CN113088995A - 基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置，属于电化学制氢技术领域。所述装置包括吸湿溶液层，贴附于所述吸湿溶液层两侧的防水透气层和析氧催化层，所述装置还包括析氢催化层以及位于所述析氧催化层和析氢催化层之间的质子交换膜，所述析氧催化层设置有阳极电极，所述析氢催化层设置有阴极电极。本发明还提供基于液相吸湿的直接海水捕集制氢系统及方法。本发明装置及系统能实现直接捕集海水获取清洁的氢能源，在未来海上漂浮岛等能源转换体系中，能通过外置电源供电，防水透气层贴附的吸湿溶液层直接获取纯净无杂质离子的水蒸气，并利用催化电解原理制取氢气，实现高效率的氢能源获取。

Description

基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置、系统及方法

技术领域

本发明属于电化学制氢技术领域，具体为一种基于液相吸湿的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由海水淡化获得的淡水，而难以直接电解海水，这是由于大量离子的存在影响了电解系统中的膜材料或电极，从而降低了电解效率。然而，地球海洋面积占据全球的70％，储量极大，若能直接对海水进行电解，将节省大量淡化水所需的人力、物力、装备投入和能耗，这将对制氢行业产生颠覆性影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置、系统及方法。本发明利用外置电源供能，通过具有高吸湿性的浓吸湿溶液直接获取海水中的纯净水，将收集的水分子通过电解方式直接用于制氢，可以从根本上排除海水中含有的杂质离子，有助于为氢能源的开发提供强力的技术支撑。

本发明目的通过以下技术方案来实现：

一种基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置,包括：浓吸湿溶液层，贴附于所述浓吸湿溶液层一侧的防水透气层；稀吸湿溶液层，贴附于所述稀吸湿溶液层一侧的析氧催化层；浓吸湿溶液层和稀吸湿溶液层之间的蠕动泵；所述装置还包括析氢催化层以及位于所述析氧催化层和析氢催化层之间的质子交换膜，所述析氧催化层设置有阳极电极，所述析氢催化层设置有阴极电极。

本发明制氢装置中，浓吸湿溶液层由一个长方体溶液槽作为吸湿溶液的容纳器皿，溶液槽一侧开口与防水透气层贴附，便于浓吸湿溶液直接与防水透气层接触，从而吸收海水中透过的水蒸气。稀吸湿溶液层由浓吸湿溶液层吸湿海水中的水蒸气后通过蠕动泵汇入获得。稀吸湿溶液层由一个长方体溶液槽作为稀吸湿溶液的容纳器皿，溶液槽一侧开口与析氧催化层直接接触并在析氧催化层上发生电解氧化反应，产生氧气。电解后，稀吸湿溶液中的水被消耗殆尽形成浓吸湿溶液，并通过蠕动泵再次回到浓吸湿溶液层中进一步吸收海水的水蒸气形成稀吸湿溶液，从而形成往复循环。

本发明基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置，通过防水透气层贴附的浓吸湿溶液层，直接捕获海水中的纯净水蒸气，无需大量供能进行海水淡化，直接依靠浓吸湿溶液层对透过防水透气层的无氯离子水蒸汽进行原位捕获。采用防水透气层贴近的浓吸湿溶液层直接捕集海水中纯净的水蒸气，排除了海水中包含的杂质离子，并通过催化电解的化学原理制备氢气，将多种技术耦合，形成完备的直接海水捕集制氢系统。

本发明装置基于催化电解海水的制氢流程如下：防水透气层贴近浓吸湿溶液，海水与防水透气层接触后，水蒸气透过防水透气层，聚集态水及包含的氯离子等被排除在外，浓吸湿溶液层迅速捕获水蒸气，形成稀吸湿溶液，并通过蠕动泵汇入稀吸湿溶液层，并在析氧催化层发生氧化反应产生氧气，产生的氢离子通过质子交换膜的质子传递能力传输至析氢催化层发生还原反应产生氢气。稀吸湿溶液由于水被电解再次形成浓吸湿溶液，并通过蠕动泵汇入浓吸湿溶液层，进一步吸收海水中的水蒸气形成稀吸湿溶液，从而形成往复循环。

