CN113088987A - 基于质电耦合直接海水捕集制氢装置、系统及方法 - Google Patents
基于质电耦合直接海水捕集制氢装置、系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113088987A CN113088987A CN202110209946.9A CN202110209946A CN113088987A CN 113088987 A CN113088987 A CN 113088987A CN 202110209946 A CN202110209946 A CN 202110209946A CN 113088987 A CN113088987 A CN 113088987A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- hydrogen
- layer
- seawater
- energy
- proton
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 146
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 146
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 140
- 239000013535 sea water Substances 0.000 title claims abstract description 82
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 79
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 44
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 44
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 claims abstract description 43
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 41
- 239000007822 coupling agent Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 26
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 21
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 30
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 18
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 15
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 11
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- NRTRXITURRQSMN-UHFFFAOYSA-N [Pt].[Ir].[C] Chemical compound [Pt].[Ir].[C] NRTRXITURRQSMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000004064 recycling Methods 0.000 claims description 8
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 8
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 claims description 7
- -1 polysulfonyl acrylamide Polymers 0.000 claims description 7
- HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N Acrylamide Chemical compound NC(=O)C=C HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000010531 catalytic reduction reaction Methods 0.000 claims description 6
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims description 6
- DZQBLSOLVRLASG-UHFFFAOYSA-N iridium;methane Chemical compound C.[Ir] DZQBLSOLVRLASG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 5
