CN116145165A - 一种电解高盐水制氢系统、电厂储能系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电解高盐水制氢系统、电厂储能系统及方法，涉及电解水制氢储能技术领域，包括：盐水室和淡水室，盐水室与淡水室之间通过疏水透气膜连接，盐水室内有高热盐水，水蒸气通过疏水透气膜进入淡水室；阳极室和阴极室，阳极室与淡水室之间通过透水阻气膜连接，阳极室与阴极室之间通过质子交换膜连接，阳极室内的阳极和阴极室内的阴极分别连接外接电源。本发明技术方案无需对盐水进行脱盐处理，可直接电解高盐水制取氢气；一方面可用于西部或海上风电光伏电厂高盐水制氢储能，同时回收盐湖、海水中丰富的锂元素及稀土元素。另一方面也可用于燃煤电厂直接利用脱硫废水制氢，无需外部热源即可实现脱离废水浓缩减量，实现脱硫废水资源化。

Description

一种电解高盐水制氢系统、电厂储能系统及方法
技术领域
本发明涉及电解水制氢储能技术领域，尤其是涉及一种电解高盐水制氢系统、电厂储能系统及方法。
背景技术
在“双碳”的政策大背景下，我国需要安装大量的风、光机组。但是风、光资源具有波动性大的天然缺陷，需要用储能技术来作调节。其中电能转燃料，尤其是电解水制氢储能是研究机构、企业、行业重点关注的方向之一。我国西部有大量的风、光资源，尤其是西部的荒漠、戈壁地区，可以建设的光伏、风电。东部有广阔的大陆架，可以建设大量海上风电机组。这些电场可以通过电解水制氢实现弃风弃光的利用。但西部地区气候干旱蒸发强烈，湖泊、河流盐度很高。需要采用脱盐工艺将水除盐后，才能利用脱盐水制氢，增加了投资及运行费用。海水同样需要淡化后才能制氢。但是体积庞大、系统复杂的海水淡化系统限制了电解海水制氢的应用前景。
西部缺水地区分布有大量的盐湖，盐湖中锂浓度较低，可以通过浓缩增大锂元素的浓度，卤水中高浓度锂元素提锂成本相对较低，可以直接获得工业级碳酸锂，再经过提纯就可转化为深加工锂产品。同样，海水中含有宝贵的锂元素和稀土元素。
石灰石-石膏湿法脱硫是世界上应用最多、技术最成熟的脱硫工艺。湿法烟气脱硫工艺会产生部分废水，即脱硫废水。脱硫废水含盐量高，无法外排，是燃煤电厂最难处理的水，脱硫废水资源化一直是研究热点。另一方面，煤电电厂具有电价价格低优势。电网削峰填谷的电能，同样可以电解水来制取氢气。
以上综合而言，电解水制氢，对水的要求很高。西部的荒漠、戈壁地区和东部深远海地区淡水资源少，需要对盐水、海水进行脱盐处理，工艺流程长，需要较大的投资和运行费用，项目建设周期加长。同样的，燃煤电厂有大量脱硫废水，含盐很高的盐水很难资源化利用，目前的处理方式是达标排放或废水零排放，但是投资巨大，运行成本高，经济效益低，水资源利用不充分。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电解高盐水制氢系统、电厂储能系统及方法，一方面能够无需增加脱盐工段即可电解制取氢气。另一方面能够在不需要外部热源的情况下实现在盐湖中浓缩提取锂、稀土元素；
本发明提供一种电解高盐水制氢系统，包括：盐水室和淡水室，所述盐水室与所述淡水室之间通过疏水透气膜连接，所述盐水室内有高热盐水，水蒸气通过所述疏水透气膜进入所述淡水室；阳极室和阴极室，所述阳极室与所述淡水室之间通过透水阻气膜连接，所述阳极室与所述阴极室之间通过质子交换膜连接，所述阳极室内的阳极和所述阴极室内的阴极分别连接外接电源。
进一步地，所述盐水室通过盐水出水管与提纯系统或尾加热装置连接。
进一步地，还包括与所述淡水室内连通的电导率仪，所述淡水室上设有淡水排放口。
