二氧化碳热再生循环的中低温地热发电系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种二氧化碳热再生循环的中低温地热发电系统及方法，属于地热发电领域，包括：热电化学电池系统、负载、CO2解吸罐、CO2缓冲罐和换热冷却塔，热电化学电池系统包括电池负极气体室、负极、负极区、阳离子交换膜、正极区、正极、电池正极气体室和负极流体循环泵。本发明专利技术可以实现中低温地热能高性能、长效稳定和连续发电。效稳定和连续发电。效稳定和连续发电。

【技术实现步骤摘要】
二氧化碳热再生循环的中低温地热发电系统及方法


[0001]本专利技术涉及地热发电领域，更为具体的，涉及一种二氧化碳热再生循环的中低温地热发电系统及方法。

技术介绍

[0002]地热能储量丰富、清洁环保。据统计，我国地热能年可利用总量约3.8
×
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TJ，折合约1.25万亿吨标准煤。然而，当前我国地热资源主要以低品位(＜150℃)的中低温地热资源为主，主要用于工业、供暖等热能的直接利用，能量利用率低，难以大规模应用，严重滞缓了我国地热资源的开发进度。尤其是中低温地热发电技术，普遍面临着功率低、能效低、寿命低、成本高的技术瓶颈。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种二氧化碳热再生循环的中低温地热发电系统及方法，可以实现中低温地热能高性能、长效稳定、连续发电等。
[0004]本专利技术的目的是通过以下方案实现的：
[0005]一种二氧化碳热再生循环的中低温地热发电系统，包括热电化学电池系统、负载、CO2解吸罐、CO2缓冲罐和换热冷却塔；所述热电化学电池系统包括电池负极气体室、负极、负极区、阳离子交换膜、正极区、正极、电池正极气体室和负极流体循环泵；所述负载与热电化学电池系统的负极和正极相连接，用于接收并检测电池输出的电能；所述热电化学电池系统的负极区和正极区通过设置的阳离子交换膜分隔，基于CO2化学循环反应，利用热驱动CO2在碱性吸收剂中的吸收和解吸溶解平衡，从而在系统正、负两极形成质子浓差电势，并利用质子载体作为电极氧化还原反应物，分别在电池两极构建氧化还原反应，从而实现热能转化为电能输出；在所述正极区的出口，反应后的正极液输送至所述CO2解吸罐中，通过中低温地热能在CO2解吸罐中加热混合液释放CO2并再生碱性吸收剂，加热后的电解液在所述换热冷却塔降温后，被运送至负极区3，释放的CO2运送至CO2缓冲罐中短暂储存，后续通入正极，用于正极液的酸化降低pH值；通过质子载体循环反应、热再生循环和流体泵送循环，实现将热能转化为电能稳定输出。
[0006]进一步地，所述基于CO2化学循环反应，利用热驱动CO2在碱性吸收剂中的吸收和解吸溶解平衡从而在系统正、负两极形成质子浓差电势，并利用质子载体作为电极氧化还原反应物，分别在电池两极构建氧化还原反应，从而实现热能转化为电能输出，具体包括：所述电池负极气体室与电池正极气体室流道相连实现电池的氢气循环体系；在反应过程中，所述正极上发生析氢反应分解水产生H2，气体通过单向管道输送至负极区，在负极上发生电化学氢气氧化反应，H2失电子生成H
+
；所述负极区和正极区通过阳离子交换膜分隔，在负极上发生电化学氢气氧化反应，H2失电子生成H
+
，使负极区的碱度降低；在电场的作用下，负极区的阳离子通过阳离子交换膜达到正极区，反应后的负极液通过负极流体循环泵运送至正极区，为正极提供反应原料，反应方程式如下：
[0007]负极反应：H2→
2H
+
+2e
‑
[0008]负极区反应：2H
+
+2CO
32
‑
→
2HCO3‑
[0009]所述正极为析氢电极，发生电化学还原反应分解水产生H2和OH
‑
，从而使正极液碱度增加并用于吸收CO2生成碳酸氢盐溶液，反应方程式如下：
[0010]正极反应：2H2O+2e
‑
→
H2+2OH
‑
[0011]正极区反应：2OH
‑
+2CO2→
2HCO3‑
。
[0012]进一步地，在所述CO2解吸罐10中涉及CO2解吸反应方程式：2HCO3‑
→
CO
32
‑
+H2O+CO2↑
。
[0013]进一步地，所述负极和正极均采用同种碱性CO2吸收剂作为电解液。
[0014]进一步地，所述阳离子交换膜的作用包括：采用阳离子交换膜分隔电池的正、负两极区，既能保持在放电过程中阳离子从负极区迁移至正极区以维持系统电荷平衡，又能分隔正、负两极溶液，确保定向的pH梯度，避免正负极溶液共混造成的放电损失。
[0015]进一步地，所述热电化学电池系统与热再生CO2模块在空间上分隔，并通过流体输送机构连接，且热源只作用于热再生CO2模块中CO2的气液分离。
[0016]进一步地，所述质子载体包括H2或质电耦合剂。
[0017]进一步地，正负极电解液包含溶剂、CO2碱性吸收剂与支撑电解质；所述溶剂包括水和有机溶剂；所述CO2碱性吸收剂为溶液提供碱性环境，并在吸收CO2后，溶液通过加热使CO2重新解吸释放并实现吸收剂的再生；所述支撑电解质为电池系统提供高的离子电导率，包括盐类支撑电解质或离子液体。
