本發(fā)明涉及一種水力驅(qū)動氫電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，屬于能源技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著人們生活水平的飛速發(fā)展，人類消耗了地球上大量的能源資源，地球能源形勢以及環(huán)境污染日趨嚴(yán)峻。當(dāng)前，能源安全、氣候變暖和環(huán)境污染問題，越來越受到國際社會的普遍關(guān)注。積極推動能源結(jié)構(gòu)改革，大力發(fā)展新能源和可再生能源，已成為世界各國尋求可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。水能資源是國際公認(rèn)的清潔可再生能源，只要有效地加以開發(fā)利用，將會永不枯竭。我國的水電資源豐富，人均占有量為世界平均水平的81%，具有資源秉賦優(yōu)越、技術(shù)成熟、開發(fā)經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行靈活、利用效率高、綜合效益大等優(yōu)勢。然而，水能可再生資源的另一個顯著特點(diǎn)是不能保存，如不開發(fā)利用，將隨著時間流逝。

另一方面，隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，電力負(fù)荷迅速增長，峰谷差不斷加大，用戶對電力供應(yīng)的安全和質(zhì)量期望值也越來越高。我國土地廣袤，水能資源分布廣泛，受地區(qū)水力資源的限制，電網(wǎng)缺少經(jīng)濟(jì)的調(diào)峰手段，電網(wǎng)調(diào)峰矛盾日益突出，缺電局面由電量缺乏轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)峰容量缺乏。抽水蓄能電站以其獨(dú)特的調(diào)峰填谷運(yùn)行特性，發(fā)揮著調(diào)節(jié)負(fù)荷、促進(jìn)電力系統(tǒng)節(jié)能和維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的功能，修建抽水蓄能電站以解決火電為主電網(wǎng)的調(diào)峰問題逐步形成共識。但是，由于抽水蓄能電站建設(shè)難度較大，整體技術(shù)要求較高，工況轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜，大規(guī)模建成投入使用還需要很長的時間。因此，開發(fā)穩(wěn)定可靠、可靈活調(diào)節(jié)的水能資源利用方法意義重大。

氫氣具有能量密度高、對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，在未來能源結(jié)構(gòu)中占有重要的地位。以水作為原料制取氫氣是最有前途的方法，利用水力驅(qū)動微納米孔道噴射制氫的方法不但不消耗電能，而且能在制氫的同時產(chǎn)生電能，這是十分有利的。氫電聯(lián)產(chǎn)可以大大提高水能資源的利用效率，同時可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)峰，解決電力供應(yīng)中所遇到的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種水力驅(qū)動二氧化碳轉(zhuǎn)化氫電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)利用微納米通道噴射的方法將水能資源高效的轉(zhuǎn)化成電能和氫氣。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種水力驅(qū)動氫電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，從上至下包括進(jìn)水池、反應(yīng)室和排水室，進(jìn)水池與反應(yīng)室通過進(jìn)水管連接，所述進(jìn)水管上裝有過濾裝置；所述反應(yīng)室底部有微納米噴片，將反應(yīng)室與排水室分隔，反應(yīng)室側(cè)壁上有二氧化碳進(jìn)氣管；所述排水室內(nèi)有金屬板與微納米噴片相平行，排水室的側(cè)壁上有氫氣出氣管，排水室的底部有出水口，所述金屬板與正接線柱連接，所述微納米噴片與負(fù)接線柱連接，所述二氧化碳進(jìn)氣管和氫氣出氣管上裝有閥門。

