一种光热海水淡化水电解制氢系统及制氢方法

本发明属于水电解制氢，具体涉及一种光热海水淡化水电解制氢系统及制氢方法。

背景技术：

1、目前全球范围内煤炭、石油、天然气等传统能源的需求快速增长，能源的供需已经严重失衡，研究绿色可再生能源生产供应体系迫在眉睫。氢能是可开发利用的一种清洁能源。

2、利用光伏或风电水电解制氢是制备绿氢的有效途径，然而目前质子交换膜水电解设备对进水水质的要求需达到超纯水质(电导率低于5ηs/cm)。虽然地球表面约71％的面积被水覆盖，但其中仅2.5％储量为淡水资源。因此，研究人员将目光投向了存量巨大的海水资源，希望通过海水淡化的方式来获取淡水资源。如果直接电解海水，将造成电解池的质子交换膜毒化，并影响催化剂的活性和耐久性，从而导致电解效率下降。由于淡水是一种有限的资源，因此开发高效、大规模的海水淡化技术势在必行。当前净化海水的方法主要有反渗透法、蒸馏法、电渗析法等，反渗透法是使用半透膜(如反渗透膜)来分离淡水和其他物质；蒸馏法是通过加热海水使其蒸发，然后蒸汽冷凝成水；电渗析法是外加直流电场，利用离子交换膜对溶液中离子的选择透过性来净化海水。以上方法虽然可以净化海水获取淡水，但经济成本较高。

3、光热海水淡化技术主要利用太阳的光热资源，通过海水蒸发相变获得淡水。由于光热海水淡化技术具有提高水资源利用率、绿色无污染等优点，在沿海地区和海面上，光热海水淡化技术已经成为解决淡水资源匮乏的有效途径之一。

4、综上，鉴于全球范围内淡水资源严重匮乏的现状，若质子交换膜水电解池直接电解海水，将造成质子交换膜毒化，并严重影响催化剂的活性和耐久性，从而导致电解效率的下降。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种光热海水淡化水电解制氢系统及制氢方法，本发明提供的光热海水淡化水电解制氢系统解决了质子交换膜电解池直接电解海水因质子交换膜毒化和催化剂活性和耐久性下降而导致寿命缩短的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种光热海水淡化水电解制氢系统，包括光热海水淡化单元和质子交换膜水电解单元；

4、所述光热海水淡化单元包括透明封闭箱体，设置于所述透明封闭箱体内部的光热水蒸发装置以及设置于所述透明封闭箱体外部的光源；

5、所述光热水蒸发装置包括敞口容器和位于所述敞口容器敞口处的光热部件；所述光热部件包括泡沫材料和包裹在所述泡沫材料外表面的光热材料；

6、所述光热部件的面积≤所述敞口容器的敞口面积；

7、所述透明封闭箱体的上表面设置有箱体进气口和箱体出气口；所述质子交换膜水电解单元包括阳极进气口和阳极出气口；所述箱体出气口和所述阳极进气口连通，所述箱体进气口和所述阳极出气口连通，形成循环系统。

8、优选的，所述箱体出气口和所述阳极进气口之间还设置有蠕动泵。

9、优选的，所述透明封闭箱体的任一侧壁的内表面上还设置有温湿度传感器。

10、优选的，所述泡沫材料包括聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫或酚醛树脂泡沫；

11、所述光热材料包括载体和负载在所述载体上的光热转换材料；

12、所述光热转换材料包括碳基材料、金属纳米粒子和无机半导体材料中的一种或几种；

13、所述光热转换材料的负载质量百分含量为5～20％。

14、优选的，所述质子交换膜水电解单元包括依次层叠设置的阳极金属极板、钛毡、第一密封框、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层、第二密封框、碳纸和阴极金属极板；

