基于热化学循环温度优化的水制氢效率提升方法与流程

本发明涉及可再生能源，尤其涉及基于热化学循环温度优化的水制氢效率提升方法。

背景技术：

1、在现有的水制氢技术中，氢气的生产主要依赖于电解水或化学反应，这些方法普遍存在能效低下和成本较高的问题，电解水法虽然技术成熟，但其能耗高昂，且受电力成本和可用性的限制，而传统的化学反应方法，如利用金属氧化物还原水生成氢气，往往需要在极高温度下进行，导致能源消耗大，且难以有效控制反应条件，影响氢气的产量和纯度。

2、在这些传统方法中，一个主要的技术挑战是如何有效地利用和管理在高温反应过程中产生的热能，通常，这些热能会在没有被充分利用的情况下散失，从而导致整体能源效率低下，因此，开发一种能够有效回收和利用这些余热的方法，对于提高水制氢过程的能效至关重要，此外，现有技术中对原料的处理不够高效，尤其是在金属氧化物的选择和预处理方面，金属氧化物的纯度和处理方式直接影响反应效率和产物质量。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于热化学循环温度优化的水制氢效率提升方法。通过高效的热能回收、精确的原料处理，以及创新的分离纯化技术，实现了水制氢过程的能效提升、成本降低，同时确保了环境友好性和产品质量的提高。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、基于热化学循环温度优化的水制氢效率提升方法，包括以下步骤：

4、s1：选择一种金属氧化物和水作为反应原料；

5、s2：对金属氧化物进行预热处理，以去除水分和杂质；

6、s3：将预处理后的金属氧化物与水混合，在预设的温度范围内进行加热，以促进化学反应生成氧气和还原后的金属；

7、s4：将还原后的金属与水蒸气在预设的温度下进行反应，生成气体混合物和金属氧化物；

8、s5：采用石墨烯膜对生成的气体混合物进行分离和纯化；

9、s6：在步骤s3和s4的反应过程中，利用反应过程中产生的热能进行余热回收。

10、优选的，所述s1中，金属氧化物选自氧化锌、氧化铜或氧化镍。

11、优选的，所述s1中，水和金属氧化物的比例为3:1至5:1。

12、优选的，所述s2中，对金属氧化物进行预热处理的具体步骤包括：

13、s21：将金属氧化物置于一个加热室中，升高加热室的温度至200-300℃，升温速率为5-10℃/min；

14、s22：在达到上述步骤s21中的温度后，将金属氧化物放置在该温度下保持恒温干燥，干燥时间持续1-2小时；

15、s23：完成干燥步骤后，自然冷却至室温，并通过50-100微米的筛网进行筛选；

16、s24：将经过筛选的金属氧化物再次进行干燥处理，此次干燥在150-200℃的温度下进行，持续时间为30-60分钟；

17、s25：将经过二次干燥处理后的金属氧化物放置在无尘、干燥环境中储存备用。

18、优选的，所述s3中，将预处理后的金属氧化物与水混合，在预设的温度范围内进行加热，以促进化学反应生成氧气和还原后的金属的具体步骤包括：

19、s31：先按照水和金属氧化物的预设比例称量两者的质量，并将水和金属氧化物进行混合均匀；

20、s32：将混合物置入预备的反应容器中，并将反应容器中的混合物温度逐步提升至的650-850℃反应温度，加热速率控制为2-5℃/min；

21、s33：维持上述温度进行反应，时间控制为2-4小时；

22、s34：反应完成后，从反应容器中收集生成的氧气和还原后的金属。

23、优选的，所述s4中，将还原后的金属与水蒸气在预设的温度下进行反应，生成气体混合物和金属氧化物的具体步骤包括：

24、s41：先准备水蒸气，该水蒸气的温度控制在120℃；

25、s42：将还原后的金属置入一个反应容器中，并将反应容器的温度加热至350-500℃；

26、s43：在达到预设温度后，引入水蒸气至反应容器中，与还原后的金属接触，水蒸气的流量控制在每分钟0.5-1.5升；

27、s44：反应完成后，使用冷凝设备从反应容器中收集产生的气体混合物，同时将反应容器缓慢冷却至室温，并从中取出反应后产生的金属氧化物。

28、优选的，所述s5中，采用石墨烯膜对生成的气体混合物进行分离的具体步骤包括：

29、s51：先选择具有0.3-0.5纳米孔径的石墨烯膜，该石墨烯膜的孔隙率控制在10-15％；

30、s52：将步骤s4中生产的气体混合物引导至装有石墨烯膜的分离装置中，过程中控制气体流速为1-3升/分钟；

31、s53：在分离装置中维持1-5巴的压力差；

32、s54：收集通过石墨烯膜分离后的氢气。

33、优选的，所述s5中，采用石墨烯膜对生成的气体混合物进行纯化的具体步骤包括：

34、s55：先通过冷凝和干燥的方式，将分离后的氢气中的水分和轻微杂质去除，冷凝温度控制在5-15℃，干燥环节使用分子筛材料；

35、s56：预设一个纯化单元，该纯化单元包括填充活性炭和分子筛，活性炭的孔径为1-2纳米，分子筛的孔径为0.3-0.4纳米；

36、s57：在纯化过程中，维持温度在30℃，压力设置在1.5-2.5巴；

37、s58：将纯化后的氢气储存在高压储存罐内。

38、优选的，所述s6中，利用反应过程中产生的热能进行余热回收的具体步骤包括：

39、s61：在反应容器的外部安装热交换器的热能回收设备，该热交换器要能承受最高达到900℃的温度，以匹配s3和s4步骤中的反应温度；

40、s62：选用能转移流体，通过热交换器循环以捕获和转移余热，该流体的循环温度范围设定在300-400℃；

41、s63：将捕获的热能导入到系统中其他需要加热的部分；

42、s64：若瞬时热能需求较低时，将多余的热能储存于热能存储系统中，将存储系统的容量设计为能够储存最高达500kwh的热能。

43、本发明的有益效果如下：

44、本发明，通过优化热化学循环中的温度控制和金属氧化物的使用，显著提高了水制氢的效率，采用高效的热能回收技术，如s6步骤中描述的余热回收系统，有效减少了能源浪费，使得整个过程更加节能，这种方法不仅降低了反应所需的外部能源供应，也减少了整体的运营成本，从而在经济上更具吸引力。

45、本发明，在提高效率的同时，也重视环境保护和可持续性，通过高效的氢气分离和纯化技术，如使用石墨烯膜，减少了氢气生产过程中的环境污染，此外，余热的有效利用减少了对化石燃料的依赖，降低了温室气体排放，使得整个过程更加环境友好，这一点对于促进清洁能源技术的发展和应对气候变化具有重要意义。

46、本发明，通过精确控制原料处理，如金属氧化物的预热处理和比例控制，能够确保原料的最优使用，从而提高反应效率和产物质量，这种精确的控制不仅提升了氢气的产量，还保证了氢气的高纯度，对于满足工业应用和商业化需求至关重要，同时，这种高效的原料处理方法也为水制氢技术的进一步发展和创新奠定了坚实的基础。