CN115161676A - 一种海水直接制氢装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海水直接制氢装置及方法，其中，该装置包括：海水侧腔体、电解侧腔体、阴极电解层和阳极电解层；海水侧腔体上设有海水入水口和海水出水口，海水侧腔体内设有海水槽，海水槽与海水入水口和海水出水口相连通；电解侧腔体与海水侧腔体相连接，电解侧腔体内设有电解槽，电解槽与海水槽之间设有疏水膜；阴极电解层设于电解侧腔体中，且阴极电解层的部分设于电解槽内；阳极电解层设于电解侧腔体中，且阳极电解层的部分位于电解槽内，阳极电解层和阴极电解层之间设有亲水膜；其中，电解侧腔体上设有氢气出口和氧气出口。本发明通过将海水淡化和水电解制氢技术相结合，实现了海水直接制取氢气的目标，解决了海水制氢成本高的问题。

Description

一种海水直接制氢装置及方法
技术领域
本发明涉及能源技术领域，特别涉及一种海水直接制氢装置及方法。
背景技术
氢气被认为是一种最理想的清洁能源。水电解制氢是能经由零碳途径产生清洁能源——氢气的一种制氢方法，该方法产氢过程简单、无有毒害副产物、产氢纯度高。但由于该方法使用纯水配制电解液，需要消耗大量电能和热能以及电解效率低，使得制氢成本居高不下，进而导致水电解制氢的商业化发展受到了阻碍。
海水是地球上十分丰富的可再生资源之一，据统计，海水占全球水总存储量达96.5％，而淡水资源却十分有限，因此若能实现海水电解制取氢气，就能从淡化水这一方面减少成本、降低能耗。然而海水中存在大量的Mg2+、Ca2+和Cl-等杂质离子，直接电解海水会使电解槽产生Mg(OH)2、Ca(OH)2沉淀，以及有害气体Cl2，严重污染了电解槽和电极，使得电解效率逐渐降低，也无法得到纯净的氢气。因此要实现海水制氢，需要先将海水做淡化处理，使淡化后的水达到电解要求，再进一步对淡化后的水进行电解。
常用的海水淡化方法有蒸馏法、电渗析法和反渗透法。通过这些方法，人们能生产较高纯度的淡水。但是这些方法涉及的淡化设备昂贵，淡化工艺流程复杂，同时也会消耗大量的热能、电能和机械能。因此若使用常规的方法淡化海水去制取氢气，将无法降低制氢成本，不利于海水制氢技术的发展。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种海水直接制氢装置及方法，旨在解决现有技术中海水制氢成本高的问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种海水直接制氢装置，其中，所述海水直接制氢装置包括：
海水侧腔体，所述海水侧腔体上设有海水入水口和海水出水口，所述海水侧腔体内设有海水槽，所述海水槽与所述海水入水口和海水出水口相连通；
电解侧腔体，所述电解侧腔体与所述海水侧腔体相连接，所述电解侧腔体内设有用于放置电解液的电解槽，所述电解槽与所述海水槽之间设有用于隔开所述海水槽和电解槽的疏水膜；
阴极电解层，所述阴极电解层设于所述电解侧腔体中，且所述阴极电解层的部分设于所述电解槽内；
阳极电解层，所述阳极电解层设于所述电解侧腔体中，且所述阳极电解层的部分位于所述电解槽内，所述阳极电解层和所述阴极电解层之间设有用于隔绝气体的亲水膜；
其中，所述电解侧腔体靠近所述阴极电解层的侧面上设有与所述电解槽相连通的氢气出口，所述电解侧腔体靠近所述阳极电解层的侧面上设有与所述电解槽相连通的氧气出口。
作为进一步的改进技术方案，所述海水侧腔体包括：
海水侧盖体，所述海水侧盖体上开设有所述海水入水口和海水出水口；
海水侧壳体，所述海水侧壳体的一侧与所述海水侧盖体相连接，所述海水侧壳体的另一侧与所述电解侧腔体相连接，所述海水侧壳体的中部开设有贯通的海水槽，所述海水槽与所述海水入水口和海水出水口相连通。
作为进一步的改进技术方案，所述电解侧腔体包括：