进一步地，所述淡水室外接循环水管，所述循环水管上设有淡水泵和所述电导率仪，所述循环水管外有用于换热的换热系统。
进一步地，所述阳极室外连接有氧气收集装置，所述阴极室外连接有氢气收集装置。
本发明还提供一种电厂储能系统，所述盐水室上连接有盐水进水管，电厂区的高盐水通过所述盐水进水管进入所述盐水室中。
进一步地，所述盐水进水管的上游端设有缓冲箱，所述缓冲箱与所述提纯系统或所述尾加热装置间通过管路连接，且连接的管路上设有电导率仪。
进一步地，所述盐水进水管上设有预加热装置和盐水泵，所述预加热装置和所述盐水泵与电厂电力系统连接供电。
进一步地，所述外接电源包括电厂电力系统。
本发明还提供一种包电厂储能方法，包括如下步骤：S1，电厂电力系统在电力盈余阶段供电开启所述预加热装置和所述盐水泵，电厂区的高盐水通过所述预加热装置加热，由所述盐水进水管进入所述盐水室中；S2，电厂电力系统供电开启所述淡水泵，所述盐水室中水蒸气压比所述淡水室中大，水蒸气经过所述疏水透气膜进入所述淡水室，由所述循环水管换热为淡水，所述淡水排放口定期排水避免盐分积累；S3，电厂电力系统供电所述阳极，所述淡水室内淡水透过透水阻气膜进入阳极室，在阳极室内发生析氧反应：2H2O→4H++O2+4e-，氧气存储于所述氧气收集装置内；S4，电厂电力系统供电所述阴极，所述阳极室内H+通过所述质子交换膜进入所述阴极室，在阴极室内发生析氢反应：4H++4e-→2H2，氢气存储于所述氢气收集装置内；S5，电厂区的高盐水和所述盐水室内的浓盐水经所述提纯系统或所述尾加热装置回收盐。
本发明技术方案的有益效果在于：
（1）利用电厂电价低优势大量制取氢气，节约能源，最大限度发挥经济价值，具有广阔的应用前景。一方面可用于在盐湖分布广泛的西部或深远海上的风电和光伏电厂，利用其电厂区的高盐水制氢储能，同时回收盐湖、海水中丰富的锂元素及稀土元素。另一方面也可用于燃煤电厂直接利用脱硫废水制氢，无需外部热源即可实现脱离废水浓缩减量，浓水可进行烟道处理，或进行蒸发结晶回收盐，蒸馏水可直接用来电解制取氢气，实现脱硫废水资源化。
（2）无需对盐水进行脱盐处理，可直接电解高盐水制取氢气。
（3）采用质子交换膜制氢系统，适用风电、光伏等波动性电源。
（4）结构简单、紧凑，系统集成设备可做成撬装式、集装箱式；方便运输；工艺流程短，操作点少，运行成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的电解高盐水制氢系统内部示意图；
图2为本发明图1的主视图；
图3为本发明的电解高盐水制氢系统外部示意图；
图4为本发明实施例3的电厂储能系统示意图；
图5为本发明实施例3的淡水电导率随时间变化图；
图6为本发明实施例3的氢气产生速率随时间变化图；
图7为本发明实施例4的电厂储能系统示意图；
图8为本发明实施例4的淡水电导率随时间变化图；
图9为本发明实施例4的氢气产生速率随时间变化图；
附图标记说明：
1-装置外壳、2-盐水室、201-盐水出水管、202-盐水进水管、203-盐水泵、204-预加热装置、3-疏水透气膜、4-淡水室、401-循环水管、402-淡水排放口、403-淡水泵、5-透水阻气膜、6-阳极室、601-氧气出气口、602-氧气收集装置、7-阳极、8-质子交换膜、9-阴极、10-阴极室、1001-氢气出气口、1002-氢气收集装置、11-提纯系统、12-尾加热装置、13-换热系统、1301-换热泵、14-外接电源、15-缓冲箱、16-电导率仪、17-温度计、18-pH计、19-高盐水、20-脱硫废水、21-产物。