本发明装置中，防水透气层通过只允许水蒸气等气体通过，而不允许聚集态水通过，防止了离子的透过，从根本上解决了海水中多杂质离子与析氧反应竞争的问题。防水透气层贴附的浓吸湿溶液层，用于快速吸收无杂质离子的水蒸气，耦合电解制氢，可以实现“催化电解稀吸湿溶液中水分-稀吸湿溶液水被耗尽形成浓吸湿溶液-浓吸湿溶液进一步吸收水蒸气形成稀吸湿溶液”的稳定循环过程。

本发明装置根据热力学第二定律，海水中的氯离子被防水透气层排斥在外，水蒸气扩散通过防水透气层，浓吸湿溶液层迅速将透过的水蒸气吸收结合，使防水透气层内外持续保持压差，从而加速水蒸气进一步从膜外扩散至浓吸湿溶液一侧，该过程持续、快速的获得纯净无杂质的水蒸气。同时基于催化电解制氢原理，通过阳极侧电解稀吸湿溶液层中的水蒸气产生氧气，依靠质子交换膜将氢离子传递至阴极侧电解制氢。吸湿溶液中水分不断消耗形成浓吸湿溶液，浓吸湿溶液进一步吸收从防水透气层中透过的水蒸气变成稀吸湿溶液，进一步进行电解反应，从而形成“催化电解稀吸湿溶液中水分-稀吸湿溶液水被耗尽形成浓稀释溶液-浓稀释溶液促进吸收水蒸气形成稀吸湿溶液”的良性循环，从而源源不断地进行制氢过程。

进一步，所述析氧催化层设置的阳极电极可以采用包裹的方式埋设在析氧催化层内部，也可以设置在析氧催化层和稀吸湿溶液层之间。

进一步，所述析氢催化层设置的阴极电极可以采用包裹的方式埋设在析氢催化层内部，也可以设置在析氢催化层的外侧。

进一步，所述防水透气层为孔径为0.1～100um的PTFE膜、TPU膜、PDMS中的一种或石墨烯、PVDF颗粒、PTFE颗粒通过喷涂、丝网印刷、静电吸附制备的多孔防水透气层。

进一步，所述吸湿溶液层为吸湿性浓硫酸、丙三醇中的一种，浓度为95％以上。

进一步，所述析氢催化层为非贵金属合金，非贵金属磷化物，非贵金属氮化物，贵金属合金催化剂中的一种；所述析氧催化层为铱碳，钌碳，NiFe-LDH，NiFeCu合金，氧化铱，氧化钌，铱铂碳催化剂中的一种。

进一步，所述阳极电极为具有气体扩散性的碳纸，所述阴极电极为具有气体扩散性的碳纸。

进一步，所述质子交换膜为nafion膜。

一种基于液相吸湿的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外置电源，与析氢催化层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。

本发明基于液相吸湿的直接海水捕集制氢系统，通过外置电源供能，浓吸湿溶液层直接从海水中获取无杂质离子水蒸气、电解催化制氢三个主要流程实现整体的直接将海水捕集制氢过程。首先，利用外置电源为电解制氢提供能源；其次，防水透气层可以阻挡海水中的氯离子并透过水蒸气，另一侧是浓吸湿溶液层，通过热力学第二定律，无杂质离子水蒸气透过防水透气层后被吸湿溶液层迅速吸收形成稀吸湿溶液，稀吸湿溶液通过蠕动泵汇入稀吸湿溶液层，为电解制氢提供纯净的水分；最终，通过在稀吸湿溶液层侧的催化层(析氧催化层和析氢催化层)上电解，产生氢气和氧气。稀吸湿溶液层中的水分被不断电解消耗形成浓稀释溶液层，浓稀释溶液通过蠕动泵进入浓稀释溶液层，水蒸气不断透过防水透气层被浓吸湿溶液层吸收形成稀吸湿溶液，从而往复循环源源不断产生氢气。