- 229920002401 polyacrylamide Polymers 0.000 claims description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- NWUYHJFMYQTDRP-UHFFFAOYSA-N 1,2-bis(ethenyl)benzene;1-ethenyl-2-ethylbenzene;styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1.CCC1=CC=CC=C1C=C.C=CC1=CC=CC=C1C=C NWUYHJFMYQTDRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910002549 Fe–Cu Inorganic materials 0.000 claims description 2
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N dioxoiridium Chemical compound O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 claims description 2
- 239000003456 ion exchange resin Substances 0.000 claims description 2
- 229920003303 ion-exchange polymer Polymers 0.000 claims description 2
- 229910000457 iridium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- NCPHGZWGGANCAY-UHFFFAOYSA-N methane;ruthenium Chemical compound C.[Ru] NCPHGZWGGANCAY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 2
- 229920006389 polyphenyl polymer Polymers 0.000 claims description 2
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 claims description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims 1
- XFHJDMUEHUHAJW-UHFFFAOYSA-N n-tert-butylprop-2-enamide Chemical compound CC(C)(C)NC(=O)C=C XFHJDMUEHUHAJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 13
- AUNGANRZJHBGPY-SCRDCRAPSA-N Riboflavin Natural products OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H](O)CN1C=2C=C(C)C(C)=CC=2N=C2C1=NC(=O)NC2=O AUNGANRZJHBGPY-SCRDCRAPSA-N 0.000 description 11
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- CGFYHILWFSGVJS-UHFFFAOYSA-N silicic acid;trioxotungsten Chemical compound O[Si](O)(O)O.O=[W]1(=O)O[W](=O)(=O)O[W](=O)(=O)O1.O=[W]1(=O)O[W](=O)(=O)O[W](=O)(=O)O1.O=[W]1(=O)O[W](=O)(=O)O[W](=O)(=O)O1.O=[W]1(=O)O[W](=O)(=O)O[W](=O)(=O)O1 CGFYHILWFSGVJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- AUNGANRZJHBGPY-UHFFFAOYSA-N D-Lyxoflavin Natural products OCC(O)C(O)C(O)CN1C=2C=C(C)C(C)=CC=2N=C2C1=NC(=O)NC2=O AUNGANRZJHBGPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 6
- 229960002477 riboflavin Drugs 0.000 description 6
- 235000019192 riboflavin Nutrition 0.000 description 6
- 239000002151 riboflavin Substances 0.000 description 6
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 5
- QSKVWFKDPMSUJV-UHFFFAOYSA-N OC=1C=C2N=C3C=CC(=CC3=NC2=CC=1O)S(=O)(=O)O Chemical group OC=1C=C2N=C3C=CC(=CC3=NC2=CC=1O)S(=O)(=O)O QSKVWFKDPMSUJV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 description 3
