CN115725981A - 海水无淡化原位直接电解制氢方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明属于电化学的技术领域，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。
背景技术
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。
发明内容
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，本发明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。
本发明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：
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；
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，维持界面压力差，形成无额外能耗的自循环激发驱动制氢。
在本发明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：
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；
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。
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。
进一步地，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，通过该溶液传质层阻挡海水(非纯水溶液)中的杂质；
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。
进一步地，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；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；
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；
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；
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、FexCoyNiz型催化剂负载的泡沫镍和钛毡等。
进一步地，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。
进一步地，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；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。
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，所述阳极催化电极上紧贴有阳极极板，阴极催化电极上紧贴有阴极极板。
在本发明中还公开了海水无淡化原位直接电解制氢装置，制氢装置包括：
一容腔和设于容腔内的自驱动电解质层，通过自驱动电解质层将容腔分隔成阳极电解室和阴极电解室，且阳极电解室和阴极电解室分别设有用于诱导驱动无杂质水分传质的溶液传质层；
设于容腔内的催化电解模块，在阴极电解室内通过催化电解模块电解自驱动电解质层内的水分制备氢气和OH-，且OH-经自驱动电解质层进入至阳极电解室内并通过电解制备氧气。
进一步地，所述催化电解模块包括：
紧贴于自驱动电解质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分别紧贴有阳极极板和阴极极板；