一种基于液相吸湿的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：

外置电源与阴极电极和阳极电极连接，用于为制氢反应提供电能；

防水透气层贴近浓吸湿溶液层，并直接与海水接触，使海水水蒸气直接扩散通过防水透气层，浓吸湿溶液层直接吸收从防水透气层中扩散的水蒸气，浓吸湿溶液吸湿后形成稀吸湿溶液，稀吸湿溶液在蠕动泵下汇入稀吸湿溶液层，并在析氧催化层表面发生析氧反应；稀吸湿溶液中的水分被电解后形成浓吸湿溶液，并通过蠕动泵进入浓吸湿溶液层，进一步吸收海水中的水蒸气形成稀吸湿溶液，从而形成往复循环；

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H⁺透过质子交换膜来到析氢催化层，发生还原反应产生氢气；

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直接捕集海水获取清洁的氢能源，在未来海上漂浮岛等能源转换体系中，该装置及系统能通过外置电源供电，防水透气层贴附的吸湿溶液层直接获取纯净无杂质离子的水蒸气，并利用催化电解原理制取氢气，实现高效率的氢能源获取。

本发明装置及系统可以根据产氢需求设计成简易携带的一体化装置，也可以设计成大规模制备的集成装置，可以在包括海洋在内的任何能够产生水分子的场地，如冰川、河流、废水等水聚集地，且不受时间、空间的限制进行无间歇的产氢工作。

本发明将硫酸等难处理物质进行利用，同时吸湿液成本低，价格低。装置整体简便，易组装操作。

附图说明

图1为实施例1基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置的结构示意图；

图2为实施例1基于液相吸湿的直接海水捕集制氢系统的结构示意图；

图3为实施例1硫酸浓度与表面湿度曲线；

图4为实施例1硫酸吸湿质量随时间变化曲线；

图5为实施例1硫酸直接恒压电解结果；

图6为实施例2基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置的结构示意图；

图7为实施例2基于液相吸湿的直接海水捕集制氢系统的结构示意图；

附图标记：1-外置电源，2-制氢反应器，3-防水透气层，4-浓吸湿溶液层，5、6-蠕动泵，7-稀吸湿溶液层，8-阳极电极，9-析氧催化层，10-氧气洗涤器，11-氧气干燥器，12-氧气收集瓶，13-质子交换膜，14-析氢催化层，15-阴极电极，16-氢气洗涤器，17-氢气干燥器，18-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

本实施例基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置如图1所示，包括：浓吸湿溶液层，贴附于所述浓吸湿溶液层一侧的防水透气层，稀吸湿溶液层，贴附于所述稀吸湿溶液层并依次排布的阳极电极，析氧催化层，质子交换膜，析氢催化层和阴极电极。

上述装置中，防水透气层为孔径为1μm的PTFE膜，浓吸湿溶液层为负载有浓硫酸溶液的溶液槽(浓硫酸浓度98％)，稀吸湿溶液层为吸湿后的稀硫酸溶液槽，阳极电极为具有气体扩散性的碳纸，析氧催化层为Ir/C，质子交换膜为nafion膜，阴极电极为具有气体扩散性的碳纸，析氢催化层为Pt/C，质子交换膜为nafion膜。

本实施例制氢装置中，浓吸湿溶液层由一个长方体溶液槽作为吸湿溶液的容纳器皿，溶液槽一侧开口与防水透气层贴附，便于浓吸湿溶液直接与防水透气层接触，从而吸收海水中透过的水蒸气。稀吸湿溶液层由浓吸湿溶液层吸湿海水中的水蒸气后通过蠕动泵汇入获得。稀吸湿溶液层由一个长方体溶液槽作为稀吸湿溶液的容纳器皿，溶液槽一侧开口与阳极电极直接接触并在阳极上发生电解氧化反应，产生氧气。电解后，稀吸湿溶液水被消耗殆尽形成浓吸湿溶液，并通过蠕动泵再次回到浓吸湿溶液层中进一步吸收海水的水蒸气形成稀吸湿溶液，从而形成往复循环。

