申请日 20191202
公开（公告）日 20210205
IPC分类号 C25B1/04; C25B9/00; C25B9/65; C25B15/00; C25B15/027; C02F1/16; C02F103/08
摘要
本发明涉及一种高温电解海水制备氢气的装置，高温电解水制氢系统与海水淡化系统连接以将来自于海水淡化系统的水蒸气通过固体氧化物电解池进行电解得到氢气和未反应水蒸气的混合气体；海水淡化系统与熔盐储热系统连接以通过海水加热蒸发后的结晶盐为熔盐储热系统提供制备氯盐的原料；熔盐储热系统与海水淡化系统连接以为海水加热过程提供热能，熔盐储热系统与高温电解水制氢系统连接以为进入固体氧化物电解池的水蒸气提供热能。本发明还提供一种利用上述的装置进行高温电解海水制备氢气的方法。根据本发明的高温电解海水制备氢气的装置和方法，进行海水高温电解制氢同时实现海水淡化，应用范围广泛。
权利要求书
1.一种高温电解海水制备氢气的装置，其特征在于，该装置包括：
用于加热和冷凝海水的海水淡化系统，该海水淡化系统包括用于泵送海水以得到汲取海水的海水取水泵；用于对汲取海水进行过滤以得到干净海水的海水过滤器；用于对干净海水进行加热蒸发以产生高温的第一水蒸气并回收海水中的结晶盐的海水加热器；以及用于对第一水蒸气进行冷凝以制备第一淡水并提供未完全冷凝的第二水蒸气的水蒸气冷凝器；
具有固体氧化物电解池的高温电解水制氢系统，其与海水淡化系统的海水加热器和水蒸气冷凝器连接以将来自于海水淡化系统的第一水蒸气和第二水蒸气通过固体氧化物电解池进行电解得到氢气和未反应水蒸气的混合气体；
用于通过具有氯盐的熔盐储存外部能源的熔盐储热系统，其与海水淡化系统的海水加热器连接以通过海水加热蒸发后的结晶盐为熔盐储热系统提供制备氯盐的原料并为海水加热过程提供热能，其与高温电解水制氢系统的固体氧化物电解池连接以为进入固体氧化物电解池的第一水蒸气和第二水蒸气提供热能；以及
变压吸附气体分离系统，其与高温电解水制氢系统的固体氧化物电解池连接以将来自于高温电解水制氢系统的混合气体分离制备氢气和第二淡水。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括热管理及气体监控系统，其分别与海水淡化系统、高温电解水制氢系统、熔盐储热系统和变压吸附气体分离系统相连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该海水取水泵为机械抽水泵；该海水过滤器为污水过滤机；该海水加热器为陶瓷或耐腐蚀合金罐和加热电阻丝组成的装置。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该高温电解水制氢系统还包括：
用于提供直流电的直流稳压电源供给装置；
其中，固体氧化物电解池分别与直流稳压电源供给装置和海水淡化系统连接以通过直流电电解水蒸气产生氢气和未反应水蒸气的混合气体。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，该直流稳压电源供给装置为整流器或直流电源；固体氧化物电解池包括水蒸气进气口、热箱、水蒸气电解槽及氢气和未反应水蒸气的出气口，其中，该水蒸气进气口与海水淡化系统连接以将第一水蒸气和第二水蒸气通入水蒸气电解槽进行电解，该热箱为水蒸气电解槽提供高温环境，该水蒸气电解槽由一个或者多个固体氧化物电解池堆组成以形成水蒸气电解制氢的核心反应器，该氢气和未反应水蒸气的出气口与变压吸附气体分离系统连接以得到氢气和第二淡水。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该熔盐储热系统包括：
用于容纳熔融态的低温熔盐的低温罐；
电加热器；
用于容纳熔融态的高温熔盐的高温罐；以及
换热器；
其中，电加热器设置在低温罐和高温罐之间以加热熔盐；
其中，换热器设置在高温罐和低温罐之间以提取熔盐中的热能，该换热器分别与海水淡化系统和高温电解水制氢系统连接。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该变压吸附气体分离系统包括：
