一种盐水分流换热电解制氢系统及方法与流程

本发明属于电解水制氢，具体涉及一种盐水分流换热电解制氢系统及方法。

背景技术：

1、氢能是未来能源体系的重要组成部分，具有清洁、低碳、灵活、高效等特点，氢气无法从自然界直接获取，需要通过其他能源利用人工方法制取。传统化工系统里面所用的氢主要通过化石燃料生产，制氢过程会产生大量的二氧化碳排放。在世界范围内应对气候变化、能源转型的大背景下，利用可再生能源制氢成为未来氢能供应的主流方式，也就是通常所说的绿氢。绿氢主要通过电解水的方式生产，利用光伏、风电和水电通入电解槽电解水就可以产生氢气。电解水的原理是在电解池中的两个导电极板上通入直流电，通过电化学过程将水分子通过氧化还原反应解离为氢气与氧气，分别在阴、阳两极析出。

2、氢气具有能源和物质的双重属性，从能源的角度来讲，绿氢生产利用的是可再生能源产生的电力，而从物质的角度，绿氢的生产需要水作为原料，同样需要保证水源供应的稳定和环保。常规技术需要使用纯水作为原料，而地球上的水通常以盐水(海水、高盐水或卤水)的形式存在，以海水为例，地球上，海水占地球全部水量的96％以上，分布也最广，因此以海水为原料的海水制氢非常有前景的技术，得到了广泛的关注，将可再生能源利用和海水制氢结合起来，将为全球的能源安全和可持续发展带来新的可能性。

3、同时，海水制氢面临诸多技术挑战，其困难程度要远远高于淡水制氢。海水成分复杂，涉及的化学物质及元素有90多种，其中大量离子、微生物和颗粒等会给制氢带来很多难点。首先，海水中的离子含量极高，在电解过程中，这些离子在电极表面的氧化还原反应会与析氢、析氧反应产生竞争，这些副反应抑制氢气的产生。同时这些副产物会与其他物质发生二次反应，影响析氢反应效率或者对电极寿命产生危害，同时，海水中的其他离子，如镁离子、钙离子和硫酸根离子，在制氢过程中也会产生一定的影响。这些离子会与活性中心相互作用，导致催化剂失活。其次，海水中微生物和颗粒等的存在也是海水制氢的一个难点。微生物、藻类和细菌等有机物和富含颗粒物质的水会引发生物腐败，从而产生很多气体物质，如氮气、二氧化碳和甲烷等。这些气体将污染电解质、电极以及隔膜等，从而导致氢气的产生受到抑制。最后，隔膜堵塞也是海水制氢过程中的一个难题。隔膜是将阳极与阴极隔开的薄膜，它可以阻止质子和氢离子的相互扩散。但是，海水中的微生物和颗粒等可能会黏附在隔膜上并不断积聚，这将导致隔膜的堵塞和氢气的产生受到影响。

4、为了应对这些难题，一种常见的方法是先对海水进行淡化处理，即去除其中的盐分和杂质，然后再进行制氢。然而，海水淡化再制氢的工艺也存在一些问题。首先，海水淡化需要占用大量的土地，这在一些场景下可能会面临空间限制的问题，特别是面向离岸的海水制氢，海上平台的可用空间非常有限。其次，海水淡化系统的构建和运行相对复杂。海水中的盐分和杂质含量较高，需要采用多级处理过程来逐步去除这些物质。这涉及到多个单元操作，如预处理、反渗透、脱盐和后处理等，需要复杂的工艺流程和设备，增加了系统的复杂性和运行难度。此外，海水淡化的建设和运营成本相对较高。高效的海水淡化系统需要大量的能源来推动脱盐过程，包括电力和热能等。最后，海水淡化过程可能会产生污染物。在海水淡化过程中，排放的废水和浓缩的盐水通常含有高浓度的盐分和其他污染物。正确处理和处置这些废水和盐水是一个挑战，如果不妥善处理可能会对周围环境造成负面影响。

