一种无需纯水的电解制氢系统

1.本发明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。

背景技术：

2.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：
3.(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；
4.(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；
5.(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；
6.(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；
7.(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。
8.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。

技术实现要素：

9.本发明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。该发明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。
10.为了实现以上发明目的，本发明的具体技术方案为：
11.一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：
12.供能模块，与电解制氢模块连接，用于为制氢反应提供电能；
13.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；
14.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。
15.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。
16.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。
17.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。
18.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。
19.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。
20.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。
21.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。
22.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。
23.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。
24.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。
25.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。
26.在本技术中，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-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电解质中。模块中的无能耗传质器，可以采用与商用成熟的平板膜蒸馏反应传质器、中空纤维膜蒸馏反应传质器、降膜吸收塔等具有类似结构的器件，或由防水透气层隔离的两相或多相独立传质空间的传质装置；或是自制的具有由防水透气层隔离的两相或多相独立传质空间的任何装置，仅将装填物质更换为非纯水溶液和电解质即可。
27.作为优选，自制的无能耗传质器中的防水透气层优选多孔tpu膜、pdms、ptfe膜中的任意一种，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。
28.作为优选，电解槽和无能耗传质器电解质传质腔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，包括碱性液态电解质、酸性液态电解质和离子液体；碱性液态电解质选自koh溶液、k2co3溶液、khco3溶液、naoh溶液、na2co3溶液、nahco3溶液、k3po4溶液、ch3cook溶液、ca(oh)2等碱性物质的一种，或他们的组合物。酸性液态电解质如：h2so4溶液、h3po4溶液等酸性物质的一种，或它们的组合物。离子液体如：1-乙基-3甲基咪唑乙酸酯等。有机吸湿液体：peg等。其中固态电解质为具有诱导水汽发生相变液化的物质，固态凝胶电解质如：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等，一切具有羟基、磺酸基、羧基、胺基、醚基等亲水基团的吸湿性凝胶中的一种，或它们的组合物。
29.在非纯水溶液循环泵与无能耗传质器之间设置非纯水溶液温控器，可以通过对非纯水溶液的温度控制，来调节非纯水溶液的蒸气压。
30.作为优选，该系统装置中各部件均与控制化系统连接，用于自动化控制系统流程。
31.作为优选，供能模块的能量来源可以是传统煤电，也可以是太阳能、风能等可再生能源转化的电能。
