一种非常规水源原位净化并电解制氢的反应器

本发明涉及利用绿电和低品位热源分布式制取氢气，具体为一种非常规水源原位净化并电解制氢的反应器。

背景技术：

1、商用电解制氢大致分为碱性电解法、酸性电解法、高温固体氧化物电解法、离子交换膜电解法。其中：(1)碱性电解技术最大的优势是阴、阳电极板中不含有贵金属，电解槽的成本相对较低，由于商业成熟度高，运行经验丰富，国内一些关键设备主要性能指标均接近于国际先进水平，单槽电解制氢量大，易适用于电网电解制氢；(2)酸性电解法使用酸性电解液(如硫酸或磷酸)进行电解，可以得到较高纯度的氢气；(3)高温固体氧化物电解法在高温条件下(通常在800℃到1000℃之间)进行电解，具有较高的效率和较低的电解电压。此外，该工艺可以利用废热进行热集成，提高能源利用效率；(4)膜分离电解法主要包括质子交换膜(pem)和阴离子交换膜(aem)；膜分离电解法通过选择性透过阳离子或阴离子的膜进行水分解，可以直接得到较高纯度的氢气。然而，以上几种电解法除质子交换膜电解法外均需接入电网，应用场景较为局限，且均对电解液水质要求较高，离子交换膜性能及寿命受水中杂离子影响，不利于长期发展，上述电解制氢的方式所存在的问题具体如下：

2、(1)碱性电解法：①能量效率通常只有60％左右，能耗高，运行成本高；②电流密度低，导致电解槽体积大，占地面积大；③难以快速关闭或启动，制氢速度难以快速调节，因为必须时刻保持电解池的阳极和阴极两侧上的压力均衡，防止氢氧气体穿过多孔的隔膜混合，进而引起爆炸；④运行范围窄，运行下边界处于20％～40％之间，无法匹配0-100％全范围可再生能源的输入功率，导致增加启停次数，影响系统能量综合利用和电解槽寿命；⑤使用大量强碱溶液需要额外废液处理，且电解出的气体会带有碱液，因此，对产出的气体要进行脱碱雾处理；

3、(2)酸性电解法：①通常需要更高的电解电压，并且电解液的浓度较高，导致能源消耗相对较大；②可能产生酸性废液，需要进行处理和回收；

4、(3)高温固体氧化物电解法：①高温固体氧化物电解器件对材料的稳定性和耐高温性要求较高，因此制造和维护成本较高；②高温下的工作条件以及与电解液的相互作用可能导致设备寿命较短；

5、(4)质子交换膜(pem)电解法：①对水质要求高：pem电解水制氢工艺对水质的要求相对较高，需要使用纯净的水或经过预处理的水，以避免膜堵塞或损坏；②质子交换膜的稳定性：pem电解器件使用的质子交换膜对温度、湿度等环境条件敏感，稳定性较差，需要较高品质的膜材料和严格的操作控制；③成本较高：与其他电解水制氢工艺相比，pem电解器件的成本较高，只能使用贵金属催化剂电极，主要受膜材料和催化剂的价格影响；④气体处理要求：pem电解水制氢产生的氢气通常含有一定的湿度，需要进行后续的气体处理和干燥步骤；

6、(5)阴离子交换膜(aem)电解法：①膜的长期稳定性较差：aem电解器件使用的阴离子交换膜在高碱性条件下易受到氧化和降解，膜的稳定性仍然是一个挑战，需要寻找更稳定的膜材料；②氢气纯度较低：由于阴离子交换膜的特性，aem电解器件制氢时可能伴随少量的氧气产生，导致氢气纯度相对较低；③成本较高：目前，aem电解水制氢工艺相对于传统的碱性或酸性电解水工艺成本较高，主要受膜材料和催化剂的价格影响；④技术发展相对较新：相对于成熟的pem和碱性电解工艺，aem电解水制氢工艺还处于技术发展阶段，相关设备、材料和操作经验相对较少；

7、(6)水蒸气电解法：水蒸汽电解制氢目前仍处于研究阶段，文献报道中以水蒸汽为电解质的电解反应器电流密度通常在50ma/cm-2以下，难以满足商用需求。

8、现有电解制氢技术尚存在问题如下：(1)通常需要超高纯水作为原材料，以最大限度地延长使用寿命并节约维护成本，但高纯水的供应成本较高；(2)商用pem制氢电解槽通常需要贵金属催化剂，极大增加了设备成本及资源浪费；(3)碱性电解槽通常需要使用大量的强碱溶液，对设备容易造成腐蚀；(4)直接电解非纯水由于其中杂质离子的影响，会有大量副反应发生，极大程度减少反应器的使用寿命，并且影响产气纯度；(5)水蒸汽电解制氢目前仍处于研究阶段，而文献报道中以水蒸汽为电解质的电流密度通常在50ma/cm-2以下，难以满足商用要求；(6)通常需接入电网，应用场景较为局限。