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 3
- 150000003242 quaternary ammonium salts Chemical class 0.000 description 3
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N Pyridine Chemical compound C1=CC=NC=C1 JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 2
- 239000002052 molecular layer Substances 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 2
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 2
- AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 1,4-benzoquinone Chemical compound O=C1C=CC(=O)C=C1 AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DSVGQVZAZSZEEX-UHFFFAOYSA-N [C].[Pt] Chemical compound [C].[Pt] DSVGQVZAZSZEEX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- PYKYMHQGRFAEBM-UHFFFAOYSA-N anthraquinone Natural products CCC(=O)c1c(O)c2C(=O)C3C(C=CC=C3O)C(=O)c2cc1CC(=O)OC PYKYMHQGRFAEBM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004056 anthraquinones Chemical class 0.000 description 1
- 239000012267 brine Substances 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011033 desalting Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- IYDGMDWEHDFVQI-UHFFFAOYSA-N phosphoric acid;trioxotungsten Chemical compound O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.OP(O)(O)=O IYDGMDWEHDFVQI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N pyridine Natural products COC1=CC=CN=C1 UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 125000001452 riboflavin group Chemical group 0.000 description 1
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 1
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 1
- HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M sodium;chloride;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Cl-] HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 125000000999 tert-butyl group Chemical group [H]C([H])([H])C(*)(C([H])([H])[H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
- H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
- H02S10/10—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power including a supplementary source of electric power, e.g. hybrid diesel-PV energy systems
- H02S10/12—Hybrid wind-PV energy systems
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
