CN118773630B - 一种毛细管自吸式电解海水制氢装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种毛细管自吸式电解海水制氢装置及方法，涉及海水电解制氢技术领域，包括：电解水腔室，阴极电解组件和阳极电解组件设置于电解水腔室内，亲水多孔隔膜夹持设置于阴极催化电极和阳极催化电极之间，电解液存储腔室填充有电解液，亲水多孔隔膜延伸部伸入电解液存储腔室的电解液中；海水取热淡化腔室能够将常温海水输送至阴极极板和阳极极板处换热后形成高温海水，海水取热淡化组件将部分高温海水淡化后输送至电解液存储腔室中，将其余部分高温海水通过海水出水管排出。可直接采用成熟的碱性电解电极，装置集成海水原位淡化与电解水过程，实现了将海水直接引入电解槽进行电解制氢。
Description
技术领域
本发明涉及海水电解制氢技术领域，特别是涉及一种毛细管自吸式电解海水制氢装置及方法。
背景技术
氢能是一种清洁、高效且具有广泛应用前景的能源。氢能具有以下特点：清洁环保：燃烧后的产物主要是水，不会产生二氧化碳等温室气体和污染物，对环境十分友好。能量密度高：单位质量的氢能所含能量较高。来源广泛：可以通过多种途径制取，如水电解、化石燃料重整等。可存储和运输：能以气态、液态等形式进行储存和运输，方便使用。
目前，氢能主要以电解水方式制得，主要的电解水技术以淡水作为原料，而我国淡水资源短缺，随着未来氢能需求的爆发式增长，淡水资源紧缺将成为限制电解水制氢产业的主要限制因素之一。我国海岸线绵长，海洋资源丰富，因此，利用海水制氢将成为未来氢能发展的主要方向。
海水制氢可以分为间接海水制氢和原位海水制氢。其中，间接海水电解制氢技术首先是利用成熟的海水淡化系统(如反渗透系统)在电解前对海水进行脱盐处理，随后将得到的淡水通入电解装置进行电解制氢，然而海水淡化系统需要额外的占地面积、能耗、资金及人员，无疑增加了投资成本和运行费用。原位海水制氢直接将海水引入电解槽进行电解制氢，大幅缩短工艺流程。然而，海水组成元素复杂，盐含量高达3.5wt％且杂质较多，导致海水直接制氢会出现副反应、催化剂失活、电解隔膜堵塞、电极腐蚀等问题，极大程度降低了制氢过程的稳定性，因此，电解海水制氢面临较大的产业化挑战。
有鉴于此，如何提供一种能够解决上述问题的原位海水制氢设备及方法，是本领域人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种毛细管自吸式电解海水制氢装置及方法，可直接采用成熟的碱性电解电极，装置集成海水原位淡化与电解水过程，实现了将海水直接引入电解槽进行电解制氢，以解决现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种毛细管自吸式电解海水制氢装置，阴极电解组件包括一体设置的阴极极板、阴极气体扩散层和阴极催化电极，阳极电解组件包括一体设置的阳极极板、阳极气体扩散层和阳极催化电极，包括：
电解水腔室，所述阴极电解组件和阳极电解组件设置于所述电解水腔室内；
亲水多孔隔膜，所述亲水多孔隔膜夹持设置于所述阴极催化电极和阳极催化电极之间；
电解液存储腔室，所述电解液存储腔室填充有电解液，所述亲水多孔隔膜向外延伸形成延伸部，所述延伸部伸入所述电解液存储腔室的电解液中；
海水取热淡化腔室，所述海水取热淡化腔室设置于所述电解水腔室的两侧并分别对应所述阴极极板和所述阳极极板，所述海水取热淡化腔室内设置有海水取热淡化组件，所述海水取热淡化组件能够将常温海水输送至所述阴极极板和所述阳极极板处换热后形成高温海水，所述海水取热淡化组件将部分高温海水淡化后输送至所述电解液存储腔室中，将其余部分高温海水通过海水出水管排出；
氢气出口管和氧气出口管，所述阴极极板上开设氢气出口流道并与所述氢气出口管连通，所述阳极极板上开设氧气出口流道并与所述氧气出口管连通。
