分步电热光耦合制氢装置、方法及应用与流程

本发明涉及制氢，特别涉及分步电热光耦合制氢装置、方法及应用。

背景技术：

1、氢能是一种二次清洁能源，被誉为“21世纪终极能源”，也是在碳达峰、碳中和的大背景下，加速开发利用的一种清洁能源。但是地球上并没有现成的氢气资源，需要人为制取。电解水制氢技术是一种非常有前景的制氢技术，但是常规的电解水制氢方法能耗极高，难以商业应用。主要原因是电解过程中由于反应过电势的存在，电解池施加的电压(～1.8v)远高于水的热力学分解电压(～1.2v)，从而能量利用率极低。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供分步电热光耦合制氢装置、方法及应用，具有通过分步电热光耦合方法，先用少量的电能把反应物吸附在电极表面，然后通过电极内溶剂的蒸发能量来完成水的分解制氢过程，从而大大降低电能的消耗量的效果。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：分步电热光耦合制氢装置，包括电解池和电解液，所述电解池内设有至少一个电容电极，另一个电极为电容电极或者反应电极，充电时两个对应电极上施加的电压小于水分解电压。

3、通过采用上述技术方案，充电时的电压小于水分解电压，先用少量的电能将电解液中的离子吸附在电极表面，电解液的溶剂吸收环境热量蒸发，溶剂减少，电解液与电极接触面积减小，导致电容减小，双电层内电压升高，电极表面吸附的离子在强电场作用下与电极上的电荷结合，形成气体分子，脱离电极，从而将热能转换为电能进而转换为化学能，实现水的分解制氢，从而大大降低电能的消耗量，节约能源。

4、本发明的进一步设置为：充电时两个对应电极上施加的电压<1.2v。

5、通过采用上述技术方案，在标准条件下，电解水分解需要的最小电压约为1.2v，在施加电压低于水的热力学分解电压条件下实现水的电解，优选电压区间为0.1v-1.1v之间的任意值，电压越低，电能消耗越低，电压越高，产氢速度越快。

6、本发明的进一步设置为：充电时两个对应电极上施加的电压为0.5v-1.1v。

7、通过采用上述技术方案，当需要产氢速度快时，优选电压为0.5v-1.1v之间的电压。

8、本发明的进一步设置为：充电时两个对应电极上施加的电压为0.1v-0.5v。

9、通过采用上述技术方案，当需要能量经济时，优选0.1v-0.5v之间的电压。

10、本发明的进一步设置为：两个电极均为电容电极。

11、本发明的进一步设置为：两个电极均为固态电容电极，或至少有一个为液流电容电极。

12、本发明的进一步设置为：一个电极为电容电极或赝电容电极，另一个电极为催化电极。

13、通过采用上述技术方案，可以通过多种方式制氢，两个电极可以均采用电容电极或者液流电极(液流电容是使用导电材料的液体浆料作为工作电极，工作过程中可以通过流道连续不断的向电容内供给液态电极材料，同时抽出完成充电的电极浆料)，也可以一个电容电极，另一个催化电极，可以根据需要选择不同的电极，通过多种电极的选择，提高本装置的通用性。

14、本发明的进一步设置为：分步电热光耦合制氢装置的方法，至少包含以下步骤：

15、s1：给电容电极充电，充电电压低于水分解电压；

16、s2：将正负极分开，至少一个电容电极进行静置蒸发，电解液的溶剂蒸发过程中，正极发生析氧反应，负极发生析氢反应。

17、通过采用上述技术方案，给电容电极充电，充电电压小于1.2v，然后将正极和负极隔离分开，使正极和负极单独静止，方便对正极和负极产生的气体进行分开收集，电解液溶剂吸收环境热量蒸发，蒸发过程中，电容降低，双电层内电压升高，电极表面吸附的离子在强电场作用下与电极上的电荷结合，正极形成氧气，负极形成氢气，脱离电极，从而将热能转换为电能进而转换为化学能，实现水的分解制氢或制氧。