其中，所述阳极极板和阴极极板上分别开设有排气槽，且阳极极板和阴极极板的侧面分别贴有所述溶液传质层。
进一步地，所述溶液传质层采用孔径为0.1～100um的TPU膜、PTFE膜、PDMS膜中的任意一种；通过溶液传质层的疏水作用将杂质溶液阻挡在体系外，同时驱动水溶液传质，配合自驱动电解质诱导水溶液相变形成无杂质液态水。
或者所述溶液传质层为石墨烯、PVDF颗粒、PTFE颗粒通过喷涂、丝网印刷、静电吸附制备而成的多孔溶液传质层；
通过溶液传质层的疏水作用将杂质溶液阻挡在体系外，同时驱动水溶液传质进入电解质。海水无淡化原位直接电解制氢系统进一步地，还包括一供能模块，所述供能模块分别与阳极极板和阴极极板电连接，并分别为阳极极板和阴极极板供电；
供能模块也可直接利用火电、水电等，更进一步，还可以是耦合风电、光伏、核能等可再生能源，实现绿氢生产，以此实现非稳定可再生能源的能源转化，形成的氢能有利于稳定储存。
在本发明中还提供了海水无淡化原位直接电解制氢系统，该制氢系统包括至少一上述所述的海水无淡化原位直接电解制氢装置，该制氢系统还包括：
至少一氧气收集单元和至少一氢气收集单元，各所述氧气收集单元和氢气收集单元分别与阳极电解室和阴极电解室连通；
该系统在应用时，可根据产氢量的需求进行适应性设计。
进一步地，所述氧气收集单元包括：与阳极电解室连通的氧气洗涤器，氧气洗涤器连接有氧气干燥器，氧气干燥器连接有氧气收集瓶，通过氧气收集瓶存储氧气并作下一步利用；
所述氢气收集单元包括：与阴极电解室连通的氢气洗涤器，氢气洗涤器连接有氢气干燥器，氢气干燥器连接有氢气收集瓶，通过氢气收集瓶存储氢气并作下一步利用。
本发明的有益效果为：
1.采用本发明所提供的海水无淡化原位直接电解制氢方法、装置及系统，通过溶液与自驱动电解质之间的界面压力差作用，自驱动电解质自发诱导水溶液相变形成无杂质水分，并通过原位催化电解制氢，消耗系统中自驱动电解质的水分，并诱导电解质循环再生，维持界面压力差，实现系统无额外能耗的自循环激发驱动，实现无需淡化的连续稳定制氢过程，同时系统总能耗与淡水电解制氢相当。
2.采用本发明所提供的海水无淡化原位直接电解制氢方法、装置及系统，其利用碱性物质作为自驱动电解质，在海水(非纯水溶液)中自发诱导海水(非纯水溶液)相变后形成碱性电解液并对电解液进行电解产生氢气和氧气，大幅提升了溶液的电导率，避免了海水(非纯水溶液)制氢中H+和OH-浓度小在阴阳极传输效率低的问题。
3.采用本发明所提供的海水无淡化原位直接电解制氢方法、装置及系统，其在应用时，自驱动电解质诱导相变的均为无杂质水分，因此突破了海水(非纯水溶液)直接制氢受到成分随时间、气候、人类活动等因素制约的瓶颈，突破了传统海水(非纯水溶液)淡化电解制氢的瓶颈，无需大规模修建淡化厂，极大的缩小了建设、运营、人力、维护等方面成本，同时还可以用于污泥、沼泽、河流等任何非纯水溶液环境中或直接在大气中的电解制氢，极大的拓宽了氢能的来源范围，同时不受时空限制。
4.采用本发明所提供的海水无淡化原位直接电解制氢方法、装置及系统，其在应用时自发捕获的均为无杂质水分，突破了海水(非纯水溶液)直接制氢中氯离子被氧化产生Cl2或ClO-等腐蚀和有毒物质的瓶颈，本技术是绿色、无毒、环保的工艺体系，同时，在溶液体系中不含有钙离子、镁离子等杂质离子，长时间运行不会存在钙镁沉淀，减少了后期维护成本。
附图说明
图1是本发明所提供的海水无淡化原位直接电解制氢装置在实施例1中的整体原理图；
图2是本发明所提供的海水无淡化原位直接电解制氢装置在实施例2中的整体原理图；
图3是本发明所提供的海水无淡化原位直接电解制氢装置在实施例3中的整体原理图；
图4是本发明所提供的海水无淡化原位直接电解制氢装置在实施例1中的 lsv曲线图；
图5是本发明所提供的海水无淡化原位直接电解制氢装置在实施例1中的稳定运行效果图；
图6是本发明所提供的海水无淡化原位直接电解制氢装置在实施例3中的稳定运行效果图；
附图中标注如下：