进一步的，所述海水取热淡化组件包括：
外侧隔热端板，所述外侧隔热端板的内侧面限定出低温海水矩阵流道，所述低温海水矩阵流道的进口与海水进水管连通；
内侧隔热端板，所述内侧隔热端板的内外两侧分别限定出海水换热矩阵流道和高温海水矩阵流道，所述海水换热矩阵流道靠近所述阳极极板或阴极极板设置，且所述海水换热矩阵流道的进口与所述低温海水矩阵流道的出口连通；所述高温海水矩阵流道靠近所述低温海水矩阵流道设置，且所述高温海水矩阵流道的进口与所述海水换热矩阵流道的出口连通；
致密无孔膜，所述致密无孔膜覆盖设置于所述外侧隔热端板的内侧面；
疏水多孔膜，所述疏水多孔膜覆盖设置于所述内侧隔热端板的外侧面；
淡水产水隔层垫片，所述淡水产水隔层垫片夹持设置于所述致密无孔膜和所述疏水多孔膜之间，所述淡水产生隔层垫片贯穿内外表面开设有空腔，并具有与所述空腔连通的出水口，所述出水口与所述电解液存储腔室连通；
所述高温海水矩阵流道的出口与海水出水管连通，部分高温海水膜蒸馏淡化后穿过所述疏水多孔膜并通过淡水产水隔层垫片的出水口输送至所述电解液存储腔室中，其余部分高温海水通过海水出水管排出。
进一步的，所述疏水多孔膜为聚四氟乙烯微孔膜、聚偏氟乙烯微孔膜、聚丙烯微孔膜或聚乙烯微孔膜；所述致密无孔膜为聚四氟乙烯无孔膜、聚偏氟乙烯无孔膜、聚丙烯无孔膜或聚乙烯无孔膜。
进一步的，所述致密无孔膜、疏水多孔膜和淡水产水隔层垫片贯穿开设有连接流道，所述连接流道的两端分别与所述低温海水矩阵流道的出口及海水换热矩阵流道的进口连通。
进一步的，所述亲水多孔隔膜为聚醚砜微孔膜或聚丙烯腈微孔膜，孔径为0.2um-10um。
进一步的，所述电解液为10％-30％的KOH溶液。
本发明还提供一种毛细管自吸式电解海水制氢方法，应用所述毛细管自吸式电解海水制氢装置，包括以下步骤：
S1：常温海水从海水进水管流入外侧隔热端板内侧面的低温海水矩阵流道中，沿低温海水矩阵流道进入内侧隔热端板内侧面的海水换热矩阵流道；
S2：常温海水与阳极极板或阴极极板换热形成高温海水，高温海水从海水换热矩阵流道的出口进入高温海水矩阵流道；
S3：高温海水与常温海水之间形成温差且高温海水矩阵流道靠近低温海水矩阵流道，在温差驱动下部分高温海水产生膜蒸馏淡化，淡化后的水分子以气态形式透过疏水多孔膜并在淡水产水隔层垫片的空腔内冷凝形成淡水，其余部分高温海水通过海水出水管排出；
S5：淡水通过淡水产水隔层垫片的出水口流入电解液存储腔室中，补偿电解液损耗的水；
S6：电解液通过亲水多孔隔膜的延伸部吸入电解腔室，电解液在阴极催化电极和阳极催化电极处电解生成氢气和氧气，氢气和氧气分别通过氢气出口管和氧气出口管排出。
本发明公开了以下技术效果：
1.装置集成海水原位淡化与电解水设备，实现了将海水直接引入电解水腔室进行电解制氢的技术效果；亲水多孔隔膜与阴阳催化电极解直接接触，亲水多孔隔膜的延伸部浸没于电解液存储腔室中，电解所需电解液利用亲水多孔隔膜所具有的毛细管上升现象供给至阴阳催化电极处，而电解液在电解过程损耗的水最终由海水原位淡化提供，整个过程无碱液循环，碱性电解质只存在于电解液存储腔室中；此外，海水淡化结构简单，设备整体高度集成化，占地面积小，具有良好的应用前景和广泛的适用范围。
2.本申请利用常温海水对阴阳电极进行换热降温，可节省常规阴阳电极降温所需的能耗；同时，利用与阴阳电极换热后的高温海水与常温海水之间的温差可实现部分高温海水淡化，淡化产生的水脱盐、无杂质，通过淡水产水隔层垫片收集后排入电解液存储腔室中，补偿电解液在电解过程损耗的水，由于淡化过程依靠高温海水与常温海水之间的温差，而高温海水的形成依赖于阴阳电极自身热量(电解水余热)，因此淡化过程无额外能耗，节能效果极好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明正面结构剖视图；
