一种利用磁微扰技术降低电解水制氢电耗的方法

本发明属于电解水制氢领域，涉及一种利用磁微扰技术降低电解水制氢电耗的方法，利用磁微扰源激发降低电解水制氢过程的槽电压，提高制氢效率，本发明提供的工艺方法具有快速同步提高制氢产量与效率的优点背景技术：：：1、氢作为一种清洁和可持续的能源载体，是解决全球能源危机和环境污染最有前途的传统化石燃料替代品之一。目前，约95％的h2供应是通过化石燃料生产的，虽然灰氢生产成本较低(每公斤9.65-16.34rmb)，但这既不可持续也不环保。电催化析氢反应(her)是最经济有效的制氢策略之一，该反应由可持续能源(即太阳能和风能)的电力驱动，通过电化学还原绿色制氢的方法被认为是有效转换和储存可再生能源以解决全球能源和环境问题的一种有前途的方法。目前，工业上的电驱动水还原制氢主要基于碱性电解槽，其中析氢反应由于水分子氢键激活势垒高而导致相当缓慢的动力学。但该工艺的商业可扩展性受到其高成本(每公斤4.15-23.27美元)的限制，迄今为止，实际生产通过利用铂(pt)基材料作为her催化剂提高制氢效率，但它们的稀缺性和高成本阻碍了制氢工艺的进一步扩大。例如[论文[efficient acidic hydrogen evolution in proton exchange membraneelectrolyzers over a sulfur-doped marcasitetype electrocatalyst]利用碳负载铂(pt/c)作为析氢反应(her)催化剂提高her动力学。虽然目前pt/c催化剂占系统成本的比例较小，但未来大规模生产氢气pt消耗量巨大，进一步阻碍了工业级pem电解槽的商业化；论文[pure and stable metallic phase molybdenum disulfide nanosheets forhydrogen evolution reaction]利用(s-mos2)作为光催化剂和超级电容器活性电极材料用于析氢反应(her)中，但m-mos2的纯相由于理化性质高度不稳定致使产业化应用存在挑战性，过去的几十年里，研究者试图开发一种性能稳定和纯度较高的m-mos2的工艺，但结果被证明是徒劳的。此外，水电解在阴极产生h2，在阳极产生o2，在可再生能源的低功率负荷下，h2和o2的产生速度实际上可能比它们通过膜的渗透速度慢。在极端情况下，气体通过膜交叉可能会产生爆炸性的h2/o2混合物，从而引起相当大的安全问题。此外，h2/o2混合物和活性催化剂的共存可能会产生活性氧，从而破坏水电解槽中的膜，专利[cn201510201194.6]根据电渗析海水淡化和扩散渗析的工艺条件结合近期新发现的离子交换膜催化反应原理将水制备为氢气和氧气的方法，主要涉及该离子膜催化法在进行电渗析分离过程时联产氢气的应用，离子膜催化法或电渗析催化法水制氢相比传统的电解法水制氢的直流电耗可下降1-4倍，但操作复杂。因此，迫切需要寻找简单、稳定且易操作的制氢技术，以实现碱性介质中高效的电化学析氢过程。2、基于此，本发明在电解水制氢过程中，利用磁微扰技术调控碱性电解水制氢过程点电耗高与效率低的工艺方法，以实现电解水制氢过程节能降耗的目的，利用磁微扰源激发可降低电解水制氢过程电极/电解液界面电荷转移电阻，提高电解液的导电性能，解决实际生产过程中h2与o2通过渗透膜分离速度缓慢的问题，以实现制氢系统中h2与o2快速同步分离的目的。技术实现思路1、本发明针对现有电解水制氢过程催化剂成本高、制氢效率低的现状，提出一种利用磁微扰技术降低电解水制氢电耗，具有同步提高制氢产量与效率的优点。2、一种利用磁微扰技术降低电解水制氢电耗的方法，包括以下步骤：3、步骤一：将储水池中的工业用水自然静置沉降10-24h后，按照一定流量依次经过循环泵1、磁微扰源、电磁流量计与储水池进行磁微扰处理；4、步骤二：磁微扰后纯水利用循环泵2所提供的动力经过氢氧分离器、热交换器、过滤处理器以及循环泵2进入电解槽进行电解。5、根据权利要求1所述的方法：纯水经过磁微扰处理后碱性电解水的电解质为质量百分数(wt％)为25％～30％，电解水制氢过程采用电流密度3000a/m2的电流进行电解，电解过程磁微扰处理采用延续式预处理纯水的方式，纯水经过磁场强度为0.5t-0.9t的磁微扰源稳态处理10-24h。磁微扰处理能力为0.1-20l/min，处理重复周期控制在2-7d/次。经过磁微扰处理后电解槽中的电解液碱液温度维持在70～90℃范围内；6、其中，步骤1中：7、所述的电解液循环系统的循环泵2前端设置过滤处理器，所述电解液循环系统的循环泵2前端设置过滤处理器进行电解液净化工艺处理以进一步提高制氢效率。