1-A供能模块，2-A阳极极板，3-A阳极催化电极，4-A离子传递层，5-A 阴极催化电极，6-A阴极极板，7-A阳极电解室，8-A阴极电解室，9-多孔绝缘网槽，10-A溶液传质层，11-A氧气洗涤器，12-A氧气干燥器，13-A氧气收集瓶，14-A氢气洗涤器，15-A氢气干燥器，16-A氢气收集瓶，17-A催化电解模块；
18-B供能模块，19-阳极多孔绝缘网槽，20-B阳极极板，21-B阳极电解室， 22-B阳极催化电极，23-B离子传递层，24-B阴极催化电极，25-B阴极极板， 26-B阴极电解室，27-阴极多孔绝缘网槽，28-B溶液传质层，29-B氧气洗涤器，30-B氧气干燥器，31-B氧气收集瓶，32-B氢气洗涤器，33-B氢气干燥器，34-B氢气收集瓶，35-B催化电解模块， 36-C供能模块，37-阳极溶液传质层，38-C阳极极板，39-C阳极催化电极，40-C 离子传递层，41-C阴极催化电极，42-C阴极极板，43-阴极溶液传质层，44-C 氧气洗涤器，45-C氧气干燥器，46-C氧气收集瓶，47-C氢气洗涤器，48-C氢气干燥器，49-C氢气收集瓶，50-C催化电解模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
在本实施例中具体提供了海水无淡化原位直接电解制氢装置，该制氢装置在应用时，可浸入至海水、污泥、沼泽等各种非纯净水溶液中，通过非纯净水系统与自驱动电解质界面压力差的推动作用，促进自驱动电解质自发诱导海水 (非纯水溶液)相变，并在电解反应下生产氢气。
如图1所示，该制氢装置包括：一自捕获容器和设于该自捕获容器内的A 催化电解模块17，通过该自捕获容器自发获取无杂质水分，再通过该A催化电解模块17将自捕获容器分隔成A阳极电解室7和A阴极电解室8，A阳极电解室7和A阴极电解室8内均置有自驱动电解质分别制备氧气和氢气，其中，可用的自驱动电解质包括但不限于：K2CO3、NaOH、KOH、Ca(OH)2、Na2CO3等固体或其溶液，也可将自驱动电解质替换成其他吸湿介质，如丙三醇、聚乙二醇、丙烯酸钠、硫酸等。
①自捕获容器
该自捕获容器包括：一多孔绝缘网槽9和包覆于多孔绝缘网槽9外部的A 溶液传质层10，所述多孔绝缘网槽9内设有一容腔，该容腔内置有所述A催化电解模块17，通过该A溶液传质层10对海水(非纯水溶液)中的杂质阻挡。在实际应用时，A溶液传质层10采用孔径为0.1～100um的TPU膜、PDMS膜、 PTFE膜中的任意一种；当然除了上述方式，A溶液传质层10还可由石墨烯、 PVDF颗粒、PTFE颗粒通过喷涂、丝网印刷、静电吸附制备而成的多孔溶液传质层。
A溶液传质层10包覆于整个多孔绝缘网槽9的外部，当整个体系进入海水(非纯水溶液)中，A溶液传质层10隔离海水(非纯水溶液)，并驱动水溶液传质，促使自驱动电解质诱导海水(非纯水溶液)相变形成无杂质液态水。
②催化电解模块
该A催化电解模块17包括：A离子传递层4、对称布置于A离子传递层 4两侧的A阳极催化电极3和A阴极催化电极5，所述A离子传递层4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。
A阳极催化电极3和A阴极催化电极5的表面上分别附有A阳极极板2 和A阴极极板6，且A阳极极板2和A阴极极板6分别位于A阳极电解室7 和A阴极电解室8内；其中，所述A离子传递层4、A阳极催化电极3、A阴极催化电极5、A阳极极板2和A阴极极板6均嵌入至自捕获容器的内腔底部中，进而将多孔绝缘网槽9隔离出A阳极电解室7和A阴极电解室8，用于存放自驱动电解质。
海水(非纯水溶液)进入A阳极电解室7和A阴极电解室8并通过A阳极电解室7和A阴极电解室8内存放的自驱动电解质诱导相变，并在A阴极催化电极5表面发生还原析氢反应产生氢气，反应式如下：
2H2O+2e-→H2+2OH-。
产生的OH-通过A离子传递层4(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)传递至A阳极催化电极3，发生氧化反应产生氧气，反应式如下：