本发明提供一种基于质电耦合直接海水捕集制氢装置，属于电化学制氢技术领域。包括水凝胶高分子层,阳极层，阴极层，以及位于阳极层和阴极层之间的离子交换层，所述阳极层包括析氧催化层和阳极电极，所述阴极层包括阴极电极和质电耦合剂。本发明还提供基于质电耦合直接海水捕集制氢系统及方法。本发明直接海水捕集制氢系统通过太阳能、风能等自然产能单元发电、水凝胶高分子层捕集海水湿气、质电耦合制氢三个流程实现海水捕集制氢。通过产能单元将自然资源转化为电能，为电解制氢单元提供能源；通过水凝胶高分子层捕集海水湿气，最终在质电耦合制氢单元，利用可再生能源转化的电能，在质电耦合的催化体系下对捕集的海水资源进行水解制氢。
Description
技术领域
本发明属于电化学制氢技术领域，具体为一种基于质电耦合直接海水捕集制氢装置、系统及方法。
背景技术
现有的制氢技术多集中在能耗较大的电解淡水，而水的获取多来源于海水、卤水、污水等的淡化、净化，其主要原因在于需要去除水资源当中包含的大量杂质离子，否则难以排出氯离子等离子参与的竞争反应。
利用海洋上丰富的可再生能源在有限的空间内获取氢能是未来解决能源问题的重要途径之一，目前尚无成熟的海水制氢技术体系，现有技术集中于电解海水催化剂的研发，以降低反应过电位，排除海水中氯离子副反应的影响。但现有技术仍无法从机理上根本解决海水的固有杂质离子干扰制氢的问题。然而，全球海洋资源丰富占据70％，若能对海水资源进行直接捕集同时排出包含其内的杂质离子，将对制氢行业产生颠覆性影响。
发明内容
本发明利用太阳能、风能等自然供能单元提供电能，通过水凝胶高分子材料捕集高湿度的海水湿气，将收集的水汽直接用于海水制氢，可以从根本上排除海水固有杂质离子干扰，有助于未来在海上漂浮岛或海上舰艇等有限空间的能源转化。
本发明目的通过以下技术方案来实现：
一种基于质电耦合直接海水捕集制氢装置，包括水凝胶高分子层,阳极层，阴极层，以及位于阳极层和阴极层之间的离子交换层，所述阳极层包括析氧催化层和阳极电极，所述阴极层包括阴极电极和质电耦合剂。
水凝胶高分子层贴附在阳极电极上，析氧催化层喷涂于带镂空流道的阳极电极背面构成阳极层，质电耦合剂溶液在阴极电极的液体流道上循环流动构成阴极层，离子交换层紧贴阴极层(阴极电极)和阳极层(阳极电极)，构成本申请基于质电耦合直接海水捕集制氢装置。
进一步，所述阴极电极上设置有液体流道，质电耦合剂溶液在阴极电极的液体流道上循环流动构成阴极层。
进一步，所述阴极电极为石墨板电极或碳毡电极中的一种，所述质电耦合剂为自身可以在阴极电极上与离子结合发生可逆的氧化还原反应的氧化还原物质。更进一步，所述质电耦合剂优选为吡啶类物质，蒽醌类物质，苯醌类物质，硅钨酸，或磷钨酸中的一种。
进一步，所述析氧催化层为铱碳，钌碳，Ni-Fe-LDH，Ni-Fe-Cu合金，氧化铱，氧化钌，铱铂碳中的一种；所述阳极电极为石墨板电极或钛板电极中的一种。
进一步，所述水凝胶高分子层为聚丙烯酰胺水凝胶、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中的一种。
进一步，所述离子交换层为具有离子选择透过性能的膜状离子交换树脂。离子交换层包括三个基本组成部分：高分子骨架、固定基团及基团上的可移动离子。更进一步，可优选为全氟磺酸型阳离子交换膜或季铵盐型碱性阴离子交换膜中的一种。
一种基于质电耦合直接海水捕集制氢系统，所述系统包括上述所述的装置，与阳极电极和阴极电极连接为制氢反应提供电能的蓄电池，将自然能源转化为电能并将电能储存于蓄电池中的产能单元，与阴极层连通的产氢室，与产氢室依次连通的氢气洗涤器，氢气干燥器以及氢气收集瓶，以及与析氧催化层依次连通的氧气洗涤器，氧气干燥器和氧气收集瓶。
进一步，所述阴极层还连通有蠕动泵，蠕动泵与产氢室连通，产氢室内反应产生的质电耦合剂返回阴极层循环利用，产生的氢气进入氢气洗涤器。
进一步，所述产能单元为太阳能光伏发电板，海上风能发电机、海水潮汐能发电机、蓄电池或者直流电源；所述自然能源为太阳能，水能，风能或潮汐能。
本发明直接海水捕集制氢系统通过太阳能、风能等自然产能单元发电、水凝胶高分子层捕集海水湿气及质电耦合制氢三个主要流程实现整体海水捕集制氢。首先，通过产能单元将太阳能或风能等自然资源转化为电能，用于为电解制氢单元提供能源；其次在高湿度的海水表面通过水凝胶高分子层捕集海水湿气，为电解制氢单元提供基本的原料；最终在质电耦合制氢单元，利用可再生能源转化的电能，在质电耦合的催化体系下对捕集的海水资源进行水解制氢。
本发明基于质电耦合的海水制氢装置和系统，可以实现水凝胶高分子层捕集海水后直接用于制氢，水凝胶高分子层与析氧催化层(阳极层)紧紧贴合，迅速发生析氧反应，产生的离子透过离子交换膜，来到阴极层，在阴极电极上与不断循环的质电耦合剂溶液发生反应形成结合物，结合物通过蠕动泵被输送到产氢室，结合物在产氢室在无需供给能源的条件下，通过催化剂(金属铂、铂碳、含铂元素的相关合金及化合物)催化还原反应，产出氢气并还原为原始的质电耦合剂。
一种基于质电耦合直接海水捕集制氢方法，所述方法采用上述所述的系统进行氢气的制备，包括：
产能单元接受自然能源并转化为电能，然后将电能储存于蓄电池中，蓄电池与阳极电极和阴极电极连接，用于为制氢反应提供电能；
水凝胶高分子层直接与海水接触，最大程度吸收海水中的水汽，吸收的海水瞬时在析氧催化层发生析氧反应；
阳极侧析氧反应式为：
析氧反应产生的氧气经过氧气洗涤器和氧气干燥器后进入氧气收集瓶，产生的离子透过离子交换层来到阴极层，与质电耦合剂发生电化学氧化反应；
阳极侧氧化反应式为：W+2H++2e-→WH2(W代表质电耦合剂，WH2代表质电耦合剂结合物)；
生成的质电耦合结合物通进入产氢室，通过催化剂催化还原反应，产出氢气并还原为原始的质电耦合剂；
质电耦合结合物还原反应式为：WH2→W+H2(W代表质电耦合剂，WH2代表质电耦合剂结合物)；
