[發(fā)明專利]兩步式熱化學(xué)循環(huán)分解水進(jìn)行制氫和產(chǎn)電的方法及系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011134841.3
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112323092A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 溫昶;陽威;石學(xué)強(qiáng);孟桓如;秦效東;秦龍;劉天雨;徐明厚
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: C25B5/00
• 分類號: C25B5/00;C25B1/04;C25B1/55;C01B3/04;C01B13/02
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 孔娜;李智

本發(fā)明屬于新能源利用相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，并公開了一種兩步式熱化學(xué)循環(huán)分解水進(jìn)行制氫和產(chǎn)電的方法及系統(tǒng)。該方法包括下列步驟：S1進(jìn)行兩步式熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫反應(yīng)，該反應(yīng)包括兩個(gè)步驟：第一步利用太陽能將氧化鋅進(jìn)行吸熱還原反應(yīng)，以此獲得的氧氣和鋅蒸氣，第二步水分解反應(yīng)是利用鋅與水蒸氣反應(yīng)，以此獲得氫氣、氧化鋅和熱能；S2對于所述第一步吸熱還原反應(yīng)中的氧氣和第二步水解反應(yīng)中獲得的氫氣回收送入燃料電池中進(jìn)行發(fā)電，以此實(shí)現(xiàn)所述氧氣和氫氣的回收和實(shí)現(xiàn)太陽能向電能的轉(zhuǎn)化；對于所述第二步水解反應(yīng)中獲得的熱能，將其回收用于電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，以此實(shí)現(xiàn)氫氣的制備。通過本發(fā)明，獲得穩(wěn)定的電能和高純度的氫氣。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源利用相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種兩步式熱化學(xué)循環(huán)分解水進(jìn)行制氫和產(chǎn)電的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

目前，制氫的方法有很多，其中比較有代表性的一種是熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫，直接分解水制氫需要達(dá)到2500℃以上的溫度，同時(shí)，還存在高溫氣體的分離問題，在正常環(huán)境下是不可行的，而通過熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫，可以在較低溫度下分解水得到氫氣。熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫過程總的效率可達(dá)50％，耦合太陽能，有望成為可大規(guī)模生產(chǎn)、清潔無污染、具有經(jīng)濟(jì)性的制氫方法。現(xiàn)有熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫體系有：金屬氧化物體系熱化學(xué)循環(huán)、含硫體系、硫酸分解法和金屬-鹵化物體系等，其中金屬氧化物體系的兩步熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫方法因步驟簡單、避免了氣體分離問題和較高的過程效率，受到國內(nèi)外制氫工作者的廣泛關(guān)注。許多金屬氧化物都具有良好的氧化還原性能，在金屬氧化物兩步熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫中被作為反應(yīng)中間物引入，其能將分解水的過程分成兩個(gè)步驟完成：第一步，利用高溫?zé)嵩磳⒔饘傺趸锓纸鉃榈蛢r(jià)金屬氧化物和氧或者金屬單質(zhì)和氧，是吸熱反應(yīng)；第二步，低價(jià)金屬氧化物或金屬單質(zhì)和水蒸氣反應(yīng)生成金屬氧化物和氫氣，是放熱反應(yīng)。要想進(jìn)一步提高熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫體系的能量利用效率，可以加強(qiáng)對第一步強(qiáng)吸熱反應(yīng)冷卻過程中的熱量回收，也可以將第二步放熱反應(yīng)中放出的熱量進(jìn)行回收利用。

另一種有代表性的制氫方法是電解水制氫。電解水制氫是最傳統(tǒng)的制氫方法，雖然它消耗的直接能源是電，但它能把間斷性不穩(wěn)定的風(fēng)能、太陽能甚至低品位的熱能等轉(zhuǎn)化為氫能。現(xiàn)有多數(shù)制氫方法都會造成大量的二氧化碳排放，而電解水制氫方法立足于未來碳中性乃至負(fù)碳，且方法相對成熟。當(dāng)前電解水制氫方法根據(jù)電解質(zhì)的不同主要包括堿性電解水制氫、固體聚合物電解水制氫和固體氧化物電解水制氫，其中固體聚合物電解水制氫方法的電解效率(76％)和總制氫效率(35％)較高，非常適合使用間斷性不穩(wěn)定的太陽能、風(fēng)能甚至低品位熱能發(fā)電制氫。固體聚合物電解水制氫方法中所用的電解槽是SPE電解槽，工作溫度為70～80℃，使用固體電解質(zhì)，沒有腐蝕性化學(xué)物質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，也沒有有害氣體交叉的問題。

熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫和電解水制氫目前技術(shù)的能量利用率和制氫效率都不高，如果它們?nèi)匀欢际怯貌豢稍偕茉醋鳛槟芰縼碓矗敲淳蜁觿∪蚰茉吹乃ソ撸环先蚩沙掷m(xù)發(fā)展要求和戰(zhàn)略要求。但是它們都可以利用太陽能作為主要能量來源，將這兩種方法結(jié)合起來，能夠提高能量利用率、制氫效率甚至經(jīng)濟(jì)效益，并且可以充分利用源源不斷的太陽能來滿足人類社會生活和生產(chǎn)需求。由于氫氣的儲存和運(yùn)輸成本不小，制得的氫氣越多，這個(gè)成本就越高，為了減少這個(gè)成本，可以添加燃料電池將制得的氫氣和氧氣直接用于產(chǎn)電。本發(fā)明的目的是提供一種耦合燃料電池和電解水裝置的太陽能兩步式熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫和產(chǎn)電的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種兩步式熱化學(xué)循環(huán)分解水進(jìn)行制氫和產(chǎn)電的方法及系統(tǒng)，通過提供一種能量利用率高、制氫效率高、經(jīng)濟(jì)效益好、工藝簡單、環(huán)保節(jié)能的利用太陽能兩步熱化學(xué)循環(huán)和電解水循環(huán)綜合制氫和產(chǎn)電系統(tǒng)，制得的氫氣純度高、可儲存、可發(fā)電、可應(yīng)用于移動(dòng)應(yīng)用，產(chǎn)得的電能穩(wěn)定安全、可入電網(wǎng)、可儲存。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種兩步式熱化學(xué)循環(huán)分解水進(jìn)行制氫和產(chǎn)電的方法，該方法包括下列步驟：