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1-图4和图7所示，本发明提供一种电解高盐水制氢系统，包括：盐水室2和淡水室4，盐水室2与淡水室4之间通过疏水透气膜3连接，盐水室2内有高热盐水，水蒸气通过疏水透气膜3进入淡水室4；阳极室6和阴极室10，阳极室6与淡水室4之间通过透水阻气膜5连接，阳极室6与阴极室10之间通过质子交换膜8连接，阳极室6内的阳极7和阴极室10内的阴极9分别连接外接电源14。盐水室2通过盐水出水管201与提纯系统11或尾加热装置12连接，提纯系统11用于提纯盐水室2内的浓盐水，尾加热装置12用于蒸发结晶弄盐水。还包括与淡水室4内连通的电导率仪16，淡水室4上设有淡水排放口402。淡水室4外接循环水管401，循环水管401上设有淡水泵403和电导率仪16，循环水管401外有用于换热的换热系统13。阳极室6外连接有氧气收集装置602，阴极室10外连接有氢气收集装置1002。
更具体的，电解高盐水制氢系统包括一装置外壳1，盐水室2、淡水室4、阳极室6和阴极室10为依次在装置外壳1内开设出的四个腔室，在装置外壳1外对应于四个腔室的分别依次设置：盐水进水管202和盐水出水管201（分别位于盐水室2相对两端）、循环水管401（连接淡水室4相对两端）、氧气出气口601（连接阳极室6）、氢气出气口1001（连接阴极室10）。
疏水透气膜3主要用于盐水室2内的水蒸气通过进入淡水室4中（盐水室2中有高热盐水，水蒸气压比淡水室4中水蒸气压大，因此向淡水室4中移动），但阻止盐水溶液进入，则盐水室2中的离子则被截流在盐水室2内，不能进入淡水室4。具体材料可以选择包括多孔聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和聚偏氟乙烯(PVDF)中的一种或多种组合通过拉伸法、复合膜法制成。膜的孔径在0.2-0.4μm。
透水阻气膜5主要用于淡水室4中淡水透过进入阳极室6，但阻止阳极室6内氧气进入淡水室4内，避免了氧气的扩散、损失。具体材料可以选择亲水陶瓷膜，膜利用毛细冷凝原理，仅允许液体通过，防止氢气进入淡水室4。陶瓷膜孔径25-100nm。
质子交换膜8主要用于阳极室6H+离子通过进入与阴极室10，具体膜材料可以选择科慕Nafion系列膜。
阳极7为贴合覆盖于质子交换膜8阳极室6一侧的面结构，具体材料可以选择钛基流场板涂覆铂、金元素，并附铱或钌金属催化剂、气体扩散层组合而成。
阴极9为贴合覆盖于质子交换膜8阴极室10一侧的面结构，具体材料可以选择钛基流场板、表面涂铂或钯贵金属及其合金成分的催化剂和气体扩散层组合而成。
提纯系统11主要用于提纯浓盐水中的盐物质和其他有用矿物，得到丰富的锂元素及稀土元素，实现这种功能的提纯装置属于公知常识内容，且需要根据具体浓盐水中的组分进行设计，无需赘述其结构。采用尾加热装置12主要以蒸发结晶的方式处理浓盐水，例如脱硫废水中的杂盐回收等。
循环水管401上设有温度计17、pH计18和电导率仪16等，通过这些仪器，可以监测淡水室4内的淡水含盐浓度，并且当淡水含盐浓度高于设定值时控制淡水排放口402打开排出盐水降低淡水盐分，并控制换热系统13温度进而控制淡水温度。淡水室4水温维持在5-25℃。pH为6.5-8。淡水排放口402可以直接开设在循环水管401上。换热系统13可以采用例如管式换热器等，在不影响淡水纯度的情况下对淡水进行换热，例如促进水蒸气形成淡水，以及控制淡水温度。
阳极室6通过析氧反应（OER）制备的氧气通过氧气出气口601进入氧气收集装置602（如储氧罐）中被收集，阳极室6通过析氢反应（HER）制备的氢气通过氢气出气口1001进入氢气收集装置1002（如储氢罐）中被收集。从而作为储能使用。
实施例2