用于储存氢气和未反应水蒸气的混合气体的低压储罐；
用于进行增压的增压泵；以及
变压吸附气体分离装置；
其中，增压泵设置在低压储罐和变压吸附气体分离装置之间以将增压后的混合气体输送至变压吸附气体分离装置中分离得到氢气和第二淡水。
8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的装置进行高温电解海水制备氢气的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1，在海水淡化系统中借助于熔盐储热系统提供的热能将海水通过加热形成水蒸气并通过冷凝得到第一淡水；
S2，在高温电解水制氢系统中将水蒸气借助于熔盐储热系统提供的热能经过预加热后进行电解得到氢气和未反应水蒸气的混合气体；以及
S3，在变压吸附气体分离系统中将混合气体分离后得到氢气和第二淡水。
说明书
一种高温电解海水制备氢气的装置和方法
技术领域
本发明涉及海水处理，更具体地涉及一种高温电解海水制备氢气的装置和方法。
背景技术
目前，能源危机和环境污染是人类社会最迫切解决的两大难题。开发新型、清洁、高效的能源与能源利用技术是解决这两大难题的最直接、有效的方法。长期以来，氢能源一直被认为是解决未来人类能源危机的重要途径之一。氢气作为新兴、清洁的二次能源载体，在现代社会中的应用愈加广泛，越来越受到美国、德国、日本等发达国家的关注，并制定了相关发展规划，将氢能源和燃料电池确定为维系经济繁荣和国家安全的技术之一。我国能源对外依存度也呈逐年递增的态势。2015年，原油对外依存度超过60％，2013年，天然气对外依存度超过30％。预计到2020年，原油和天然气的对外依存度将分别达到70％和37.2％，国家能源供应安全面临严峻挑战。因此，在此背景下，促进氢能产业快速发展，是中国应对全球气候变化、保障国家能源供应安全和实现可持续发展的重大战略选择。
固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell，简称SOEC)是一种利用电能和热能，将水、二氧化碳等原料电化学还原生成燃料气体(化学能)的装置，被认为是最具有前景的能源转换装置之一。水是高温电解水制备氢气的主要原料，现在被广泛研究的SOEC高温电解水装置主要使用的是淡水。整体上看，水资源覆盖了地球70％的面积，但并不是所有的水都能被人类所利用。地球上的水资源主要来自于海洋，海水占全球水资源总量的97.3％，淡水只占2.7％。而且，在这有限的的淡水资源中，约70％的淡水在两极还有高山冰川中被冰封着；约30％的淡水在地下含水层和永冻土层中，是不可再生资源，人类可以利用的不到总量的1％，多分布在河流、土地、湖泊中。因此，虽然水资源总量巨大，但淡水资源严重缺乏，比我们想象中要少得多，这极大限制了SOEC广泛的应用。
另外，自20世纪以来，随着全球人口的迅速增长，人类文明不断的扩张，生态环境的改变以及工业化生产中造成的污染与浪费，淡水资源短缺已经成为人类面临的最重要的问题。据预测，到2025年，全球将有2/3的人口生活在水资源极度缺乏的城市里。我国水资源总量丰富，但分布不均匀，南多北少，且人均占有量少，仅是世界平均水平的1/4，已被联合国列为世界最贫水国之一。面对严峻的淡水资源危机，迫切需要我们寻求各种解决方法来提高水的利用率、或者拓展新的淡水来源。
目前，解决人类水资源危机最有效的方法是海水淡化技术，同时，高温海水蒸汽还可用于高温电解水制备氢气。目前，国内兴建了大量的水电、风电、太阳能、核能等可再生能源电站，包括目前的火电厂，电力方面供大于求。如果能利用电能将海水进行电解以及淡化，不仅可以制备氢气实现能源的存储，还能实现淡水的生产。氢气作为一种清洁能源能对于全球温室效应以及环境污染问题都会产生积极的作用，另外，通过水电、风电、太阳能、核能到氢能的转换，还能解决并网难的问题(风能和太阳能存在波动性，并网相对困难)，进一步增强可再生能源的充分利用。
发明内容
本发明提供一种高温电解海水制备氢气的装置和方法，相对于淡水高温电解水装置，海水资源丰富，对于一些淡水资源缺乏但风电、太阳能丰富的区域，本发明通过对海水的高温电解，同样可以实现可再生能源的存储，应用范围广。
