CN212560461U - 基于海水的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于海水的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统。所述系统包括海水制氯化钠系统、电解池系统、电池系统和二氧化碳供应系统；富含氯化钠的海水输入海水制氯化钠系统中，经处理后的固体氯化钠输入电极池系统中进行电解；电解池系统电解产生的金属钠输入至电池系统中，作为电池系统的负极材料；电解池系统电解产生的氯气排放；二氧化碳供应系统向电池系统的正极室内通入富含二氧化碳的气体，电池系统的正极室产生氢气；电力供应系统向电池系统供电。本实用新型采用电化学的手段设计二氧化碳分解制氢发电系统，以海水和二氧化碳为原料，利用风力发电、太阳能发电、潮汐能发电等可再生能源发电或余的电力，连续生产电能、氯气和氢气。

Description

基于海水的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于海水的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统。

背景技术

二氧化碳是全球变暖的元凶之一。因为二氧化碳具有保温的作用，会逐渐使地球表面温度升高。近100年，全球气温升高0.6℃，照这样下去，预计到21世纪中叶，全球气温将升高1.5-4.5℃。由温室效应所引起的海平面升高，也会对人类的生存环境产生巨大的影响。两极海洋的冰块也将全部融化。所有这些变化对野生动物而言无异于灭顶之灾。截至2013年5月，地球大气层中的二氧化碳浓度已超过400ppm(百万分之400)。2000至2009年间的浓度增长率为每年2.0ppm，且逐年加速。目前的浓度比工业化之前的280ppm浓度高得多，而人为因素是导致二氧化碳浓度急剧上升的主要原因。释放出的二氧化碳中，57％进入大气层，其余的则进入海洋，造成海洋酸化。我国于2006年超越美国成为全球最大的碳排放国，2013年的人均排放二氧化碳7.2吨，超过欧盟的6.8吨，碳排放占全球总排放的28％，已经超过欧盟(14％)和美国(10％)的总和。我国政府高度重视碳排放问题，要求强有力的碳排放控制目标，力争实现到2020年，在2005年的基础上，二氧化碳排放的强度下降40％到45％的上限目标。

现有电网系统难以满足可再生能源大规模并网消纳的要求，电网约束导致部分地区弃风、弃水、弃光问题严重。2018年弃水电量约691亿千瓦时，弃风电量约277亿千瓦时，弃光电量约54.9亿千瓦时。此外，“以气代煤”和“以电代煤”等替代成本高，清洁能源在全国范围内优化配置受阻，“重建设、轻利用”的情况较为突出，供给与需求不平衡、不协调，可再生能源占一次能源消费的比重与先进国家相比仍较低。

在目前已知的所有能源中，氢能是最为清洁能源，氢气使用过程中产物是水，可以真正做到零排放，无污染，被看作是最具应用前景的能源之一，也被一些人成为“能源使用的终极形式”。光伏，风电，水力转化出来的电能作为一种看不见摸不着的能量媒介是很脆弱的，电能的存储和运输相比实实在在的化石燃料更加难以实现。将不可控制的电能，转化为一种像化石燃料一样易于存储和运输的化学能量载体，就成为了一个迫切的需求。氢能源被看作是一条最佳的出路，氢能源可以通过太阳能和风能等可再生能源制造，使用时也不生成二氧化碳。只要解决了存储条件和运输的技术难点，氢能可以很方便而高效地转换为热能或电能。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于海水的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统，采用电化学的手段设计二氧化碳分解制氢发电系统，以海水和二氧化碳为原料，利用风力发电、太阳能发电、潮汐能发电、水力发电等可再生能源发电或余的电力，连续生产电能、氯气和氢气。

本实用新型所提供的基于海水的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统，包括海水制氯化钠系统、电解池系统、电池系统和二氧化碳供应系统；

富含氯化钠的海水输入至所述海水制氯化钠系统中，经所述海水制氯化钠系统处理后的固体氯化钠输入至所述电极池系统中进行电解；

所述电解池系统电解产生的金属钠输入至所述电池系统中，作为所述电池系统的负极材料；所述电解池系统电解产生的氯气排放；

所述二氧化碳供应系统向所述电池系统的正极室内通入富含二氧化碳的气体，所述电池系统的正极室产生氢气；

所述电力供应系统向所述电池系统供电。

其中，所述电池系统采用的正极材料可为贵金属/碳，如Pt/碳或Pd/碳等；

所述电池系统的正极室内的导电介质为水或净化后的海水，负极室内的导电介质为非水基导电有机溶液，具体包括但不限于钠的醇醚磺酸盐溶液；

负极(金属钠)浸在所述非水基导电有机溶液中，正极(贵金属/碳)浸在所述水溶液或净化后的海水中；

所述正极室和所述负极室通过一具有选择性的导电隔离板分隔，所述导电隔离板只允许钠离子从所述负极室进入所述正极室中，非水基导电有机溶液分子以及水溶液中其他离子、分子均不能通过所述导电隔离板。

