利用盐差能直接产氢的设备及其使用方法技术

本发明专利技术提供一种利用盐差能直接产氢的设备及其使用方法。具体地，所述利用盐差能直接产氢的设备包括反向电渗析装置、阳极液贮存罐、阴极液贮存罐、浓溶液贮存罐和淡溶液贮存罐。根据本发明专利技术的技术方案，在不外加电源情况下，利用不同浓度盐溶液的势能差，在反向电渗析装置两侧的阳极室和阴极室里分别采用碱性电解质和酸性电解质，直接在反向电渗析装置的电极上发生水解半反应产生氢气和氧气，并通过气液分离系统在线分离气体。该设备及其使用方法不仅能降低水解制氢能耗，提高电极稳定性，且工艺简单，无需外加能源、无污染，产氢效率高。

Equipment for producing hydrogen directly by salt difference and its using method

The present invention provides a device for direct hydrogen production by using salt difference and its using method. Specifically, the equipment for producing hydrogen directly by salt difference includes reverse electrodialysis device, anode liquid storage tank, cathode liquid storage tank, concentrated solution storage tank and dilute solution storage tank. According to the technical scheme of the invention, without external power supply conditions, using different concentration of salt solution potential difference in the anode chamber, reverse electrodialysis device on both sides of the room and the cathode respectively by alkaline electrolyte and electrolyte, electrode occurs hydrolysis in the reverse electrodialysis device directly on the half reaction to produce hydrogen and oxygen, and the gas-liquid separation system on-line gas separation. The equipment and its application method can not only reduce the energy consumption of hydrolysis hydrogen production, improve the electrode stability, and the process is simple, without additional energy, no pollution, high hydrogen production efficiency.

【技术实现步骤摘要】
利用盐差能直接产氢的设备及其使用方法
本专利技术属于氢气能源
，具体涉及一种利用盐差能为直接推动力，通过反向电渗析直接产氢的设备及其使用方法。
技术介绍