图2为本发明立体结构示意图；
图3为本发明电解水腔室和海水取热淡化腔室结构爆炸示意图；
图4为电解水腔室结构爆炸示意图；
图5为海水取热淡化腔室结构爆炸示意图；
图6为内侧隔热板内外两侧结构示意图；
其中，1、电解水腔室；11、亲水多孔隔膜；12、阳极催化电极；13、阴极催化电极；14、阳极气体扩散层；15、阴极气体扩散层；16、阳极密封垫片；17、阴极密封垫片；18、阳极极板；181、阳极极板电源接头；182、氧气出口流道；19、阴极极板；191、阴极极板电源接头；192、氢气出口流道；2、海水取热淡化腔室；21、外侧隔热端板；211、低温海水矩阵流道；22、致密无孔膜；23、淡水产水隔层垫片；231、出水口；24、疏水多孔膜；25、内侧隔热端板；251、高温海水矩阵流道；252、海水换热矩阵流道；3、电解液存储腔室；4、氧气出口管；5、氢气出口管；6、海水进水管；7、海水出水管。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
参照图1-图6，本发明实施例提供一种毛细管自吸式电解海水制氢装置，阴极电解组件包括一体设置的阴极极板19、阴极气体扩散层15和阴极催化电极13，阴极气体扩散层15和阴极催化电极13通过阴极密封垫片17密封，阳极电解组件包括一体设置的阳极极板18、阳极气体扩散层14和阳极催化电极12，阳极气体扩散层14和阳极催化电极12通过阳极密封垫片16密封，阴极极板19通过阴极极板电源接头191外接直流电源，阳极极板18通过阳极极板电源接头181外接直流电源，包括：
电解水腔室1，阴极电解组件和阳极电解组件设置于电解水腔室1内；
亲水多孔隔膜11，亲水多孔隔膜11夹持设置于阴极催化电极13和阳极催化电极12之间；
电解液存储腔室3，电解液存储腔室3填充有电解液，亲水多孔隔膜11向外延伸形成延伸部，延伸部伸入电解液存储腔室3的电解液中；
海水取热淡化腔室2，海水取热淡化腔室2设置于电解水腔室1的两侧并分别对应阴极极板19和阳极极板18，海水取热淡化腔室2内设置有海水取热淡化组件，海水取热淡化组件能够将常温海水输送至阴极极板19和阳极极板18处换热后形成高温海水，海水取热淡化组件将部分高温海水淡化后输送至电解液存储腔室3中，将其余部分高温海水通过海水出水管7排出；
氢气出口管5和氧气出口管4，阴极极板19上开设氢气出口流道192并与氢气出口管5连通，阳极极板18上开设氧气出口流道182并与氧气出口管4连通。
如图3和图5所示，海水取热淡化组件包括：
外侧隔热端板21，外侧隔热端板21的内侧面限定出低温海水矩阵流道211，低温海水矩阵流道211的进口与海水进水管6连通，进水海水管上设置有海水泵；
内侧隔热端板25，内侧隔热端板25的内外两侧分别限定出海水换热矩阵流道252和高温海水矩阵流道251，海水换热矩阵流道252靠近阳极极板18或阴极极板19设置，且海水换热矩阵流道252的进口与低温海水矩阵流道211的出口连通；高温海水矩阵流道251靠近低温海水矩阵流道211设置，且高温海水矩阵流道251的进口与海水换热矩阵流道252的出口连通；
致密无孔膜22，致密无孔膜22覆盖设置于外侧隔热端板21的内侧面；
疏水多孔膜24，疏水多孔膜24覆盖设置于内侧隔热端板25的外侧面；
淡水产水隔层垫片23，淡水产水隔层垫片23夹持设置于致密无孔膜22和疏水多孔膜24之间，淡水产生隔层垫片贯穿内外表面开设有空腔，并具有与空腔连通的出水口231，出水口231与电解液存储腔室3连通；
高温海水矩阵流道251的出口与海水出水管7连通，部分高温海水膜蒸馏淡化后穿过疏水多孔膜24并通过淡水产水隔层垫片23的出水口231输送至电解液存储腔室3中，其余部分高温海水通过海水出水管7排出。
如图5所示，致密无孔膜22、疏水多孔膜24和淡水产水隔层垫片23贯穿开设有连接流道，连接流道的两端分别与低温海水矩阵流道211的出口及海水换热矩阵流道252的进口连通。
