[发明专利]在硫碘循环制氢中以电化学分解HI制氢的方法及装置

说明书

本发明涉及硫碘循环制氢技术，旨在提供一种在硫碘循环制氢中以电化学分解HI制氢的方法及装置。该方法包括：以单电池作为反应器，具有阳极石墨电极、阴极石墨电极，并以质子交换膜作为隔膜；阳极侧注入来自硫碘循环制氢系统的HIx相溶液，阴极侧注入去离子水；通电进行分解反应，阳极侧HIx相溶液中的I^‑被氧化为I₂，生成的H⁺通过质子交换膜到达阴极侧，在阴极被还原为氢气；阳极侧的HIx相溶液在电解反应后循环回Bunsen反应器中作为Bunsen反应原料，阴极生成的氢气送出。本发明直接运用电化学的方法来分解HIx溶液，省去了原模块中需要的浓缩、精馏过程，大大简化了流程和设备。在阴极产生氢气，不用考虑与HI气体的分离问题。

技术领域

本发明涉及硫碘循环制氢技术领域，尤其涉及在硫碘循环制氢中以电化学分解HI制氢的方法及装置。

背景技术

氢能作为一种清洁、安全、可持续的替代能源，越来越受到人们的关注，许多国家都出台了氢能经济路线和规划政策。大规模低成本制氢是未来氢能经济的基础，其中热化学循环制氢比较具有发展前景。在热化学制氢领域，热化学硫碘循环制氢又被认为是可用于大规模制氢比较理想的循环。热化学硫碘循环水分解制氢最主要包括以下三个反应过程：

SO₂+I₂+2H₂O→2HI+H₂SO₄ 293～393K (1)

H₂SO₄→SO₂+H₂O+1/2O₂ 1123K (2)

2HI→H₂+I₂ 573～773K (3)

第一步Bunsen反应中，液态H₂O、固态I₂和气态的SO₂气体发生反应，生成氢碘酸和硫酸。当反应中I₂过量，Bunsen反应后的溶液分为两层，上层为H₂SO₄相溶液和下层为HIx相溶液(含HI、I₂、H₂O和少量硫酸)。液液分层后，上层H₂SO₄经过提纯浓缩，在高温和催化剂作用下，分解成SO₂气体、氧气和水。下层HIx相溶液纯化、浓缩、精馏后得到高浓度的HI气体，进一步分解得到H₂和I₂。

由于Bunsen反应中加入了过量的I₂和H₂O，这些过量成分使得Bunsen反应获得的HIx溶液低于恒沸点状态，在后续处理中会造成大量不必要的能耗。因此HI模块中，HIx相溶液中碘化氢高效的浓缩分离是整个碘硫循环系统能否高效运行的关键步骤。

为了解决这个问题，目前主要提出了以下三种工艺。GA公司最早提出用磷酸从HIx相溶液中萃取出HI溶液，再从H₃PO₄-HI-H₂O溶液中精馏来得到HI气体。但这种方法需要对磷酸进行回收重复利用，耗能较大，而且引入了磷酸，使得流程和操作进一步复杂化，不利于工业化应用。

日本原子能研究中心在20世纪末提出了用电解电渗析(EED)的方法浓缩得到超恒沸点的HI溶液，再依次经过精馏和分解最终制得氢气。使用EED预浓缩HI溶液的浓缩效果明显，系统的热效率得到提升，但是浓缩后还要经过精馏和分解，工艺和流程并没有得到很大的简化。