上述中，可用的A阳极催化电极3包括但不限于：泡沫镍钼、铱钽、钌铱、 NiFe-LDH、NiFeCu合金、NixFeyOz催化剂负载的钛网；可用的A阴极催化电极5包括但不限于：铂金网、镍镀铂网、FexCoyNiz型催化剂等。
③供能模块
通过A供能模块1分别与A阳极极板2和A阴极极板6连接，并为A阳极极板2和A阴极极板6供电，例如：A供能模块1的能量来源可以为太阳能、风能等可再生能源能源转化为的电能，太阳能、风能等可再生能源产生的电力或火电储存在A供能模块1中，且A供能模块1分别与A阳极极板2和A阴极极板6连接，用于为制氢反应提供电能。通过A供能模块1为A催化电解模块17供电，直接在海水(非纯水溶液)中自发获取无杂质水分，由A催化电解模块17电解催化制氢实现整体的海水(非纯水溶液)无淡化原位直接电解制氢。除此之外，A供能模块1也可直接利用火电、水电等，更进一步，还可以是耦合风电、光伏、核能等可再生能源，实现绿氢生产，以此实现非稳定可再生能源的能源转化，形成的氢能有利于稳定储存。
基于上述所提供的海水无淡化原位直接电解制氢装置，其工作原理如下：
首先，A供能模块1为A催化电解模块17提供电力；
其次，将海水无淡化原位直接电解制氢系统直接浸没水中，在海水(非纯水溶液)和自驱动电解质界面压力差或渗透压正向推动作用下，海水(非纯水溶液)通过A溶液传质层10进入自捕获容器被低蒸汽压自驱动电解质诱导相变并形成电解液，同时A溶液传质层10的疏水作用将溶解在海水(非纯水溶液)中的杂质阻挡在体系外；
最终，由催化制氢模块在催化体系下对自驱动电解质诱导相变的纯净水进行电解制氢，自驱动电解质中的水不断被电解消耗，并诱导自驱动电解质再生，维持界面压力差，实现系统无额外能耗的自循环激发驱动制氢，总能耗与淡水电解制氢相当。
该海水无淡化原位直接电解制氢装置通过A供能模块1提供电能，通过自驱动电解质诱导相变获取的纯净液态水，然后利用催化电解原理制取氢气。一方面，能实现在任何海水(非纯水溶液)环境中无时空差别的自发捕获制氢的动态连续过程；另一方面，可以对非稳定的可再生能源实现能源转化和稳定储存，为未来能源体系构建提供技术手段。
该海水无淡化原位直接电解制氢装置在实际应用时，其组装方式不仅适用于规则形状，也可以替换成异形，以此来适应于不同地区环境。
其实施效果：阴阳极电解室放置自驱动电解质，通过诱导水溶液相变形成电解液。体系在2v电压下电流密度达200mA/cm2，如图4所示，具有高效电流密度。该系统可以在室温环境，2v、200mA/cm2高电流密度下的稳定运行60h 以上，具有高电流密度下的良好稳定性，如图5所示。
实施例2
如图2所示，在本实施例中提供了海水无淡化原位直接电解制氢装置，由太阳能、风能等可再生能源产生的电力或火电储存在B供能模块18中，将B 供能模块18与该原位自捕获制氢装置中的B阳极极板20和B阴极极板25连接，用于为制氢反应提供电能。
如图2所示，B催化电解模块35由B阳极催化电极22、B离子传递层23、 B阴极催化电极24组成，B催化电解模块35两侧分别紧贴B阳极极板20和阳极多孔绝缘网槽19、B阴极极板25和阴极多孔绝缘网槽27，并在B阳极极板20和B阴极极板25分别开设有B阳极电解室21和B阴极电解室26均用于储存自驱动电解质。整个体系浸入海水(非纯水溶液)中，通过B溶液传质层28自发传质，杂质组分被隔离在外，自驱动电解质诱导相变在B阳极电解室21和B阴极电解室26形成液态水，并在B阴极催化电极24表面发生还原析氢反应，反应式如下：
2H2O+2e-→H2+2OH-。
产生的OH-通过B离子传递层23(阴离子交换膜)传递至B阳极催化电极22，发生氧化反应产生氧气，反应式如下：
上述所提供的海水无淡化原位直接电解制氢装置，其工作原理如下：
首先，只在系统中的B阳极电解室21放置自驱动电解质K2CO3固体或 K2CO3浓溶液(实际上，在阳极侧或者阴极侧放自驱动电解质，形成电解液以后，都会渗到另一侧)，B阴极电解室26空置，且通过B供能模块18为B 催化电解模块35提供电力，B供能模块18的具体阐述参照实施例1，此处不再赘述；
