一种能量多级利用电解装置、制氢装置及制氢方法

本发明涉及一种能量多级利用电解装置、制氢装置及制氢方法，属于新能源利用领域。

背景技术：

1、氢具有制取方法丰富、应用场景广泛、绿色低碳、可再生等特点，是未来国民能源消费的主要组成，具有重要的战略意义。而氢是水的主要构成元素之一，通过电解水就可以获得氢气和氧气，其核心设备是电解单元。按内部电解质的不同，可将电解单元分为碱性水电解单元(alk)、质子交换膜电解单元(pem)、高温固体氧化物电解单元(soec)和阴离子交换膜电解单元(aem)。soec和aem电解单元受限于核心材料的发展水平，尚未实现产业化。alk电解单元结构简单、技术成熟，其电极催化剂主要是镍、设备成本低，但是电流密度低、单体设备庞大，需要用到高浓度碱水作为电解液、易污染环境，而且启停响应慢、与新能源的匹配性差。pem电解单元则具有电流密度高、启停响应迅速等优势，设备运行时只需要电和纯水。无论是alk还是pem电解单元，其原料水都必须是纯水，海水、河水甚至自来水里复杂的金属离子会导致催化剂被“毒化”，引发电解单元寿命衰减。成熟的工业项目一般采用多级ro+edi的方法将原水层层过滤，去除其中的杂质使其满足进水标准后再作为原料水。水的纯化处理过程繁琐、能耗大。

技术实现思路

1、本发明为了解决电解制氢过程中能耗大、环境污染问题，提供了一种制氢装置，该制氢装置包括蒸汽发生装置和蒸汽电解装置，首先将液态水加热形成水蒸气，而后直接电解水蒸气，避免了水污染电解单元的问题，延长了电解单元的使用寿命。

2、本发明所采取的技术方案为：一种制氢装置，包括蒸汽发生装置和蒸汽电解装置，所述蒸汽发生装置将液态水转换为水蒸气并将所述水蒸气输送至蒸汽电解装置，所述蒸汽电解装置电解所述水蒸气产生氢气。

3、作为一种优选方案，蒸汽电解装置包括一个电解单元，蒸汽发生装置向蒸汽电解装置供应水蒸气；或所述蒸汽电解装置包括两个电解单元，蒸汽发生装置向两个电解单元供应水蒸气，也可以是蒸汽发生装置向其中的一个电解单元供应水蒸气，另一电解单元利用其一电解单元产生的余热加热水转换为水蒸气，进而电解水蒸气；或蒸汽发生装置向两个电解单元供应水蒸气，同时两电解单元利用另一电解单元产生的余热加热水转换为水蒸气，实现热量利用，此种情况下，电解装置的水蒸气一部分来源于蒸汽发生装置，另一部分来源于利用自身热量加热水形成的水蒸气；或所述蒸汽电解装置包括至少三个电解单元，蒸汽发生装置向其一、其二或任意多个或全部电解单元供应水蒸气，各电解单元之间具有热传递装置，热传递装置将余热传输至其余电解单元加热水转换为水蒸气；另外各电解单元加热水的热量来源还可以是其它形式，比如各电解单元均可以电加热的基础上再接收其它电解单元传递的余热，提高蒸汽的转换效率。作为一种优选方式，蒸汽电解装置设置有多个电解单元，每个电解单元均包括依次设置的蒸汽流道板、阳极、隔膜、阴极、氢气流道板，蒸汽流道板用于导入水蒸气或导入水转换为水蒸气，氢气流道板用于导出阴极产生的氢气；多个电解单元叠加设置，多个电解单元分别为第一电解单元、第二电解单元……第n电解单元，n≥3，第一电解单元氢气流道板与第二电解单元的蒸汽流道板相连，第二电解单元的氢气流道板与第三电解单元的蒸汽流道板相连，顺次连接其余电解单元；优选若干电解单元串联连接，第一电解单元的阳极和第n电解单元的阴极连接电源，中间各电极的连接方式为：前一电解单元的阴极通过导线连接后一电解单元的阳极。第一电解单元的蒸汽流道板使用前端板替代，第n电解单元的氢气流道板使用散热板替代。