所述微納米噴片可以是具有微米或者納米孔道的金屬多孔片，也可以是表面鍍有納米金屬層的非金屬微納米多孔片。

系統(tǒng)工作時，具有一定壓力水頭的水流直接進(jìn)入進(jìn)水池，進(jìn)水管上的過濾裝置將水中的雜質(zhì)除去，防止堵塞微納米噴片上的噴孔。二氧化碳在反應(yīng)室中與水反應(yīng)生產(chǎn)碳酸(H₂CO₃)，通過進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)二氧化碳的流量，從而控制水中碳酸的濃度。碳酸在自然條件下會發(fā)生電離：H₂CO₃→H⁺+HCO₃^-，而生產(chǎn)H⁺（氫離子）和HCO₃^-（碳酸氫根離子）。在水溶液中，由于金屬表面會吸附溶液中的負(fù)離子而顯負(fù)電性，為了保持電荷平衡，在靠近金屬表面附近的溶液便會產(chǎn)生電荷數(shù)量相等的正離子層，這種現(xiàn)象被稱為雙電層效應(yīng)。雙電層效應(yīng)的作用范圍一般為納米級別，在稀溶液中可以達(dá)到微米級別。在微納米噴片的孔道內(nèi)具有很強(qiáng)的雙電層效應(yīng)，因此會存在大量的氫離子，當(dāng)水流通過微納米噴片時就會帶動氫離子流動而形成電能，同時氫離子會在金屬板上得到電子生成氫氣。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷處在峰值的時候，電能直接通過正負(fù)接線柱連接電網(wǎng)供給用戶；當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷處在谷值的時候，將系統(tǒng)正負(fù)接線柱相連，產(chǎn)生的電能電解水產(chǎn)生更多的氫氣輸出，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)峰，產(chǎn)生的氫氣通過排水室上的氫氣管道收集儲存。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)越性在于：

（1）本發(fā)明無任何機(jī)械轉(zhuǎn)動部件，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，不需要提供外部電能進(jìn)行驅(qū)動，對環(huán)境十分友好；

（2）本發(fā)明利用微納米通道噴射的方法實(shí)現(xiàn)水力轉(zhuǎn)化氫電聯(lián)產(chǎn)，大大提高水能資源的利用效率，同時可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)峰；

（3）本發(fā)明利用二氧化碳來提高水中氫離子的濃度，進(jìn)而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時利用溫室氣體二氧化碳作為原料，在一定程度上可以緩解溫室效應(yīng)；

（4）本發(fā)明運(yùn)行靈活，在沒有二氧化碳輸入的情況下也可以維持在可觀的效率運(yùn)行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1－微納米噴片、2－過濾裝置、3－進(jìn)水池、4－進(jìn)水管、5－反應(yīng)室、6－閥門、7－二氧化碳進(jìn)氣管、8－氫氣出氣管、9－出水口、10－金屬板、11－排水室、12－正接線柱、13－負(fù)接線柱。

圖2為不銹鋼微納米噴片實(shí)物照片和不銹鋼微納米噴片SEM圖。

圖3為系統(tǒng)電流與水位高度的關(guān)系曲線圖。

圖4為系統(tǒng)功率與水位高度的關(guān)系曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施例。

一種水力驅(qū)動二氧化碳轉(zhuǎn)化氫電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，包括微納米噴片1，進(jìn)水池3，反應(yīng)室5和排水室11；反應(yīng)室5和進(jìn)水池3通過進(jìn)水管4連接，進(jìn)水管4上設(shè)有過濾裝置2，可以濾去水中雜質(zhì)；反應(yīng)室5邊上設(shè)有二氧化碳進(jìn)氣管，管道上設(shè)有閥門6，可以控制二氧化碳的流量；微納米噴片1下方設(shè)有金屬板10，水流從微納米噴片1噴射出來打在金屬板10上發(fā)生反應(yīng)生成氫氣，通過排水室上的氫氣管道向外輸出；金屬板10和微納米噴片1分別與正負(fù)接線柱12和13連接，對外輸出電能。