15、所述阳极催化剂层和阴极催化剂层分别位于所述质子交换膜的两侧。

16、优选的，所述第一密封框的中心设置有通孔；所述通孔的面积≥所述阳极催化剂层的面积；

17、所述第二密封框的中心设置有通孔；所述通孔的面积≥所述阴极催化剂层的面积。

18、优选的，所述光源包括氙灯、汞灯、led灯、太阳光模拟器或自然太阳光。

19、优选的，所述质子交换膜单元还连接有直流电源，所述直流电源分别和所述阳极金属极板和阴极金属极板连接。

20、本发明还提供了一种光热海水淡化水电解制氢方法，采用上述技术方案所述的光热海水淡化水电解制氢系统，包括以下步骤：

21、将海水置于所述敞口容器中，使海水和所述光热部件接触，在光源的作用下，进行蒸发，得到水蒸气；

22、所述水蒸气依次通过所述箱体出气口和所述阳极进气口进入所述质子交换膜水电解单元中，进行水电解制氢。

23、优选的，所述水电解制氢的条件包括：温度为20～80℃，施加电压为1～3v。

24、本发明提供了一种光热海水淡化水电解制氢系统，包括光热海水淡化单元和质子交换膜水电解单元；所述光热海水淡化单元包括透明封闭箱体，设置于所述透明封闭箱体内部的光热水蒸发装置以及设置于所述透明封闭箱体外部的光源；所述光热水蒸发装置包括敞口容器和位于所述敞口容器敞口处的光热部件；所述光热部件包括泡沫材料和包裹在所述泡沫材料外表面的光热材料；所述光热部件的面积≤所述敞口容器的敞口面积；所述透明封闭箱体的上表面设置有箱体进气口和箱体出气口；所述质子交换膜水电解单元包括阳极进气口和阳极出气口；所述箱体出气口和所述阳极进气口连通，所述箱体进气口和所述阳极出气口连通，形成循环系统。本发明在光热海水淡化的基础上引入电解蒸气制氢技术，质子交换膜(pem)电解池是水电解设备的一个装置，基于两种技术的优化设计与联用实现了光热海水淡化水电解制氢。本发明通过光热海水淡化单元蒸发海水生成淡水，为质子交换膜电解池提供淡水，再将淡水电解获得氢气。相比于其他海水淡化方法可以通过太阳能提供所需能量，以更低的成本生成淡水；蒸汽水质能够满足pem电解池所需的离子浓度、有效提高水分解效率与电解池寿命，解决了质子交换膜电解池电解海水因质子交换膜毒化和催化剂活性和耐久性下降而导致寿命缩短的问题，能够进一步提高产氢效率、降低成本。

技术特征：

1.一种光热海水淡化水电解制氢系统，其特征在于，包括光热海水淡化单元和质子交换膜水电解单元；

2.根据权利要求1所述的光热海水淡化水电解制氢系统，其特征在于，所述箱体出气口和所述阳极进气口之间还设置有蠕动泵。

3.根据权利要求1所述的光热海水淡化水电解制氢系统，其特征在于，所述透明封闭箱体的任一侧壁的内表面上还设置有温湿度传感器。

4.根据权利要求1所述的光热海水淡化水电解制氢系统，其特征在于，所述泡沫材料包括聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫或酚醛树脂泡沫；

5.根据权利要求1所述的光热海水淡化水电解制氢系统，其特征在于，所述质子交换膜水电解单元包括依次层叠设置的阳极金属极板、钛毡、第一密封框、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层、第二密封框、碳纸和阴极金属极板；

6.根据权利要求5所述的光热海水淡化水电解制氢系统，其特征在于，所述第一密封框的中心设置有通孔；所述通孔的面积≥所述阳极催化剂层的面积；

7.根据权利要求1所述的光热海水淡化水电解制氢系统，其特征在于，所述光源包括氙灯、汞灯、led灯、太阳光模拟器或自然太阳光。

8.根据权利要求1所述的光热海水淡化水电解制氢系统，其特征在于，所述质子交换膜单元还连接有直流电源，所述直流电源分别和所述阳极金属极板和阴极金属极板连接。

9.一种光热海水淡化水电解制氢方法，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的光热海水淡化水电解制氢系统，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的光热海水淡化水电解制氢方法，其特征在于，所述水电解制氢的条件包括：温度为20～80℃，施加电压为1～3v。

技术总结本发明属于水电解制氢技术领域，具体涉及一种光热海水淡化水电解制氢系统及制氢方法。本发明在海水淡化的基础上引入电解水蒸气制氢技术，质子交换膜电解池是水电解设备的一个装置，基于两种技术的优化设计与联用实现了光热海水淡化水电解制氢。本发明通过光热海水淡化单元蒸发海水生成淡水，为质子交换膜电解池提供淡水，再将淡水电解获得氢气。相比于其他海水淡化方法可以通过太阳能提供所需能量，以更低的成本生成淡水；蒸汽水质能够满足PEM电解池所需的离子浓度，有效提高水分解效率与电解池寿命，解决了质子交换膜电解池直接电解海水因质子交换膜毒化和催化剂活性和耐久性下降而导致寿命缩短的问题，能够进一步提高产氢效率、降低成本。技术研发人员：刘建国,孙鹏,谭爱东,希吉尔,宋佳毅受保护的技术使用者：华北电力大学技术研发日：技术公布日：2024/6/26