32.一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、电解槽、氢气分离器、氢气洗涤器、氢气调节阀、氢气止回阀、氢气冷却器、氢气储存罐、氧气分离器、氧气洗涤器、氧气调节阀、氧气止回阀、氧气冷却器、氧气储存罐、散热器、冷却水箱、冷却水泵、换热器、过滤器、无能耗传质器、电解质循环泵、电解质止回阀、电解质控温器、非纯水溶液止回阀和非纯水溶液循环泵；其中，无能耗传质器由防水透气层其分隔成电解质传质腔室和非纯水溶液传质腔室；供能模块与电解槽的阴阳极连接，提供电能；在电解槽阴极侧设置氢气分离器，并在氢气分离器后依次设置氢气洗涤器、氢气调节阀、氢气止回阀、氢气冷却器和氢气储存罐；在电解槽阳极侧设置氧气分离器，并在氧气分离器后依次设置氧气洗涤器、氧气调节阀、氧气止回阀、氧气冷却器和氧气储存罐；电解槽、氢气分离器和氧气分离器的
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质温控器连接，电解质温控器与电解槽连接；非纯水溶液装置通过非纯水溶液循环泵和非纯水溶液止回阀进入无能耗传质器；冷却水箱通过冷却水泵分别与氢气分离器、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。
33.利用如前述所述的无需纯水的电解制氢系统进行无需纯水的电解制氢工艺，包括以下步骤：
34.首先，电解质通入电解槽的阴极或阳极或阴阳极同时通入解质，发生氧化还原反应，用于生成氢气和氧气；
35.若电解槽为碱性电解槽或aem电解槽，则电解质先在阴极发生还原析氢反应，产生的oh-通过隔膜或阴离子交换膜进入阳极，并发生氧化反应产生氧气；若电解槽为pem电解槽，则电解质先在阳极发生氧化析氧反应，产生h
+
通过质子交换膜进入阴极，并发生还原反应产生氢气；
36.产生的氢气和氧气分别进入氢气分离器和氧气分离器，此过程将产生的氢气和氧气与夹杂的电解质或水分进行分离；分离后的氢气和氧气，分别进入氢气洗涤器和氧气洗涤器，此过程进一步将气体中未分离干净的电解质和水分进行充分清洗；清洗后的氢气在氢气调节阀和止回阀的控制调节下，进入氢气冷却器以干燥冷却氢气，并随后储存至氢气储存罐中；清洗后的氧气在氧气调节阀和止回阀的控制调节下，进入氧气冷却器以干燥冷却氧气，并随后储存至氢气储存罐中；
37.电解槽中反应后的电解质，以及从氢气分离器、氢气洗涤器、氧气分离器和氧气洗涤器中分离回收的电解质，均经过换热器，并在过滤器中除去可能带有的杂质；除杂后的电解质进入无能耗传质器中的电解质腔室，同时非纯水溶液腔室中持续不断的通入了非纯水溶液，两腔室之间由防水透气层分离，只允许水蒸气通过，不允许液态水相互渗透污染；此时，当电解质与非纯水溶液同时通过无能耗传质器时，在两者界面蒸汽压差作用下，非纯水溶液在防水透气层表面发生气化作用产生水蒸气，水汽通过防水透气层进入电解质侧，并在界面蒸汽压差作用下诱导水汽相变液化为电解质补充水分；补充了水分的电解质再次循环进入电解槽进行电解。
38.电解质与非纯水溶液在两者界面蒸汽压差，以海水0.5m nacl来计算，其室温下蒸汽压是3.131kpa；koh溶液在浓度10wt％、20wt％、30wt％、40wt％和50wt％下蒸汽压分别是2.92kpa、2.47kpa、1.89kpa、1.32kpa和0.86kpa，两者之间的蒸气压差达到0.2kpa、0.66kpa、1.25kpa、1.81kpa和2.27kpa，这些都可以实现在两者界面蒸汽压差作用下，非纯水溶液在防水透气层表面发生气化作用产生水蒸气，水汽通过防水透气层进入电解质侧，并在界面蒸汽压差作用下诱导水汽相变液化为电解质补充水分。实际上，只要是蒸气压差大于0，水分子就会以“液-气-液”的相变迁移形式从非纯水溶液中进入电解质中。
39.以上任一所述的无需纯水的电解制氢系统用于非纯水溶液电解制氢。同时电解能耗与工业电解纯净水制氢能耗相当，无需额外淡化/净化非纯水溶液的能耗。
40.与现有技术相加比，本发明的积极效果体现在：
41.(一)本该系统能实现非纯水溶液的直接电解制氢过程，且电解能耗与工业电解纯净水能耗相当，无需额外的淡化/净化能耗。
42.(二)在电解质循环再生模块中，防水透气层将电解质与非纯水溶液隔离，防止两者相互渗透污染；此外，电解质与非纯水溶液间的界面蒸汽压差诱导非纯水溶液发生气化相变，产生的水蒸气通过防水透气层进入电解质侧，并在界面蒸汽压差作用下诱导水汽相变液化，补充电解质中的水分，以供电解使用；同时电解同步消耗水分，以持续电解质与非纯水溶液之间的界面蒸汽压差，从而继续诱导水分从非纯水溶液中进入电解质中。该过程的实现，使得系统可以持续使用非纯水溶液进行制氢。
43.(三)本发明中所有装置、器件、单元均可使用现有商用成熟物件，极大确保了系统稳定性和可行性，且由于体系成熟，易于快速实现大规模制备。
44.(四)本发明可以直接利用商用电解槽和电解质，大幅提升了电解体系的电导率和电化学性能，避免了非纯水溶液直接制氢中电导率低在阴阳极传输效率低的问题。
45.(五)该系统将氢气和氧气独立收集，同时可以收集得到高纯度的氢气和氧气。
46.(六)本发明突破了传统非纯水溶液电解制氢的技术瓶颈，无需进行非纯水溶液淡化/净化过程，因此无需大规模修建淡化/净化厂，极大的缩小了建设、运营、人力、维护等方面成本。该系统能实现使用任何水溶液无时空差别的制氢动态连续过程；此外，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。
附图说明
47.图1为本发明所述的一种无需纯水的电解制氢系统的结构示意图；
48.图2为本发明所述的实施例1中非纯水溶液电解制氢稳定性的测试图；
49.图3为本发明所述的实施例2中非纯水溶液电解制氢稳定性的测试图；
50.图4为本发明所述的实施例3中非纯水溶液电解制氢稳定性的测试图；
51.图5为本发明所述的实施例4中非纯水溶液电解制氢稳定性的测试图；
52.图6为本发明所述的实施例5中非纯水溶液电解制氢稳定性的测试图；