在本实施例中，电解液为30％的KOH溶液，亲水多孔隔膜11采用孔径8微米厚度为80微米的聚醚砜多孔膜，阴极催化电极13采用雷尼镍喷涂镍网，阳极催化电极12采用镍网，阴极气体扩散层15和阳极气体扩散层14采用镍网，疏水多孔膜24采用孔径0.45微米聚四氟乙烯多孔膜，致密无孔膜22采用厚度90微米的聚四氟乙烯无孔膜。
以下结合实施例1详细说明毛细管自吸式电解海水制氢方法，包括以下步骤：
S1：电解海水取用黄海海域海水，将常温海水(海水温度为20℃)利用海水泵从海水进水管6泵入外侧隔热端板21内侧面的低温海水矩阵流道211中，进水流量为80ml/min，沿低温海水矩阵流道211和连接流道进入内侧隔热端板25内侧面的海水换热矩阵流道252；
S2：常温海水与阳极极板18或阴极极板19换热形成高温海水，高温海水从海水换热矩阵流道252的出口进入高温海水矩阵流道251；
S3：高温海水与常温海水之间形成温差且高温海水矩阵流道251靠近低温海水矩阵流道211，在温差驱动下部分高温海水产生膜蒸馏淡化，淡化后的水分子以气态形式透过疏水多孔膜24并在淡水产水隔层垫片23的空腔内冷凝形成淡水，其余部分高温海水通过海水出水管7排出；
S5：淡水通过淡水产水隔层垫片23的出水口231流入电解液存储腔室3中，补偿电解液损耗的水；
S6：电解液通过亲水多孔隔膜11的延伸部吸入电解腔室，电解液在阴极催化电极13和阳极催化电极12处电解生成氢气和氧气，氢气和氧气分别通过氢气出口管5和氧气出口管4排出。
在电压2V，电流密度0.7A/cm2的条件下，产生氢气纯度为98％，且经过300小时连续运行，性能未见明显衰减，电解水与淡水补偿达到平衡。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于电解液为10％的KOH溶液，亲水多孔隔膜11采用孔径5微米厚度为80微米的聚醚砜多孔膜。
本实施例在电压2V条件下，电流密度为0.55A/cm2，产生氢气纯度为98.5％，且经过300小时连续运行，性能未见明显衰减，电解水与淡水补偿达到平衡。
本实施例与实施例1相比，亲水多孔隔膜11的孔径降低，有利于减少隔膜两侧氢气和氧气的互串，因此产氢纯度有所提升，但为保障毛细管作用下充分吸收补充电解液，采用了浓度仅为10％的KOH溶液，导致与实施例1同样电压下，本实施例电流密度降低。综合考虑能耗和产氢纯度等参数，实施例1为最优条件。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种毛细管自吸式电解海水制氢装置，阴极电解组件包括一体设置的阴极极板(19)、阴极气体扩散层(15)和阴极催化电极(13)，阳极电解组件包括一体设置的阳极极板(18)、阳极气体扩散层(14)和阳极催化电极(12)，其特征在于，包括：
电解水腔室(1)，所述阴极电解组件和阳极电解组件设置于所述电解水腔室(1)内；
亲水多孔隔膜(11)，所述亲水多孔隔膜(11)夹持设置于所述阴极催化电极(13)和阳极催化电极(12)之间；
电解液存储腔室(3)，所述电解液存储腔室(3)填充有电解液，所述亲水多孔隔膜(11)向外延伸形成延伸部，所述延伸部伸入所述电解液存储腔室(3)的电解液中；
海水取热淡化腔室(2)，所述海水取热淡化腔室(2)设置于所述电解水腔室(1)的两侧并分别对应所述阴极极板(19)和所述阳极极板(18)，所述海水取热淡化腔室(2)内设置有海水取热淡化组件，所述海水取热淡化组件能够将常温海水输送至所述阴极极板(19)和所述阳极极板(18)处换热后形成高温海水，所述海水取热淡化组件将部分高温海水淡化后输送至所述电解液存储腔室(3)中，将其余部分高温海水通过海水出水管(7)排出；
