[发明专利]基于质电耦合直接海水捕集制氢装置、系统及方法

说明书

本发明提供一种基于质电耦合直接海水捕集制氢装置，属于电化学制氢技术领域。包括水凝胶高分子层,阳极层，阴极层，以及位于阳极层和阴极层之间的离子交换层，所述阳极层包括析氧催化层和阳极电极，所述阴极层包括阴极电极和质电耦合剂。本发明还提供基于质电耦合直接海水捕集制氢系统及方法。本发明直接海水捕集制氢系统通过太阳能、风能等自然产能单元发电、水凝胶高分子层捕集海水湿气、质电耦合制氢三个流程实现海水捕集制氢。通过产能单元将自然资源转化为电能，为电解制氢单元提供能源；通过水凝胶高分子层捕集海水湿气，最终在质电耦合制氢单元，利用可再生能源转化的电能，在质电耦合的催化体系下对捕集的海水资源进行水解制氢。

技术领域

本发明属于电化学制氢技术领域，具体为一种基于质电耦合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淡水，而水的获取多来源于海水、卤水、污水等的淡化、净化，其主要原因在于需要去除水资源当中包含的大量杂质离子，否则难以排出氯离子等离子参与的竞争反应。

利用海洋上丰富的可再生能源在有限的空间内获取氢能是未来解决能源问题的重要途径之一，目前尚无成熟的海水制氢技术体系，现有技术集中于电解海水催化剂的研发，以降低反应过电位，排除海水中氯离子副反应的影响。但现有技术仍无法从机理上根本解决海水的固有杂质离子干扰制氢的问题。然而，全球海洋资源丰富占据70％，若能对海水资源进行直接捕集同时排出包含其内的杂质离子，将对制氢行业产生颠覆性影响。

发明内容

本发明利用太阳能、风能等自然供能单元提供电能，通过水凝胶高分子材料捕集高湿度的海水湿气，将收集的水汽直接用于海水制氢，可以从根本上排除海水固有杂质离子干扰，有助于未来在海上漂浮岛或海上舰艇等有限空间的能源转化。

本发明目的通过以下技术方案来实现：

一种基于质电耦合直接海水捕集制氢装置，包括水凝胶高分子层,阳极层，阴极层，以及位于阳极层和阴极层之间的离子交换层，所述阳极层包括析氧催化层和阳极电极，所述阴极层包括阴极电极和质电耦合剂。

水凝胶高分子层贴附在阳极电极上，析氧催化层喷涂于带镂空流道的阳极电极背面构成阳极层，质电耦合剂溶液在阴极电极的液体流道上循环流动构成阴极层，离子交换层紧贴阴极层(阴极电极)和阳极层(阳极电极)，构成本申请基于质电耦合直接海水捕集制氢装置。

进一步，所述阴极电极上设置有液体流道，质电耦合剂溶液在阴极电极的液体流道上循环流动构成阴极层。

进一步，所述阴极电极为石墨板电极或碳毡电极中的一种，所述质电耦合剂为自身可以在阴极电极上与离子结合发生可逆的氧化还原反应的氧化还原物质。更进一步，所述质电耦合剂优选为吡啶类物质，蒽醌类物质，苯醌类物质，硅钨酸，或磷钨酸中的一种。

进一步，所述析氧催化层为铱碳，钌碳，Ni-Fe-LDH，Ni-Fe-Cu合金，氧化铱，氧化钌，铱铂碳中的一种；所述阳极电极为石墨板电极或钛板电极中的一种。

进一步，所述水凝胶高分子层为聚丙烯酰胺水凝胶、聚磺酸基丙烯酰胺水凝胶、聚甲基丙烯酰胺水凝胶、聚苄基丙烯酰胺水凝胶、聚苯基丙烯酰胺水凝胶、聚乙基丙烯酰胺水凝胶、聚叔丁基丙烯酰胺水凝胶中的一种。

进一步，所述离子交换层为具有离子选择透过性能的膜状离子交换树脂。离子交换层包括三个基本组成部分：高分子骨架、固定基团及基团上的可移动离子。更进一步，可优选为全氟磺酸型阳离子交换膜或季铵盐型碱性阴离子交换膜中的一种。

一种基于质电耦合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蓄电池，将自然能源转化为电能并将电能储存于蓄电池中的产能单元，与阴极层连通的产氢室，与产氢室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。