53.图7为本发明所述的实施例6中非纯水溶液电解制氢稳定性的测试图；
54.图8为本发明所述的实施例1中的自制电解槽示意图；
55.图9为本发明所述的实施例2和4中用作无能耗传质器的平板膜蒸馏反应器示意图；
56.图10为本发明所述的实施例2中用作无能耗传质器的真空纤维膜蒸馏反应器示意图。
57.图1中标记及相应的零部件名称：1—供能模块；2—电解槽；3—氢气分离器；4—氢气洗涤器；5—氢气调节阀；6—止回阀ⅰ；7—氢气冷却器；8—氢气储存罐；9—氧气分离器；10—氧气洗涤器；11—氧气调节阀；12—止回阀ⅱ；13—氧气冷却器；14—氧气储存罐；15—散热器；16—冷却水箱；17—冷却水泵；18—换热器；19—过滤器；20—无能耗传质器；21—电解质循环泵；22—止回阀ⅲ；23—电解质控温器；24—止回阀ⅳ；25—非纯水溶液循环泵；a—电解质腔室；b—非纯水溶液腔室。
具体实施方式
58.为了使本发明的发明目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实
施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
59.实施例1：
60.一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：
61.供能模块，与电解制氢模块连接，用于为制氢反应提供电能；本实施例的供能模块为商用电源；
62.电解制氢模块，与电解质循环再生模块连接。该模块包括自制碱性电解槽(如图7)；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；
63.电解质循环再生模块，与电解制氢模块连接。该模块包括无能耗传质器；电解槽中的电解质通入无能耗传质器。
64.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，电解质循环再生模块是实现“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。
65.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，并在界面蒸气压差作用下诱导水蒸气液化发生二次相变，是一个“液-气-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汽压差，从而诱导水分持续的补充到电解质中。无能耗传质器可采用如商用成熟的平板膜蒸馏反应传质器或中空纤维膜蒸馏反应传质器、降膜吸收塔等具有由防水透气层隔离的两相或多相独立传质空间的传质装置；或是自制的具有由防水透气层隔离的两相或多相独立传质空间的任何装置，仅将里面装填的物质更换为电解质和非纯水溶液即可。生成的电解质再次进入电解槽进行电解制氢反应。
66.具体操作：采用了ptfe多孔防水透气膜作为无能耗传质器中的防水透气层，30wt％氢氧化钾溶液作为电解质溶液，泡沫镍钼作为阳极催化剂，镍镀铂网作为阴极催化剂，聚砜膜作为隔膜，非纯水溶液(江安河水)和电解质溶液均为室温温度，图2在250ma/cm2条件下进行测试。其中海水海水以0.5m nacl来计算，其室温下蒸汽压是3.131kpa，koh溶液在浓度30wt％时蒸汽压为1.89kpa，两者之间蒸气压差为1.25kpa。该装置在江安河水中稳定运行72h，电堆实际电压约2.08v。
67.利用该系统的其他实施例，方法步骤均同实施例1，区别见表1
[0068][0069][0070]
实施例2：
[0071]
如图1所示，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：
[0072]
供能模块，与电解制氢模块连接，用于为制氢反应提供电能；本实施例的供能模块为商用电源；
[0073]
电解制氢模块，包括自制碱性电解槽(如图7，由11个电解单元并联组成，1个电解单元包括由隔膜分隔开的阴极与阳极，阳极为泡沫镍钼，阴极为镍镀铂，隔膜为聚砜多孔膜)；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；
[0074]
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。电解质循环再生模块是实现“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。
[0075]
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。
[0076]
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。
[0077]
进一步的，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，使其处于冷却环境。
[0078]
更进一步的，所述的电解质循环再生模块包括由电解质腔室和非纯水溶液腔室组成的无能耗传质器、电解质循环泵、非纯水溶液循环泵、换热器和过滤器；在无能耗传质器的电解质腔室和非纯水溶液腔室之间设置防水透气层；电解槽与换热器连接后再通过过滤器后进入无能耗传质器中的电解质腔室，非纯水溶液腔室通过止回阀和非纯水溶液循环泵与非纯水溶液连通，电解质腔室通过电解质循环泵、止回阀与电解制氢模块连接。
[0079]
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，通过换热器和过滤器后进入无能耗传质器。
[0080]
