本发明专利技术公开了海水无淡化原位直接电解制氢方法、装置及系统，通过将海水无淡化原位直接电解制氢装置直接浸入海水中，在海水与自驱动电解质的界面压力差推动下，海水通过溶液传质层源源不断进入海水无淡化原位直接电解制氢装置，被装置内的自驱动电解质诱导进入电解液，同时溶液传质层的疏水作用将溶液中的非水杂质有效阻隔，电解时，自驱动电解质中的水将被消耗用于制取氢气与氧气，并诱导电解质再生，维持界面压力差，实现无额外能耗的自循环激发驱动。当自驱动电解质诱导进入的水溶液与电解产氢消耗的水量相等时，形成动态稳定的、无额外能耗的海水无淡化原位直接电解制氢方法及系统。法及系统。法及系统。
【技术实现步骤摘要】
海水无淡化原位直接电解制氢方法、装置及系统
[0001]本专利技术属于电化学的
，具体而言，涉及海水无淡化原位直接电解制氢方法、装置及系统。
技术介绍
[0002]氢能具有来源广、可储存、用途多、零碳零污染及能量密度大等优势，是未来能源领域的关键组成部分。目前电解水获取氢能有两种，其一是直接利用自然界的海水、河水或湖水等非纯水溶液。以海水电解制氢为例，其存在以下问题：
①
海水成分复杂，且组分会随季节、气候、温度、地域和人为活动等因素而变化，因此，不同区域的海水直接制氢电解装置不能直接兼容；
②
海水中 Cl
‑
含量最高，在电解反应中，Cl
‑
可以在析氧反应中被氧化，产生有毒、对环境有害、有腐蚀的ClO
‑
和Cl2；
③
海水直接制氢时H
+
和OH
‑
离子浓度微小，或缓冲分子无法运输分别在阴极和阳极的OH
‑
和H
+
，导致电解效率低，因此需要额外使用添加剂或使用离子交换膜，从而成本大幅增加，同时交换膜对杂质敏感程度高，可能存在失活或维护成本；
④
由于电解时的局部pH差异可能导致与钙镁离子等产生沉淀，需要使用酸进行沉淀处理，产生额外成本。其二是将各种非纯水溶液进行纯化处理，制取纯水并用于电解槽。仍然以海水为例，需要通过海水淡化过程，该方法需要在海岸建立海水淡化厂，从建设、运营、人力、维护等方面大幅提升成本；且难以大规模利用海上风电耦合形成原位一体化海洋绿氢生产体系，难以实现可再生能源的稳定储存、多能互补能源体系和海上能源生态漂浮岛的建设。
技术实现思路
[0003]鉴于此，为了解决现有技术难以直接利用自然界中成分较为复杂且分布广泛的海水、河水、湖水等非纯水资源电解制氢，而不经过二次净化处理的技术难题，本专利技术旨在提供基于海水无淡化原位直接电解制氢方法、装置及系统，以达到从根本上解决自然界海水中离子成分复杂致使离子交换膜失效、催化剂失活、转化效率低、产生碱性沉淀和有毒气体等电解制氢的问题；同时，有助于未来氢能源转化不受时空限制，实现包括海水、河水、湖水等自然水资源，乃至生活废水、工业废水、淤泥等一系列非纯净水的原位直接电解制氢。
[0004]本专利技术所采用的技术方案为：海水无淡化原位直接电解制氢方法，该制氢方法包括：
[0005]通过溶液传质层将海水(非纯水溶液)和杂质离子阻挡在外，实现水汽的选择性通过，自驱动电解质经界面压力差作用或渗透压差诱导水溶液相变获取无杂质离子水分；
[0006]由制氢电解中的阴极侧对自驱动电解质内的水分作析氢反应制备氢气和 OH
‑
，将OH
‑
由离子传递至制氢电解中的阳极侧并通过阳极侧作析氧反应制备氧气；
[0007]其中，在制氢电解过程中，随着自驱动电解质内的水分被不断电解消耗，诱导自驱动电解质再生，维持界面压力差，形成无额外能耗的自循环激发驱动制氢。
[0008]在本专利技术中还提供了海水无淡化原位直接电解制氢装置，该制氢装置包括：
[0009]一自捕获容器，通过该自捕获容器自发获取无杂质水分；自捕获容器在海水(非纯水溶液)和自驱动电解质界面压力差或渗透压差作用下，诱导驱动外界溶液中的水分通过溶液传质层，并被自驱动电解质诱导相变；
[0010]设于该自捕获容器内的催化电解模块，通过该催化电解模块将自捕获容器分隔成阳极电解室和阴极电解室，并至少在阳极电解室或阴极电解室内形成自驱动电解质，自驱动电解质首先在阴极电解室电解制备氢气和OH
‑
，且OH
‑
经过催化电解模块进入阳极室并电解制备氧气。
[0011]其中，催化电解模块通过催化电解的化学原理制备氧气和氢气，将多种技术耦合，形成完备的海水无淡化原位直接电解制氢工艺体系，其中，可用的自驱动电解质包括但不限于：K2CO3、KOH、NaOH、Ca(OH)2、Na2CO3等。
[0012]进一步地，所述自捕获容器包括：
[0013]一多孔绝缘网槽，所述多孔绝缘网槽内设有一容腔，该容腔内置有所述催化电解模块；
[0014]包覆于多孔绝缘网槽外部的溶液传质层，通过该溶液传质层阻挡海水(非纯水溶液)中的杂质；
[0015]催化电解模块嵌入至多孔绝缘网槽的容腔内并将容腔分隔成阳极电解室和阴极电解室，在通过溶液传质层的疏水作用将杂质溶液阻挡在体系外，通过自驱动电解质诱导捕获了海水(非纯水溶液)中的无杂质水分，以在阳极电解室和阴极电解室内形成电解液。
[0016]进一步地，所述催化电解模块包括：