质电耦合剂重新循环回阴极层循环利用，产出的氢气经氢气洗涤器和氢气干燥器，脱出氢气中夹带的水汽后进入氢气收集瓶，进行储存和下一步利用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明装置及系统能实现在广阔海洋中无需任何自身能源投入的能源转化，获取清洁的氢能源，在未来海上漂浮岛等有限空间的能源转换体系中，本发明装置及系统能利用太阳能、风能等自然产能单元自主获取可再生能源，通过水凝胶高分子层获取水资源，然后将两者利用，利用质电耦合原理制取氢气，实现低成本环保的氢能源的获取。
本发明装置及系统，通过水凝胶高分子层捕集海水中湿气，无需在海面上搭建大型海水淡化装置进行海水淡化制氢，同时巧妙规避将海水直接电解制氢时的固有杂质离子干扰反应，造成电极腐蚀、催化剂成本过高等技术缺陷。
本发明装置及系统基于质子耦合电子转移的反应原理，通过质电耦合剂催化捕集的海水资源分步制氢，避免传统电解槽气压过高的产生对离子交换层的损害，消除了在低电流密度下产物气交叉的问题，实现海水捕集制氢系统高效稳定的运行。
本发明系统由可再生能源提供能源，同时通过水凝胶高分子层捕集海水资源，避免淡水资源的减少，再利用质电耦合制氢进一步提升海水捕集制氢系统的稳定性。三个部分结合的设计使本系统能彻底避免海水杂质离子对海水制氢的干扰，同时系统不会占据太大空间，且保持较长的使用寿命。
本发明装置及系统可以被设计成一个易携带的一体化装置，也可以被设计为漂浮岛式小型制氢基地。
附图说明
图1为实施例1基于质电耦合直接海水捕集制氢装置的结构示意图；
图2为实施例1基于质电耦合直接海水捕集制氢系统的结构示意图；
图3为实施例1基于质电耦合直接海水捕集制氢系统稳定性数据图；
图4为质电耦合剂硅钨酸循环稳定性测试结果；
附图标记：1-产能单元，2-蓄电池，3-制氢装置，4-水凝胶高分子层，5-阳极层，6-氧气洗涤器，7-氧气干燥器，8-氧气收集瓶，9-离子交换层，10-阴极层，11-蠕动泵,12-产氢室，13-氢气洗涤器，14-氢气干燥器，15-氢气收集瓶。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例基于质电耦合直接海水捕集制氢装置如图1所示,包括水凝胶高分子层,贴附于所述水凝胶高分子层的阳极层，阴极层，以及位于阳极层和阴极层之间的离子交换层，所述阳极层包括析氧催化层和阳极电极，所述阴极层包括阴极电极和质电耦合剂。
其中，水凝胶高分子层为聚磺酸基丙烯酰胺水凝胶；析氧催化层为铱碳催化剂层，阳极电极为钛板电极，铱碳催化剂层喷涂于带镂空流道的钛板电极背面构成阳极层；阴极电极为石墨板电极，质电耦合剂为硅钨酸，石墨板电极上开设有液体流道，硅钨酸的溶液在石墨板电极的液体流道上循环流动构成阴极层；离子交换层为全氟磺酸型阳离子交换膜。
本实施例基于质电耦合直接海水捕集制氢系统如图2所示,包括制氢装置，与阳极电极和阴极电极连接为制氢反应提供电能的蓄电池，将自然能源转化为电能并将电能储存于蓄电池中的产能单元，与阴极层连通的产氢室，与产氢室依次连通的氢气洗涤器，氢气干燥器以及氢气收集瓶，以及与析氧催化层依次连通的氧气洗涤器，氧气干燥器和氧气收集瓶。所述阴极层还连通有蠕动泵，蠕动泵与产氢室连通，产氢室内反应产生的质电耦合剂返回阴极层循环利用，产生的氢气进入氢气洗涤器。
其中，产能单元为太阳能光伏发电板。
利用本实施例系统进行直接海水捕集制氢过程如下:
阳能光伏发电板接受太阳能并转化为电能，然后将电能储存于蓄电池中，蓄电池与阳极电极和阴极电极连接，用于为制氢反应提供电能；
聚磺酸基丙烯酰胺水凝胶与海水接触，吸收海水中的水汽，吸收的海水经过阳极钛板电极镂空流道在铱碳催化剂层作用下发生析氧反应，产生的离子透过全氟磺酸型阳离子交换膜，来到阴极层，在石墨板电极上与不断循环的硅钨酸溶液发生反应形成结合物，通过蠕动泵输送到产氢室，结合物在产氢室在无需供给能源的条件下，通过催化剂Pt催化还原反应，产出氢气并还原为原始的硅钨酸溶液，返回阴极层循环利用。
整体系统稳定性数据如图3所示，在10mA/cm2的电流密度下，质电耦合直接海水制氢系统能稳定运行25小时。质电耦合剂硅钨酸循环稳定性测试如图4所示，衰减率只有0.17％。
实施例2
本实施例基于质电耦合直接海水捕集制氢装置和系统的结构和实施例1一样。
水凝胶高分子层为聚丙烯酰胺水凝胶；析氧催化层为铱铂碳催化剂，阳极电极为石墨板电极，铱铂碳催化剂层喷涂于带镂空流道的石墨板电极背面中构成阳极层；阴极电极为碳毡电极，质电耦合剂为核黄素，石墨板电极上开设有液体流道，核黄素溶液在碳毡电极的液体流道上循环流动构成阴极层；离子交换层为全氟磺酸型阳离子交换膜。
利用本实施例系统进行直接海水捕集制氢过程如下:
阳能光伏发电板接受太阳能并转化为电能，然后将电能储存于蓄电池中，蓄电池与阳极电极和阴极电极连接，用于为制氢反应提供电能；
聚丙烯酰胺水凝胶与海水接触，吸收海水中的水汽，吸收的海水经过阳极石墨板电极流道在铱铂碳催化剂层作用下发生析氧反应，产生的离子透过全氟磺酸型质子交换膜，来到阴极层，在碳毡电极上与不断循环的核黄素溶液发生反应形成结合物，被输送到产氢室，结合物在产氢室在无需供给能源的条件下，通过催化剂Pt催化还原反应，产出氢气并还原为原始的核黄素溶液，返回阴极层循环利用。
在10mA/cm2的电流密度下，本实施例质电耦合直接海水制氢系统能稳定运行20小时。质电耦合剂核黄素循环的衰减率只有0.37％。
实施例3
本实施例基于质电耦合直接海水捕集制氢装置和系统的结构和实施例1一样。
