【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电解制氢，具体为一种空气直接电解制氢系统。
技术介绍
1、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。空气作为海洋、湖泊等与陆地的流通介质，富含大量水分子。据统计，全球大气中含水蒸气约为13万亿吨，是极具潜力的电解水制氢的水分来源。
2、目前已有利用空气资源电解制氢的工艺，但是现有工艺主要存在以下问题：
3、(1)、通过压缩制冷等方式收集液态水后，电解制氢。该技术产生的液化能耗将进一步推高制氢成本。
4、(2)、通过辐射制冷、吸湿集水等技术，实现无能耗收集水分后再进行电解制氢；但这样处理受时间地域限制严重，难以连续制氢；受材料限制，难以避免杂质离子对析氧反应的干扰等技术瓶颈。
5、目前的空气电解制氢技术，还难以同时实现高电流密度、高稳定性、无需集水能耗、不受时空限制、规模化利用。因此亟需全新的原理技术，实现高性能、规模化的空气直接电解制氢。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种空气直接电解制氢系统。该系统可以实现不额外耗能、不受时空限制，从根本上解决电解水制氢受水资源限制的问题；同时有助于未来氢能源转化不受时空限制，彻底避免氢能运输带来的成本、技术难题。
2、为了实现以上专利技术目的，本专利技术的具体技术方案为：
3、一种空气直接电解制氢系统，该系统包括供能模块、电解制氢模块、电解质循环再生模块和水汽自捕获模块，其中：p>
4、供能模块，与电解制氢模块连接，用于为制氢反应提供电能；
5、电解制氢模块，该模块包括电解槽，电解质通入电解槽后，发生氧化还原反应，消耗水分，并产生氢气和氧气；
6、电解质循环再生模块，用于从吸湿介质向电解质中补充纯净水分，分别与电解制氢模块和水汽自捕获模块连接；
7、水汽自捕获模块，用于吸收空气中的水分，为电解制氢持续提供水分来源。
8、作为优选，所述供能模块的能量来源为传统煤电或可再生能源(如太阳能、风能等)转化的电能。
9、作为优选，所述的电解槽为碱性电解槽、pem(质子交换膜)电解槽、aem(阴离子交换膜)电解槽中的任意一种，或任意一种电解槽经串联或并联而形成的组合体。
10、作为优选，电解槽中装填的电解质为液态电解质或固态凝胶电解质；液态电解质为具有较低饱和水蒸汽压或具有吸收水汽功能的液体，包括碱性液态电解质、酸性液态电解质和离子液体；碱性液态电解质选自koh溶液、k2co3溶液、khco3溶液、naoh溶液、na2co3溶液、nahco3溶液、k3po4溶液、ch3cook溶液、ca(oh)2等碱性物质的一种，或他们的组合物。酸性液态电解质如：h2so4溶液、h3po4溶液等酸性物质的一种，或它们的组合物。离子液体如：1-乙基-3甲基咪唑乙酸酯等。有机吸湿液体：peg等。固态电解质为具有诱导水汽发生相变液化的物质，固态凝胶电解质如：聚丙烯酰胺水凝胶、聚磺酸基丙烯酰胺水凝胶、聚甲基丙烯酰胺水凝胶、聚苄基丙烯酰胺水凝胶、聚苯基丙烯酰胺水凝胶、聚乙基丙烯酰胺水凝胶、聚叔丁基丙烯酰胺水凝胶等，一切具有羟基、磺酸基、羧基、胺基、醚基等亲水基团的吸湿性凝胶中的一种，或它们的组合物。
11、更进一步优选，电解制氢模块包括电解槽、电解质温控器；电解槽与电解质温控器连接。
12、作为优选，电解质循环再生模块，为实现“液-气-液”相变迁移过程的模块，利用吸湿介质直接向电解质溶液中补充纯净水分，包括二级无能耗传质器；二级无能耗传质器为一防水透气层将空间分成电解质腔室和吸湿介质腔室的装置，或一切能够实现两相或多相液体隔离但允许气体通过的传质器件；也可以选自商用成熟的平板膜蒸馏反应传质器、中空纤维膜蒸馏反应传质器或降膜吸收塔等具有类似结构的器件，仅将其中装填的物质分别更换为电解质和吸湿介质即可。
13、更进一步优选，电解质循环再生模块包括换热器、过滤器、二级无能耗传质器、电解质循环泵、电解质止回阀；电解制氢模块的电解槽与换热器连接，换热器与过滤器连接后与二级无能耗传质器连通；二级无能耗传质器通过电解质循环泵和电解质止回阀与电解制氢模块中的电解质温控器连接，电解质温控器与电解槽连接。