氢气出口管(5)和氧气出口管(4)，所述阴极极板(19)上开设氢气出口流道(192)并与所述氢气出口管(5)连通，所述阳极极板(18)上开设氧气出口流道(182)并与所述氧气出口管(4)连通；
所述海水取热淡化组件包括：
外侧隔热端板(21)，所述外侧隔热端板(21)的内侧面限定出低温海水矩阵流道(211)，所述低温海水矩阵流道(211)的进口与海水进水管(6)连通；
内侧隔热端板(25)，所述内侧隔热端板(25)的内外两侧分别限定出海水换热矩阵流道(252)和高温海水矩阵流道(251)，所述海水换热矩阵流道(252)靠近所述阳极极板(18)或阴极极板(19)设置，且所述海水换热矩阵流道(252)的进口与所述低温海水矩阵流道(211)的出口连通；所述高温海水矩阵流道(251)靠近所述低温海水矩阵流道(211)设置，且所述高温海水矩阵流道(251)的进口与所述海水换热矩阵流道(252)的出口连通；
致密无孔膜(22)，所述致密无孔膜(22)覆盖设置于所述外侧隔热端板(21)的内侧面；
疏水多孔膜(24)，所述疏水多孔膜(24)覆盖设置于所述内侧隔热端板(25)的外侧面；
淡水产水隔层垫片(23)，所述淡水产水隔层垫片(23)夹持设置于所述致密无孔膜(22)和所述疏水多孔膜(24)之间，所述淡水产生隔层垫片贯穿内外表面开设有空腔，并具有与所述空腔连通的出水口(231)，所述出水口(231)与所述电解液存储腔室(3)连通；
所述高温海水矩阵流道(251)的出口与海水出水管(7)连通，部分高温海水膜蒸馏淡化后穿过所述疏水多孔膜(24)并通过淡水产水隔层垫片(23)的出水口(231)输送至所述电解液存储腔室(3)中，其余部分高温海水通过海水出水管(7)排出；
所述致密无孔膜(22)、疏水多孔膜(24)和淡水产水隔层垫片(23)贯穿开设有连接流道，所述连接流道的两端分别与所述低温海水矩阵流道(211)的出口及海水换热矩阵流道(252)的进口连通。
2.根据权利要求1所述的一种毛细管自吸式电解海水制氢装置，其特征在于，所述疏水多孔膜(24)为聚四氟乙烯微孔膜、聚偏氟乙烯微孔膜、聚丙烯微孔膜或聚乙烯微孔膜；所述致密无孔膜(22)为聚四氟乙烯无孔膜、聚偏氟乙烯无孔膜、聚丙烯无孔膜或聚乙烯无孔膜。
3.根据权利要求1所述的一种毛细管自吸式电解海水制氢装置，其特征在于，所述亲水多孔隔膜(11)为聚醚砜微孔膜或聚丙烯腈微孔膜，孔径为0.2um-10um。
4.根据权利要求1所述的一种毛细管自吸式电解海水制氢装置，其特征在于，所述电解液为10％-30％的KOH溶液。
5.一种毛细管自吸式电解海水制氢方法，其特征在于，应用权利要求1所述的毛细管自吸式电解海水制氢装置，包括以下步骤：
S1：常温海水从海水进水管(6)流入外侧隔热端板(21)内侧面的低温海水矩阵流道(211)中，沿低温海水矩阵流道(211)进入内侧隔热端板(25)内侧面的海水换热矩阵流道(252)；
S2：常温海水与阳极极板(18)或阴极极板(19)换热形成高温海水，高温海水从海水换热矩阵流道(252)的出口进入高温海水矩阵流道(251)；
S3：高温海水与常温海水之间形成温差且高温海水矩阵流道(251)靠近低温海水矩阵流道(211)，在温差驱动下部分高温海水产生膜蒸馏淡化，淡化后的水分子以气态形式透过疏水多孔膜(24)并在淡水产水隔层垫片(23)的空腔内冷凝形成淡水，其余部分高温海水通过海水出水管(7)排出；
S5：淡水通过淡水产水隔层垫片(23)的出水口(231)流入电解液存储腔室(3)中，补偿电解液损耗的水；
S6：电解液通过亲水多孔隔膜(11)的延伸部吸入电解腔室，电解液在阴极催化电极(13)和阳极催化电极(12)处电解生成氢气和氧气，氢气和氧气分别通过氢气出口管(5)和氧气出口管(4)排出。
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