随着世界经济的发展，石油、天然气、煤炭等传统化石能源正面临即将枯竭的困境，而且因燃烧化石能源导致的全球变暖和空气污染问题亦日益严重，研究并开发新型的可再生能源是解决能源与环境危机的一个重要手段。研究证明风能、太阳能、潮汐能、盐差能和氢能等可再生能源可以替代传统化石燃料，其中氢能由于其易储存、能量密度高、来源广泛、且燃烧产物为水，对环境无污染，被认为是最有潜力的能源之一。然而，目前化工中所使用的氢气大多是产自诸如天然气、石油和煤等化石燃料的气化裂解，例如甲烷的重整，这些方法仍然导致二氧化碳的排放及空气污染。而利用电解水的方法可以生产高纯氢，但低的能量效率和不断增加的电力价格阻碍了此工艺的发展。同时，由于电解过程中的电能很大一部分来源于化石燃料的燃烧，这也一定程度上制约了其应用优势。将可再生能源产生的电能应用于电解制氢过程，可以避免以上的弊端。另外由于大多的可再生能源受到气候环境、季节以及地理位置的影响，无法直接并入电网应用，通常需要转化为其它能量形式，或者利用液流电池将电能转化贮存，这在一定程度上增加了投资成本，降低了过程的可行性。例如，大多数盐差能均用于产电，反向电渗析(RED)是将盐差能(由浓度差而产生的化学能)进行能量转化的主要方法之一，其转化效率约为10％，然而，由于存在地区差异性，以及季节不稳定性，使其产生的电并入电网较为困难，因此，将反向电渗析产生的电能转化为其他能源，才能解决储存运输的问题。由此，对将盐差能转化为电能再通过电解水产生高效环保的氢能存在增长和更新的兴趣和需求。若采用常规的反向电渗析装置产生电能，作为能量来源驱动常规的电解槽制备氢气，会有以下问题：(1)两套装置均需在两侧存在一对电极，并发生电化学反应，能量消耗大；(2)水电解槽在阴极和阳极之间仅有一张隔膜，在隔膜两侧电极上产生的氢气和氧气会穿过隔膜发生混合；(3)常规水电解槽中，标准电极电位E0＝1.229V，水解能耗高，并且电解质在阴极室和阳极室中均相同，对于金属电极的选择很苛刻。鉴于此，开发一种利用盐差能为直接推动力，采用反向电渗析来制备氢气的新方法具有重要的意义。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种利用盐差能直接产氢并在线分离的系统及其工艺。本专利技术利用反向电渗析装置，在反向电渗析装置两侧的阴极室和阳极室通入合适的酸性电解质和碱性电解质，直接在反向电渗析装置的电极上发生水解半反应，产生氢气和氧气，与常规水电解槽标准电极电位E0＝1.229V相比，标准电极电位E0降低为0.4V。同时，通过不同的电极环境，允许分开的两个水解半反应的催化剂/电解质配对的独立优化，消除了析氧催化剂在酸环境中不稳定及析氢催化剂在碱环境中不稳定的弊端。值得注意的是，在反向电渗析两侧电极之间间隔有重复排列的阴离子交换膜和阳离子交换膜，避免了电解液的相互渗透，同时阻碍了气体产物间的混合，提高了氢气产品的纯度。因此，本专利技术中所述的利用反向电渗析为手段，结合气体在线检测与分离系统，利用盐差能来直接制备新型氢能源的方法能降低电解过程中的水解电压，减少能耗，提高电极稳定性，且工艺简单，无需外加能源、无污染，产氢效率高。根据本专利技术的一个方面，提供了一种利用盐差能直接产氢的设备，所述设备包括：反向电渗析装置，所述反向电渗析装置包括阳极板、阴极板以及设置在所述阳极板和阴极板之间的依次交替叠置的两个以上阳离子交换膜和两个以上阴离子交换膜，其中所述阳离子交换膜的数量与所述阴离子交换膜的数量相等；所述阳极板与所述依次交替叠置的两个以上阳离子交换膜和两个以上阴离子交换膜一端的阳离子交换膜之间的空间构成阳极室；所述阴极板与所述依次交替叠置的两个以上阳离子交换膜和两个以上阴离子交换膜另一端的阴离子交换膜之间的空间构成阴极室；所述阳极室具有位于下端的阳极室入口和位于上端的阳极室出口，并且所述阴极室具有位于下端的阴极室入口和位于上端的阴极室出口；所述依次交替叠置的两个以上阳离子交换膜和两个以上阴离子交换膜中的每对相邻的阳离子交换膜和阴离子交换膜之间的空间构成依次交替设置的n个浓溶液室和n+1个淡溶液室，其中n大于或等于1；所述阳极室与所述依次交替设置的n个浓溶液室和n+1个淡溶液室一端的淡溶液室相邻，并且所述阴极室与依次交替设置的n个浓溶液室和n+1个淡溶液室另一端的淡溶液室相邻；所述n个浓溶液室中的每一个具有位于下端的浓溶液室入口和位于上端的浓溶液室出口，并且所述n+1个淡溶液室中的每一个具有位于下端的淡溶液室入口和位于上端的淡溶液室出口；阳极液贮存罐，所述阳极液贮存罐具有氧气出口并且与所述阳极室入口和所述阳极室出口流体连通；阴极液贮存罐，所述阴极液贮存罐具有氢气出口并且与所述阴极室入口和所述阴极室出口流体连通；浓溶液贮存罐，所述浓溶液贮存罐与所述n个浓溶液室中的每一个的浓溶液室入口流体连通；和淡溶液贮存罐，所述淡溶液贮存罐与所述n+1个淡溶液室中的每一个的淡溶液室入口流体连通。