14、作为优选，防水透气层为商用成熟的的防水透气层，或选自多孔tpu膜、pdms、ptfe膜中的任一种，或石墨烯、pvdf颗粒、ptfe颗粒通过喷涂、丝网印刷或静电吸附工艺制备的多孔防水透气传质层。
15、作为优选，所述的水汽自捕获模块，为实现“气-液”相变迁移过程的模块，用于直接从空气中获取水分，包括一级无能耗传质器和吸湿介质循环泵；该一级无能耗传质器为一个满足吸湿介质与空气发生对流或接触的容器，或用于发生气液相传质的器件，如喷淋塔、板式塔、降膜塔、喷雾塔、吸收塔、鼓泡塔等类似结构的器件，仅将装填的物质更换为吸湿介质；吸湿介质在一级无能耗传质器中吸收空气中的水分，并进一步在电解质循环再生模块的二级无能耗传质器中向电解质补充水分。
16、更进一步优选，水汽自捕获模块包括一级无能耗传质器、吸湿介质循环泵以及吸湿介质止回阀；一级无能耗传质器通过吸湿介质循环泵以及吸湿介质止回阀与电解质循环再生模块中的吸湿介质腔室连通。
17、作为优选，一级无能耗传质器和二级无能耗传质器吸湿介质腔室中所采用的吸湿介质均可为甘油、caso4溶液、mgso4溶液、libr溶液、cacl2溶液、csf溶液或licl溶液等。二级无能耗传质器中电解质腔室中填装的电解质同电解槽中电解质。
18、作为优选，该系统还包括氢气收集模块和氧气收集模块；其中氢气收集模块包括氢气分离器、氢气洗涤器、氢气冷却器和氢气储存罐；氧气收集模块包括氧气分离器、氧气洗涤器、氧气冷却器和氧气储存罐；氢气分离器和氧气分离器均分别与电解槽连接，在氢气分离器后依次连接有氢气洗涤器、氢气冷却器和氢气储存罐；在氧气分离器后依次连接有氧气洗涤器、氧气冷却器和氧气储存罐。
19、作为优选，该系统还包括冷却模块，该冷却模块包括散热器、冷却水箱和冷却水泵；冷却水箱与散热器连接，并通过冷却水泵与氢气分离器、氢气洗涤器、氢气冷却器、氧气分离器、氧气洗涤器、氧气冷却器以及换热器连接，用于提供冷却水，使之处于冷却环境。
20、作为优选，在一级无能耗传质器前耦合温控器，实现对吸湿介质的温度控制，从而调节吸湿介质在一级无能耗传质器中的界面蒸汽压，实现从空气当中吸收水分的更优效果；在二级无能耗传质器前耦合温控器，通过对吸湿介质的温度控制，调节吸湿介质在二级无能耗传质器中的界面蒸汽压，以实现更好的二级迁移传质效果和可控调节。
21、进一步的，电解槽中泵出的电解质、以及氢气分离器、氧气分离器、氢气洗涤器和氧气洗涤器中收集到的电解质，通过换热器和过滤器后进入二级无能耗传质器。当电解质和吸湿介质紧贴防水透气层流动时，两者之间的界面水蒸气压差使吸湿介质发生相变气化，产生的水本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种空气直接电解制氢系统，其特征在于该系统包括供能模块、电解制氢模块、电解质循环再生模块和水汽自捕获模块，其中：
2.如权利要求1所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：所述供能模块的能量来源为传统煤电或可再生能源转化的电能。
3.如权利要求1所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：所述的电解槽为碱性电解槽、PEM电解槽、AEM电解槽中的任意一种，或任意一种电解槽经串联或并联而形成的组合体。
4.如权利要求1所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：电解质循环再生模块包括二级无能耗传质器；该模块为实现“液-气-液”相变迁移过程的模块，利用吸湿介质直接向电解质溶液中补充纯净水分；二级无能耗传质器为一防水透气层将空间分成电解质腔室和吸湿介质腔室的装置；当电解质和吸湿介质紧贴防水透气层流动时，两者之间的界面水蒸气压差使吸湿介质发生相变气化，产生的水蒸气通过防水透气层进入到电解质侧，并在界面压力差作用下诱导水蒸气液化发生二次相变；此外防水透气层有效的防止电解质和吸湿介质相互渗透污染，该过程为电解质不断补充纯净水分，以供电解使用；电解同时消耗水分，以维