如图1-图4和图7所示，本发明还提供一种电厂储能系统，盐水室2上连接有盐水进水管202，电厂区的高盐水通过盐水进水管202进入盐水室2中。盐水进水管202的上游端设有缓冲箱15，缓冲箱15与提纯系统11间通过管路连接，且连接的管路上设有电导率仪16。盐水进水管202上设有预加热装置204和盐水泵203，预加热装置204和盐水泵203与电厂电力系统连接供电。外接电源14包括电厂电力系统。
具体的，当电解高盐水制氢系统用于电厂储能系统中时，可以通过在电力盈余时，例如风速快光照足的光伏风电厂，或处于低谷负载的燃煤电厂，利用其电厂电力为电解高盐水制氢系统供电制氢储能，在电力不足时释能补充电力。
例如向盐水泵203供电将风电、光伏电站附近区域的盐湖水、海水等泵入盐水室2，将燃煤电厂的脱硫废水泵入盐水室2；向预加热装置204（如电加热器）供电加热盐水至高热蒸发为水蒸气；作为阳极7和阴极9的外接电源14供电发生电解反应；向循环水管401的淡水泵403、换热系统13的换热泵1301供电供电完成淡水冷却循环；向提纯系统11供电蒸发获得结晶等。本电厂储能系统电力成本低，且盐水获得方便。
实施例3
如图1-图6所示，本发明还提供一种风电、光伏电厂储能方法，取西部某盐湖中高盐水19，其含盐量（＞3.5%）接入缓冲箱15中，废水流量为0.2t/h，经过在缓冲箱15中均质混合，进入热盐水循环系统，首先在水泵的作用下进入加热器进行加热至温度50℃，高盐热水由盐水进水管202进入盐水室2内，盐水室2中温度比淡水室4中淡水温度高,盐水室2中水蒸气压比淡水室4中水蒸气压大，则水蒸气经过疏水透气膜3，进入淡水室4。在淡水系统与外部冷却水系统在换热器处交换热量，更有利于促进这一进程。确保淡水室4冷却水温度为20-25摄氏度之间。淡水室4中淡水的电导率低于10μm/cm。淡水室4中淡水透过透水阻气膜5后进入阳极室6，在外接电源14通电的情况下，在阳极7发生析氧反应（OER）：2H2O→4H++O2+4e-，氧气由氧气出气口601排出，通过储氧罐收集。H+通过质子交换膜8进入阴极9，在阴极9发生析氢反应（HER）：4H++4e-→2H2。氢气由氢气出气口1001排出，由储氢罐收集，氢气纯度可达99.99%以上。淡水室4定期排出部分淡水，维持淡水室4水低含盐量。浓盐水定期排出，其出水含盐量大于20%。浓盐水经过提纯系统11回收的提纯产物21例如锂盐、稀土资源等。经过500小时的连续运行，从图5和图6可以可以看出淡水电导率可稳定在10μm/cm，氢气产生速率稳定在12m3/h以上，说明本系统可行具有广阔的应用前景。
实施例4
如图1-图3和图7-图9所示，本发明还提供一种燃煤电厂储能方法，取某电厂脱硫废水20，其含盐量（＞3.5%）接入缓冲箱15中，废水流量为0.2t/h，经过均质混合，进入热盐水循环系统，由于脱硫废水20排出系统时温度约为50℃，不需要将水温度再次提升，脱硫废水20由盐水进水管202进入盐水室2内，盐水室2中温度较淡水室4高，盐水室2中水蒸气压比淡水室4中水蒸气压大，则水蒸气经过疏水透气膜3，进入淡水室4。在淡水系统与外部冷却水系统在换热器处交换热量，更有利于促进这一进程。确保淡水室4冷却水温度为5-25摄氏度之间。淡水室4中淡水的电导率低于10μm/cm。淡水室4中淡水透过透水阻气膜5后进入阳极室6，在外接电源14通电的情况下，在阳极7发生析氧反应（OER）：2H2O→4H++O2+4e-氧气由氧气出气口601排出，通过储氧罐收集。H+通过质子交换膜8进入阴极9，在阴极9发生析氢反应（HER）：4H++4e-→2H2。氢气由氢气出气口1001排出，由储氢罐收集，氢气纯度可达99.99%以上。淡水室4定期排出部分淡水，维持淡水室4水低含盐量。浓盐水定期排出，其出水含盐量大于20%。经过蒸发结晶器回收的结晶产物21为杂盐。经过500小时的连续运行，从图8和图9可以可以看出淡水电导率稳定在10μm/cm，氢气产生速率稳定在12m3/h以上，说明本系统能够可靠稳定运行，能够将脱硫废水20直接电解制取氢气，实现脱硫废水资源化利用。
