[發明專利]在硫碘循環制氫中以電化學分解HI制氫的方法及裝置

有效

• 申請號: 201711178514.6
• 申請日: 2017-11-23
• 公開（公告）號: CN107904617B
• 公開（公告）日: 2019-04-23
• 發明（設計）人: 王智化;何勇;張彥威;岑可法;周志軍;楊衛娟;劉建忠;黃鎮宇
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C25B1/10
• 分類號: C25B1/10;C25B1/24;C25B13/02;C25B9/00;C25B15/02
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 周世駿

本發明涉及硫碘循環制氫技術，旨在提供一種在硫碘循環制氫中以電化學分解HI制氫的方法及裝置。該方法包括：以單電池作為反應器，具有陽極石墨電極、陰極石墨電極，并以質子交換膜作為隔膜；陽極側注入來自硫碘循環制氫系統的HIx相溶液，陰極側注入去離子水；通電進行分解反應，陽極側HIx相溶液中的I^?被氧化為I₂，生成的H⁺通過質子交換膜到達陰極側，在陰極被還原為氫氣；陽極側的HIx相溶液在電解反應后循環回Bunsen反應器中作為Bunsen反應原料，陰極生成的氫氣送出。本發明直接運用電化學的方法來分解HIx溶液，省去了原模塊中需要的濃縮、精餾過程，大大簡化了流程和設備。在陰極產生氫氣，不用考慮與HI氣體的分離問題。

技術領域

本發明涉及硫碘循環制氫技術領域，尤其涉及在硫碘循環制氫中以電化學分解HI制氫的方法及裝置。

背景技術

氫能作為一種清潔、安全、可持續的替代能源，越來越受到人們的關注，許多國家都出臺了氫能經濟路線和規劃政策。大規模低成本制氫是未來氫能經濟的基礎，其中熱化學循環制氫比較具有發展前景。在熱化學制氫領域，熱化學硫碘循環制氫又被認為是可用于大規模制氫比較理想的循環。熱化學硫碘循環水分解制氫最主要包括以下三個反應過程：

SO₂+I₂+2H₂O→2HI+H₂SO₄ 293～393K (1)

H₂SO₄→SO₂+H₂O+1/2O₂ 1123K (2)

2HI→H₂+I₂ 573～773K (3)

第一步Bunsen反應中，液態H₂O、固態I₂和氣態的SO₂氣體發生反應，生成氫碘酸和硫酸。當反應中I₂過量，Bunsen反應后的溶液分為兩層，上層為H₂SO₄相溶液和下層為HIx相溶液(含HI、I₂、H₂O和少量硫酸)。液液分層后，上層H₂SO₄經過提純濃縮，在高溫和催化劑作用下，分解成SO₂氣體、氧氣和水。下層HIx相溶液純化、濃縮、精餾后得到高濃度的HI氣體，進一步分解得到H₂和I₂。

由于Bunsen反應中加入了過量的I₂和H₂O，這些過量成分使得Bunsen反應獲得的HIx溶液低于恒沸點狀態，在后續處理中會造成大量不必要的能耗。因此HI模塊中，HIx相溶液中碘化氫高效的濃縮分離是整個碘硫循環系統能否高效運行的關鍵步驟。

為了解決這個問題，目前主要提出了以下三種工藝。GA公司最早提出用磷酸從HIx相溶液中萃取出HI溶液，再從H₃PO₄-HI-H₂O溶液中精餾來得到HI氣體。但這種方法需要對磷酸進行回收重復利用，耗能較大，而且引入了磷酸，使得流程和操作進一步復雜化，不利于工業化應用。

日本原子能研究中心在20世紀末提出了用電解電滲析(EED)的方法濃縮得到超恒沸點的HI溶液，再依次經過精餾和分解最終制得氫氣。使用EED預濃縮HI溶液的濃縮效果明顯，系統的熱效率得到提升，但是濃縮后還要經過精餾和分解，工藝和流程并沒有得到很大的簡化。