5.如权利要求1所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：所述的水汽自捕获模块包括一级无能耗传质器和吸湿介质循环泵；该模块为实现“气-液”相变迁移过程的模块，用于无集水能耗的直接从空气中获取水分，该一级无能耗传质器为一个满足吸湿介质与空气发生对流或接触传质的容器，或用于发生气液相传质的器件；吸湿介质在一级无能耗传质器中吸收空气中的水分，并进一步在电解质循环再生模块的二级无能耗传质器中向电解质补充水分。
6.如权利要求4所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：防水透气层为商用成熟的防水透气层，或选自多孔TPU膜、PDMS、PTFE膜中的任一种，或石墨烯、PVDF颗粒、PTFE颗粒通过喷涂、丝网印刷或静电吸附工艺制备的多孔防水透气传质层。
7.如权利要求1所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：电解槽中装填的电解质为液态电解质或固态凝胶电解质；其中液态电解质为具有较低饱和水蒸汽压或具有吸收水汽功能的液体；其中固态电解质为具有诱导水汽发生相变液化的物质。
8.如权利要求1-7中任一所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：该系统还包括氢气收集模块和氧气收集模块；其中氢气收集模块包括氢气分离器、氢气洗涤器、氢气冷却器和氢气储存罐；氧气收集模块包括氧气分离器、氧气洗涤器、氧气冷却器和氧气储存罐；氢气分离器和氧气分离器均分别与电解槽连接，在氢气分离器后依次连接有氢气洗涤器、氢气冷却器和氢气储存罐；在氧气分离器后依次连接有氧气洗涤器、氧气冷却器和氧气储存罐。
9.如权利要求8所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：该系统还包括冷却模块，该冷却模块包括散热器、冷却水箱和冷却水泵；冷却水箱与散热器连接，并通过冷却水泵与氢气分离器、氢气洗涤器、氢气冷却器、氧气分离器、氧气洗涤器、氧气冷却器以及换热器连接，用于提供冷却水。
10.如权利要求9所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：电解槽中泵出的电解质、以及氢气分离器、氧气分离器、氢气洗涤器和氧气洗涤器中收集到的电解质，通过换热器和过滤器后进入二级无能耗传质器。
11.如权利要求9或10所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：在一级无能耗传质器前耦合温控器，实现对吸湿介质的温度控制，从而调节吸湿介质在一级无能耗传质器中的界面蒸汽压，实现从空气当中吸收水分的更优效果；在二级无能耗传质器前耦合温控器，通过对吸湿介质的温度控制，调节吸湿介质在二级无能耗传质器中的界面蒸汽压，以实现更好的二级迁移传质效果和可控调节。
12.如权利要求11所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：该系统中各模块均与控制化系统连接，用于自动化控制流程。
13.一种空气直接电解制氢的系统，其特征在于：该系统包括供能模块、电解槽、氢气分离器、氢气洗涤器、氢气调节阀、氢气止回阀、氢气冷却器、氢气储存罐、氧气分离器、氧气洗涤器、氧气调节阀、氧气止回阀、氧气冷却器、氧气储存罐、散热器、冷却水箱、冷却水泵、换热器、过滤器、二级无能耗传质器、电解质循环泵、电解质止回阀、电解质控温器、吸湿介质止回阀、吸湿介质循环泵、一级无能耗传质器；其中，二级无能耗传质器由防水透气层将一密闭空间分隔成电解质传质腔室和吸湿介质传质腔室；一级无能耗传质器为一个满足吸湿介质与空气发生对流或接触的容器，或用于发生气液相传质的器件；供能模块...