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，并在界面蒸气压差作用下诱导水蒸气液化发生二次相变，是一个“液-气-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汽压差，从而诱导水分持续的补充到电解质中。模块中的无能耗传质器，可以是商用成熟的平板膜蒸馏反应传质器、中空纤维膜蒸馏反应传质器、降膜吸收塔等具有由防水透气层隔离的两相或多相独立传质空间的传质装置；或是自制的具有由防水透气层隔离的两相或多相独立传质空间的任何装置。生成的电解质在控温器作用下，调节至合适温度，再次进入电解槽进行电解制氢反应。
[0081]
电解质溶液为30wt％koh溶液，非纯水溶液为深圳湾海水。无能耗传质器的有效传
质面积为1m2。
[0082]
首先，电解质通入电解槽阴极(或阳极或阴阳极同时通入)，发生氧化还原反应，用于生成氢气和氧气。电解槽为碱性电解槽，则电解质先在阴极发生还原析氢反应，产生的oh-通过隔膜进入阳极，并发生氧化反应产生氧气。
[0083]
产生的氢气和氧气分别进入氢气分离器3和氧气分离器，此过程将产生的氢气和氧气与夹杂的电解质或水分进行分离。
[0084]
分离后的氢气和氧气，分别进入氢气洗涤器4和氧气洗涤器，此过程进一步将气体中未分离干净的电解质和水分进行充分清洗。
[0085]
清洗后的氢气在氢气调节阀和止回阀ⅰ的控制调节下，进入氢气冷却器以干燥冷却氢气，并随后储存至氢气储存罐中。清洗后的氧气在氧气调节阀和止回阀ⅱ的控制调节下，进入氧气冷却器以干燥冷却氧气，并随后储存至氢气储存罐中。
[0086]
电解槽中反应后的电解质，以及从氢气分离器、氢气洗涤器、氧气分离器和氧气洗涤器中分离回收的电解质，均经过换热器，并在过滤器中中除去可能带有的杂质。除杂后的电解质进入无能耗传质器中的电解质腔室a，同时非纯水溶液腔室b中持续不断的通入了非纯水溶液，两腔室之间由防水透气层分离，只允许水蒸气通过，不允许液态水相互渗透污染。此时，当电解质与非纯水溶液同时通过无能耗传质器时，在两者界面蒸汽压差作用下，非纯水溶液在防水透气层表面发生气化作用产生水蒸气，水汽通过防水透气层进入电解质侧，并在界面蒸汽压差作用下诱导水汽相变液化为电解质补充水分。
[0087]
补充了水分后的电解质通过电解质循环泵和止回阀ⅲ进入电解质控温器，调节至电解最佳温度后再次循环进入电解槽中，以发生电解制氢反应。
[0088]
具体操作：采用了ptfe多孔防水透气膜作为无能耗传质器中的防水透气层，30wt％氢氧化钾溶液作为电解质溶液，泡沫镍钼作为阳极催化剂，镍镀铂网作为阴极催化剂，聚砜膜作为隔膜，非纯水溶液(深圳湾海水)和电解质溶液均为室温温度，在250ma/cm2条件下进行测试，实验结果如图3。其中海水海水以0.5m nacl来计算，其室温下蒸汽压是3.131kpa，koh溶液在浓度30wt％时蒸汽压为1.89kpa，两者之间蒸气压差为1.25kpa。如图3该装置在深圳湾海水中稳定运行2500h，电堆实际电压约2.1v，电解能耗约5kwh/nm3h2，约产生386l/h的h2。表明该系统能够在不额外耗能的条件下稳定制氢，能耗与电解纯净水相似。
[0089]
利用该系统的其他实施例，方法步骤同实施例2，区别见表2：(海水以0.5m nacl来计算，其室温下蒸汽压是3.131kpa；koh溶液在浓度10wt％、20wt％、30wt％、40wt％和50wt％下蒸汽压分别是2.92kpa、2.47kpa、1.89kpa、1.32kpa和0.86kpa，两者之间的蒸气压差分别达到0.2kpa、0.66kpa、1.25kpa、1.81kpa和2.27kpa)
[0090]
[0091]
[0092]
[0093][0094]
实施例3：
[0095]
如图1所示，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：
[0096]
供能模块，与电解制氢模块连接，用于为制氢反应提供电能；本实施例的供能模块为商用电源；
[0097]
电解制氢模块，为商用成熟的碱性电解槽；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；
[0098]
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。
[0099]
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。
[0100]
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。
[0101]
进一步的，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，使其处于冷却环境。
[0102]
更进一步的，所述的电解质循环再生模块包括由电解质腔室和非纯水溶液腔室组成的无能耗传质器、电解质循环泵、非纯水溶液循环泵、换热器和过滤器；在无能耗传质器的电解质腔室和非纯水溶液腔室之间设置防水透气层；电解槽与换热器连接后再通过过滤器后进入无能耗传质器中的电解质腔室，非纯水溶液腔室通过止回阀和非纯水溶液循环泵与非纯水溶液连通，电解质腔室通过电解质循环泵、止回阀与电解制氢模块连接。
[0103]
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，通过换热器和过滤器后进入无能耗传质器。
[0104]
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-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汽压差，从而诱导水分持续的补充到电解质中。模块中的无能耗传质器，可以是商用成熟的平板膜蒸馏反应传质器、中空纤维膜蒸馏反应传质器、降膜吸收塔等具有由防水透气层隔离的两相或多相独立传质空间的传质装置；或是自制的具有由防水透气层隔离的两相或多相独立传质空间的任何装置。生成的电解质在控温器作用下，调节至合适温度，再次进入电解槽进行电解制氢反应。