9、因此，特发明一种非常规水源原位净化并电解制氢的反应器，利用非常规水源原位产生水蒸汽作为电解质电解制氢，可避免使用极度ph条件的电解液，减少贵金属催化剂的使用，降低设备成本；并且，水蒸汽来源丰富，可由各种常规水源中产生，无须水纯化过程，可以大幅减少对淡水资源的依赖，进一步降低了水源预处理设施成本；同时利用低品位热源可以提高水蒸气电解的效率，而且水蒸气电解可以利用光电、风电等间歇性能源，应用场景更加广泛。

技术实现思路

1、针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种非常规水源原位净化并电解制氢的反应器，解决上述现有问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供一种非常规水源原位净化并电解制氢的反应器，包括结构组件、密封垫片、导热材料、吸水材料、多孔疏水膜、复合多孔电极、极耳和隔膜，所述结构组件包括第一片体和第二片体；所述复合多孔电极嵌置于第二片体上；所述密封垫片包括第一密封片和第二密封片；所述隔膜的左、右两侧呈对称分别从里往外依次设置有第二片体、极耳、第二密封片、多孔疏水膜、吸水材料、导热材料、第一密封片、第一片体；所述结构组件、密封垫片、多孔疏水膜、隔膜之间通过螺杆连接，形成电解制氢反应器；

4、还包括排气管，所述排气管从上往下穿过第二片体置于复合多孔电极的外框结构组件上。

5、优选地，所述结构组件材质为不锈钢、pp(聚丙烯)、pe(聚乙烯)、pvc(聚氯乙烯)、ptfe(聚四氟乙烯)、尼龙、abs工程树脂、peek(聚醚醚酮)、pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)其中的一种或几种组合。

6、优选地，所述密封垫片材质为硅胶、氟橡胶、ptfe中的一种或几种组合，用于密封各器件中的间隙。

7、优选地，所述导热材料、吸水材料、多孔疏水膜组合成水蒸汽发生组件，用于将源水引至蒸发区产生水蒸汽；所述导热材料为导热系数大于4w·m-1·k-1的导热板；所述吸水材料采用无纺布、吸水纸、亲水性高分子材料(接触角小于60°)其中的一种；所述多孔疏水膜孔的隙率大于70％，厚度为30μm-400μm，材质采用ptfe均相膜、ptfe/pp复合膜、pvdf疏水膜其中的一种。

8、优选地，所述复合多孔电极由极耳、多孔基底、活性催化剂、亲水表面层复合形成，用于捕获、储存水蒸气，帮助电解质在催化剂表面扩散及调整分布，提供电解活性位点，其中需要说明的是，极耳与其他复合形成的多孔材料可为一个整体或接触连接。

9、优选地，所述多孔基底的材质为泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、玻璃碳、碳毡的其中一种，孔密度为30-300ppi，厚度为0.5mm-10mm。

10、优选地，所述亲水表面层为氧化石墨烯、亲水高分子膜、水凝胶、亲水二氧化硅的其中一种。

11、优选地，所述极耳的材质采用金属材料、导电石墨片、ito导电材料、导电橡胶其中的一种。

12、优选地，所述隔膜为聚醚醚酮隔膜(peek)、聚苯硫醚隔膜(pps)、聚四氟乙烯树脂改性石棉隔膜以及聚砜类隔膜(psf)、质子交换膜、阴离子交换膜、选择性阴离子交换膜其中的一种，用于隔开阴、阳极防止短路，隔离阴、阳极上产生的氢气和氧气，防止氢气氧气混合引起爆炸的安全隐患，并提高产生的氢气纯度。

13、优选地，电解制氢反应器为单层级反应器，或者多层级串联的复合反应器。

14、本发明的有益效果在于：本发明中的该非常规水源原位净化并电解制氢的反应器，可省去传统电解制氢所需的超纯水净化步骤，避免使用贵金属催化剂，极大程度上降低了制氢成本，且可利用低品位热源加速蒸馏生产水蒸汽的过程，实现低成本高效分布式非常规水源原位制取绿氢，具体如下：

15、(1)无需传统电解水所需的高纯水作为电解质，而是可以使用多种非常规水源原位净化产生的水蒸汽作为电解质，省去了水纯化的设备成本、维护费用及能耗；

16、(2)无须使用强碱性电解液，降低了电极材料的抗腐蚀性要求，且避免使用贵金属催化剂，显著降低了制造成本；

17、(3)多孔复合电极增加了电解活性面积，且有利于水蒸汽扩散和产生的气体排出，有利于增大电流密度，提高制氢效率；

18、(4)电解消耗水的速率与蒸汽发生速率在热力学上有自调控的行为，自动调节电解消耗和水蒸汽发生的平衡。