18、本发明的进一步设置为：还包含步骤s3：将完成静置蒸发的电解液与未静置蒸发的电解液混合。

19、通过采用上述技术方案，正极析氧过程中，产生氧气和h+，负极析氢过程中，产生氢气和oh-，把蒸发释氢后电极材料与释氧电极混合进行蒸发，即先将析氢(氧)电极静置蒸发析氢(氧)，然后把完成析氢(氧)的电极与待蒸发析(氧)氢的电极混合在一起静置蒸发，使h+与oh-反应，从而实现反应物质在电极间的直接交换，实现循环。

20、本发明的进一步设置为：分步电热光耦合制氢装置，另一套方法包含以下步骤：

21、s1：阳极为电容电极，给电容电极充电，充电电压低于水分解电压；

22、s2：将电容电极分离，然后静置蒸发，阳极电解液的溶剂蒸发过程中，阳极发生析氧反应。

23、通过采用上述技术方案，由于正极析氧过程中过电位更大，用正极作为电容电极，另一个为析氢电极，待电容电极充电后，将正极分离出来静止蒸发，跟全电极相比，可以避免阳极析氧过电位，大大提高电能效率。

24、本发明的进一步设置为：步骤s2静置蒸发过程中进行热源辅助蒸发。

25、通过采用上述技术方案，通过热源对电解液进行加热，有利于电解液蒸发的速度，有利于提升制氢或制氧的效率。

26、本发明的进一步设置为：所述热源辅助蒸发方式为光照加热、热风加热、水浴加热、蒸汽加热中的一种或多种。

27、通过采用上述技术方案，可以充分利用工业生产中的废热对电解液进行辅助加热，如回收化工生产中的蒸汽、烟气、地源热泵，也可以利用光照对电解液进行辅助加热，有利于提升制氢或制氧的效率。

28、本发明的进一步设置为：分步电热光耦合制氢装置在制冷的应用。

29、通过采用上述技术方案，由于静置析氢或者析氧过程中会吸收大量的热，可以用于跟空调系统配合，把待静置蒸发的电极作为制冷剂。

30、本发明的进一步设置为：分步电热光耦合制氢装置在制备热值增益碳材料的应用。

31、通过采用上述技术方案，由于充电后的电极材料本身含有一定的电能，比如液流电极里面的活性碳流体，可以作为高热值燃料，在一些特殊场合中使用。

32、本发明的有益效果是：

33、1、充电时的电压小于水分解电压，先用少量的电能将电解液中的离子吸附在电极表面，电解液的溶剂吸收环境热量蒸发，溶剂减少，电解液与电极接触面积减小，导致电容减小，双电层内电压升高，电极表面吸附的离子在强电场作用下与电极上的电荷结合，形成气体分子，脱离电极，从而将热能转换为电能进而转换为化学能，实现水的分解制氢，从而大大降低电能的消耗量，节约能源

34、2、在标准条件下，电解水分解需要的最小电压约为1.2v，在施加电压低于水的热力学分解电压条件下实现水的电解，优选电压区间为0.1v-1.1v之间的任意值，电压越低，电能消耗越低，电压越高，产氢速度越快，当需要产氢速度快时，优选电压为0.5v-1.1v之间的电压，当需要能量经济时，优选0.1v-0.5v之间的电压；

35、3、正极析氧过程中，产生氧气和h+，负极析氢过程中，产生氢气和oh-，把蒸发释氢后电极材料与释氧电极混合进行蒸发，使h+与oh-反应，从而实现反应物质在电极间的直接交换，实现循环；

36、4、由于静置析氢或者析氧过程中会吸收大量的热，可以用于跟空调系统配合，把待静置蒸发的电极作为制冷剂；

37、5、由于充电后的电极材料本身含有一定的电能，比如液流电极里面的活性碳流体，可以作为高热值燃料，在一些特殊场合中使用。