本实施例基于液相吸湿的直接海水捕集制氢系统如图2所示，包括上述制氢装置，与阳极电极和阴极电极连接为制氢反应提供电能的外置电源，与析氢催化层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。

本实施例基于液相吸湿的直接海水捕集制氢系统的具体工作过程如下：

外置电源与阴极电极和阳极电极连接，用于为制氢反应提供电能；防水透气层贴近浓吸湿溶液层，并直接与海水接触，使海水水蒸气直接扩散通过防水透气层，浓吸湿溶液层直接吸收从防水透气层中扩散的水蒸气形成稀吸湿溶液层，稀吸湿溶液通过蠕动泵汇入稀吸湿溶液层，稀吸湿溶液中的水分在阳极电极和析氧催化层组成的阳极发生氧化反应产生氧气；被消耗了水的稀吸湿溶液转为浓吸湿溶液，通过蠕动泵汇入浓吸湿溶液层，进一步吸收海水中的水蒸气形成稀吸湿溶液，形成往复循环。

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H⁺透过质子交换膜来到由阴极电极和析氢催化层组成的阴极发生还原反应产生氢气，发生还原反应产生氢气；

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。

硫酸浓度与表面湿度曲线如图3所示，表明不同浓度的硫酸都具有一定吸湿效果。硫酸吸湿质量随时间变化曲线如图4所示，30g硫酸在100h可以吸收8g水，表明硫酸具有较好的吸湿效果。硫酸直接恒压电解结果如图5所示，表明吸湿后的硫酸可以发生电解反应产氢，同时具有一定稳定性。

实施例2

本实施例基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置如图6所示，包括：浓吸湿溶液层，贴附于所述浓吸湿溶液层一侧的防水透气层，稀吸湿溶液层，贴附于稀吸湿溶液层并以此排布的析氧催化层，质子交换膜和析氢催化层；所述析氧催化层埋设有阳极电极，所述析氢催化层埋设有阴极电极。

上述装置中，防水透气层为孔径为1μm的TPU膜，浓吸湿溶液层为负载有丙三醇溶液的溶液槽(95％)，稀吸湿溶液层为吸湿后的丙三醇溶液槽，阳极电极为具有气体扩散性的亲水碳纸，析氧催化层为Ir/C，质子交换膜为nafion膜，阴极电极具有气体扩散性的亲水碳纸，析氢催化层为Pt/C，质子交换膜为nafion膜。

本实施例制氢装置中，浓吸湿溶液层由一个长方体溶液槽作为吸湿溶液的容纳器皿，溶液槽一侧开口与防水透气层贴附，便于浓吸湿溶液直接与防水透气层接触，从而吸收海水中透过的水蒸气。稀吸湿溶液层由浓吸湿溶液层吸湿海水中的水蒸气后通过蠕动泵汇入获得。稀吸湿溶液层由一个长方体溶液槽作为稀吸湿溶液的容纳器皿，溶液槽一侧开口与阳极电极直接接触并在阳极上发生电解氧化反应，产生氧气。电解后，稀吸湿溶液水被消耗殆尽形成浓吸湿溶液，并通过蠕动泵再次回到浓吸湿溶液层中进一步吸收海水的水蒸气形成稀吸湿溶液，从而形成往复循环。

本实施例基于液相吸湿的直接海水捕集制氢系统如图7所示，包括上述制氢装置，与阳极电极和阴极电极连接为制氢反应提供电能的外置电源，与析氢催化层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。