其次，将海水无淡化原位直接电解制氢装置直接浸没海水(非纯水溶液) 中，在海水(非纯水溶液)界面与自驱动电解质界面压力差作用下，通过B溶液传质层28进入B阳极电解室21被低蒸汽压K2CO3自驱动电解质诱导相变形成液态水，同时B溶液传质层28的疏水作用将溶解在非纯水中的杂质阻挡在体系外；B阳极电解室21内的K2CO3溶液中的水分浸润至B阴极催化电极 24表面，水在阴极侧被还原成氢气和OH-，OH-通过阴离子交换膜被传递至阳极侧氧化产生氧气。
最终，由催化制氢模块在催化体系下对K2CO3潮解物捕获的纯净水进行电解制氢，K2CO3自驱动电解质中的水不断被电解消耗，诱导电解质再生，维持界面压力差，从而形成连续稳定的电解制氢过程。
该海水无淡化原位直接电解制氢装置通过B供能模块18提供电能，通过自驱动电解质诱导相变形成纯净液态水，然后利用催化电解原理制取氢气。一方面，能实现在任何非纯水环境中无时空差别的自发捕获制氢的动态连续过程；另一方面，可以对非稳定的可再生能源实现能源转化和稳定储存，为未来能源体系构建提供技术手段。
该海水无淡化原位直接电解制氢装置在实际应用时，其组装方式不仅适用于规则形状，也可以替换成异形，以此来适应于不同地区环境。
实施例3
在本实施例中提供了海水无淡化原位直接电解制氢装置，由太阳能、风能等可再生能源产生的电力或火电储存在C供能模块36中，将C供能模块36 与该原位自捕获制氢装置中的C阳极电极38和C阴极电极42连接，用于为制氢反应提供电能。
如图3所示，由C阳极极板38和C阴极极板42共同形成容器的外框，在C阳极极板38和C阴极极板42之间设有C阳极催化电极39、C离子交换层40、C阴极催化电极41，在C阳极极板38和C阴极极板42的外侧面紧贴阳极溶液传质层37和阴极溶液传质层43，以将无杂质水自动捕获至容器内。其中，C阳极催化电极39和C阴极催化电极41分别附着于对应的C阳极极板 38和C阴极极板42的表面上。
C催化电解模块50由C阳极极板38、C阳极催化电极39、C离子交换层 40、C阴极催化电极41和C阴极极板42组成，在C催化电解模块50两侧分别紧贴阳极溶液传质层37和阴极溶液传质层43。在C阳极极板38和C阴极极板42上分别开设由排气槽，以能够分别将电解产生的氧气和氢气排出。
将整个体系浸入海水(非纯水溶液)中，阳极溶液传质层37和阴极溶液传质层43隔离液态水，驱动自发传质，自驱动电解质诱导相变。所述C离子交换层40采用自驱动电解质层，自驱动电解质层具备诱导相变作用、离子导通能力，在C阴极催化电极41的表面发生还原析氢反应，反应式如下：
2H2O+2e-→H2+2OH-。
产出的氢气通过C氢气洗涤器47和C氢气干燥器48，脱出氢气中夹带的，经过管道收集进入C氢气收集瓶49，进行储存和下一步利用。产生的OH-通过C离子交换层40(C离子交换层40是由KOH复合在PVA凝胶上形成的自驱动电解质层)传递至C阳极催化电极39，发生氧化反应产生氧气，反应式如下：
析氧反应产生的氧气通过管道经过C氧气洗涤器44和C氧气干燥器45，收集至C氧气收集瓶46中。
基于上述所提供的海水无淡化原位直接电解制氢装置，其工作原理如下：
首先，C供能模块36为C催化电解模块50提供电力；
其次，将海水无淡化原位直接电解制氢系统直接浸没海水(非纯水溶液) 中，在海水(非纯水溶液)和自驱动电解质界面压力差推动作用下，通过阳极溶液传质层37和阴极无能耗溶液传质层43进入自捕获容器被自驱动电解质层 (碱性聚合物材料，如PAA-KOH复合膜，PVA-KOH复合膜，PVA-K2CO3复合膜)诱导相变自驱动电解质，同时，阳极溶液传质层37和阴极溶液传质层43的疏水作用将溶解在海水(非纯水溶液)中的杂质阻挡在体系外；自驱动电解质内部的水分被氧化还原成氧气和氢气，同时过程中产生的OH-由自驱动电解质传递。