所述微納米噴片1可以是具有微米或者納米孔道的金屬多孔片，也可以是表面鍍有納米金屬層的非金屬微納米多孔片。

系統(tǒng)工作時，具有一定壓力水頭的水流直接進(jìn)入進(jìn)水池3，進(jìn)水管4上的過濾裝置2將水中的雜質(zhì)除去，防止堵塞微納米噴片上的噴孔。二氧化碳在反應(yīng)室5中與水反應(yīng)生產(chǎn)碳酸(H₂CO₃)，通過閥門6可以調(diào)節(jié)二氧化碳的流量，從而控制水中碳酸的濃度。碳酸在自然條件下會發(fā)生電離：H₂CO₃→H⁺+HCO₃^-，而生產(chǎn)H⁺（氫離子）和HCO₃^-（碳酸氫根離子）。在水溶液中，由于金屬表面會吸附溶液中的負(fù)離子而顯負(fù)電性，為了保持電荷平衡，在靠近金屬表面附近的溶液便會產(chǎn)生電荷數(shù)量相等的正離子層，這種現(xiàn)象被稱為雙電層效應(yīng)。雙電層效應(yīng)的作用范圍一般為納米級別，在稀溶液中可以達(dá)到微米級別。微納米噴片1的孔道內(nèi)具有很強(qiáng)的雙電層效應(yīng)，因此會存在大量的氫離子，當(dāng)水流通過微納米噴片1時就會帶動氫離子流動而形成電能，同時氫離子會在金屬板10上得到電子生成氫氣。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷處在峰值的時候，電能直接通過正負(fù)接線柱12和13連接電網(wǎng)供給用戶；當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷處在谷值的時候，將系統(tǒng)正負(fù)接線柱相連，產(chǎn)生的電能電解水產(chǎn)生更多的氫氣輸出，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)峰，產(chǎn)生的氫氣通過排水室11上的氫氣管道收集儲存。

實(shí)施例1

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參見圖1，所述微納米噴片為具有微米孔道的不銹鋼多孔噴片，參見圖2。所述不銹鋼微米多孔噴片采用超快激光加工而成，不銹鋼片直徑為20mm，厚度為0.2mm。在不銹鋼片中心直徑為2mm的區(qū)域內(nèi)均勻分布有132個孔徑為10微米的圓形通孔。參見圖1，所述過濾裝置為孔徑5微米的尼龍濾網(wǎng)。具有一定壓力水頭的水流通過濾網(wǎng)后進(jìn)入反應(yīng)室，通過控制進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥使反應(yīng)室的碳酸濃度剛好處于飽和狀態(tài)，碳酸溶液在水力壓頭的驅(qū)動下經(jīng)過不銹鋼微米多孔噴片噴射在金屬板上。碳酸在自然條件下會發(fā)生電離：H₂CO₃→H⁺+HCO₃^-，而生產(chǎn)H⁺（氫離子）和HCO₃^-（碳酸氫根離子）。不銹鋼噴片上的微通道由于本身的化學(xué)特性會吸附帶負(fù)電的離子而顯負(fù)電性，在雙電層效應(yīng)下只允許大部分的H⁺通過，當(dāng)噴射流到達(dá)金屬板時，會在金屬板上發(fā)生反應(yīng)：2H⁺+2e^-→H₂，而產(chǎn)生H₂（氫氣）放出，不銹鋼微米多孔噴片上則會發(fā)生另一個反應(yīng)：2HCO₃^2--2e^-→H₂O+2CO₂而產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳又可以溶于水中生產(chǎn)碳酸從而重復(fù)利用。金屬板和不銹鋼噴片上得失的電子通過與正負(fù)接線柱連接對外輸出電能，金屬板上氣產(chǎn)生的氫氣通過排水室上的氫氣管道收集儲存。系統(tǒng)的輸出電流和水位高度的關(guān)系如圖3所示，系統(tǒng)的輸出功率與水位高度的關(guān)系如圖4所示。

本發(fā)明提供了一種水力驅(qū)動二氧化碳轉(zhuǎn)化氫電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，通過利用微納米通道噴射的方法將水能資源高效的轉(zhuǎn)化成電能和氫氣。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于上述的實(shí)施例，顯然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變形而不脫離本發(fā)明的精神，則本發(fā)明的意圖也包含這些改動和變形在內(nèi)。