4、作为一种优选方式，所述氢气流道板或蒸汽流道板满足以下其一或两者的结合：(1)第n-1电解单元(前一电解单元)的氢气流道板与第n电解单元(后一电解单元)的蒸汽流道板紧密贴合设置或为一体结构，所述一体结构为双面流道板，双面流道板的其一侧面为氢气流道，另一侧面为蒸汽流道；(2)所述氢气流道板设置氢气流道的一侧设置有导电层，所述导电层形成所述阴极；优选所述导电层的设置方式为涂覆导电材料或铺设导电材料。

5、作为一种优选方式，电解单元内水蒸气的来源以以下其一方式或多者的结合获得：(1)第二电解单元的蒸汽流道内流通有液态水，液态水在流动过程中吸收第一电解单元释放的热量转换为水蒸气，水蒸气在第二电解单元内发生电解反应产生氢气；(2)所述第三电解单元的蒸汽流道内流通有液态水，液态水在流动过程中吸收第二电解单元释放的热量转换为水蒸气，水蒸气在第三电解单元内发生电解反应产生氢气；(3)所述第n电解单元的蒸汽流道内流通有液态水，液态水在流动过程中吸收第n-1电解单元释放的热量转换为水蒸气，水蒸气在第n电解单元内发生电解反应产生氢气。

6、作为一种优选方式，在蒸汽流道板与阳极板之间设置有疏水透气膜，蒸汽流道板内的水蒸气透过所述疏水透气膜至阳极板，所述疏水透气膜为不导电材料。

7、作为一种优选方式，所述蒸汽电解装置包括阳极、隔膜、阴极，所述隔膜为质子交换膜。

8、作为一种优选方式，所述隔膜为膜组件，所述膜组件包括阳极气体扩散层、ccm膜和阴极气体扩散层，所述阳极气体扩散层或/和所述阴极气体扩散层为透气导电片状材料，所述ccm膜为负载了催化剂的质子膜；所述膜组件满足以下其一或多者的结合：(1)所述阳极气体扩散层为钛毡、多孔烧结钛板、碳纸中的一种或多种；(2)所述阴极气体扩散层为钛毡、多孔烧结钛板、碳纸中的一种或多种；(3)所述ccm膜面向阳极一侧负载了氧化铱纳米颗粒；(4)所述ccm膜面向阴极一侧负载了铂碳纳米颗粒。

9、作为一种优选方式，所述蒸汽发生装置为以下其一形式或多种形式的结合：(1)蒸汽发生装置包括集热罩体和输水通道，所述输水通道设置在集热罩体的热局域区，所述集热罩体采集太阳光，并将太阳光局域在热局域区，所述输水通道内的水在热局域区加热转换为水蒸气，所述输水通道优选亲水光热材料，亲水光热材料一端浸润在水源内，通过毛细作用力向热局域区输水，优选集热罩体为保温罩体，优选蒸汽发生装置包括风机，所述风机用于加速向蒸汽电解装置输送水蒸汽；(2)蒸汽发生装置包括透光罩、选择性吸收体和亲水材料，选择性吸收体设置在透光罩的一侧，光线穿过透光罩投射在选择性吸收体上，亲水材料设置在选择性吸收体背对透光罩的一侧，选择性吸收体吸收太阳光转换为热量，并将热量局域在亲水材料上加热亲水材料内的水分转换为水蒸气，优选在蒸汽发生装置与蒸汽电解装置之间设置蒸汽通道，所述亲水材料一端连接选择性吸收体，另一端通过通道向蒸汽电解装置延伸。

10、作为一种优选方式：所述阳极为导电极板，设置在蒸汽流道板与隔膜之间，在蒸汽流道板与阳极电极板之间还设置有疏水透气膜，所述阳极导电极板为透气板，水蒸气透过疏水透气膜和阳极板至隔膜的阳极侧。