第一电解壳体、第二电解壳体和电解侧盖体；
所述电解槽贯通设于所述第一电解壳体和第二电解壳体的中部，所述电解槽靠近所述海水侧腔体的槽口上覆盖设有所述疏水膜，所述第一电解壳体的一侧与所述海水侧腔体相连接，所述第一电解壳体的另一侧依次与所述阴极电解层、阳极电解层、第二电解壳体和电解侧盖体相连接；其中，所述第一壳体上设有所述氢气出口，所述第二壳体上设有所述氧气出口。
作为进一步的改进技术方案，所述阴极电解层包括：
阴极壳体、阴极金属片、阴极绝缘层和阴极镍网；
所述阴极壳体的一侧与所述第一电解壳体的另一侧相连接，所述阴极壳体的另一侧与所述阳极电解层相连接；
所述阴极金属片设于所述阴极壳体上，所述阴极金属片上设有阴极接线端，所述阴极接线端外伸出所述阴极壳体；
所述阴极绝缘层包裹在所述阴极金属片外侧；
所述阴极镍网设于所述阴极金属片中部，所述阴极镍网位于所述电解槽内。
作为进一步的改进技术方案，所述阳极电解层包括：
阳极壳体、阳极金属片、阳极绝缘层和阳极镍网；
所述阳极壳体的一侧与所述阴极壳体的另一侧相连接，所述阳极壳体的另一侧与所述第二电解壳体相连接；
所述阳极绝缘层包裹在所述阳极金属片外侧；
所述阳极金属片设于所述阳极壳体上，所述阳极金属片上设有阳极接线端，所述阳极接线端外伸出所述阳极壳体；
所述阳极镍网设于所述阳极金属片中部，所述阳极镍网位于所述电解槽内，所述阳极镍网通过所述亲水膜与所述阴极镍网相隔。
作为进一步的改进技术方案，所述阴极壳体与所述亲水膜之间设有第一绝缘板，所述阳极壳体与所述亲水膜之间设有第二绝缘板，所述第一绝缘板与所述阴极壳体的另一侧相连接，所述第二绝缘板分别与所述第一绝缘板和所述阳极壳体相连接，所述电解槽贯通所述第一绝缘板和第二绝缘板。
作为进一步的改进技术方案，所述海水直接制氢装置还包括：
第一垫圈和第二垫圈；
所述第一垫圈设于所述海水侧壳体的一侧上，且位于所述海水槽朝向所述海水侧壳体的四周，所述第二垫圈设于所述海水侧壳体的另一侧上，且位于所述海水槽朝向所述疏水膜的四周。
作为进一步的改进技术方案，所述海水直接制氢装置还包括：
第三垫圈、第四垫圈、第五垫圈和第六垫圈；
所述第三垫圈设于所述第一电解壳体的一侧上，且位于所述电解槽朝向所述疏水膜的四周，所述第四垫圈设于所述第一电解壳体的另一侧上，且位于所述电解槽朝向所述阴极电解层的四周；
所述第五垫圈设于所述第二电解壳体的一侧上，且位于所述电解槽朝向所述阳极电解层的四周，所述第六垫圈设于所述第二电解壳体的另一侧上，且位于所述电解槽朝向所述电解侧盖体的四周。
作为进一步的改进技术方案，所述海水直接制氢装置还包括：
保温层，所述保温层分别设于所述海水侧腔体的内部和所述电解侧腔体的内部；
止水阀，所述止水阀设于所述电解侧腔体上，并连通于所述电解槽的内部。
第二方面，本发明实施例提供了一种海水直接制氢方法，其中，包括：
将海水通过海水入水口输入到海水槽中，使海水通过疏水膜进行淡化；
淡化后的海水直接流入电解槽中，将阴极电解层接入电源负极、阳极电解层接入电源正极，使阴极电解层发生析氢反应，阳极电解层发生析氧反应；
阴极电解层产生的氢气和阳极电解层产生的氧气被亲水膜隔开，氢气从氢气出口排出，氧气从氧气出口排出。
本发明所采用的技术方案具有以下有益效果：
1、海水淡化和水电解制氢过程同时体现在一个装置当中，实现了海水直接制氢装置的设计，减少了淡水资源的利用。
2、该装置利用浓度差驱动水分子流通疏水膜，实现了海水淡化，相比于传统淡化技术，减少了能耗，也降低了材料成本。
3、通过调整疏水膜的孔径大小和孔隙率、调整催化剂的催化效率或者调整电流密度大小，能使水的淡化速率与电解的耗水速率达到动态平衡。
4、保温隔热层能将废热再利用，废热能够提高海水的淡化速率，以及电解槽中的电化学反应效率，进而提高产氢速率。