[0105]
电解质溶液为30wt％koh溶液，非纯水溶液为深圳湾海水。无能耗传质器的有效传质面积为1m2。
[0106]
首先，电解质通入电解槽阴极(或阴阳极同时通入)，发生氧化还原反应，用于生成氢气和氧气。电解槽为碱性电解槽，则电解质先在阴极发生还原析氢反应，产生的oh-通过隔膜进入阳极，并发生氧化反应产生氧气。
[0107]
产生的氢气和氧气分别进入氢气分离器3和氧气分离器9，此过程将产生的氢气和氧气与夹杂的电解质或水分进行分离。
[0108]
分离后的氢气和氧气，分别进入氢气洗涤器和氧气洗涤器，此过程进一步将气体中未分离干净的电解质和水分进行充分清洗。
[0109]
清洗后的氢气在氢气调节阀和止回阀ⅰ的控制调节下，进入氢气冷却器以干燥冷却氢气，并随后储存至氢气储存罐中。清洗后的氧气在氧气调节阀和止回阀ⅱ的控制调节下，进入氧气冷却器以干燥冷却氧气，并随后储存至氢气储存罐中。
[0110]
电解槽中反应后的电解质，以及从氢气分离器3、氢气洗涤器、氧气分离器9和氧气洗涤器中分离回收的电解质，均经过换热器，并在过滤器中中除去可能带有的杂质。除杂后
的电解质进入无能耗传质器中的电解质腔室a，同时非纯水溶液腔室b中持续不断的通入了非纯水溶液，两腔室之间由防水透气层分离，只允许水蒸气通过，不允许液态水相互渗透污染。此时，当电解质与非纯水溶液同时通过无能耗传质器时，在两者界面蒸汽压差作用下，非纯水溶液在防水透气层表面发生气化作用产生水蒸气，水汽通过防水透气层进入电解质侧，并在界面蒸汽压差作用下诱导水汽相变液化为电解质补充水分。
[0111]
补充了水分后的电解质通过电解质循环泵和止回阀ⅲ进入电解质控温器，调节至电解最佳温度后再次循环进入电解槽中，以发生电解制氢反应。
[0112]
具体操作：采用了ptfe多孔防水透气膜作为无能耗传质器中的防水透气层，30wt％氢氧化钾溶液作为电解质溶液，商用碱性电解槽作为电解制氢反应器，非纯水溶液和电解质溶液均为室温温度，在250ma/cm2条件下进行测试，实验结果如图4。其中海水海水以0.5m nacl来计算，其室温下蒸汽压是3.131kpa，koh溶液在浓度30wt％时蒸汽压为1.89kpa，两者之间蒸气压差为1.25kpa。如图4该装置在深圳湾海水中稳定运行2000h，电堆实际电压约2v。表明该系统能够在不额外耗能的条件下稳定制氢，能耗与电解纯净水相似。
[0113]
利用该系统的其他实施例，方法步骤同实施例3，区别见表3：(海水以0.5m nacl来计算，其室温下蒸汽压是3.131kpa；koh溶液在浓度10wt％、20wt％、30wt％、40wt％和50wt％下蒸汽压分别是2.92kpa、2.47kpa、1.89kpa、1.32kpa和0.86kpa，两者之间的蒸气压差达到0.2kpa、0.66kpa、1.25kpa、1.81kpa和2.27kpa)
[0114]
[0115]
[0116][0117]
利用该系统的其他实施例，方法步骤同实施例3，区别见表4：(海水以0.5m nacl来计算，其室温下蒸汽压是3.131kpa；koh溶液在浓度10wt％、20wt％、30wt％、40wt％和50wt％下蒸汽压分别是2.92kpa、2.47kpa、1.89kpa、1.32kpa和0.86kpa，两者之间的蒸气压差达到0.2kpa、0.66kpa、1.25kpa、1.81kpa和2.27kpa)
[0118]
[0119][0120]
实施例4:
[0121]
如图1所示，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：
[0122]
供能模块，与电解制氢模块连接，用于为制氢反应提供电能；本实施例的供能模块为商用电源；
[0123]
电解制氢模块，为商用成熟的pem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；
[0124]
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。
[0125]
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。
[0126]
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。
[0127]
进一步的，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，使其处于冷却环境。
[0128]
更进一步的，所述的电解质循环再生模块包括由电解质腔室和非纯水溶液腔室组成的无能耗传质器、电解质循环泵、非纯水溶液循环泵、换热器和过滤器；在无能耗传质器的电解质腔室和非纯水溶液腔室之间设置防水透气层；电解槽与换热器连接后再通过过滤器后进入无能耗传质器中的电解质腔室，非纯水溶液腔室通过止回阀和非纯水溶液循环泵与非纯水溶液连通，电解质腔室通过电解质循环泵、止回阀与电解制氢模块连接。
[0129]
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，通过换热器和过滤器后进入无能耗传质器。
[0130]
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-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汽压差，从而诱导水分持续的补充到电解质中。模块中的无能耗传质器，可以是商用成熟的平板膜蒸馏反应传质器、中空纤维膜蒸馏反应传质器、降膜吸收塔等具有由防水透气层隔离的两相或多相独立传质空间的传质装置；或是自制的具有由防水透气层隔离的两相或多相独立传质空间的任何装置。生成的电解质在控温器作用下，调节至合适温度，再次进入电解槽进行电解制氢反应。