所述电池系统产生氢气的过程如下：所述二氧化碳供应系统向所述电池系统的正极室内通入富含二氧化碳的气体，二氧化碳在水溶液中溶解达到溶解平衡(CO₂+H₂O)分解为H⁺和HCO₃ ^-。来自正极的电子进入水溶液中，电子与H⁺离子在催化剂处结合，生成氢原子进而生成氢气分子，从电池溶液中分离出来。在该电池系统中随着负极金属钠的消耗，二氧化碳通入不断得到溶解，并得到氢气。

其中，所述电池系统向所述电解池系统供电，用于熔融氯化钠的电解。

其中，所述海水制氯化钠系统包括依次连接的脱除杂质的净化系统、氯化钠提纯系统和干燥系统；

所述氯化钠提纯系统通过物理或化学法提高氯化钠纯度；

所述干燥系统用于脱除氯化钠的水分；

经所述海水制氯化钠系统处理后氯化钠的质量分数大于70％。

其中，所述电力供应系统的电力来源于剩余电力或可再生能源发电；

所述电力供应系统具有整合电力输入和调配电力输出的功能；

所述剩余电力包括但不限于化石能源发电、核电和可再生能源发电；

所述可再生能源发电包括但不限于风力发电、太阳能发电、潮汐能发电和水力发电。

其中，所述富含二氧化碳的气体为工业捕集的二氧化碳、富碳天然气或其他富含二氧化碳的气体。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本系统以海水和二氧化碳为原料，利用风力、太阳能、潮汐能、水力发电等可再生能源发电或剩余的电力，连续生产电能、氯气和氢气；过剩的电力储存难度大，通过本实用新型能够实现电能转化为化学能，有利于储存和利用，同时解决碳排放问题。

2、本实用新型设置海水制氯化钠系统，充分利用富含氯化钠的海水为原料，经净化、提纯和干燥后制得较纯净氯化钠固体，海水资源丰富，为海水的利用提供了新的思路。

3、本实用新型由于设置有电力供应系统，电解池系统所需的电力一方面充分利用可再生能源发电或剩余电力，另一方面也可利用本系统中电池系统产生的电能，实现了能量循环利用并提高了工艺系统能量利用率。

4、本实用新型电池系统具有导电介质独特设计，导电介质由两种独立的溶液组成，分别为非水基导电有机溶液和水溶液(或净化后的海水)，两种导电介质由一块只允许钠离子(Na⁺)通过选择性的导电隔离板分开。

5、本实用新型电池系统正极是由(包括但不限于)贵金属(Pt，Pd等)/碳组成的复合电极材料，能够高效导电的同时催化氢离子(H⁺)得到电子最终生成氢气。

附图说明

图1为本实用新型基于海水的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统的示意图。

图中各标记如下：

1海水制氯化钠系统、2电解池系统、3电池系统、4二氧化碳供应系统、5电力供应系统。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明，但本实用新型并不局限于以下实施例。

如图1所示，本实用新型所提供的基于海水的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统包括海水制氯化钠系统1、电解池系统2、电池系统3和二氧化碳供应系统4。

其中，富含氯化钠的海水输入至海水制氯化钠系统1中，经海水制氯化钠系统1处理后的固体氯化钠输入至电极池系统2中进行电解。海水制氯化钠系统1包括依次连接的脱除杂质的净化系统、氯化钠提纯系统和干燥系统，氯化钠提纯系统通过物理或化学法提高氯化钠纯度，干燥系统用于脱除氯化钠的水分，经海水制氯化钠系统处理后氯化钠的质量分数大于70％。