5、电极间以亲水膜相隔，在不影响电解质流通的同时，能减小两片电极的间距，即减小两片镍网间电解质的电阻，加快电解速率。另外还能将析氢侧与析氧侧隔开，防止两边电极侧互相串气。
附图说明
图1为本发明提供的一种海水直接制氢装置的内部结构示意图；
图2为本发明提供的一种海水直接制氢装置的立体图；
图3为本发明提供的一种海水直接制氢装置的爆炸图；
图4为本发明提供的一种海水直接制氢装置的主视图；
图5为本发明提供的一种海水直接制氢装置的右视图；
图6为本发明提供的一种海水直接制氢装置的后视图；
图7为本发明提供的一种海水直接制氢装置的左视图；
图8为本发明提供的一种海水直接制氢装置的制造方法的较佳实施例流程图。
附图标记：100、海水侧腔体；200、电解侧腔体；300、阴极电解层；400、阳极电解层；101、海水入水口；102、海水出水口；103、海水槽；201、电解槽；500、疏水膜；600、亲水膜；202、氢气出口；203、氧气出口；110、海水侧盖体；120、海水侧壳体；130、第一垫圈；140、第二垫圈；210、第一电解壳体；220、第二电解壳体；230、电解侧盖体；240、第三垫圈；250、第四垫圈；260、第五垫圈；270、第六垫圈；310、阴极壳体；320、阴极金属片；330、阴极镍网；340、阴极接线端；410、阳极壳体；420、阳极金属片；430、阳极镍网；440、阳极接线端；610、第一绝缘板；620、第二绝缘板；700、保温层；800、止水阀。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。
还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
设备昂贵、工艺复杂和能耗大是导致海水制氢成本高昂，进而阻碍海水制氢技术发展的重要原因。为解决海水制氢成本高的问题，本发明从简化制氢装置设计、采用膜蒸馏技术演变而来的海水淡化技术和能量循环利用这三个方面进行海水直接制氢装置的设计。要简化制氢装置，即保留主要的功能部分，删减冗杂的管道和连接件。
因此本发明分主要分为了两个部分，即海水槽与电解槽，并通过隔膜将两个部分紧密结合，实现从海水到电解液的无缝转换，降低了设备材料成本和其它淡化方法需要的大量能耗。
本发明采用的淡化方法是用疏水膜隔离海水和电解液。此类隔膜能将固体杂质排除在外，并且由于其疏水特性，海水中的杂质离子无法通过疏水膜到达膜另一侧的电解液中。调节膜两侧的溶液浓度，使电解液的离子浓度大于海水中的离子浓度，即海水槽中水的浓度大于电解槽中水的浓度，就能在浓度差的驱动下，实现水分子从海水流向电解液的过程。
另外，在电解过程中电极会放出热量。为了能将废热加以利用，本发明设置了隔热层，将热量束缚在装置内部。一方面，温度越高，液体分子的运动更加剧烈，在一定范围能够提高水流通隔膜的速率；另一方面，温度升高会加快电化学反应的发生，使电解效率提高，进而提高产氢速率。
基于此，本申请希望提供一种能够解决上述技术问题的方案，其详细内容将在后续实施例中得以阐述。
本发明公开了一种海水直接制氢装置，请参阅图1和图2，图1为本发明提供的一种海水直接制氢装置的内部结构示意图；图2为本发明提供的一种海水直接制氢装置的立体图。本发明所公开的海水直接制氢装置具体包括：海水侧腔体100、电解侧腔体200、阴极电解层300和阳极电解层400；所述海水侧腔体100上设有海水入水口101和海水出水口102，所述海水侧腔体100内设有海水槽103，所述海水槽103与所述海水入水口101和海水出水口102相连通；所述电解侧腔体200与所述海水侧腔体100相连接，所述电解侧腔体200内设有用于放置电解液的电解槽201，所述电解槽201与所述海水槽103之间设有用于隔开所述海水槽103和电解槽201的疏水膜500；所述阴极电解层300设于所述电解侧腔体200中，且所述阴极电解层300的部分设于所述电解槽201内；所述阳极电解层400设于所述电解侧腔体200中，且所述阳极电解层400的部分位于所述电解槽201内，所述阳极电解层400和所述阴极电解层300之间设有用于隔绝气体的亲水膜600；其中，所述电解侧腔体200靠近所述阴极电解层300的侧面上设有与所述电解槽201相连通的氢气出口202，所述电解侧腔体200靠近所述阳极电解层400的侧面上设有与所述电解槽201相连通的氧气出口203。