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种利用如上所述的利用盐差能直接产氢的设备生产氢气的方法，所述方法包括下列步骤：1)使得所述阳极液贮存罐中的碱液经由所述阳极室入口和所述阳极室出口而在所述阳极液贮存罐和所述阳极室之间循环；2)使得所述阴极液贮存罐中的酸液经由所述阴极室入口和所述阴极室出口而在所述阴极液贮存罐和所述阴极室之间循环；3)将所述浓溶液贮存罐中的浓溶液和所述淡溶液贮存罐中的淡溶液分别引入到所述浓溶液室和所述淡溶液室，其中所述浓溶液和所述淡溶液均为强电解质的水溶液，所述浓溶液的强电解质浓度为0.5摩/升以上，所述淡溶液的强电解质浓度为0.01摩/升以上，并且所述浓溶液的强电解质浓度大于所述淡溶液的强电解质浓度；和4)将所述阳极板和所述阴极板之间电连接。与现有技术相比，本专利技术提供的利用盐差能直接产氢的设备，结合气体在线检测与分离系统，利用盐差能来直接制备新型氢能源的方法，在不外加电源情况下，利用不同浓度盐溶液的势能差，在反向电渗析装置两侧的阳极室和阴极室里分别采用碱性电解质和酸性电解质，直接在反向电渗析装置的电极上发生水解半反应产生氢气和氧气，该系统及其工艺不仅能降低水解制氢能耗，提高电极稳定性，且工艺简单，无需外加能源、无污染，产氢效率高。附图说明图1为根据本专利技术的一个实施方案的利用盐差能直接产氢的设备的结构示意图；图2为本专利技术提供的利用盐差能直接产氢的设备的工作原理图；图3为根据实施例1、2、3和4的利用盐差能直接产氢过程中的电流变化图；和图4为根据实施例1、2、3和4的利用盐差能直接产氢过程中的氢气产量变化图。附图标记说明：1：利用盐差能直接产氢的设备；2：反向电渗析装置；3.阳极板；4：阴极板；5：阳离子交换膜；6：阴离子交换膜；7：阳极室；8：阴极室；9：阳极室入口；10：阳极室出口；11：阴极室入口；12：阴极室出口；13：浓溶液室；14：淡溶液室；15：浓溶液室入口；16：浓溶液室出口；17：淡溶液室入口；18：淡溶液室出口；19：阳极液贮存罐；20：氧气出口；21：阴极液贮存罐；22：氢气出口；23：浓溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用盐差能直接产氢的设备，所述设备包括：反向电渗析装置，所述反向电渗析装置包括阳极板、阴极板以及设置在所述阳极板和阴极板之间的依次交替叠置的两个以上阳离子交换膜和两个以上阴离子交换膜，其中所述阳离子交换膜的数量与所述阴离子交换膜的数量相等；所述阳极板与所述依次交替叠置的两个以上阳离子交换膜和两个以上阴离子交换膜一端的阳离子交换膜之间的空间构成阳极室；所述阴极板与所述依次交替叠置的两个以上阳离子交换膜和两个以上阴离子交换膜另一端的阴离子交换膜之间的空间构成阴极室；所述阳极室具有位于下端的阳极室入口和位于上端的阳极室出口，并且所述阴极室具有位于下端的阴极室入口和位于上端的阴极室出口；所述依次交替叠置的两个以上阳离子交换膜和两个以上阴离子交换膜中的每对相邻的阳离子交换膜和阴离子交换膜之间的空间构成依次交替设置的n个浓溶液室和n+1个淡溶液室，其中n大于或等于1；所述阳极室与所述依次交替设置的n个浓溶液室和n+1个淡溶液室一端的淡溶液室相邻，并且所述阴极室与依次交替设置的n个浓溶液室和n+1个淡溶液室另一端的淡溶液室相邻；所述n个浓溶液室中的每一个具有位于下端的浓溶液室入口和位于上端的浓溶液室出口，并且所述n+1个淡溶液室中的每一个具有位于下端的淡溶液室入口和位于上端的淡溶液室出口；阳极液贮存罐，所述阳极液贮存罐具有氧气出口并且与所述阳极室入口和所述阳极室出口流体连通；阴极液贮存罐，所述阴极液贮存罐具有氢气出口并且与所述阴极室入口和所述阴极室出口流体连通；浓溶液贮存罐，所述浓溶液贮存罐与所述n个浓溶液室中的每一个的浓溶液室入口流体连通；和淡溶液贮存罐，所述淡溶液贮存罐与所述n+1个淡溶液室中的每一个的淡溶液室入口流体连通。...