最终，由催化制氢模块在催化体系下对自驱动电解质诱导相变的纯净水进行电解制氢，自驱动电解质中的水不断被电解消耗，诱导自驱动电解质再生，维持界面压力差稳定，从而形成连续稳定的海水(非纯水溶液)无淡化原位直接电解制氢过程。
该海水无淡化原位直接电解制氢装置通过C供能模块36提供电能，通过自驱动电解质诱导水溶液相变，然后利用催化电解原理制取氢气。一方面，能实现在任何非纯水环境中无时空差别的自发捕获制氢的动态连续过程；另一方面，可以对非稳定的可再生能源实现能源转化和稳定储存，为未来能源体系构建提供技术手段。
该海水无淡化原位直接电解制氢装置在实际应用时，其组装方式不仅适用于规则形状，也可以替换成异形，以此来适应于不同地区环境。
其实施效果：自驱动电解质作为离子交换层，既自发诱导水溶液相变，又传导离子。该系统可以在室温下，100mA/cm2电流密度下电压2.65v左右稳定运行50h以上，具有高电流密度下的良好稳定性，如图6所示。
实施例4
在本实施例中还提供了海水无淡化原位直接电解制氢系统，该制氢系统包括上述实施例1中所述的海水无淡化原位直接电解制氢装置，该制氢系统还包括：
一氧气收集单元和一氢气收集单元，各所述氧气收集单元和氢气收集单元分别与A阳极电解室7和A阴极电解室8连通，以分别对制取的氧气和氢气进行干燥、收集处理。
其中，氧气收集单元包括：与A阳极电解室7连通的A氧气洗涤器11，A氧气洗涤器11连接有A氧气干燥器12，A氧气干燥器12连接有A氧气收集瓶13，在A阳极电解室7内经析氧反应产生的氧气通过管道经过A氧气洗涤器11和A氧气干燥器12进行洗涤、干燥，并收集至A氧气收集瓶13进行储存和下一步利用。氢气收集单元包括：与A阴极电解室8连通的A氢气洗涤器14，A氢气洗涤器14连接有A氢气干燥器15，A氢气干燥器15连接有 A氢气收集瓶16，在A阴极电解室8经还原析氢反应产出的氢气通过A氢气洗涤器14和A氢气干燥器15进行洗涤、干燥，脱出氢气中夹带的，经过管道收集进入A氢气收集瓶16，进行储存和下一步利用。
同理，该制氢系统也可为包括上述实施例2中所述的海水无淡化原位直接电解制氢装置，该制氢系统还包括：
一氧气收集单元和一氢气收集单元，各所述氧气收集单元和氢气收集单元分别与B阳极电解室21和B阴极电解室26连通，以分别对制取的氧气和氢气进行干燥、收集处理。
其中，氧气收集单元包括：与B阳极电解室21连通的B氧气洗涤器29， B氧气洗涤器29连接有B氧气干燥器30，B氧气干燥器30连接有B氧气收集瓶31，在B阳极电解室21内经析氧反应产生的氧气通过管道经过B氧气洗涤器29和B氧气干燥器30进行洗涤、干燥，并收集至B氧气收集瓶31进行储存和下一步利用。氢气收集单元包括：与B阴极电解室26连通的B氢气洗涤器32，B氢气洗涤器32连接有B氢气干燥器33，B氢气干燥器33连接有 B氢气收集瓶34，在B阴极电解室26经还原析氢反应产出的氢气通过B氢气洗涤器32和B氢气干燥器33进行洗涤、干燥，脱出氢气中夹带的，经过管道收集进入B氢气收集瓶34，进行储存和下一步利用。
同理，该制氢系统还可为包括上述实施例3中所述的海水无淡化原位直接电解制氢装置，该制氢系统还包括：
一氧气收集单元和一氢气收集单元，各所述氧气收集单元和氢气收集单元分别与C阳极电解室和C阴极电解室连通，以分别对制取的氧气和氢气进行干燥、收集处理。
其中，氧气收集单元包括：与C阳极电解室连通的C氧气洗涤器44，C 氧气洗涤器44连接有C氧气干燥器45，C氧气干燥器45连接有C氧气收集瓶46，在C阳极电解室内经析氧反应产生的氧气通过管道经过C氧气洗涤器 44和C氧气干燥器45进行洗涤、干燥，并收集至C氧气收集瓶46进行储存和下一步利用。氢气收集单元包括：与C阴极电解室连通的C氢气洗涤器47， C氢气洗涤器47连接有C氢气干燥器48，C氢气干燥器48连接有C氢气收集瓶49，在C阴极电解室经还原析氢反应产出的氢气通过C氢气洗涤器47和 C氢气干燥器48进行洗涤、干燥，脱出氢气中夹带的，经过管道收集进入C 氢气收集瓶49，进行储存和下一步利用。