在本发明实施例中，对于整个制氢装置的外形不做限制，可以为矩形或圆柱形等，可选地，所述海水槽103和电解槽201可以为圆筒腔体，当然海水槽103和电解槽201的几何设计并不局限于圆筒腔体，亦可以为箱式、扁桶腔体形式等，具体应视实际需求进行变更。另外，为了便于各个部件之间的装配与更换，海水侧腔体100、电解侧腔体200、阴极电解层300和阳极电解层400之间为可拆卸连接的状态，例如通过螺栓连接的方式。
具体应用时，海水可通过装置外用泵送的方式进行循环。海水中含有大量杂质，当海水槽103内的沉淀物堆积到一定程度时，可以采用逆循环的方式，将海水槽103底部的沉积物冲排出海水入水口101，这样可避免海水槽103内堵塞。
值得一提的是，上述实施例中的阴极电解层300和阳极电解层400均设置在电解侧腔体200内，阴极电解层300和阳极电解层400之间的位置可以互换，具体可以根据实际使用进行调整。另外，对于阴极电解层300和阳极电解层400和数量不做限定，阴极电解层300和阳极电解层400的数量可以为多个，将多个阴极电解层300和阳极电解层400联排安装在电解侧腔体200中，每个阴极电解层300和阳极电解层400之间均通过亲水膜600隔开。
本实施例提供的海水直接制氢装置的工作原理如下：
通过泵送的方式将海水通过海水入水口101输入到海水槽103中，在海水槽103侧，海水中的水在浓度差(海水槽103中水的浓度大于电解槽201中水的浓度)的驱动下通过疏水膜500，实现海水淡化；利用浓度差驱动水分子流通疏水膜500，实现了海水淡化，相比于传统淡化技术，减少了能耗，也降低了材料成本。淡化后的海水直接流入电解槽201中，为电解液补充水溶剂(电解槽201中的电解液为碱液)；同时将阴极电解层300接入电源负极、阳极电解层400接入电源正极，使浸泡在电解液中的阴极电解层300部分发生析氢反应，浸泡在电解液中的阳极电解层400部分发生析氧反应；阴极电解层300产生的氢气和阳极电解层400产生的氧气被亲水膜600隔开，避免了两种气体的混合，氢气从氢气出口202排出，氧气从氧气出口203排出；其中，从氢气出口202排出后的气体需经过一定程度的干燥就能得到氢气，对于具体的干燥过程本发明不做限定。
本实施例提供的海水直接制氢装置的有益效果至少在于：
本发明所公开的海水直接制氢装置，能将海水淡化和水电解制氢技术相结合，实现了海水直接制取氢气的目标。同时还采用简化装置设计、创新淡化技术和废热利用这三个方法降低制氢成本，解决了海水无法直接电解制氢，以及水电解制氢成本高的问题。
具体的，请一并参阅图3至图7。所述海水侧腔体100包括：海水侧盖体110和海水侧壳体120；所述海水侧盖体110上开设有所述海水入水口101和海水出水口102；所述海水入水口101和海水出水口102呈上下排列设于所述海水侧盖体110上，所述海水侧壳体120的一侧与所述海水侧盖体110相连接，所述海水侧壳体120的另一侧与所述电解侧腔体200相连接，所述海水侧壳体120的中部开设有贯通的海水槽103，所述海水槽103与所述海水入水口101和海水出水口102相连通，可选地，所述海水槽103为圆形通槽。