【技术特征摘要】
1.一种利用盐差能直接产氢的设备，所述设备包括：反向电渗析装置，所述反向电渗析装置包括阳极板、阴极板以及设置在所述阳极板和阴极板之间的依次交替叠置的两个以上阳离子交换膜和两个以上阴离子交换膜，其中所述阳离子交换膜的数量与所述阴离子交换膜的数量相等；所述阳极板与所述依次交替叠置的两个以上阳离子交换膜和两个以上阴离子交换膜一端的阳离子交换膜之间的空间构成阳极室；所述阴极板与所述依次交替叠置的两个以上阳离子交换膜和两个以上阴离子交换膜另一端的阴离子交换膜之间的空间构成阴极室；所述阳极室具有位于下端的阳极室入口和位于上端的阳极室出口，并且所述阴极室具有位于下端的阴极室入口和位于上端的阴极室出口；所述依次交替叠置的两个以上阳离子交换膜和两个以上阴离子交换膜中的每对相邻的阳离子交换膜和阴离子交换膜之间的空间构成依次交替设置的n个浓溶液室和n+1个淡溶液室，其中n大于或等于1；所述阳极室与所述依次交替设置的n个浓溶液室和n+1个淡溶液室一端的淡溶液室相邻，并且所述阴极室与依次交替设置的n个浓溶液室和n+1个淡溶液室另一端的淡溶液室相邻；所述n个浓溶液室中的每一个具有位于下端的浓溶液室入口和位于上端的浓溶液室出口，并且所述n+1个淡溶液室中的每一个具有位于下端的淡溶液室入口和位于上端的淡溶液室出口；阳极液贮存罐，所述阳极液贮存罐具有氧气出口并且与所述阳极室入口和所述阳极室出口流体连通；阴极液贮存罐，所述阴极液贮存罐具有氢气出口并且与所述阴极室入口和所述阴极室出口流体连通；浓溶液贮存罐，所述浓溶液贮存罐与所述n个浓溶液室中的每一个的浓溶液室入口流体连通；和淡溶液贮存罐，所述淡溶液贮存罐与所述n+1个淡溶液室中的每一个的淡溶液室入口流体连通。2.根据权利要求1所述的利用盐差能直接产氢的设备，其中所述阳极室由密封垫片密封，并且在所述阳极板和所述依次交替叠置的两个以上阳离子交换膜和两个以上阴离子交换膜一端的阳离子交换膜之间设置有流道网格。3.根据权利要求1所述的利用盐差能直接产氢的设备，其中所述阴极室由密封垫片密封，并且在所述阴极板与所述依次交替叠置的两个以上阳离子交换膜和两个以上阴离子交换膜另一端的阴离子交换膜之间设置有流道网格。4.根据权利要求1所述的利用盐差能直接产氢的设备，其中所述n个浓溶液室和所述n+1个淡溶液室中的每一个由密封垫片密封，并且在所述依次交替叠置的两个以上阳离子交换膜和两个以上阴离子交换膜中的每对相邻的阳离子交换膜和阴离子交换膜之间设置有流道网格。5.根据权利要求1所述的利用盐差能直接产氢的设备，其中所述阴极液贮存罐的所述氢气出口和/或所述阳极液贮存罐的所述氧气出口与气体在线检测与分离装置连接。6.根据权利要求5所述的利用盐差能直接产氢的设备，其中所述气体在...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐铜文，陈霞，蒋晨啸，王秋月，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34