本發(fā)明屬于電催化分解大氣水，具體涉及一種大氣集水耦合電解水制氫系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著人類(lèi)對(duì)于水資源需求的日益增加，傳統(tǒng)的水資源開(kāi)發(fā)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，充分利用大氣中的水資源成為研究熱點(diǎn)。大氣中含有13000萬(wàn)億升水，基于吸附的大氣集水技術(shù)不受地域限制，是解決水資源短缺的關(guān)鍵技術(shù)，但將大氣集水技術(shù)與能源轉(zhuǎn)化相耦合的途徑仍有待探索。

2、氫能是眾多可再生能源技術(shù)最具發(fā)展前景的清潔能源，其具有高能量密度、清潔無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)。電解水制氫是一種理想的能源轉(zhuǎn)化途徑，將水在零碳排放的過(guò)程中分解產(chǎn)生氫氣。但傳統(tǒng)的電解水制氫系統(tǒng)，釋放氫氣的同時(shí)液態(tài)水會(huì)被消耗，液態(tài)水需要定期補(bǔ)充，同時(shí)水資源分布的差異性限制了電解水的發(fā)展，海水資源豐富但其電解成本較高。將大氣集水捕獲到的水分子作為反應(yīng)物，在大氣水分解系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為氫氣，同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速收集水分和高效水分解制氫。

3、目前大氣水分解系統(tǒng)由吸濕材料和水分解模塊組成，吸濕材料主要為金屬水凝膠和液態(tài)吸濕性物質(zhì)，水凝膠對(duì)水蒸氣的吸附能力有限，達(dá)到飽和狀態(tài)后吸附效率便顯著下降，液體吸收劑具有較強(qiáng)的水蒸汽吸收能力，但大部分具有腐蝕性。水分解模塊主要為光催化和電催化兩種，其中電催化能量轉(zhuǎn)化效率更高，但研究都集中在酸性體系，容易腐蝕電極材料和反應(yīng)裝置，堿性體系下大氣集水耦合電解水研究較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種大氣集水耦合電解水制氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)將電催化制氫子系統(tǒng)、大氣集水子系統(tǒng)、電催化制氧子系統(tǒng)與能量輸入子系統(tǒng)有效耦合起來(lái)，將大氣水作為電解水制氫的來(lái)源，實(shí)現(xiàn)了大氣集水原位分解制氫；本發(fā)明將大氣集水和能源轉(zhuǎn)化技術(shù)相耦合，提高了大氣水的利用率和電催化分解大氣水制氫效率。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種大氣集水耦合電解水制氫系統(tǒng)，包括電催化制氫子系統(tǒng)1、大氣集水子系統(tǒng)2和電催化制氧子系統(tǒng)3，大氣集水子系統(tǒng)2位于電催化制氫子系統(tǒng)1和電催化制氧子系統(tǒng)3中間，電催化制氫子系統(tǒng)1通過(guò)氫氣收集口106與氫氣收集子系統(tǒng)5的進(jìn)氣口連接；所述大氣集水子系統(tǒng)2中放置有吸濕材料202，吸濕材料202一面與電催化制氫子系統(tǒng)1中放置的陰極催化劑105接觸，發(fā)生電催化產(chǎn)氫反應(yīng)；吸濕材料202另一面與電催化制氧子系統(tǒng)3中放置的陽(yáng)極催化劑301接觸，發(fā)生電催化產(chǎn)氧反應(yīng)；陰極催化劑105與陽(yáng)極催化劑301分別通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與能量輸入子系統(tǒng)4的兩個(gè)電極相連接，在能量輸入子系統(tǒng)4的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行電催化分解大氣水反應(yīng)。

4、所述電催化制氫子系統(tǒng)1由外向內(nèi)包括頂板101、陰極第一墊片102、陰極集電板103、陰極第二墊片104；頂板101外側(cè)開(kāi)設(shè)有氫氣收集口106，氫氣收集口106與氫氣收集子系統(tǒng)5相連通，陰極第二墊片104中間開(kāi)孔放置陰極催化劑105，陰極第一墊片102中間開(kāi)孔使得氣體溢出，陰極集電板103位于陰極第一墊片102和陰極第二墊片104之間，陰極催化劑105的導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)陰極集電板103與能量輸入子系統(tǒng)4正極相連。

5、所述頂板101與陰極第一墊片102、陰極集電板103、陰極第二墊片104之間固定連接，形成封閉的空間，保證電催化制氫子系統(tǒng)1生成的氫氣不會(huì)泄露。

6、所述電催化制氧子系統(tǒng)3由內(nèi)向外包括陽(yáng)極第一墊片302、陽(yáng)極集電板303、陽(yáng)極第二墊片304及底板305，陽(yáng)極第一墊片302中間開(kāi)孔放置陽(yáng)極催化劑301，陽(yáng)極催化劑301的導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)陽(yáng)極集電板303與能量輸入子系統(tǒng)4負(fù)極相連，陽(yáng)極第二墊片304中間開(kāi)孔使得氣體溢出，底板305開(kāi)設(shè)有第一通孔306。