作为进一步地方案，请继续参阅图3，所述海水直接制氢装置还包括：第一垫圈130和第二垫圈140；所述第一垫圈130设于所述海水侧壳体120的一侧上，且位于所述海水槽103朝向所述海水侧壳体120的四周，所述第二垫圈140设于所述海水侧壳体120的另一侧上，且位于所述海水槽103朝向所述疏水膜500的四周；其中，位于所述海水槽103的槽口外侧与第一垫圈130和第二垫圈140的位置对应处设有凹槽(图中未示出)，所述第一垫圈130和第二垫圈140均通过凹槽与所述海水侧壳体120相连接。通过所述第一垫圈130和第二垫圈140保证海水侧盖体110和海水侧壳体120之间的密封连接，以及海水侧壳体120和电解侧腔体200的密封连接，防止海水从海水槽103内溢出。
更具体的，请继续参阅图3，所述电解侧腔体200包括：第一电解壳体210、第二电解壳体220和电解侧盖体230；所述电解槽201贯通设于所述第一电解壳体210和第二电解壳体220的中部，所述电解槽201靠近所述海水侧腔体100的槽口上覆盖设有所述疏水膜500，所述第一电解壳体210的一侧与所述海水侧腔体100相连接，所述第一电解壳体210的另一侧依次与所述阴极电解层300、阳极电解层400、第二电解壳体220和电解侧盖体230相连接；其中，所述第一壳体上设有所述氢气出口202，所述第二壳体上设有所述氧气出口203。
在具体的实施方式中，第一电解壳体210和第二电解壳体220以及电解侧盖体230形成所述电解侧腔体200，第一电解壳体210和第二电解壳体220上开设有电解槽201，电解槽201用于盛放电解液，为了避免海水中的杂质进入电解液中，通过电解槽201槽口处的疏水膜500可有效过滤海水中的杂质，实现海水的淡化。第一电解壳体210和第二电解壳体220将阴极电解层300和阳极电解层400夹持在中间，使得阴极电解层300和阳极电解层400均位于电解槽201内，电解槽201内的电解液与阴极电解层300和阳极电解层400发生电化学反应。
作为更进一步地方案，请继续参阅图3，所述海水直接制氢装置还包括：第三垫圈240、第四垫圈250、第五垫圈260和第六垫圈270；所述第三垫圈240设于所述第一电解壳体210的一侧上，且位于所述电解槽201朝向所述疏水膜500的四周，所述第四垫圈250设于所述第一电解壳体210的另一侧上，且位于所述电解槽201朝向所述阴极电解层300的四周；所述第五垫圈260设于所述第二电解壳体220的一侧上，且位于所述电解槽201朝向所述阳极电解层400的四周，所述第六垫圈270设于所述第二电解壳体220的另一侧上，且位于所述电解槽201朝向所述电解侧盖体230的四周。其中，在所述第一电解壳体210的两侧面上且位于电解槽201的槽口外侧设有用于与安装第三垫圈240和第四垫圈250的凹槽，所述第二电解壳体220的两侧面上且位于电解槽201的槽口外侧设有用于与安装第五垫圈260和第六垫圈270的凹槽。通过第三垫圈240和第四垫圈250保证第一电解壳体210与海水侧壳体120和阴极电解层300之间的密封连接，通过第五垫圈260和第六垫圈270保证第二电解壳体220与电解侧盖体230和阳极电解层400之间的密封连接，防止电解液从电解槽201内溢出。
在一些实施方式中，请继续参阅图3，所述阴极电解层300包括：阴极壳体310、阴极金属片320、阴极绝缘层(图中未示出)和阴极镍网330；所述阴极壳体310的一侧与所述第一电解壳体210的另一侧相连接，所述阴极壳体310的另一侧与所述阳极电解层400相连接；所述阴极金属片320设于所述阴极壳体310上，所述阴极金属片320上设有阴极接线端340，所述阴极接线端340外伸出所述阴极壳体310，用于与电源的负极连接；所述阴极绝缘层(图中未示出)包裹在所述阴极金属片320外侧，避免阴极金属片320与阳极电解层400短接；所述阴极镍网330设于所述阴极金属片320中部，所述阴极镍网330位于所述电解槽201内；其中，所述阴极镍网330的尺寸与电解槽201的形状相适配，以便于液体的通过，所述阴极镍网330上附着有催化剂用于在阴极金属片320通电后在电解液中发生析氢反应(HER，HydrogenEvolution Reaction)。
