a 中的水蒸气电解槽23b，该水蒸气电解槽23b由一个或者多个固体氧化物电解池堆组成以形成水蒸气电解制氢的核心反应器，另外，固体氧化物电解池23 还包括水蒸气进气口、及氢气和未反应水蒸气的出气口，其中，该水蒸气进气口与海水淡化系统连接以将第一水蒸气和第二水蒸气通入水蒸气电解槽进行电解，该氢气和未反应水蒸气的出气口与变压吸附气体分离系统连接。具体地，直流稳压电源供给装置21与固体氧化物电解池23连接以提供直流电 211电解水蒸气131，142产生氢气和(未反应的)水蒸气的混合气体231，风机及空气净化装置22与固体氧化物电解池23连接以通入到水蒸气电解槽 23b中吹扫产生的O2。应该理解，上述的高温电解水制氢系统2的结构仅作为示例而非限制，实际上，其他任意已知的高温电解水制氢系统都可考虑用于本发明中。
如图4所示，熔盐储热系统3包括依次连接的低温罐31、电加热器32、高温罐33和换热器34，其中，低温罐31为熔融态的低温熔盐，在经过电加热器32后得到高温的熔盐，随后流入高温罐33，高温罐33的熔盐流入换热器34为海水加热器13或者进入固体氧化物电解池23的水蒸气131，142提供热能3b。应该理解，上述的熔盐储热系统3的结构仅作为示例而非限制，实际上，其他任意已知的熔盐储热系统都可考虑用于本发明中。
如图5所示，PSA气体分离系统4包括依次连接的低压储罐41、增压泵42和PSA气体分离装置43，其中，低压储罐41用于储存氢气和未反应水蒸气的混合气体231，增压泵42用于将低压储罐41中的混合气体进行增压后输送至PSA气体分离装置43，PSA气体分离装置43用于分离得到纯净的氢气431和第二淡水432。
结合图1-图5，热管理及气体监控系统5的主要功能包括：在海水淡化系统1中，用于监测海水1a，111，121/水蒸气131，142的温度以及水蒸气 131，142的气压/流量，如果温度过高，水蒸气131，142的气压较高则需要降低海水加热器13加热功率；在高温电解水制氢系统2中，用于监测并控制水蒸气电解槽23b中的工作温度、压缩空气221/水蒸气131，142的气体流量，如果工作温度偏高或者偏低都会影响水蒸气电解槽23b的产氢效率和寿命，同样，水蒸气流速过快不利于其充分电解，利用率降低；在熔盐储热系统3 中，用于监测熔盐的温度；在PSA气体分离系统4中，用于检测混合气体分离前后气体的流量、成分和纯度等。
根据本发明的一个优选实施例的高温电解海水制备氢气的方法首先包括在海水淡化系统1中将海水1a通过加热形成水蒸气131，142并通过冷凝得到第一淡水141。例如在海上风力发电厂，利用海水取水泵11从海洋港口汲取海水1a得到汲取海水111，经过海水过滤器12得到干净海水121，经过海水加热器13加热得到高温的第一水蒸气131，高温的第一水蒸气131经过水蒸气冷凝器14得到第一淡水141或通入高温电解水制氢系统2用于高温电解制氢。同时，干净海水121蒸发后产生的结晶盐132通过回收利用可用于制备氯盐应用在熔盐储热系统3中，另外，在水蒸气冷凝器14中未充分冷凝的水蒸气142通入高温电解水制氢系统2用于高温电解制氢。
根据本发明的一个优选实施例的高温电解海水制备氢气的方法接下来包括在高温电解水制氢系统2中将水蒸气131，142借助于熔盐储热系统3经过预加热后进行电解得到氢气和未反应水蒸气的混合气体231。具体地，海水加热器13产生的部分高温的第一水蒸气131和水蒸气冷凝器14中未完全冷凝的未冷凝的第二水蒸气142通入到水蒸气电解槽23b，通过直流稳压电源供给装置21施加直流电211进行电解得到混合气体231。特别地，预加热可选择利用熔盐储热系统3中的熔盐储备的热能3b进行加热，另外，通过将水蒸气冷凝器14中未完全冷凝的未冷凝的第二水蒸气142通入到水蒸气电解槽 23b中进行高温电解制氢，实现了热量的充分利用。
根据本发明的一个优选实施例的高温电解海水制备氢气的方法接下来包括在PSA气体分离系统4将混合气体231分离后得到氢气431和水蒸气，该水蒸气则形成第二淡水432。具体地，将混合气体231经PSA气体分离系统4的PSA气体分离装置43分离后得到氢气431和第二淡水432。
如此，根据本发明的高温电解海水制备氢气的装置和方法，可实现海水的淡化，并且还可以实现海水的高温电解水制备氢气，其原料直接取自港口的海水，应用范围广泛，可直接应用于海上风力发电厂、火电厂、核能发电厂等。尤其是对于一些淡水资源困乏但水电、风电、太阳能丰富的地区，通过本发明的高温电解海水制备氢气的装置可广泛实现外部能源的转换存储；具有系统模块化组成，氢气及淡水产量规模可调、操作简单、安全性高、投资小等特点。另外，本发明将海水淡化技术和高温电解技术结合起来，充分利用了海水淡水过程中高温的水蒸气，将高温海水蒸发产生的结晶盐应用在高温熔盐储热系统中，实现过剩能源的储存，然后将热量应用在海水淡化和高温电解制氢的过程中提高了整个系统的能量效率。