本发明提供一种高温电解海水制备氢气的装置，其包括：用于加热和冷凝海水以提供水蒸气和第一淡水的海水淡化系统；具有固体氧化物电解池的高温电解水制氢系统，其与海水淡化系统连接以将来自于海水淡化系统的水蒸气通过固体氧化物电解池进行电解得到氢气和未反应水蒸气的混合气体；用于通过具有氯盐的熔盐储存外部能源的熔盐储热系统；以及变压吸附气体分离系统，其与高温电解水制氢系统连接以将来自于高温电解水制氢系统的混合气体分离制备氢气和第二淡水；其中，海水淡化系统与熔盐储热系统连接以通过海水加热蒸发后的结晶盐为熔盐储热系统提供制备氯盐的原料；其中，熔盐储热系统与海水淡化系统连接以为海水淡化系统的海水加热过程提供热能，熔盐储热系统与高温电解水制氢系统连接以为进入固体氧化物电解池的水蒸气提供热能。
优选地，该装置还包括热管理及气体监控系统，其分别与海水淡化系统、高温电解水制氢系统、熔盐储热系统和变压吸附气体分离系统相连接。
优选地，该海水淡化系统包括：用于泵送海水以得到汲取海水的海水取水泵；用于对汲取海水进行过滤以得到干净海水的海水过滤器；用于对干净海水进行加热蒸发以产生高温的第一水蒸气并回收海水中的结晶盐的海水加热器；以及用于对第一水蒸气进行冷凝以制备第一淡水并提供未完全冷凝的第二水蒸气的水蒸气冷凝器；其中，该海水加热器分别与高温电解水制氢系统和熔盐储热系统连接；其中，该水蒸气冷凝器与高温电解水制氢系统连接。
优选地，该海水取水泵为机械抽水泵；该海水过滤器为污水过滤机；该海水加热器为陶瓷或耐腐蚀合金罐和加热电阻丝组成的装置。
优选地，该高温电解水制氢系统还包括：用于提供直流电的直流稳压电源供给装置；其中，固体氧化物电解池分别与直流稳压电源供给装置和海水淡化系统连接以通过直流电电解水蒸气产生氢气和未反应水蒸气的混合气体。
优选地，该直流稳压电源供给装置为整流器或直流电源；固体氧化物电解池包括水蒸气进气口、热箱、水蒸气电解槽及氢气和未反应水蒸气的出气口，其中，该水蒸气进气口与海水淡化系统连接以将第一水蒸气和第二水蒸气通入水蒸气电解槽进行电解，该热箱为水蒸气电解槽提供高温环境，该水蒸气电解槽由一个或者多个固体氧化物电解池堆组成以形成水蒸气电解制氢的核心反应器，该氢气和未反应水蒸气的出气口与变压吸附气体分离系统连接以得到氢气和第二淡水。
优选地，该熔盐储热系统包括：用于容纳熔融态的低温熔盐的低温罐；电加热器；用于容纳熔融态的高温熔盐的高温罐；以及换热器；其中，电加热器设置在低温罐和高温罐之间以加热熔盐；其中，换热器设置在高温罐和低温罐之间以提取熔盐中的热能，该换热器分别与海水淡化系统和高温电解水制氢系统连接。
优选地，该变压吸附气体分离系统包括：用于储存氢气和未反应水蒸气的混合气体的低压储罐；用于进行增压的增压泵；以及变压吸附气体分离装置；其中，增压泵设置在低压储罐和变压吸附气体分离装置之间以将增压后的混合气体输送至变压吸附气体分离装置中分离得到氢气和第二淡水。
本发明还提供一种利用上述的装置进行高温电解海水制备氢气的方法，其包括如下步骤：S1，在海水淡化系统中借助于熔盐储热系统提供的热能将海水通过加热形成水蒸气并通过冷凝得到第一淡水；S2，在高温电解水制氢系统中将水蒸气借助于熔盐储热系统提供的热能经过预加热后进行电解得到氢气和未反应水蒸气的混合气体；以及S3，在变压吸附气体分离系统中将混合气体分离后得到氢气和第二淡水。
根据本发明的高温电解海水制备氢气的装置和方法，采用海水进行高温电解制氢，应用范围广泛，原料水资源充足，可直接应用于海上风力发电厂、火电厂、核能发电厂等。尤其是对于一些淡水资源困乏但水电、风电、太阳能丰富的地区，通过本发明中所述装置可广泛实现能源的转换存储；另外，还具有系统模块化组成，氢气及淡水产量规模可调、操作简单、安全性高、投资小等特点。本发明将高温海水蒸发产生的结晶盐应用在高温熔盐储热系统中，实现过剩能源的储存，然后将热量应用在海水淡化和高温电解制氢的过程中提高了整个系统的能量效率。本发明将海水淡化技术和高温电解技术结合起来，充分利用了海水淡水过程中高温的水蒸气，提高了整个系统的能量效率。
（发明人：万松;关成志;陆越;王建强; ）