【技术特征摘要】
1.一种空气直接电解制氢系统，其特征在于该系统包括供能模块、电解制氢模块、电解质循环再生模块和水汽自捕获模块，其中：
2.如权利要求1所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：所述供能模块的能量来源为传统煤电或可再生能源转化的电能。
3.如权利要求1所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：所述的电解槽为碱性电解槽、pem电解槽、aem电解槽中的任意一种，或任意一种电解槽经串联或并联而形成的组合体。
4.如权利要求1所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：电解质循环再生模块包括二级无能耗传质器；该模块为实现“液-气-液”相变迁移过程的模块，利用吸湿介质直接向电解质溶液中补充纯净水分；二级无能耗传质器为一防水透气层将空间分成电解质腔室和吸湿介质腔室的装置；当电解质和吸湿介质紧贴防水透气层流动时，两者之间的界面水蒸气压差使吸湿介质发生相变气化，产生的水蒸气通过防水透气层进入到电解质侧，并在界面压力差作用下诱导水蒸气液化发生二次相变；此外防水透气层有效的防止电解质和吸湿介质相互渗透污染，该过程为电解质不断补充纯净水分，以供电解使用；电解同时消耗水分，以维持二级无能耗传质器中电解质与吸湿介质之间的界面水蒸气压差、以及一级无能耗传质器中吸湿介质与空气之间的界面水蒸汽压差，从而诱导水分持续的补充到电解质中。
5.如权利要求1所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：所述的水汽自捕获模块包括一级无能耗传质器和吸湿介质循环泵；该模块为实现“气-液”相变迁移过程的模块，用于无集水能耗的直接从空气中获取水分，该一级无能耗传质器为一个满足吸湿介质与空气发生对流或接触传质的容器，或用于发生气液相传质的器件；吸湿介质在一级无能耗传质器中吸收空气中的水分，并进一步在电解质循环再生模块的二级无能耗传质器中向电解质补充水分。
6.如权利要求4所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：防水透气层为商用成熟的防水透气层，或选自多孔tpu膜、pdms、ptfe膜中的任一种，或石墨烯、pvdf颗粒、ptfe颗粒通过喷涂、丝网印刷或静电吸附工艺制备的多孔防水透气传质层。
7.如权利要求1所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：电解槽中装填的电解质为液态电解质或固态凝胶电解质；其中液态电解质为具有较低饱和水蒸汽压或具有吸收水汽功能的液体；其中固态电解质为具有诱导水汽发生相变液化的物质。
8.如权利要求1-7中任一所述的空气直接电解制氢系统，其特征在于：该系统还包括氢气收集模块和氧气收集模块；其中氢气收集模块包括氢气分离器、氢气洗涤器、氢气冷却器和氢气储存罐；氧气收集模块包括氧气分离器、氧气洗涤器、氧气冷却器和氧气储存罐；氢气分离器和氧气分离器均分别与电解槽连接，在氢气分离器后依次连接有氢气洗涤器、氢气冷却器和氢气储存罐；在氧气分离器后依次连接有氧气洗涤器...
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