对于单独的海水淡化装置，海水蒸发之后再降温，能量损失严重。本发明首次将海水淡化同高温电解水结合起来，利用高温蒸发的海水通过SOEC 进行高温电解制氢，实现了可再生能源的高效利用。水电、风电、太阳能存在间接性和波动性，在能源过剩时也会存在能源浪费问题。而本发明充分利用海水蒸发后残留的氯盐，在装置中添加了一个高温熔盐储热罐装置，实现外部能源的储存，高温熔盐的热能可用于海水蒸发加热过程及高温电解水制氢系统中进气口水蒸气的预加热。根据本发明的高温电解海水制备氢气的装置所使用的机械、电气零件及电子元件、材料等均市售可得。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种高温电解海水制备氢气的装置，其特征在于，该装置包括：
用于加热和冷凝海水以提供水蒸气和第一淡水的海水淡化系统；
具有固体氧化物电解池的高温电解水制氢系统，其与海水淡化系统连接以将来自于海水淡化系统的水蒸气通过固体氧化物电解池进行电解得到氢气和未反应水蒸气的混合气体；
用于通过具有氯盐的熔盐储存外部能源的熔盐储热系统；以及
变压吸附气体分离系统，其与高温电解水制氢系统连接以将来自于高温电解水制氢系统的混合气体分离制备氢气和第二淡水；
其中，海水淡化系统与熔盐储热系统连接以通过海水加热蒸发后的结晶盐为熔盐储热系统提供制备氯盐的原料；
其中，熔盐储热系统与海水淡化系统连接以为海水淡化系统的海水加热过程提供热能，熔盐储热系统与高温电解水制氢系统连接以为进入固体氧化物电解池的水蒸气提供热能。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括热管理及气体监控系统，其分别与海水淡化系统、高温电解水制氢系统、熔盐储热系统和变压吸附气体分离系统相连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该海水淡化系统包括：
用于泵送海水以得到汲取海水的海水取水泵；
用于对汲取海水进行过滤以得到干净海水的海水过滤器；
用于对干净海水进行加热蒸发以产生高温的第一水蒸气并回收海水中的结晶盐的海水加热器；以及
用于对第一水蒸气进行冷凝以制备第一淡水并提供未完全冷凝的第二水蒸气的水蒸气冷凝器；
其中，该海水加热器分别与高温电解水制氢系统和熔盐储热系统连接；
其中，该水蒸气冷凝器与高温电解水制氢系统连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，该海水取水泵为机械抽水泵；该海水过滤器为污水过滤机；该海水加热器为陶瓷或耐腐蚀合金罐和加热电阻丝组成的装置。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，该高温电解水制氢系统还包括：
用于提供直流电的直流稳压电源供给装置；
其中，固体氧化物电解池分别与直流稳压电源供给装置和海水淡化系统连接以通过直流电电解水蒸气产生氢气和未反应水蒸气的混合气体。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，该直流稳压电源供给装置为整流器或直流电源；固体氧化物电解池包括水蒸气进气口、热箱、水蒸气电解槽及氢气和未反应水蒸气的出气口，其中，该水蒸气进气口与海水淡化系统连接以将第一水蒸气和第二水蒸气通入水蒸气电解槽进行电解，该热箱为水蒸气电解槽提供高温环境，该水蒸气电解槽由一个或者多个固体氧化物电解池堆组成以形成水蒸气电解制氢的核心反应器，该氢气和未反应水蒸气的出气口与变压吸附气体分离系统连接以得到氢气和第二淡水。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该熔盐储热系统包括：
用于容纳熔融态的低温熔盐的低温罐；
电加热器；
用于容纳熔融态的高温熔盐的高温罐；以及
换热器；
其中，电加热器设置在低温罐和高温罐之间以加热熔盐；
其中，换热器设置在高温罐和低温罐之间以提取熔盐中的热能，该换热器分别与海水淡化系统和高温电解水制氢系统连接。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该变压吸附气体分离系统包括：
用于储存氢气和未反应水蒸气的混合气体的低压储罐；
用于进行增压的增压泵；以及
变压吸附气体分离装置；
其中，增压泵设置在低压储罐和变压吸附气体分离装置之间以将增压后的混合气体输送至变压吸附气体分离装置中分离得到氢气和第二淡水。
9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的装置进行高温电解海水制备氢气的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1，在海水淡化系统中借助于熔盐储热系统提供的热能将海水通过加热形成水蒸气并通过冷凝得到第一淡水；
S2，在高温电解水制氢系统中将水蒸气借助于熔盐储热系统提供的热能经过预加热后进行电解得到氢气和未反应水蒸气的混合气体；以及
S3，在变压吸附气体分离系统中将混合气体分离后得到氢气和第二淡水。
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