[發(fā)明專利]一種兩步法電解水煤漿制氫的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210001131.6
• 申請(qǐng)日: 2022-01-04
• 公開（公告）號(hào): CN114134511A
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周偉;陳帥;孟曉曉;趙廣播;孫飛;高繼慧;秦裕琨
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C25B1/02
• 分類號(hào): C25B1/02;C25B1/50;C25B9/19
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 李長春

本發(fā)明公開了一種兩步法電解水煤漿制氫的方法，所述方法包括如下步驟：步驟1：含F(xiàn)e²⁺電解液的配置；步驟2：水煤漿的配置；步驟3：電解制氫；步驟4：含F(xiàn)e³⁺電解液的循環(huán)；步驟5：水熱體系中煤對(duì)Fe³⁺的還原；步驟6：水熱體系中溶液的循環(huán)。本發(fā)明的“兩步”法由于將煤還原Fe³⁺的功能解耦至水熱體系，因而避免了在電解制氫體系中加入煤粒，大大簡化了電解水煤漿制氫體系的電解液組成，避免了煤粒對(duì)電極及質(zhì)子交換膜的磨損，提高了體系的安全性。此外，在水熱體系中進(jìn)行Fe³⁺的還原反應(yīng)可通過提高溫度、強(qiáng)化攪拌等方式實(shí)現(xiàn)，不受限于質(zhì)子交換膜無法在較高電解質(zhì)溫度下工作的缺陷，從而提高了Fe³⁺的還原效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氫能的制取技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電解水煤漿制氫的方法。

背景技術(shù)

在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上，中國已向世界莊嚴(yán)承諾，將采取更加有力的政策和措施，CO₂排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。當(dāng)前，綠色氫能技術(shù)、生物質(zhì)能利用技術(shù)及碳捕捉技術(shù)等，均有望支撐碳中和這一戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。氫能作為一種清潔、高效、可持續(xù)的二次能源，可通過多種途徑獲取，是未來構(gòu)建清潔低碳能源結(jié)構(gòu)的重要載體。據(jù)預(yù)測，到2050年，全球范圍內(nèi)氫能將減少6×10⁹噸CO₂排放，承擔(dān)全球18%的能源需求。

當(dāng)前，化石能源制氫雖成本低，但碳排放高，煤制氫每生產(chǎn)1kg氫氣排放CO₂ 16kg以上。電解水制氫技術(shù)碳排放水平低，有望在短期內(nèi)獲得技術(shù)突破。此外，電解水制氫技術(shù)，可將H₂作為儲(chǔ)能介質(zhì)，進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)模級(jí)產(chǎn)氫，實(shí)現(xiàn)間歇性過剩可再生能源的規(guī)模化消納。當(dāng)前，主流電解制氫技術(shù)包括堿性電解水、PEM電解水、固態(tài)氧化物電解水，但存在能耗高或技術(shù)不成熟等問題。以產(chǎn)業(yè)化最廣的堿性電解水為例，其電解效率僅為60~75%，制氫電耗達(dá)4.5~5.5 kWh/Nm³ H₂，競爭力并不高。降低電解制氫電耗，已成為電解水制氫技術(shù)規(guī)模化發(fā)展的關(guān)鍵。

當(dāng)前，主要有兩類降低電解水制氫電耗的方法：一種是發(fā)展高活性和穩(wěn)定性的析氫和析氧電催化劑，降低析氫和析氧的過電勢，使電極反應(yīng)盡可能接近理論電勢；另一種是采用熱力學(xué)上更容易發(fā)生的陽極反應(yīng)取代動(dòng)力學(xué)緩慢、高耗能的陽極析氧反應(yīng)，該方式被稱為化學(xué)物質(zhì)輔助電解水制氫。第一種方式只能使電解電壓接近于理論電壓1.23V，而第二種方式因改變了陽極反應(yīng)路徑，可在低于1.23V電壓下進(jìn)行，顯著降低制氫電耗，且可以實(shí)現(xiàn)高值化學(xué)品的協(xié)同制備。我國煤炭資源儲(chǔ)量豐富，以煤的氧化反應(yīng)取代傳統(tǒng)電解水體系的陽極析氧反應(yīng)，既能降低制氫電耗，又有望實(shí)現(xiàn)煤的高值轉(zhuǎn)化，是一種有應(yīng)用前景的新型制氫技術(shù)。

傳統(tǒng)煤漿電解制氫技術(shù)中，煤的陽極氧化反應(yīng)依賴于煤與陽極的物理碰撞，產(chǎn)生的電流小、析氫速率慢。為此，研究者向體系加入“電荷轉(zhuǎn)移載體”Fe³⁺/Fe²⁺循環(huán)，從而使陽極反應(yīng)以Fe²⁺的快速氧化反應(yīng)為主，煤與Fe³⁺的反應(yīng)則發(fā)生在體相電解質(zhì)。該體系具有更高的電流密度、制氫速率較傳統(tǒng)電解水煤漿體系快。然而，煤粒在電解液中的快速攪拌雖加強(qiáng)了傳質(zhì)，但對(duì)陽極及質(zhì)子交換膜磨損加劇，使體系安全性降低、運(yùn)行成本提高。此外，在運(yùn)行中，煤表面形成了惰性含氧產(chǎn)物層，阻礙了Fe³⁺的高效還原，使體系電流密度隨時(shí)間快速衰減，無法實(shí)現(xiàn)長效制氫。因此，如何在Fe循環(huán)輔助的基礎(chǔ)上，解決其存在的問題，是電解水煤漿技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決傳統(tǒng)煤漿電解制氫體系中煤顆粒攪拌導(dǎo)致的電極、質(zhì)子交換膜磨損等問題，本發(fā)明提供了一種兩步法電解水煤漿制氫的方法。該方法不僅可實(shí)現(xiàn)低電耗制氫，還有效避免了煤粒對(duì)電解槽內(nèi)關(guān)鍵組件的磨損，提高了體系安全性，適宜規(guī)模化應(yīng)用和推廣。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：