整个系统可根据产氢量的需求设计成便捷携带或大规模制备的集成系统，可以在包括污泥、沼泽、河流、湖泊、工业废水任何非纯水的体系环境中使用，且不受时间、空间的限制进行连续的原位产氢工作。
实施例5
在本实施例中还提供了海水无淡化原位直接电解制氢方法，该制氢方法应用上述实施例1或实施例2或实施例3中所述的海水无淡化原位直接电解制氢装置，该制氢方法包括：
将海水无淡化原位直接电解制氢装置浸入至非纯水中，以实现非纯水中的浸入式电解制氢；或者直接将海水无淡化原位直接电解制氢装置置于大气中，以捕集大气中的水分进行制氢；
启动供能模块为海水无淡化原位直接电解制氢装置中的催化电解模块供电工作，经分解产生的氧气和氢气，分别对作净化、干燥等后期处理后收集，以进一步利用。
通过自捕获制氢装置直接浸没水中或大气，在界面压力差推动作用下，通过溶液传质层进入海水(非纯水溶液)无淡化原位直接电解制氢被自驱动电解质诱导相变形成电解液自驱动电解质，同时溶液传质层的疏水作用将溶解在非纯水中的杂质阻挡在体系外，在催化体系下对自驱动电解质诱导相变的自驱动电解质纯净水进行电解制氢，并使自驱动电解质再生，维持界面压力差，实现系统五额外能耗的自循环激发驱动，总能耗与淡水电解制氢相当。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
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.根据权利要求5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；
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，所述阳极催化电极上紧贴有阳极极板，阴极催化电极上紧贴有阴极极板。
7.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：
一容腔和设于容腔内的自驱动电解质层，通过自驱动电解质层将容腔分隔成阳极电解室和阴极电解室，且阳极电解室和阴极电解室分别设有用于促进海水传质的溶液传质层；
设于容腔内的催化电解模块，在阴极电解室内通过催化电解模块电解自驱动电解质层内的水分制备氢气和OH-，且OH-经自驱动电解质层进入至阳极电解室内并通过电解制备氧气。
8.根据权利要求7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：
紧贴于自驱动电解质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分别紧贴有阳极极板和阴极极板；
其中，所述阳极极板和阴极极板上分别开设有排气槽，且阳极极板和阴极极板的侧面分别贴有所述溶液传质层。
9.根据权利要求3、5或7所述的海水无淡化原位直接电解制氢装置，其特征在于，所述溶液传质层采用孔径为0.1～100um孔径的TPU膜、PDMS膜、PTFE膜中的任意一种；
或者所述溶液传质层为石墨烯、PVDF颗粒、PTFE颗粒通过喷涂、丝网印刷、静电吸附制备而成。
10.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，还包括一供能模块，所述供能模块分别与阳极极板和阴极极板电连接，并分别为阳极极板和阴极极板供电。
11.海水无淡化原位直接电解制氢系统，其特征在于，该制氢系统包括至少一如权利要求2-10任意一项所述的海水无淡化原位直接电解制氢装置，该制氢系统还包括：
至少一氧气收集单元和至少一氢气收集单元，各所述氧气收集单元和氢气收集单元分别与阳极电解室和阴极电解室连通。
12.根据权利要求11所述的海水无淡化原位直接电解制氢系统，其特征在于，所述氧气收集单元包括：与阳极电解室连通的氧气洗涤器，氧气洗涤器连接有氧气干燥器，氧气干燥器连接有氧气收集瓶；
所述氢气收集单元包括：与阴极电解室连通的氢气洗涤器，氢气洗涤器连接有氢气干燥器，氢气干燥器连接有氢气收集瓶。
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