一种无需纯水的电解制氢系统技术方案

本发明专利技术属于电解制氢技术领域，具体为一种无需纯水的电解制氢系统。该系统包括供能模块、电解制氢模块和电解质循环再生模块，其中供能模块与电解制氢模块连接，电解质循环再生模块与电解制氢模块连接。由于本发明专利技术中，在无能耗传质器中向电解质中补充的的均为无杂质水分，因此突破了电解水制氢对纯水高度依赖的瓶颈，直接非纯水溶液制氢不受溶液成分随时间、气候、人类活动等因素的影响，同时该系统方法可以用于海水、河水、湖水、工业废水、生活污水等非纯水环境中的电解制氢，极大的拓宽了氢能的来源范围，同时不受时空限制。本发明专利技术可以实现电解质的内部自循环，无需额外向其中补充电解质和纯净水。电解质和纯净水。电解质和纯净水。

【技术实现步骤摘要】
一种无需纯水的电解制氢系统


[0001]本专利技术属于电解制氢
，具体为一种无需纯水的电解制氢系统。

技术介绍

[0002]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。其一是利用自然界的海水、河水或湖水等直接进行电解制氢，其存在以下问题：
[0003](1)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，不同区域的非纯水直接制氢电解装置不能直接兼容；
[0004](2)溶液中富含Cl
‑
，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；
[0005](3)非纯水溶液直接制氢时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；
[0006](4)非纯水溶液中的杂质离子、微生物、有机质等复杂成分，容易堵塞污染离子交换膜、甚至导致膜失活，从而大幅增加后期维护成本；
[0007](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。
[0008]其二是将非纯水溶液进行淡化/净化处理，制取纯水后用于电解制氢。仍然以海水为例，需通过海水淡化过程，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绿氢生产体系，实现可再生能源的稳定储存。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是针对现有技术瓶颈，提供一种无需纯水的电解制氢系统。该系统可以通过电解质直接从海水、河水、湖水、工业废水、生活污水等各种非纯净水中获取纯净水用于制氢。该专利技术能从根本上解决离子成分复杂使离子交换膜失效、催化剂失活、产生沉淀和有毒气体等问题；节省淡化/净化厂设备投资与淡化/净化成本；同时，有助于未来氢能源转化不受时空限制，为非纯水溶液的直接制氢提供强有力技术支撑。
[0010]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：
[0011]一种无需纯水的电解制氢系统，该系统包括供能模块、电解制氢模块和电解质循环再生模块，其中：
[0012]供能模块，与电解制氢模块连接，用于为制氢反应提供电能；
[0013]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；
[0014]电解质循环再生模块，用于直接利用非纯水溶液向电解质中补充纯净水分，与电
解制氢模块连接。
[0015]进一步的，该系统中的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。
[0016]作为优选，所述的电解槽为碱性(AWE)电解槽、质子交换膜(PEM)电解槽、阴离子交换膜(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。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。
[0017]进一步的，该系统中的电解质循环再生模块为实现“液
‑
气
‑
液”相变迁移过程的模块，利用非纯水溶液直接向相对高浓度电解质溶液中补充纯净水分，包括无能耗传质器。无能耗传质器为一防水透气层将空间分成电解质传质腔和非纯水溶液传质腔的装置，当电解质和非纯水溶液紧贴防水透气层流动时，两者之间的界面饱和水蒸气压差使非纯水溶液发生相变气化，产生的水蒸气通过防水透气层进入到电解质传质腔，并在界面蒸汽压差作用下诱导水蒸气液化发生二次相变，实现“液
‑
气
‑
液”相变迁移的过程；此外防水透气层将非纯水溶液中的杂质阻挡在外，并防止电解质和非纯水溶液的相互渗透污染。
[0018]电解质循环再生模块非纯水溶液传质腔中填装非纯水溶液，非纯水溶液选自海水、河水、湖水、废水或生活污水。电解质传质腔中装填的电解质同电解槽装填的电解质。
[0019]作为优选，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。
[0020]更进一步优选，电解制氢模块包括电解槽和电解质温控器；电解槽和电解质温控器连通。
[0021]更进一步优选，电解质循环再生模块包括无能耗传质器、换热器、过滤器、电解质循环泵、电解质止回阀；电解槽的阴阳极均与换热器连接，换热器与过滤器连接后与无能耗传质器连通；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的电解质温控器连接。
[0022]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。用于将氢气和氧气中夹带的电解质/水分分离，同时将收集到的气体进行洗涤、干燥、储存。
[0023]更进一步优选，在氢气洗涤器与氢气冷却器之间设置了氢气调节阀和止回阀；在氧气洗涤器与氧气冷却器之间设置了氧气调节阀和止回阀。
[0024]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，并冷却系统部分装置。
[0025]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，通过温控器和过滤器后进入无能耗传质器。
[0026]在本申请中，无能耗传质器是整个系统中最为重要的部分，也是区别于传统电解
制氢系统工艺的关键组成部分。无能耗传质器中由防水透气层将空间分成电解质传质腔和非纯水溶液传质腔，当电解质和非纯水溶液紧贴防水透气层流动时，两者之间的界面蒸汽压差使非纯水溶液发生相变气化，产生的水蒸气通过防水透气层进入到电解质侧，并在界面蒸汽压差作用下诱导水蒸气液化发生二次相变，是一个“液
‑
气
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液”相变迁移的过程，是直接利用非纯水溶液向相对高浓度电解质中补充纯净水分的连续过程；此外防水透气层有效的将非纯水溶液中的杂质阻挡在外，并防止电解质和非纯水溶液的相互渗透污染。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，以维持无能耗传质器中电解质与非纯水溶液之间的界面蒸气压差，从而诱导水分持续的补充到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无需纯水的电解制氢系统，其特征在于该系统包括供能模块、电解制氢模块和电解质循环再生模块，其中：供能模块，与电解制氢模块连接；用于为制氢反应提供电能；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；电解质循环再生模块，与电解制氢模块连接；用于直接利用非纯水溶液向电解质中补充纯净水分。2.如权利要求1所述的无需纯水的电解制氢系统，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所述的无需纯水的电解制氢系统，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所述的无需纯水的电解制氢系统，其特征在于：电解质循环再生模块包括无能耗传质器；为实现“液
‑
气
‑
液”相变迁移过程的模块，利用非纯水溶液直接向相对高浓度电解质溶液中补充纯净水分。5.如权利要求4所述的无需纯水的电解制氢系统，其特征在于：无能耗传质器为一防水透气层将空间分成电解质传质腔和非纯水溶液传质腔的装置；当电解质和非纯水溶液紧贴防水透气层流动时，两者之间的界面蒸汽压差使非纯水溶液发生相变气化，产生的水蒸气通过防水透气层进入到电解质传质腔，并在界面蒸汽压差作用下诱导水蒸气液化发生二次相变，实现“液
‑
气
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液”相变迁移的过程；此外防水透气层将非纯水溶液中的杂质阻挡在外，并防止电解质和非纯水溶液的相互渗透污染。6.如权利要求5所述的无需纯水的电解制氢系统，其特征在于：非纯水溶液传质腔中装填的非纯水溶液选自海水、河水、湖水、废水或生活污水。7.如权利要求5所述的无需纯水的电解制氢系统，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。8.如权利要求3所述的无需纯水的电解制氢系统，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。9.如权利要求1
‑
8中任一所述的无需纯水的电解制氢系统，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。10.如权利要求9所述的无需纯水的电解制氢系统，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。
11.如权利要求10所述的无需纯水的电解制氢系统，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无能耗传质器。12...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，赵治宇，吴一凡，谢和平，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：