本实施例基于液相吸湿的直接海水捕集制氢系统的具体工作过程如下：

外置电源与阴极电极和阳极电极连接，用于为制氢反应提供电能；防水透气层贴近浓吸湿溶液层，并直接与海水接触，使海水水蒸气直接扩散通过防水透气层，浓吸湿溶液层直接吸收从防水透气层中扩散的水蒸气形成稀吸湿溶液层，稀吸湿溶液通过蠕动泵汇入稀吸湿溶液层，稀吸湿溶液中的水分在埋设有阳极电极的析氧催化层(Ir/C，阳极)发生氧化反应产生氧气；被消耗了水的稀吸湿溶液转为浓吸湿溶液，通过蠕动泵汇入浓吸湿溶液层，进一步吸收海水中的水蒸气形成稀吸湿溶液，形成往复循环；

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H⁺透过质子交换膜来到由埋设有阴极电极的析氢催化层(Pt/C，阴极)发生还原反应产生氢气，发生还原反应产生氢气；

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。

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)

1.一种基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置,其特征在于，包括：浓吸湿溶液层，贴附于所述浓吸湿溶液层一侧的防水透气层；稀吸湿溶液层，贴附于所述稀吸湿溶液层一侧的析氧催化层；所述浓吸湿溶液层和稀吸湿溶液层之间的蠕动泵；所述装置还包括析氢催化层以及位于所述析氧催化层和析氢催化层之间的质子交换膜，所述析氧催化层设置有阳极电极，所述析氢催化层设置有阴极电极。

2.如权利要求1所述一种基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置，其特征在于，所述析氧催化层设置的阳极电极可以采用包裹的方式埋设在析氧催化层内部，也可以设置在析氧催化层和稀吸湿溶液之间。

3.如权利要求1所述一种基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置，其特征在于，所述析氢催化层设置的阴极电极可以采用包裹的方式埋设在析氢催化层内部，也可以设置在析氢催化层的外侧。

4.如权利要求1所述一种基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置,其特征在于，所述防水透气层为孔径为0.1～100um的PTFE膜、TPU膜、PDMS中的一种或石墨烯、PVDF颗粒、PTFE颗粒通过喷涂、丝网印刷、静电吸附制备的多孔防水透气层。

5.如权利要求1所述一种基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置,其特征在于，所述浓吸湿溶液层为吸湿性浓硫酸、丙三醇中的一种，浓度为95％以上。

6.如权利要求1所述一种基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置,其特征在于，所述析氢催化层为非贵金属合金，非贵金属磷化物，非贵金属氮化物，贵金属合金催化剂，碳中的一种或几种的组合；所述析氧催化层为铱碳，钌碳，NiFe-LDH，NiFeCu合金，氧化铱，氧化钌，铂碳催化剂中的一种。

7.如权利要求1所述一种基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置,其特征在于，所述阳极电极为具有气体扩散性的碳纸，所述阴极电极为具有气体扩散性的碳纸。

8.如权利要求1所述一种基于液相吸湿的直接海水捕集制氢装置,其特征在于，所述质子交换膜为nafion膜。

9.一种基于液相吸湿的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8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外置电源，与析氢催化层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。

10.一种基于液相吸湿的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9所述的系统进行氢气的制备，包括：

外置电源与阴极电极和阳极电极连接，用于为制氢反应提供电能；

防水透气层贴近浓吸湿溶液层，并直接与海水接触，使海水水蒸气直接扩散通过防水透气层，浓吸湿溶液层直接吸收从防水透气层中扩散的水蒸气形成稀吸湿溶液，并通过蠕动泵进入稀吸湿溶液层，稀吸湿溶液在析氧催化层表面发生析氧反应；稀吸湿溶液中的水分被电解后形成浓吸湿溶液，并通过蠕动泵进入浓吸湿溶液层，进一步吸收海水中的水蒸气形成稀吸湿溶液，从而形成往复循环；

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H⁺透过质子交换膜来到析氢催化层，发生还原反应产生氢气；

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。

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