[0131]
电解质溶液为15wt％h2so4溶液，非纯水溶液为深圳湾海水。无能耗传质器的有效
传质面积为1m2。
[0132]
首先，电解质通入电解槽阳极(或阴极或阴阳极同时通入)，发生氧化还原反应，用于生成氢气和氧气。电解槽为商用pem电解槽，则电解质先在阳极发生氧化析氧反应，产生的h
+
通过阳离子交换膜进入阴极，并发生还原反应产生氢气。
[0133]
产生的氢气和氧气分别进入氢气分离器和氧气分离器，此过程将产生的氢气和氧气与夹杂的电解质或水分进行分离。
[0134]
分离后的氢气和氧气，分别进入氢气洗涤器4和氧气洗涤器，此过程进一步将气体中未分离干净的电解质和水分进行充分清洗。
[0135]
清洗后的氢气在氢气调节阀和止回阀ⅰ的控制调节下，进入氢气冷却器以干燥冷却氢气，并随后储存至氢气储存罐中。清洗后的氧气在氧气调节阀和止回阀ⅱ的控制调节下，进入氧气冷却器以干燥冷却氧气，并随后储存至氢气储存罐中。
[0136]
电解槽中反应后的电解质，以及从氢气分离器、氢气洗涤器、氧气分离器和氧气洗涤器中分离回收的电解质，均经过换热器，并在过滤器中1中除去可能带有的杂质。除杂后的电解质进入无能耗传质器中的电解质腔室a，同时非纯水溶液腔室b中持续不断的通入了非纯水溶液，两腔室之间由防水透气层分离，只允许水蒸气通过，不允许液态水相互渗透污染。此时，当电解质与非纯水溶液同时通过无能耗传质器时，在两者界面蒸汽压差作用下，非纯水溶液在防水透气层表面发生气化作用产生水蒸气，水汽通过防水透气层进入电解质侧，并在界面蒸汽压差作用下诱导水汽相变液化为电解质补充水分。
[0137]
补充了水分后的电解质通过电解质循环泵和止回阀ⅲ进入电解质控温器，调节至电解最佳温度后再次循环进入电解槽中，以发生电解制氢反应。
[0138]
具体操作：采用了ptfe多孔防水透气膜作为无能耗传质器中的防水透气层，15wt％硫酸溶液作为电解质溶液，商用pem电解槽作为电解制氢反应器，非纯水溶液和电解质溶液均为室温温度，在250ma/cm2条件下进行测试，实验结果如图5。如图5该装置在深圳湾海水中稳定运行500h，电解槽实际电压约1.9v。表明该系统能够在不额外耗能的条件下稳定制氢，能耗与电解纯净水相似。
[0139]
利用该系统的其他实施例，方法步骤同实施例4，区别见表5：
[0140][0141][0142]
实施例5：
[0143]
如图1所示，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：
[0144]
供能模块，与电解制氢模块连接，用于为制氢反应提供电能；本实施例的供能模块为商用电源；
[0145]
电解制氢模块，为商用成熟的碱性电解槽；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；
[0146]
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。
[0147]
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。
[0148]
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。
[0149]
进一步的，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，使其处于冷却环境。
[0150]
更进一步的，所述的电解质循环再生模块包括由电解质腔室和非纯水溶液腔室组成的无能耗传质器、电解质循环泵、非纯水溶液循环泵、换热器和过滤器；在无能耗传质器的电解质腔室和非纯水溶液腔室之间设置防水透气层；电解槽与换热器连接后再通过过滤器后进入无能耗传质器中的电解质腔室，非纯水溶液腔室通过止回阀和非纯水溶液循环泵与非纯水溶液连通，电解质腔室通过电解质循环泵、止回阀与电解制氢模块连接。
[0151]
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，通过换热器和过滤器后进入无能耗传质器。
[0152]
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，两者之间的水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-液”相变迁移的过程，是一个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汽压差，从而诱导水分持续的补充到电解质中。模块中的无能耗传质器，可以是商用成熟的平板膜蒸馏反应传质器、中空纤维膜蒸馏反应传质器、降膜吸收塔等具有由防水透气层隔离的两相或多相独立传质空间的传质装置；或是自制的具有由防水透气层隔离的两相或多相独立传质空间的任何装置。生成的电解质在控温器作用下，调节至合适温度，再次进入电解槽进行电解制氢反应。
[0153]
电解质溶液为30wt％koh溶液，非纯水溶液为深圳湾海水。无能耗传质器为商用平板膜蒸馏反应器(图9，结构一致，但是装填物质为非纯水溶液和电解质)。
[0154]
首先，电解质通入电解槽阴极(或阴阳极同时通入)，发生氧化还原反应，用于生成氢气和氧气。电解槽为碱性电解槽，则电解质先在阴极发生还原析氢反应，产生的oh-通过隔膜进入阳极，并发生氧化反应产生氧气。
[0155]
产生的氢气和氧气分别进入氢气分离器和氧气分离器，此过程将产生的氢气和氧气与夹杂的电解质或水分进行分离。
[0156]
分离后的氢气和氧气，分别进入氢气洗涤器和氧气洗涤器，此过程进一步将气体中未分离干净的电解质和水分进行充分清洗。
[0157]
清洗后的氢气在氢气调节阀和止回阀ⅰ的控制调节下，进入氢气冷却器以干燥冷却氢气，并随后储存至氢气储存罐中。清洗后的氧气在氧气调节阀和止回阀ⅱ的控制调节下，进入氧气冷却器以干燥冷却氧气，并随后储存至氢气储存罐中。