5、近年，谢和平院士团队开发了一种直接海水制氢技术，利用防水透气层在海水中构建了微米尺度的“气相”隔离域，同时依靠自增湿电解质与海水间天然存在的饱和蒸汽压差作为传质驱动力，实现了水分从海水侧气化、膜内扩散到电解质侧吸收液化的自发相变迁移过程。防水透气层的本征疏水作用将液态海水与其杂质组分完全隔离在外，仅允许海水以水分子形态扩散；海水的高饱和蒸汽压与高浓度电解质的低饱和蒸汽压间形成了推动力，促进水分子跨膜运输至电解质侧，并在电解质水合和吸收作用下液化；电解制氢同步消耗水分进一步维持了膜界面压力差，从而诱导水分持续从海水向电解质中补充。

6、这种技术利用海水和碱水制氢电解液中水表面蒸汽压的差异，利用防水透气层实现对电解系统的供水，常见的碱性电解槽的工作温度一般为70-90℃，如果将海水与电解液通过隔膜两面近距离接触，将发生电解质中热量向海水中传输，并带出系统外，而电解质降温将影响系统效率。然而，电解槽运行过程中也产生一定量的余热，通常需要进行循环冷却，这部分的热量的流失也是影响电解效率的重要因素。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种盐水分流换热电解制氢系统及方法，以盐水为原料进行分级分型利用，一方面利用盐水中的水为电解槽电解补水，一方面保持电解系统热平衡，进而与电解槽系统集成，充分利用电解过程中的电能和热能，提升水制氢的整体效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种盐水分流换热电解制氢方法，除去悬浮物和固体杂质的盐水分两路，对第一路盐水进行冷却和对第二路盐水进行加热；

3、冷却后的盐水在碱性条件下电解产生氧气和氢气；加热后的盐水进行减压闪蒸，减压闪蒸产生的蒸汽从盐水中溢出，对所述蒸汽除雾，液滴与水蒸气分离，对液滴回收，水蒸气进入电解用的碱液系统补水；对电解生成的氧气和氢气进行气液分离，气液分离得到的氢气、氧气和碱液分别回收；

4、实时监测碱液溶液的密度，根据碱液密度与浓度的对应关系调节对碱液系统的补水量。

5、进一步的，碱液中氢氧根离子的浓度保持在30％。

6、进一步的，对第一路盐水进行冷却后，温度为50℃-55℃，对第二路盐水加热时，加热温度为75℃-90℃。

7、进一步的，盐水电解时消纳新能源过剩电能。

8、基于上述方法的技术构思，本发明还提供一种盐水分流换热电解制氢系统，包括碱性电解槽、碱液冷却器、盐水加热器、除雾闪蒸罐、气液分离器以及过滤器；碱性电解槽的出气口连接气液分离器；过滤器的出口分为两路，一路依次连接碱液冷却器和碱性电解槽；另一路依次连接盐水加热器和除雾闪蒸罐；除雾闪蒸罐的上部从下往上依次设置除雾器、透气陶瓷膜和碱液罐；过滤器出口至碱液冷却器和盐水加热器的管路上和设置调节阀和流量计，碱液冷却器至碱性电解槽的管路上设置有温度计和在线密度计；盐水加热器至除雾闪蒸罐的管路上设置依次设置电加热器和温度计；碱液罐依次连接盐水加热器和碱液冷却器。

9、进一步的，气液分离器连接碱液罐。

10、进一步的，透气陶瓷膜中陶瓷膜材质为氧化铝，透气陶瓷膜的透气孔径为1μm。

11、进一步的，碱液罐中的气压与除雾闪蒸罐顶部气压相差不超过5％。

12、进一步的，碱性电解槽)的电力输入端连接太阳能发电系统、风力发电系统或储能系统的电力输出端。

13、进一步的，透气陶瓷膜设置在除雾闪蒸罐上部，透气陶瓷膜上方即形成碱液罐。

14、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

15、一方面利用盐水中的水为电解槽电解补水，一方面保持电解系统热平衡，利用电解槽自身的余热对盐水进行加热，提高温度增加盐水的蒸发量，利用水蒸气可以穿过透气陶瓷膜的特性，将热盐水闪蒸后产生出的蒸汽为电解槽补水。由此可以减少系统提前制备纯水的设备投入，利用高温的水蒸气补水，补水的效率高，不引入外部杂质，而且补水过程保持在高温条件下，可以充分利用系统的能量，能够提升电解的经济性和系统整体效率。