水凝胶高分子层为聚磺酸基丙烯酰胺吸湿凝胶层；析氧催化层为铱铂碳催化剂，阳极电极为钛板电极，铱铂碳催化剂层喷涂于带镂空流道的钛板电极背面中构成阳极层；阴极电极为石墨板电极，质电耦合剂为7,8-二羟基-2-吩嗪磺酸，石墨板电极上开设有液体流道，7,8-二羟基-2-吩嗪磺酸溶液在石墨板电极的液体流道上循环流动构成阴极层；离子交换层为季铵盐型碱性阴离子交换膜。
利用本实施例系统进行直接海水捕集制氢过程如下:
阳能光伏发电板接受太阳能并转化为电能，然后将电能储存于蓄电池中，蓄电池与阳极电极和阴极电极连接，用于为制氢反应提供电能；
聚磺酸基丙烯酰胺水凝胶与海水接触，吸收海水中的水汽，吸收的海水经过阳极钛板电极流道在铱铂碳催化剂层作用下发生析氧反应，产生的离子与透过季铵盐型碱性阴离子交换膜的氢氧根离子反应生成新的水。而阴极层，水与不断循环的碱性7,8-二羟基-2-吩嗪磺酸溶液发生反应形成结合物，被输送到产氢室，结合物在产氢室在无需供给能源的条件下，通过催化剂Pt催化还原反应，产出氢气并还原为原始的碱性7,8-二羟基-2-吩嗪磺酸溶液，返回阴极层循环利用。
在10mA/cm2的电流密度下，本实施例质电耦合直接海水制氢系统能稳定运行10小时。质电耦合剂核黄素循环的衰减率只有0.89％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于质电耦合直接海水捕集制氢装置，其特征在于，包括水凝胶高分子层,阳极层，阴极层，以及位于阳极层和阴极层之间的离子交换层，所述阳极层包括析氧催化层和阳极电极，所述阴极层包括阴极电极和质电耦合剂。
2.如权利要求1所述一种基于质电耦合直接海水捕集制氢装置，其特征在于，所述阴极电极上设置有液体流道，质电耦合剂溶液在阴极电极的液体流道上循环流动构成阴极层。
3.如权利要求1所述一种基于质电耦合直接海水捕集制氢装置，其特征在于，所述阴极电极为石墨板电极或碳毡电极中的一种，所述质电耦合剂为自身可以在阴极电极上与离子结合发生可逆的氧化还原反应的氧化还原物质。
4.如权利要求1所述一种基于质电耦合直接海水捕集制氢装置，其特征在于，所述析氧催化层为铱碳，钌碳，Ni-Fe-LDH，Ni-Fe-Cu合金，氧化铱，氧化钌，铱铂碳中的一种；所述阳极电极为碳纸电极、碳毡电极、石墨板电极或钛板电极中的一种。
5.如权利要求1所述一种基于质电耦合直接海水捕集制氢装置，其特征在于，所述水凝胶高分子层为聚丙烯酰胺水凝胶、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中的一种。
6.如权利要求1所述一种基于质电耦合直接海水捕集制氢装置，其特征在于，所述离子交换层为具有离子选择透过性能的膜状离子交换树脂。
7.一种基于质电耦合直接海水捕集制氢系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1至6任一项所述的装置，与阳极电极和阴极电极连接为制氢反应提供电能的蓄电池，将自然能源转化为电能并将电能储存于蓄电池中的产能单元，与阴极层连通的产氢室，与产氢室依次连通的氢气洗涤器、氢气干燥器以及氢气收集瓶，以及与析氧催化层依次连通的氧气洗涤器、氧气干燥器和氧气收集瓶。
8.如权利要求7所述一种基于质电耦合直接海水捕集制氢系统，其特征在于，所述阴极层还连通有蠕动泵，蠕动泵与产氢室连通，产氢室内反应产生的质电耦合剂返回阴极层循环利用，产生的氢气进入氢气洗涤器。
9.如权利要求6所述一种基于质电耦合直接海水捕集制氢系统，其特征在于，所述产能单元为太阳能光伏发电板、海上风能发电机、海水潮汐能发电机、蓄电池或者直流电源；所述自然能源为太阳能、水能、风能或潮汐能。
10.一种基于质电耦合直接海水捕集制氢方法，其特征在于，所述方法采用权利要求7至9任一项所述的系统进行氢气的制备，包括：
产能单元接受自然能源并转化为电能，然后将电能储存于蓄电池中，蓄电池与阳极电极和阴极电极连接，用于为制氢反应提供电能；
水凝胶高分子层直接与海水接触，最大程度吸收海水中的水汽，吸收的海水瞬时在析氧催化层发生析氧反应；
析氧反应产生的氧气经过氧气洗涤器和氧气干燥器后进入氧气收集瓶，产生的离子透过离子交换层来到阴极层，与质电耦合剂发生电化学氧化反应；生成的质电耦合结合物通进入产氢室，通过催化剂催化还原反应，产出氢气并还原为原始的质电耦合剂；
质电耦合剂重新循环回阴极层循环利用，产出的氢气经氢气洗涤器和氢气干燥器，脱出氢气中夹带的水汽后进入氢气收集瓶，进行储存和下一步利用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110209946.9A CN113088987A (zh) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | 基于质电耦合直接海水捕集制氢装置、系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110209946.9A CN113088987A (zh) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | 基于质电耦合直接海水捕集制氢装置、系统及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113088987A true CN113088987A (zh) | 2021-07-09 |
Family
ID=76667391