在另一些实施方式中，请继续参阅图3，所述阳极电解层400包括：阳极壳体410、阳极金属片420、阳极绝缘层(图中未示出)和阳极镍网430；所述阳极壳体410的一侧与所述阴极壳体310的另一侧相连接，所述阳极壳体410的另一侧与所述第二电解壳体220相连接；所述阳极绝缘层包裹在所述阳极金属片420外侧；所述阳极金属片420设于所述阳极壳体410上，所述阳极金属片420上设有阳极接线端440，所述阳极接线端440外伸出所述阳极壳体410用于与电源正极相连接；所述阳极镍网430设于所述阳极金属片420中部，所述阳极镍网430位于所述电解槽201内，所述阳极镍网430通过所述亲水膜600与所述阴极镍网330相隔，通过亲水膜600避免两个气体的混合。其中，所述阳极镍网430的尺寸与电解槽201的形状相适配，以便于液体的通过，所述阳极镍网430上附着有催化剂用于在阳极金属片420通电后在电解液中发生析氧反应(OER，Oxygen Evolution Reaction)。
在上述实施方式的基础上，请继续参阅图3，所述阴极壳体310与所述亲水膜600之间设有第一绝缘板610，所述阳极壳体410与所述亲水膜600之间设有第二绝缘板620，所述第一绝缘板610与所述阴极壳体310的另一侧相连接，所述第二绝缘板620分别与所述第一绝缘板610和所述阳极壳体410相连接，所述电解槽201贯通所述第一绝缘板610和第二绝缘板620。
具体的，阴极金属片320和阳极金属片420均被绝缘材料包覆，并被第一绝缘板610和第二绝缘板620隔开，电流分别从阴极金属片320和阳极金属片420输入，使浸泡在电解液中的附着催化剂的两片镍网(阴极金属片320和阳极金属片420)发生电化学反应：2H2O＝2H2↑+O2↑(通电)。阴极侧发生析氢反应(HER)，阳极侧发生析氧反应(OER)。在两片镍网之间，阴极侧产生的氢气和阳极侧产生的氧气被一张亲水膜600隔开，避免了两种气体的混合。最后，氧气从氧气出口203排出。对氢气出口202排出的气体进行干燥，就能得到氢气。
值得一提的是，通过调整疏水膜500的孔径大小和孔隙率、调整催化剂的催化效率或者调整电流密度大小，能使水的淡化速率与电解的耗水速率达到动态平衡。阴极金属片320和阳极金属片420以亲水膜600相隔，在不影响电解质流通的同时，能减小阴极金属片320和阳极金属片420之间的间距，即减小两片镍网间电解质的电阻，加快电解速率。另外还能将析氢侧与析氧侧隔开，防止两边电极侧互相串气。
作为更进一步地方案，请继续参阅图1，所述海水直接制氢装置包括：保温层700和止水阀800；所述保温层700分别设于所述海水侧腔体100的内部和所述电解侧腔体200的内部，所述止水阀800设于所述电解侧腔体200上，并连通于所述电解槽201的内部。
在具体的实施方式中，为了利用废热，通过设计了保温层700来保持整个装置内的温度，废热能够提高海水的淡化速率，以及电解槽201中的电化学反应效率，进而提高产氢速率。另外，需要更换电解液时，打开止水阀800，将槽内电解液排出，并通过泵送的方式补充新鲜的电解液。
实施例二：
请参阅图8，本发明还公开一种海水直接制氢方法，其中，包括：
S100、将海水通过海水入水口101输入到海水槽103中，使海水通过疏水膜500进行淡化；
具体的，通过泵送的方式将海水通过海水入水口101输入到海水槽103中，在海水槽103侧，海水中的水在浓度差的驱动下通过疏水膜500，实现海水淡化；利用浓度差驱动水分子流通疏水膜500，实现了海水淡化，相比于传统淡化技术，减少了能耗，也降低了材料成本。