[0158]
电解槽中反应后的电解质，以及从氢气分离器、氢气洗涤器、氧气分离器和氧气洗涤器中分离回收的电解质，均经过换热器，并在过滤器中中除去可能带有的杂质。除杂后的电解质进入无能耗传质器中的电解质腔室a，同时非纯水溶液腔室b中持续不断的通入了非纯水溶液，两腔室之间由防水透气层分离，只允许水蒸气通过，不允许液态水相互渗透污染。此时，当电解质与非纯水溶液同时通过无能耗传质器时，在两者界面蒸汽压差作用下，非纯水溶液在防水透气层表面发生气化作用产生水蒸气，水汽通过防水透气层进入电解质侧，并在界面蒸汽压差作用下诱导水汽相变液化为电解质补充水分。
[0159]
补充了水分后的电解质通过电解质循环泵和止回阀ⅲ进入电解质控温器，调节至电解最佳温度后再次循环进入电解槽中，以发生电解制氢反应。
[0160]
具体操作：30wt％氢氧化钾溶液作为电解质溶液，商用碱性电解槽作为电解制氢反应器，商用平板膜蒸馏反应器作为无能耗传质器。非纯水溶液和电解质溶液均为室温温度，在250ma/cm2条件下进行测试，实验结果如图6。其中海水以0.5m nacl来计算，其室温下蒸汽压是3.131kpa，koh溶液在浓度30wt％时蒸汽压为1.89kpa，两者之间蒸气压差为1.25kpa。如图6该装置在深圳湾海水中稳定运行500h，电堆实际电压约2v。表明该系统能够在不额外耗能的条件下稳定制氢，能耗与电解纯净水相似。
[0161]
利用该系统的其他实施例，方法步骤同实施例5，区别见表6：(海水以0.5m nacl来计算，其室温下蒸汽压是3.131kpa；koh溶液在浓度10wt％、20wt％、30wt％、40wt％和50wt％下蒸汽压分别是2.92kpa、2.47kpa、1.89kpa、1.32kpa和0.86kpa，两者之间的蒸气压差达到0.2kpa、0.66kpa、1.25kpa、1.81kpa和2.27kpa)
[0162]
[0163]
[0164]
[0165][0166]
实施例6：
[0167]
如图1所示，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：
[0168]
供能模块，与电解制氢模块连接，用于为制氢反应提供电能；本实施例的供能模块为商用电源；
[0169]
电解制氢模块，为碱性电解槽；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；
[0170]
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。
[0171]
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。
[0172]
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。
[0173]
进一步的，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，使其处于冷却环境。
[0174]
更进一步的，所述的电解质循环再生模块包括由电解质腔室和非纯水溶液腔室组成的无能耗传质器、电解质循环泵、非纯水溶液循环泵、换热器和过滤器；在无能耗传质器的电解质腔室和非纯水溶液腔室之间设置防水透气层；电解槽与换热器连接后再通过过滤
器后进入无能耗传质器中的电解质腔室，非纯水溶液腔室通过止回阀和非纯水溶液循环泵与非纯水溶液连通，电解质腔室通过电解质循环泵、止回阀与电解制氢模块连接。
[0175]
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，通过换热器和过滤器后进入无能耗传质器。
[0176]
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，两者之间的水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-液”相变迁移的过程，是一个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汽压差，从而诱导水分持续的补充到电解质中。模块中的无能耗传质器，可以是商用成熟的平板膜蒸馏反应传质器、中空纤维膜蒸馏反应传质器、降膜吸收塔等具有由防水透气层隔离的两相或多相独立传质空间的传质装置；或是自制的具有由防水透气层隔离的两相或多相独立传质空间的任何装置。生成的电解质在控温器作用下，调节至合适温度，再次进入电解槽进行电解制氢反应。
[0177]
电解质溶液为50wt％koh溶液，非纯水溶液为深圳湾海水。无能耗传质器为商用平板膜蒸馏反应器(图9，结构一致，但是装填物质为非纯水溶液和电解质)。
[0178]
首先，电解质通入电解槽阴极(或阴阳极同时通入)，发生氧化还原反应，用于生成氢气和氧气。电解槽为碱性电解槽，则电解质先在阴极发生还原析氢反应，产生的oh-通过隔膜进入阳极，并发生氧化反应产生氧气。
[0179]
产生的氢气和氧气分别进入氢气分离器和氧气分离器，此过程将产生的氢气和氧气与夹杂的电解质或水分进行分离。
[0180]
分离后的氢气和氧气，分别进入氢气洗涤器和氧气洗涤器，此过程进一步将气体中未分离干净的电解质和水分进行充分清洗。
[0181]
清洗后的氢气在氢气调节阀和止回阀ⅰ的控制调节下，进入氢气冷却器以干燥冷却氢气，并随后储存至氢气储存罐中。清洗后的氧气在氧气调节阀和止回阀ⅱ的控制调节下，进入氧气冷却器以干燥冷却氧气，并随后储存至氢气储存罐中。
[0182]
