逆电渗析法热制氢系统匹配工质基础物性研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hongguoqwer
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探索利用可再生能源、提高能源利用率已成为现代社会普遍关注的问题。本课题组基于开式逆电渗析法(Reverse electrodialysis,RED)盐差能发电原理,同时汲取吸收式制冷技术和热法海水淡化技术在低品位热能利用领域的优势,提出一种闭式逆电渗析法热-电/氢循环转换方法。工作过程为:首先利用蒸馏法将热能转换为浓、稀两股溶液间盐差能;然后基于RED原理通过溶液混合及离子跨膜迁移,形成电堆内离子流和两端电势差;最后借助电堆两端电极-电极液相界面处分别发生的氧化和还原反应,实现制取氢气和氧气。废液被收集并导回溶液再生装置,受热后实现浓度再生。工作溶液作为循环系统的“血液”,是影响闭式逆电渗析法热-氢循环转换系统能效水平、流程结构、经济性和稳定性的关键因素。选取传统NaCl水溶液以及新型乙酸盐(KAc、Na Ac)水溶液作为候选物,综合考量各工作溶液的基础物性(热力学性质、电化学性质、输运性质、及危险性)。结果表明,乙酸盐在溶解度、活度系数比等关键物性方面较传统的NaCl水溶液优势明显;且在功率密度、热转换效率等方面优势显著。这表明乙酸盐在该领域具有较大发展潜力。为进一步提高热制氢系统能量转换效率,本课题组曾提出无机盐-溶解剂-调节剂三元工作溶液体系,即选取两种或多种溶剂,使其在热分离阶段及电化学反应过程中能够发挥各自优势。本文采用激光动态法测定了乙酸盐(KAc、Na Ac)在水、有机溶剂以及二元混合溶剂中的关键性质—溶解度。分析了温度、溶剂物性对于溶解度的影响,并与溶解度静态测试法进行比较研究。进一步地,采用五种经验模型对溶解度数据进行关联。最后用van’t Hoff分析法从能量角度来分析固体在溶解过程中的热力学性质变化规律。优选出工作溶液后,本文将气隙扩散蒸馏法、逆电渗析技术以及碱性电解水制氢工艺相耦合,建立闭式逆电渗析法热制氢系统理论循环模型。以优选的KAc水溶液作为工作溶液,采用单因素控制变量法,分别对比研究了溶液浓度、过膜流速、溶液温度等因素对逆电渗析法热制氢系统输出特性(U-I曲线、功率密度、转换效率等)的影响,为优化电堆运行条件以提高产氢量奠定基础。
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