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110209946.9A Pending CN113088987A (zh) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | 基于质电耦合直接海水捕集制氢装置、系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113088987A (zh) |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6271278B1 (en) * | 1997-05-13 | 2001-08-07 | Purdue Research Foundation | Hydrogel composites and superporous hydrogel composites having fast swelling, high mechanical strength, and superabsorbent properties |
| WO2003087170A1 (en) * | 2002-04-10 | 2003-10-23 | Gradipore Limited | Polyacrylamide hydrogels |
| US20120149789A1 (en) * | 2010-12-09 | 2012-06-14 | Ut-Battelle, Llc | Apparatus and Method for the Electrolysis of Water |
| US20130303665A1 (en) * | 2010-11-08 | 2013-11-14 | Naihong Li | Gels and hydrogels |
| US20150303489A1 (en) * | 2012-11-07 | 2015-10-22 | James Y. Wang | Liquid activated devices powered by hydrogel batteries and methods therefore |
| CN106876761A (zh) * | 2017-04-28 | 2017-06-20 | 江西师范大学 | 一种自供给水凝胶电解质微生物燃料电池 |
| WO2017169204A1 (ja) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | 株式会社 東芝 | 水素製造システム |
| US20170297913A1 (en) * | 2014-09-11 | 2017-10-19 | The University Court Of The University Of Glasgow | Hydrogen Generation |
| US20170321329A1 (en) * | 2016-05-03 | 2017-11-09 | University Of Louisville Research Foundation, Inc. | Solar Hydrogen Production from Ambient Water Vapor Electrolysis |
| CN109321936A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-02-12 | 厦门大学 | 一种基于液流氧化还原媒介分步电解水制氢的装置和方法 |
| US20200270755A1 (en) * | 2019-02-22 | 2020-08-27 | New York University | Methods and electrochemical cells for redox mediated hydrogen production |
-
2021
- 2021-02-25 CN CN202110209946.9A patent/CN113088987A/zh active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6271278B1 (en) * | 1997-05-13 | 2001-08-07 | Purdue Research Foundation | Hydrogel composites and superporous hydrogel composites having fast swelling, high mechanical strength, and superabsorbent properties |
| WO2003087170A1 (en) * | 2002-04-10 | 2003-10-23 | Gradipore Limited | Polyacrylamide hydrogels |
| US20130303665A1 (en) * | 2010-11-08 | 2013-11-14 | Naihong Li | Gels and hydrogels |
| US20120149789A1 (en) * | 2010-12-09 | 2012-06-14 | Ut-Battelle, Llc | Apparatus and Method for the Electrolysis of Water |