电解槽中反应后的电解质，以及从氢气分离器、氢气洗涤器、氧气分离器和氧气洗涤器中分离回收的电解质，均经过换热器，并在过滤器中中除去可能带有的杂质。除杂后的电解质进入无能耗传质器中的电解质腔室a，同时非纯水溶液腔室b中持续不断的通入了经过温控器调温的非纯水溶液，两腔室之间由防水透气层分离，只允许水蒸气通过，不允许液态水相互渗透污染。此时，当电解质与非纯水溶液同时通过无能耗传质器时，在两者界面蒸汽压差作用下，非纯水溶液在防水透气层表面发生气化作用产生水蒸气，水汽通过防水透气层进入电解质侧，并在界面蒸汽压差作用下诱导水汽相变液化为电解质补充水分。
[0183]
补充了水分后的电解质通过电解质循环泵和止回阀ⅲ进入电解质控温器，调节至电解最佳温度后再次循环进入电解槽中，以发生电解制氢反应。
[0184]
具体操作：50wt％氢氧化钾溶液作为电解质溶液，碱性电解槽作为电解制氢反应器，商用平板膜蒸馏反应器(结构一致，但是装填物质为非纯水溶液和电解质)作为无能耗
传质器。电解质温度为70℃，非纯水溶液(深圳湾海水)温度为45℃。其中海水以0.5m nacl来计算，其室温下蒸汽压是10.47kpa，koh溶液在浓度50wt％时蒸汽压为10.07kpa，两者之间蒸气压差约为0.4kpa。在250ma/cm2条件下进行测试，实验结果如图7。如图7该装置在深圳湾海水中稳定运行100h，电堆实际电压约1.8v。表明该系统可以在不同溶液温度下实现高效制氢。
[0185]
利用该系统的其他实施例，方法步骤同实施例6，区别见表7：
[0186][0187][0188]
本发明构建了无需纯水的电解制氢系统，可以通过电解质直接从海水、河水、湖水、淤泥、沼泽等各种非纯净水中获取纯净水用于制氢。该发明从根本上解决了离子成分复杂使离子交换膜失效、催化剂失活、产生碱性沉淀和有毒气体等问题；避免了大尺寸净化系统的占地空间大的问题；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。
[0189]
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
[0190]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

技术特征：

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-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.如权利要求10或11所述的无需纯水的电解制氢系统，其特征在于：在非纯水溶液循环泵与无能耗传质器之间设置非纯水溶液温控器，通过对非纯水溶液的温度控制，来调节非纯水溶液的蒸气压。13.如权利要求12所述的无需纯水的电解制氢系统，其特征在于：该系统中各模块均与控制化系统连接，用于自动化控制流程。14.一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、电解槽、氢气分离器、氢气洗涤器、氢气调节阀、氢气止回阀、氢气冷却器、氢气储存罐、氧气分离器、氧气洗涤器、氧气调节阀、氧气止回阀、氧气冷却器、氧气储存罐、散热器、冷却水箱、冷却水泵、换热器、过滤器、无能耗传质器、电解质循环泵、电解质止回阀、电解质控温器、非纯水溶液止回阀和非纯水溶液循环泵；其中，无能耗传质器由防水透气层其分隔成电解质传质腔室和非纯水溶液传质腔室；供能模块与电解槽的阴阳极连接，提供电能；在电解槽阴极侧设置氢气分离器，并在氢气分离器后依次设置氢气洗涤器、氢气调节阀、氢气止回阀、氢气冷却器和氢气储存罐；在电解槽阳极侧设置氧气分离器，并在氧气分离器后依次设置氧气洗涤器、氧气调节阀、氧气止回阀、氧气冷却器和氧气储存罐；电解槽、氢气分离器和氧气分离器均与换热器连接，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质温控器连接，电解质温控器与电解槽连接；非纯水溶液通过非纯水溶液循环泵和止回阀进入无能耗传质器；冷却水箱通过冷却水泵分别与氢气分离器、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。15.利用如权利要求14所述的无需纯水的电解制氢系统进行无需纯水的电解制氢工艺，其特征在于包括以下步骤：首先，电解质通入电解槽的阴极、或阳极、或阴阳极同时通入解质，发生氧化还原反应，用于生成氢气和氧气；若电解槽为碱性电解槽或aem电解槽，则电解质先在阴极发生还原析氢反应，产生的oh-通过隔膜或阴离子交换膜进入阳极，并发生氧化反应产生氧气；若电解槽为pem电解槽，则电解质先在阳极发生氧化析氧反应，产生h
+
通过质子交换膜进入阴极，并发生还原反应产生氢气；产生的氢气和氧气分别进入氢气分离器和氧气分离器，此过程将产生的氢气和氧气与夹杂的电解质或水分进行分离；分离后的氢气和氧气，分别进入氢气洗涤器和氧气洗涤器，此过程进一步将气体中未分离干净的电解质和水分进行充分清洗；清洗后的氢气在氢气调节阀和止回阀的控制调节下，进入氢气冷却器以干燥冷却氢气，并随后储存至氢气储存罐中；清洗后的氧气在氧气调节阀和止回阀的控制调节下，进入氧气冷却器以干燥冷却氧气，并随后储存至氢气储存罐中；电解槽中反应后的电解质，以及从氢气分离器、氢气洗涤器、氧气分离器和氧气洗涤器中分离回收的电解质，均经过换热器，并在过滤器中除去可能带有的杂质；除杂后的电解质进入无能耗传质器中的电解质腔室，同时非纯水溶液腔室中持续不断的通入了非纯水溶液，两腔室之间由防水透气层分离，只允许水蒸气通过，不允许液态水相互渗透污染；此时，
当电解质与非纯水溶液同时通过无能耗传质器时，在两者界面蒸汽压差作用下，非纯水溶液在防水透气层表面发生气化作用产生水蒸气，水汽通过防水透气层进入电解质侧，并在界面蒸汽压差作用下诱导水汽相变液化为电解质补充水分；补充了水分的电解质再次循环进入电解槽进行电解。

技术总结

本发明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。