11、作为一种优选方式，所述蒸汽流道的设置形式可以为以下其一或多者的结合：(1)在蒸汽流道板的一侧设置亲水材料，向亲水材料输送水源或亲水材料的一端浸渍在水源内，水在毛细作用下沿亲水材料传输，吸收热量转换为水蒸气；(2)在蒸汽流道板的一侧设置入口、出口，并开设导流槽，水由入口进入导流槽，在导流槽内流动过程中吸收热量蒸发形成水蒸气，液态水由出口导出；(3)在蒸汽流道板的一侧贴合设置金属网或金属毡，所述金属网或金属毡上设置入口和出口，水由入口流入金属网或金属毡，沿金属网或金属毡的网络结构流动至出口流出，在流动过程中吸收热量转换为水蒸气。

12、作为一种优选方式，所述第一电解单元的蒸汽流道板的设置形式为以下其一：(1)蒸汽流道板朝向电解单元阳极的一侧设置有蒸汽流道，水在蒸汽流道内流动过程中加热形成水蒸气，加热形式为电加热或/和光加热或/和热传递；(2)蒸汽通道板为格栅板，所述格栅板上设置有若干平行设置的通道，通道由外界通向电解单元的阳极，蒸汽发生装置通过所述格栅板向第一电解单元供应水蒸气。

13、本发明还提供了一种海水处理装置，使用上述制氢装置电解海水，制得氢气。

14、此外，本发明还提供了一种能量多级利用电解装置，包括多级电解单元，所述多级电解单元可以含两个电解单元，分别为第一电解单元、第二电解单元，也可以含两个以上电解单元，分别为第一电解单元、第二电解单元……第n电解单元，n≥2，一个电解单元对应一个电解槽，第一电解单元、第二电解单元……第n电解单元均能电解液态水或气态水，第n电解单元电解的液态水或气态水为利用第n-1电解单元的余热加热后形成的水或水蒸气，即后一电解单元电解的液态水或气态水为利用前一电解单元的余热加热后形成的水或水蒸气，具体解释为第二电解单元利用第一电解单元的余热，第三电解单元利用第二电解单元的余热。

15、作为一种优选方式，第一电解单元、第二电解单元……第n电解单元顺次排列，第一电解单元包括依次设置的前端板、阳极、隔膜、阴极、氢气流道板；第二电解单元……第n电解单元均包括依次设置的蒸汽流道板、阳极、隔膜、阴极、氢气流道板，蒸汽流道板用于提供水或水蒸气，氢气流道板用于导出氢气；

16、优选，所述氢气流道板或蒸汽流道板满足以下其一或两者的结合：

17、——第n-1电解单元的氢气流道板与第n电解单元的蒸汽流道板紧密贴合设置或第n-1电解单元的氢气流道板与第n电解单元的蒸汽流道板为一体结构，所述一体结构为双面流道板，双面流道板的其一侧面为氢气流道，另一侧面为蒸汽流道；

18、——所述氢气流道板中设置氢气流道的一侧导电形成所述阴极，氢气流道板设置氢气流道的一侧贴合隔膜设置。

19、本发明所产生的有益效果包括：(1)本发明中的制氢装置直接电解水蒸气，一方面提升了电解源的纯度，延长了电解装置的使用寿命，另一方面降低了电解所需的△g，再一方面电解产生的氧气易从阳极电极表面析出，降低了传质过电位；

20、(2)本发明采用多级串联堆叠的结构，利用第n级单槽的焦耳热和参与扩散、电渗拖曳的水蒸气凝结的相变潜热作为第n+1级单槽海水蒸发的热源，将第1级海水蒸发的热能多效利用，解决了高电流密度运行所需过量蒸气供应下的热量来源问题；

21、(3)本发明中的制氢装置降低了水质要求，增加了应用场景，可原位纯化海水，直接电解，无需外接ro等纯化设备，节省了投资成本和后期的运行维护；

22、(4)本发明中电解单元的电极及催化剂不需要浸渍在水中，避免了水阳极电极浸泡在强酸性的液态水中，而且避免了液态水对膜电极表面催化剂的冲刷，降低了催化剂的溶损，提高了设备的运行寿命；

23、(5)本发明既可以使用太阳能作为第1级单槽的海水蒸发热源，也可以使用其它形式的废热，或者其它形式的蒸气供给直接电解，运行方式不受限制，而且可以有效节能。

24、更加具体的效果将在具体实施方式部分阐述。