电解池系统2电解产生的金属钠输入至电池系统3中，作为电池系统3的负极材料，电解池系统2电解产生的氯气排放；电池系统3向电解池系统2供电，用于熔融氯化钠的电解。

二氧化碳供应系统4向电池系统3的正极室内通入富含二氧化碳的气体，电力供应系统5向电池系统3供电，电池系统3采用的正极材料可为贵金属/碳，如Pt/碳或Pd/碳等，正极室内的导电介质为水或净化后的海水，负极室内的导电介质为非水基导电有机溶液，具体可为钠的醇醚磺酸盐溶液；负极(金属钠)浸在非水基导电有机溶液中，正极(贵金属/碳)浸在水溶液或净化后的海水中，正极室和负极室通过一种具有选择性的导电隔离板分隔，导电隔离板只允许钠离子从负极室进入正极室中，非水基导电有机溶液分子以及水溶液中其他离子、分子均不能通过所述导电隔离板。电池系统的正极室产生氢气。

本实用新型中，电力供应系统5的电力来源于剩余电力或可再生能源发电，电力供应系统5具有整合电力输入和调配电力输出的功能；剩余电力包括但不限于化石能源发电、核电和可再生能源发电；可再生能源发电包括但不限于风力发电、太阳能发电、潮汐能发电和水力发电；富含二氧化碳的气体为工业捕集的二氧化碳、富碳天然气或其他富含二氧化碳的气体。

本实用新型基于海水的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统的工作过程如下：

以海水(或富含氯化钠的水源)为原料，进入海水制氯化钠系统1，首先将海水经净化(主要脱除固体杂质、含硫杂质等)、提纯(通过物理或化学法提高氯化钠纯度)和干燥(脱除氯化钠的水分)后制得较纯净氯化钠固体(氯化钠质量分数要求的大于70％)进入电解熔融氯化钠系统。外部电力如风力发电、太阳能发电、潮汐能发电、水力发电等可再生能源发电或剩余电力，以及本系统中电池系统3产生的内部电力，经电力供应系统5的整合和调节，为电解池提供电力。在电解池系统2，熔融氯化钠电解制备金属钠和氯气，金属钠从系统分离后用于电池系统的负极材料，电解产生的氯气作为产品从电解池中分离出来。

在电池系统3中，负极金属钠在非水基导电有机溶液中失去电子生成钠离子(Na⁺)，钠离子(Na⁺)从非水基导电有机溶液进入水溶液中实现电路连通；在正极侧导电溶液底部通入富含二氧化碳的气体，二氧化碳在水溶液中溶解达到溶解平衡(CO₂+H₂O)分解为H⁺和HCO^3-。来自电池正极的电子进入水溶液中，电子与H⁺离子在催化剂结合，生成氢原子进而生成氢气分子，从电池溶液中分离出来。在本实用新型电池系统3中随着负极金属钠的消耗，二氧化碳通入不断得到溶解，并得到氢气，同时本实用新型中电池系统3可以向电解系统供电，用于熔融氯化钠的电解。

Claims (7)

1.一种基于海水的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统，包括海水制氯化钠系统、电解池系统、电池系统和二氧化碳供应系统；其特征在于：

富含氯化钠的海水输入至所述海水制氯化钠系统中，经所述海水制氯化钠系统处理后的固体氯化钠输入至所述电解池系统中进行电解；

所述电解池系统电解产生的金属钠输入至所述电池系统中，作为所述电池系统的负极材料；所述电解池系统电解产生的氯气排放；

所述二氧化碳供应系统向所述电池系统的正极室内通入富含二氧化碳的气体，所述电池系统的正极室产生氢气；

电力供应系统向所述电池系统供电。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统，其特征在于：所述电池系统采用的正极材料为贵金属/碳；

所述电池系统的正极室内的导电介质为水或净化后的海水，负极室内的导电介质为非水基导电有机溶液；

所述正极室和所述负极室通过具有选择性的导电隔离板分隔，所述导电隔离板只允许钠离子从所述负极室进入所述正极室中。

3.根据权利要求1或2所述的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统，其特征在于：所述电池系统向所述电解池系统供电。

4.根据权利要求3所述的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统，其特征在于：所述海水制氯化钠系统包括依次连接的脱除杂质的净化系统、氯化钠提纯系统和干燥系统。

5.根据权利要求4所述的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统，其特征在于：所述电力供应系统的电力来源于剩余电力或可再生能源发电；

所述电力供应系统具有整合电力输入和调配电力输出的功能。

6.根据权利要求5所述的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统，其特征在于：所述剩余电力包括化石能源发电、核电和可再生能源发电；

所述可再生能源发电包括风力发电、太阳能发电、潮汐能发电和水力发电。

7.根据权利要求6所述的二氧化碳分解制氢发电新型综合系统，其特征在于：所述富含二氧化碳的气体为工业捕集的二氧化碳或富碳天然气。

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