[0017]离子传递层，所述离子传递层用于在阳极电解室与阴极电解室之间传递 OH
‑
离子，并阻隔阳极侧产生的O2与阴极侧产生的H2混合；其中，离子传递层包括但不限于涤纶隔膜、尼龙隔膜、陶瓷多孔隔膜、阴离子交换膜或PVA 等聚合物薄膜；
[0018]对称布置于离子传递层两侧的阳极催化电极和阴极催化电极，所述阳极催化电极和阴极催化电极的表面上分别附有阳极极板和阴极极板，且阳极极板和阴极极板分别与自捕获容器形成所述阳极电解室和阴极电解室；
[0019]其中，所述离子传递层、阳极催化电极、阴极催化电极、阳极极板和阴极极板均嵌入至自捕获容器的内腔；
[0020]在阴极电解室、阳极电解室内均存放自驱动电解质，将装置浸没在海水(非纯水溶液)体系后，在界面压力差作用下，海水(非纯水溶液)蒸汽自发传质通过溶液传质层，被自驱动电解质诱导相变形成液态水，从而使催化电解模块浸没在多孔绝缘网槽中的自驱动电解质环境；开始电解后，首先阴极催化电极发生还原反应产生氢气，生成的OH
‑
在离子传递层作用下，传递至阳极并在阳极催化电极上发生析氧反应；其中，阳极催化电极包括但不限于：镍钼、铱钽、钌铱、NiFe
‑
LDH、NiFeCu合金催化剂负载的钛网、泡沫镍等；可用的阴极催化电极包括但不限于：铂金网、镍镀铂网、Fe
x
Co
y
Ni
z
型催化剂负载的泡沫镍和钛毡等。
[0021]进一步地，所述自捕获容器包括：
[0022]一溶液传质层，所述溶液传质层内设有一容腔，该容腔内置有所述催化电解模块；
[0023]分别紧贴于催化电解模块两侧的阳极极板和阴极极板，所述阳极极板与容腔之间紧贴有阳极多孔绝缘网槽，阴极极板与容腔之间紧贴有阴极多孔绝缘网槽；
[0024]其中，所述阳极极板和阴极极板上分别开设有所述阳极电解室和阴极电解室。
[0025]进一步地，所述催化电解模块包括：
[0026]离子传递层，所述离子传递层用于在阳极电解室与阴极电解室之间传递 OH
‑
离子；其中，离子传递层包括但不限于涤纶隔膜、尼龙隔膜、陶瓷多孔隔膜、阴离子交换膜或PVA等聚合物薄膜。
[002本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.海水无淡化原位直接电解制氢方法，其特征在于，该制氢方法包括：通过溶液传质层将海水和杂质离子阻挡在外，实现水汽的选择性通过，自驱动电解质在界面蒸气压作用或渗透压差下诱导水汽相变液化获取无杂质离子水分；由制氢电解中的阴极侧对自驱动电解质内的水分作析氢反应制备氢气和OH
‑
，将OH
‑
由离子传递至制氢电解中的阳极侧并通过阳极侧作析氧反应制备氧气；其中，在制氢电解过程中，随着自驱动电解质内的水分被不断电解消耗，诱导自驱动电解质再生，形成无额外能耗的自循环激发驱动制氢。2.海水无淡化原位直接电解制氢装置，其特征在于，该制氢装置应用如权利要求1所述的海水无淡化原位直接电解制氢方法，该制氢装置包括：一自捕获容器，通过该自捕获容器自发获取无杂质水分；设于该自捕获容器内的催化电解模块，通过该催化电解模块将自捕获容器分隔成阳极电解室和阴极电解室，并至少在阳极电解室或阴极电解室内形成自驱动电解质，自驱动电解质首先在阴极电解室电解制备氢气和OH
‑
，且OH
‑
经过催化电解模块进入阳极室并电解制备氧气。3.根据权利要求2所述的海水无淡化原位直接电解制氢装置，其特征在于，所述自捕获容器包括：一多孔绝缘网槽，所述多孔绝缘网槽内设有一容腔，该容腔内置有所述催化电解模块；包覆于多孔绝缘网槽外部的溶液传质层，通过该溶液传质层对海水中的杂质阻挡。4.根据权利要求3所述的海水无淡化原位直接电解制氢装置，其特征在于，所述催化电解模块包括：离子传递层，所述离子传递层用于在阳极电解室与阴极电解室之间传递OH
‑
离子，并阻隔阳极侧产生的O2与阴极侧产生的H2混合；对称布置于离子传递层两侧的阳极催化电极和阴极催化电极，所述阳极催化电极和阴极催化电极的侧面上分别附有阳极极板和阴极极板，且阳极极板和阴极极板分别与自捕获容器形成所述阳极电解室和阴极电解室；其中，所述离子传递层、阳极催化电极、阴极催化电极、阳极极板和阴极极板均嵌入至自捕获容器的内腔。5.根据权利要求2所述的海水无淡化原位直接电解制氢装置，其特征在于，所述自捕获容器包括：一溶液传质层，所述溶液传质层内设有一容腔，该容腔内置有所述催化电解模块；分别紧贴于催化电解模块两侧的阳极极板和阴极极板，所述阳极极板与容腔之间紧贴有阳极多孔绝缘网槽，阴极极板与容腔之间紧贴有阴极多孔绝缘网槽；其中，所述阳极极板和阴极极板上分别开设有所述阳极电解室和阴极电解室。6.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢和平，刘涛，赵治宇，吴一凡，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：
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