| US20150303489A1 (en) * | 2012-11-07 | 2015-10-22 | James Y. Wang | Liquid activated devices powered by hydrogel batteries and methods therefore |
| US20170297913A1 (en) * | 2014-09-11 | 2017-10-19 | The University Court Of The University Of Glasgow | Hydrogen Generation |
| WO2017169204A1 (ja) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | 株式会社 東芝 | 水素製造システム |
| US20170321329A1 (en) * | 2016-05-03 | 2017-11-09 | University Of Louisville Research Foundation, Inc. | Solar Hydrogen Production from Ambient Water Vapor Electrolysis |
| CN106876761A (zh) * | 2017-04-28 | 2017-06-20 | 江西师范大学 | 一种自供给水凝胶电解质微生物燃料电池 |
| CN109321936A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-02-12 | 厦门大学 | 一种基于液流氧化还原媒介分步电解水制氢的装置和方法 |
| US20200270755A1 (en) * | 2019-02-22 | 2020-08-27 | New York University | Methods and electrochemical cells for redox mediated hydrogen production |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 常春雨等: "《新型纤维素、甲壳素水凝胶的构建、结构和性能》", 31 October 2015, 知识产权出版社 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI414636B (zh) | 膜反應器 | |
| Lobyntseva et al. | Electrochemical synthesis of hydrogen peroxide: Rotating disk electrode and fuel cell studies | |
| CN104846397A (zh) | 一种用于电化学还原co2制甲酸的电极及其制备方法和应用 | |
| JP6189327B2 (ja) | 再生燃料電池 | |
| CN113737215A (zh) | 一种镍铁基纳米片/泡沫镍析氧反应电极材料的制备方法 | |
| CN112501640B (zh) | 一种将硝酸盐废水转化为氨的电池系统 | |
| CN109321933A (zh) | 一种mof/碳点纳米复合材料催化剂的制备方法和应用 | |
| CN110791772A (zh) | 一种通过电化学诱导制备高活性析氧电极材料的方法 | |
| CN113363510B (zh) | 氢气氧化与还原双功能催化电极及制备方法 | |
| CN113088995A (zh) | 基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置、系统及方法 | |
| CN113136597B (zh) | 一种铜锡复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN113174600A (zh) | 一种多孔镍网电解水催化材料及其制备方法 | |
| CN112144071A (zh) | 一种水电电解水制氢系统 | |
| CN109680298A (zh) | Bc膜负载纳米铜催化剂电极及其制备方法与应用 | |
| CN111939914B (zh) | 一种利用废弃铜箔制备高活性三元金属析氧催化剂的方法 | |
| CN114082419B (zh) | 机械搅拌法制备非晶态羟基氧化物催化剂及其高效电解水制氢研究 | |
| CN103159297B (zh) | 一种光电解池分解水产氢并在线分离装置 | |
| CN111850592A (zh) | 一种联产丙酸并提高阴离子交换膜电解水性能的方法 | |
| CN113088987A (zh) | 基于质电耦合直接海水捕集制氢装置、系统及方法 | |
| CN102456903A (zh) | 一种利用甲酸电解制取氢气的方法 | |
| CN113637998B (zh) | 一种有机分子修饰的氧化铜材料及其制备方法与应用 | |
| CN219218176U (zh) | 一种电解槽及电解制氢系统 | |
| CN114045514B (zh) | 一种V@CoxP催化剂的制备方法 | |
| CN116779829B (zh) | 一种有机双功能复合正极材料及其制备方法和应用 | |
| CN212077164U (zh) | 一种电能补给型电化学反应器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210709 |