步骤二中磁微扰处理源由电磁或永磁提供。8、与权利要求1-10任一项所述的从一种利用磁微扰技术降低电解水制氢电耗的方法，其特征在于，核心工艺包括自然静置工艺、磁微扰源进行微扰处理工以及电解液过滤净化工艺。与上述的降低电解水制氢工艺配套的装置，包括循环泵1、磁微扰源、氧分离器、热交换器以及电解液净化装置。所述的电解槽底部的出口连接电解液的出口，纯水经过磁处理后经氧分离器、热交换器以及循环泵2由电解槽顶部进入，电解液的进入方式为上进下出，电解槽装置底部的出口联接电解液过滤净化工艺装置及电解液返回装置，返回装置具体包括循环泵和阀门。9、所述的一种降低电解水制氢电耗方法配套的装置还包括循环泵，所述的循环泵(1)设置于电解槽与纯水系统之间的管道上，循环泵(2)设置于电解槽装置与热交换装置的管道上。10、本发明的优势在于：11、(1)提高工艺适应性，降低电解水制氢电耗；12、本发明可在没有化学药剂的使用基础上降低电解水制氢过程电极/电解液界面电荷转移电阻。13、(2)提高单位时间内氢气生产能力。14、纯水经过磁微扰技术处理具有快速分离h2与o2，提高单位时间内氢气生产能力的效果。技术特征：1.一种利用磁微扰技术降低电解水制氢电耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：2.根据权利要求1所述的方法：所述利用磁微扰技术降低电解水制氢电耗的装置为双循环系统独立运行，所述循环泵1、磁微扰源、氧分离器以及热交换器构成循环系统，所述氢氧分离器、热交换器、过滤处理器以及循环泵2与电解槽构成循环系统。3.根据权利要求1所述的方法：纯水经过磁微扰处理后碱性电解水的电解质为质量百分数(wt％)为25％～30％，电解水制氢过程采用电流密度4.60ma/mm2-5.50ma/mm2的电流进行电解，电解过程磁微扰处理采用延续式预处理纯水的方式，纯水经过磁场强度为0.5t-0.9t的磁微扰源处理10-24h。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纯水经过磁处理后电解槽中的电解液碱液温度维持在70～90℃范围内。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的磁微扰处理能力为0.1-20l/min，所述的磁微扰处理水重复周期控制在2-7d/次。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁微扰处理纯水的运动状态为稳态模式，所述循环泵1、磁微扰源、氧分离器以及热交换器构成循环系统，所述氢氧分离器、热交换器、过滤处理器以及循环泵2与电解槽构成循环系统。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中磁微扰处理对象为一定电导率的纯水，所述的纯水电导率范围是0.055μs/cm-0.2μs/cm。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的电解液循环系统的循环泵2前端设置过滤处理器，过滤处理器过滤精度范围为12-25μm。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中磁微扰处理源由电磁或永磁提供。10.与权利要求1-7任一项所述的从一种利用磁微扰技术降低电解水制氢电耗的方法，其特征在于，核心工艺包括自然静置工艺、磁微扰源进行微扰处理工以及电解液过滤净化工艺。技术总结本发明公开了一种利用磁微扰技术降低电解水制氢电耗的方法，具体涉及一种利用磁微扰技术激发电解液中的水分子，降低水分子之间氢键数量的方法，包括以下步骤：(1)工业用水进入电解槽前通过储水池自然沉降工艺，得到纯水溶液；(2)纯水溶液依次经过循环泵1提供动力经过磁微扰源电磁流量计与储水池构成循环系统，利用循环泵依次经过、氧分离器、热交换器进入电解槽与电解液混合后进行电解水制氢，其中，电解水制氢过程纯水采用延续式磁微扰稳态处理。通过本发明可以实现降低水分子析氢反应能垒，降低由于析氢反应电位高而制约电解水制氢效率的瓶颈难题，提高单位时间内氢气生产能力；同时，利用磁微扰处理技术可以降低电解水制氢过程的槽电压，提高制氢效率。此外，本发明还提供了利用自然沉降处理工艺解决了工业用水中悬浮物浓度过高所引起的干扰磁微扰处理效率的难题。本发明提供的工艺方法具有降低电解水制氢电耗的优点。技术研发人员：王志,姚夏妍,郭建伟受保护的技术使用者：中国科学院过程工程研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/29