一种电解耦合氢燃料电池装置除氚并制备净化水的装置的制作方法

本技术属于水体去除氢同位素污染物的，具体涉及一种电解耦合氢燃料电池装置除氚并制备净化水的装置。

背景技术：

1、随着工业化进程的加快，人类社会对能源的需求不断增加，核能作为一个重要的能源选项，自上世纪五十年代第一座核电技术出现后，核电技术不断发展，目前已发展到了第四代核电技术。据世界核协会《世界核电厂运行实绩报告(2022)》，2021年，全世界核反应堆总发电量为2653twh，全球可运行核反应堆440座，主要分布于亚洲、西欧与中欧以及北美洲。目前核电是世界第四大电力来源，2021年来自核能的发电量占世界总电量的近10％。然而利用核能发电的过程中，如处理不当，也会带来严重环境问题。切尔诺贝利核电站和福岛核电站的泄露事故造成了严重的生态灾难，使周边环境，特别是海洋等水体中氚超标。氚是氢的放射性同位素，半衰期12.43年，很容易通过同位素交换、呼吸作用、光合作用、食物链转移等途径进入生物体内，会造成内照射危害。除放射性外，氚同位素水与氢的其他同位素水性质接近，在水中化学浓度又较低，使水中氚同位素分离的难度极大。中国上世纪九十年代地表水氚平均含量在4.66bq/l[任天山等，中国地表水和地下水氚浓度，中华放射医学与防护杂志2005,25(5)]。随着近年来全球核电站装机容量的增加，世界范围内水体环境中氚含量在增加，特别是福岛核污染水排放更加剧了这一问题。对于氚超标的水体，如何将水体的氚有效除去，保证生活生产用水的安全，是一个全社会普遍关注和重视的一个现实问题，迫切需要开发一个可移动式的、适用办公家用或生产使用的、小型简易的装置来解决这一问题。

2、目前常见的氚同位素分离技术主要有低温蒸馏法、水精馏法、电解法、热扩散法、溶剂萃取法、分子激光法和催化交换法等。在研究过程中，又出现了将两种或多种方法结合起来的工艺及衍生工艺。其中液氢精馏技术较为复杂，对设备要求高，成本高，不适于氚含量低、水处理大的场合。热扩散法存在处理通量小等问题，水精馏技术具有大容量处理能力，但能耗较大。电解法是利用电解过程中氢的轻同位素优先电解生成氢气，而重同位素(氘和氚)不易被电解出来，实现氢同位素分离的方法，相比其他氢同位素分离方法，电解法分离系数大(氕/氚分离因子大于10)，但处理费用相对较高。

3、氢燃料电池装置是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，其基本原理是电解水的逆反应，利用氢气再次化合生产水，同时产生电能。在“双碳”目标下，作为氢能应用的氢燃料电池装置产品和技术发展迅速。

4、目前技术条件下电解水制氢1公斤耗电约35～55度电，1公斤氢气的热值约当于33kw h(度)电，氢燃料电池装置电堆发电效率一般在40％～60％，即1公斤氢气可发电在16度左右。如果能将电解法和氢燃料电池装置技术耦合起来，氢气化合后不但可以获得无氚的纯化水，可作为日常用水使用，同时利用氢燃料电池装置产生的电来补偿电解过程的用电消耗，减少外部用电量。另外电解产生的氧气直接用于氢燃料过程，无需空气输送提供空气，这将极大地降低系统成本。因此将电解和氢燃料电池装置技术通过能量耦合集成设计，具有重要的经济效益和社会效益。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种电解耦合氢燃料电池装置除氚并制备净化水的装置，通过能量耦合设计，充分利用氢燃料电池装置产生的电能补偿电解水的能耗，同时设计了气体在系统中的闭路流动，通过能量转移和传递，实现了以较低的能耗除氚并得到安全净化水的目的。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：

3、一种电解耦合氢燃料电池装置除氚并制备净化水的装置，包括至少一级除氚净水系统，每级除氚净水系统包括电解水装置、氢燃料电池装置、电源适配系统和净化水收集装置；

4、所述电解水装置连接有进水管，水经由进水管进入电解水装置中进行电解；电解水装置的氢气出口通过阳极进气管与氢燃料电池装置的阳极连接，电解水装置的氧气出口通过阴极进气管与氢燃料电池装置的阴极连接；氢燃料电池装置的出水口通过净化水管路与所述净化水收集装置连接；

5、所述电解水装置的直流电源与氢燃料电池装置的输电器通过电源适配系统连接。

6、进一步的，每级除氚净水系统还包括第一气液分离器和第二气液分离器；所述第一气液分离器的进口与电解水装置的氢气出口连接，第一气液分离器的出气口与阳极进气管连接，第一气液分离器的出液口与所述进水管连接；所述第二气液分离器的进口与电解水装置的氧气出口连接，第二气液分离器的出气口与阴极进气管连接，第二气液分离器的出液口通过回水管与电解水装置连接。

7、更进一步的，每级除氚净水系统还包括第三气液分离器；该第三气液分离器的进口与氢燃料电池装置的出水口连接，第三气液分离器的出液口与净化水管路连接，第三气液分离器的出气口通过阴极进气回路与氢燃料电池装置的阴极连接。

8、进一步的，所述氢燃料电池装置的氢气出口通过氢气回路与所述阳极进气管连接。

9、进一步的，最末级的除氚净水系统中的净化水收集装置还通过循环水管与第一级的除氚净水系统中的进水管连接。

10、进一步的，该装置还包括原水纯化装置，所述原水纯化装置的出水口与第一级的除氚净水系统中的进水管连接。

11、进一步的，所述电解水装置可以为碱性电解水装置、pem电解水装置或固体氧化物电解水装置。

12、进一步的，所述氢燃料电池装置为酸性氢燃料电池装置、碱性氢燃料电池装置或熔融盐氢燃料电池装置。

13、更进一步的，所述原水纯化装置为反渗透膜分离装置或离子交换装置。

14、进一步的，所述电解水装置为一级模式或多级串联模式，所述氢燃料电池装置为一组模式或多组串联模式。

15、进一步的，三个气液分离器分别可以采用空气风冷和水冷方式。

16、本实用新型的有益效果是：

17、利用本实用新型的装置，含氚的原水经原水纯化装置纯化进入电解水装置中电解，利用氢同位素在电解过程中的分离效应，获得无氚的氢气和氧气，氢气和氧气进入氢燃料电池装置进行化合产生电能，同时产生纯化水，而电能再反向给电解装置供电，进行能量耦合；同时在过程中，电解产生的气体闭路流动，无需从外部引入空气进行化合，通过能量转移和传递，实现了以较低的能耗除氚并得到无害的净化水的目的。

18、本实用新型公开了电解水系统耦合氢燃料电池装置除氚制纯水的装置，通过能量耦合设计，充分利用氢燃料电池装置产生的电能补偿电解水的能耗，使能耗降低50％左右。

19、本实用新型所涉及的电解水装置和氢燃料电池装置技术成熟度高，可充分利用电解水产生的带压气体氢气和氧气直接送入氢燃料电池装置，减少气体贮存和输送的中间环节，也无需再从外部引入空气，极大地降低了系统成本，并易于进行装置小型化移动式设计和操作。

20、本实用新型将电解和氢燃料电池装置技术通过能量耦合集成设计，可适用于但不限于家庭、办公场所、公共场所和生产用水等有安全用水需求的场所，具有广泛的经济价值和社会效益。