S200、淡化后的海水直接流入电解槽201中，将阴极电解层300接入电源负极、阳极电解层400接入电源正极，使阴极电解层300发生析氢反应，阳极电解层400发生析氧反应；
具体的，淡化后的海水直接流入电解槽201中，为电解液补充水溶剂(电解槽201中的电解液为碱液)；同时将阴极电解层300接入电源负极、阳极电解层400接入电源正极，使浸泡在电解液中的阴极电解层300部分发生析氢反应，浸泡在电解液中的阳极电解层400部分发生析氧反应。
S300、阴极电解层300产生的氢气和阳极电解层400产生的氧气被亲水膜600隔开，氢气从氢气出口202排出，氧气从氧气出口203排出；
具体的，阴极电解层300产生的氢气和阳极电解层400产生的氧气被亲水膜600隔开，避免了两种气体的混合，氢气从氢气出口202排出，氧气从氧气出口203排出；其中，从氢气出口202排出后的气体需经过一定程度的干燥就能得到氢气。
需要说明的是，由于上文已对海水直接制氢装置的制氢方法做详细说明，故在此不再赘述。
综上所述，本发明提供了一种海水直接制氢装置及方法，其中所述海水直接制氢装置包括：海水侧腔体、电解侧腔体、阴极电解层和阳极电解层；所述海水侧腔体上设有海水入水口和海水出水口，所述海水侧腔体内设有海水槽，所述海水槽与所述海水入水口和海水出水口相连通；所述电解侧腔体与所述海水侧腔体相连接，所述电解侧腔体内设有用于放置电解液的电解槽，所述电解槽与所述海水槽之间设有用于隔开所述海水槽和电解槽的疏水膜；所述阴极电解层设于所述电解侧腔体中，且所述阴极电解层的部分设于所述电解槽内；所述阳极电解层设于所述电解侧腔体中，且所述阳极电解层的部分位于所述电解槽内，所述阳极电解层和所述阴极电解层之间设有用于隔绝气体的亲水膜；其中，所述电解侧腔体靠近所述阴极电解层的侧面上设有与所述电解槽相连通的氢气出口，所述电解侧腔体靠近所述阳极电解层的侧面上设有与所述电解槽相连通的氧气出口。本发明通过将海水淡化和水电解制氢技术相结合，实现了海水直接制取氢气的目标，解决了海水制氢成本高的问题。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的方案后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求所指出。

Claims (10)

1.一种海水直接制氢装置，其特征在于，所述海水直接制氢装置包括：
海水侧腔体，所述海水侧腔体上设有海水入水口和海水出水口，所述海水侧腔体内设有海水槽，所述海水槽与所述海水入水口和海水出水口相连通；
电解侧腔体，所述电解侧腔体与所述海水侧腔体相连接，所述电解侧腔体内设有用于放置电解液的电解槽，所述电解槽与所述海水槽之间设有用于隔开所述海水槽和电解槽的疏水膜；
阴极电解层，所述阴极电解层设于所述电解侧腔体中，且所述阴极电解层的部分设于所述电解槽内；
阳极电解层，所述阳极电解层设于所述电解侧腔体中，且所述阳极电解层的部分位于所述电解槽内，所述阳极电解层和所述阴极电解层之间设有用于隔绝气体的亲水膜；
其中，所述电解侧腔体靠近所述阴极电解层的侧面上设有与所述电解槽相连通的氢气出口，所述电解侧腔体靠近所述阳极电解层的侧面上设有与所述电解槽相连通的氧气出口。
2.根据权利要求1所述的海水直接制氢装置，其特征在于，所述海水侧腔体包括：
海水侧盖体，所述海水侧盖体上开设有所述海水入水口和海水出水口；
海水侧壳体，所述海水侧壳体的一侧与所述海水侧盖体相连接，所述海水侧壳体的另一侧与所述电解侧腔体相连接，所述海水侧壳体的中部开设有贯通的海水槽，所述海水槽与所述海水入水口和海水出水口相连通。
3.根据权利要求1所述的海水直接制氢装置，其特征在于，所述电解侧腔体包括：
第一电解壳体、第二电解壳体和电解侧盖体；