[0018]进一步地，还包括二氧化碳捕捉封存装置，通过二氧化碳捕捉封存装置匹配不同浓度的CO2，来实现地热能协同CO2捕集并输出电能。
[0019]一种二氧化碳热再生循环的中低温地热发电系统的发电方法，搭建如上任一项所述的二氧化碳热再生循环的中低温地热发电系统，且执行如下步骤：
[0020]放电前，在正负极均加入碱性吸收剂，同时在负极投放强电解质，并在正极通入CO2与碱性吸收剂反应，使正极液pH降低，从而与负极产生pH差，通过导线构建外部电子回路实现对外放电；
[0021]放电过程中，正极液的pH随着放电反应的进行而不断升高，用于吸收CO2并在吸收后保持在近乎恒定的低pH环境，负极液的pH随着放电反应的进行而不断降低，当正负两极pH平衡时，理论电压为0，放电停止；
[0022]放电结束后，负极液被泵送至正极区，而正极液则送至热再生系统，通过中低温地热能驱动加热电解液释放CO2并再生碱性吸收剂；其中，加热后的电解液通过换热降温后被重新运送至发电模块的负极区；再生释放的CO2通入正极，用于正极液的酸化降低pH值；从而与负极构建新的
△
pH使系统恢复到放电前，以完成循环；通过改变CO2吸收剂种类以匹配不同的热源环境。
[0023]本专利技术的有益效果包括：
[0024]本专利技术系统能实现中低温地热能高性能、长效稳定、连续发电。并且系统内以CO2作为循环介质，实现了CO2的利用。此外，该系统还可以通过匹配不同进口浓度的CO2，来实现地热能协同CO2捕集并输出电能的新模式。该系统避免了传统地热发电“热能
‑
机械能
‑
电能”模式的低效二次转化，同时避免了以热电材料为基础的热伏发电技术中材料电导率、热
导率、塞贝克系数强耦合，难独立调控的问题。
[0025]本专利技术技术方案中，系统的热导率、电导率和塞贝克系数相互解耦，因此可通过独立调节溶剂体系、电解质等来实现热电系统性能的综合提升，因此在中低温地热发电功率及能效上更具潜力。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二氧化碳热再生循环的中低温地热发电系统，其特征在于，包括热电化学电池系统(8)、负载(9)、CO2解吸罐(10)、CO2缓冲罐(11)和换热冷却塔(12)；所述热电化学电池系统(8)包括电池负极气体室(1)、负极(2)、负极区(3)、阳离子交换膜(4)、正极区(5)、正极(6)、电池正极气体室(7)和负极流体循环泵(13)；所述负载(9)与热电化学电池系统(8)的负极(2)和正极(6)相连接，用于接收并检测电池输出的电能；所述热电化学电池系统(8)的负极区(3)和正极区(5)通过设置的阳离子交换膜(4)分隔，基于CO2化学循环反应，利用热驱动CO2在碱性吸收剂中的吸收和解吸溶解平衡，从而在系统正、负两极形成质子浓差电势，并利用质子载体作为电极氧化还原反应物，分别在电池两极构建氧化还原反应，从而实现热能转化为电能输出；在所述正极区(5)的出口，反应后的正极液输送至所述CO2解吸罐(10)中，通过中低温地热能在CO2解吸罐(10)中加热混合液释放CO2并再生碱性吸收剂，加热后的电解液在所述换热冷却塔(12)降温后，被运送至负极区(3)，释放的CO2运送至CO2缓冲罐(11)中短暂储存，后续通入正极(6)，用于正极液的酸化降低pH值；通过质子载体循环反应、热再生循环和流体泵送循环，实现将热能转化为电能稳定输出。2.根据权利要求1所述的二氧化碳热再生循环的中低温地热发电系统，其特征在于，所述基于CO2化学循环反应，利用热驱动CO2在碱性吸收剂中的吸收和解吸溶解平衡从而在系统正、负两极形成质子浓差电势，并利用质子载体作为电极氧化还原反应物，分别在电池两极构建氧化还原反应，从而实现热能转化为电能输出，具体包括：所述电池负极气体室(1)与电池正极气体室(7)流道相连实现电池的氢气循环体系；在反应过程中，所述正极(6)上发生析氢反应分解水产生H2，气体通过单向管道输送至负极区(3)，在负极(2)上发生电化学氢气氧化反应，H2失电子生成H
+
；所述负极区(3)和正极区(5)通过阳离子交换膜(4)分隔，在负极(2)上发生电化学氢气氧化反应，H2失电子生成H
+
，使负极区(3)的碱度降低；在电场的作用下，负极区(3)的阳离子通过阳离子交换膜(4)达到正极区(5)，反应后的负极液通过负极流体循环泵(13)运送至正极区，为正极提供反应原料，反应方程式如下：负极反应：H2→
2H
+
+2e
‑
负极区反应：2H
+
+2CO
32
‑
→
2HCO3‑
所述正极(6)为析氢电极，发生电化学还原反应分解水产生H2和OH
‑
，从而使正极液碱度增加并用于吸收CO2生成碳酸氢盐溶液，反应方程式如下：正极反应：2H2O+2e
‑
→
H2+2OH
‑
正极区反...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴一凡，谢和平，刘涛，程纯，温娴，王云鹏，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：