本装置的具体原理及使用方法请见实施例3和实施例4电厂储能方法部分，实施例3和实施例4的区别在于：
①取自风电、光伏电厂的盐湖水、海水需要预加热装置204加热，而取自燃煤电厂脱硫废水温度高无需加热；
②用于风电、光伏电厂的盐水室2连接提纯系统11提纯盐湖水、海水中的锂盐、稀土资源等，而用于燃煤电厂的盐水室2连接尾加热装置12蒸发结晶回收脱硫废水中的杂盐。
其他不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电解高盐水制氢系统，其特征在于，包括：
盐水室和淡水室，所述盐水室与所述淡水室之间通过疏水透气膜连接，所述盐水室内有高热盐水，水蒸气通过所述疏水透气膜进入所述淡水室；
阳极室和阴极室，所述阳极室与所述淡水室之间通过透水阻气膜连接，所述阳极室与所述阴极室之间通过质子交换膜连接，所述阳极室内的阳极和所述阴极室内的阴极分别连接外接电源。
2.根据权利要求1所述的电解高盐水制氢系统，其特征在于，所述盐水室通过盐水出水管与提纯系统或尾加热装置连接。
3.根据权利要求2所述的电解高盐水制氢系统，其特征在于，还包括与所述淡水室内连通的电导率仪，所述淡水室上设有淡水排放口。
4.根据权利要求3所述的电解高盐水制氢系统，其特征在于，所述淡水室外接循环水管，所述循环水管上设有淡水泵和所述电导率仪，所述循环水管外有用于换热的换热系统。
5.根据权利要求4所述的电解高盐水制氢系统，其特征在于，所述阳极室外连接有氧气收集装置，所述阴极室外连接有氢气收集装置。
6.一种包含权利要求5所述电解高盐水制氢系统的电厂储能系统，其特征在于，所述盐水室上连接有盐水进水管，电厂区的高盐水通过所述盐水进水管进入所述盐水室中。
7.根据权利要求6所述的电厂储能系统，其特征在于，所述盐水进水管的上游端设有缓冲箱，所述缓冲箱与所述提纯系统或所述尾加热装置间通过管路连接，且连接的管路上设有电导率仪。
8.根据权利要求7所述的电厂储能系统，其特征在于，所述盐水进水管上设有预加热装置和盐水泵，所述预加热装置和所述盐水泵与电厂电力系统连接供电。
9.根据权利要求8所述的电厂储能系统，其特征在于，所述外接电源包括电厂电力系统。
10.一种包含权利要求9所述的电厂储能系统的电厂储能方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，电厂电力系统在电力盈余阶段供电开启所述预加热装置和所述盐水泵，电厂区的高盐水通过所述预加热装置加热，由所述盐水进水管进入所述盐水室中；
S2，电厂电力系统供电开启所述淡水泵，所述盐水室中水蒸气压比所述淡水室中大，水蒸气经过所述疏水透气膜进入所述淡水室，由所述循环水管换热为淡水，所述淡水排放口定期排水避免盐分积累；
S3，电厂电力系统供电所述阳极，所述淡水室内淡水透过透水阻气膜进入阳极室，在阳极室内发生析氧反应，氧气存储于所述氧气收集装置内；
S4，电厂电力系统供电所述阴极，所述阳极室内离子通过所述质子交换膜进入所述阴极室，在阴极室内发生析氢反应，氢气存储于所述氢气收集装置内；
S5，电厂区的高盐水和所述盐水室内的浓盐水经所述提纯系统或所述尾加热装置回收盐。
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