所述电解槽贯通设于所述第一电解壳体和第二电解壳体的中部，所述电解槽靠近所述海水侧腔体的槽口上覆盖设有所述疏水膜，所述第一电解壳体的一侧与所述海水侧腔体相连接，所述第一电解壳体的另一侧依次与所述阴极电解层、阳极电解层、第二电解壳体和电解侧盖体相连接；其中，所述第一壳体上设有所述氢气出口，所述第二壳体上设有所述氧气出口。
4.根据权利要求3所述的海水直接制氢装置，其特征在于，所述阴极电解层包括：
阴极壳体、阴极金属片、阴极绝缘层和阴极镍网；
所述阴极壳体的一侧与所述第一电解壳体的另一侧相连接，所述阴极壳体的另一侧与所述阳极电解层相连接；
所述阴极金属片设于所述阴极壳体上，所述阴极金属片上设有阴极接线端，所述阴极接线端外伸出所述阴极壳体；
所述阴极绝缘层包裹在所述阴极金属片外侧；
所述阴极镍网设于所述阴极金属片中部，所述阴极镍网位于所述电解槽内。
5.根据权利要求4所述的海水直接制氢装置，其特征在于，所述阳极电解层包括：
阳极壳体、阳极金属片、阳极绝缘层和阳极镍网；
所述阳极壳体的一侧与所述阴极壳体的另一侧相连接，所述阳极壳体的另一侧与所述第二电解壳体相连接；
所述阳极绝缘层包裹在所述阳极金属片外侧；
所述阳极金属片设于所述阳极壳体上，所述阳极金属片上设有阳极接线端，所述阳极接线端外伸出所述阳极壳体；
所述阳极镍网设于所述阳极金属片中部，所述阳极镍网位于所述电解槽内，所述阳极镍网通过所述亲水膜与所述阴极镍网相隔。
6.根据权利要求5所述的海水直接制氢装置，其特征在于，所述阴极壳体与所述亲水膜之间设有第一绝缘板，所述阳极壳体与所述亲水膜之间设有第二绝缘板，所述第一绝缘板与所述阴极壳体的另一侧相连接，所述第二绝缘板分别与所述第一绝缘板和所述阳极壳体相连接，所述电解槽贯通所述第一绝缘板和第二绝缘板。
7.根据权利要求2所述的海水直接制氢装置，其特征在于，所述海水直接制氢装置还包括：
第一垫圈和第二垫圈；
所述第一垫圈设于所述海水侧壳体的一侧上，且位于所述海水槽朝向所述海水侧壳体的四周，所述第二垫圈设于所述海水侧壳体的另一侧上，且位于所述海水槽朝向所述疏水膜的四周。
8.根据权利要求3所述的海水直接制氢装置，其特征在于，所述海水直接制氢装置还包括：
第三垫圈、第四垫圈、第五垫圈和第六垫圈；
所述第三垫圈设于所述第一电解壳体的一侧上，且位于所述电解槽朝向所述疏水膜的四周，所述第四垫圈设于所述第一电解壳体的另一侧上，且位于所述电解槽朝向所述阴极电解层的四周；
所述第五垫圈设于所述第二电解壳体的一侧上，且位于所述电解槽朝向所述阳极电解层的四周，所述第六垫圈设于所述第二电解壳体的另一侧上，且位于所述电解槽朝向所述电解侧盖体的四周。
9.根据权利要求3所述的海水直接制氢装置，其特征在于，所述海水直接制氢装置还包括：
保温层，所述保温层分别设于所述海水侧腔体的内部和所述电解侧腔体的内部；
止水阀，所述止水阀设于所述电解侧腔体上，并连通于所述电解槽的内部。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的海水直接制氢装置的海水直接制氢方法，其特征在于，包括：
将海水通过海水入水口输入到海水槽中，使海水通过疏水膜进行淡化；
淡化后的海水直接流入电解槽中，将阴极电解层接入电源负极、阳极电解层接入电源正极，使阴极电解层发生析氢反应，阳极电解层发生析氧反应；
阴极电解层产生的氢气和阳极电解层产生的氧气被亲水膜隔开，氢气从氢气出口排出，氧气从氧气出口排出。
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CN117468021A (zh) * 2023-11-09 2024-01-30 中国科学院大连化学物理研究所 一种碱性和质子交换膜混联海水制氢的系统及方法

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