7、所述大氣集水子系統(tǒng)2包含第一連接板201、吸濕材料202及第二連接板203，第一連接板201和第二連接板203中間均設(shè)有第二通孔204，吸濕材料202放置于第二通孔204內(nèi)，使吸濕材料202一面與陰極催化劑105接觸，發(fā)生電催化產(chǎn)氫反應(yīng)，產(chǎn)生的氫氣通過(guò)氫氣收集口106儲(chǔ)存至氫氣收集子系統(tǒng)5；吸濕材料202另一面與陽(yáng)極催化劑301接觸，發(fā)生電催化產(chǎn)氧反應(yīng)，產(chǎn)生的氧氣從底板305上的第一通孔306釋放到空氣中。

8、所述電催化制氫子系統(tǒng)1、大氣集水子系統(tǒng)2及電催化制氧子系統(tǒng)3中頂板101、陰極集電板103、第一連接板201、第二連接板203、陽(yáng)極集電板303及底板305的材質(zhì)包括金屬、玻璃、或亞克力板。

9、所述吸水材料包括吸濕性水凝膠或吸濕性氣凝膠。

10、所述陰極催化劑105采用析氫電催化劑材料，陽(yáng)極催化劑301采用析氧電催化劑材料。

11、所述能量輸入子系統(tǒng)4采用電池，電池采用電化學(xué)電池或太陽(yáng)能電池板。

12、所述電催化制氫子系統(tǒng)1通過(guò)氫氣收集口106與氫氣收集子系統(tǒng)5的進(jìn)氣口連接，將制得的氫氣進(jìn)行儲(chǔ)存。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

14、1、本發(fā)明將大氣水作為電解水制氫的來(lái)源，原位電解大氣水產(chǎn)生氫氣，相較于大氣集水技術(shù)，能夠在能量轉(zhuǎn)換技術(shù)下，實(shí)現(xiàn)分解大氣水制氫，具有高效利用大氣水資源的效果。

15、2、本發(fā)明的氫氣收集口，在電催化制氫子系統(tǒng)內(nèi)形成密閉的空間，能夠收集大氣水位分解生成的氫氣，克服了氫氣難以收集的缺陷，收集到的氫氣可以作為燃料進(jìn)一步的利用。

16、3、本發(fā)明采用塊狀吸濕材料作為電解水反應(yīng)電解質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)大氣集水的同時(shí)分解大氣水制氫，實(shí)現(xiàn)了裝置的持續(xù)運(yùn)行。

17、4、本發(fā)明將大氣集水結(jié)合電催化分解水，陰極和陽(yáng)極采用的電催化劑具有通用性，同時(shí)電催化分解水具有高效的能源轉(zhuǎn)化效率。

18、綜上，本發(fā)明將電催化制氫子系統(tǒng)、大氣集水子系統(tǒng)、電催化制氧子系統(tǒng)與能量輸入子系統(tǒng)有效耦合起來(lái)，將大氣水作為電解水制氫的來(lái)源，實(shí)現(xiàn)了大氣集水原位分解制氫。該系統(tǒng)提高了大氣水的利用率，將大氣集水和能源轉(zhuǎn)化技術(shù)相耦合，具有綠色、節(jié)能、可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的原位制氫方式。系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，可用于全濕度范圍。

技術(shù)特征：

1.一種大氣集水耦合電解水制氫系統(tǒng)，包括電催化制氫子系統(tǒng)(1)、大氣集水子系統(tǒng)2(5)和電催化制氧子系統(tǒng)(3)，大氣集水子系統(tǒng)(2)位于電催化制氫子系統(tǒng)(1)和電催化制氧子系統(tǒng)(3)中間，電催化制氫子系統(tǒng)(1)通過(guò)氫氣收集口(106)與氫氣收集子系統(tǒng)(5)的進(jìn)氣口連接；其特征在于：所述大氣集水子系統(tǒng)2()中放置有吸濕材料()202，吸濕材料(202)一面與電催化制氫子系統(tǒng)(1)中放置的陰極催化劑(105)接觸，發(fā)生電催化產(chǎn)氫反應(yīng)；吸濕材料(202)另一面與電催化制氧子系統(tǒng)(3)中放置的陽(yáng)極催化劑(301)接觸，發(fā)生電催化產(chǎn)氧反應(yīng)；陰極催化劑(105)與陽(yáng)極催化劑(301)分別通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與能量輸入子系統(tǒng)(4)的兩個(gè)電極相連接，在能量輸入子系統(tǒng)(4)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行電催化分解大氣水反應(yīng)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大氣集水耦合電解水制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述電催化制氫子系統(tǒng)1由外向內(nèi)包括頂板(101)、陰極第一墊片(102)、陰極集電板(103)、陰極第二墊片(104)；頂板(101)外側(cè)開(kāi)設(shè)有氫氣收集口(106)，氫氣收集口(106)與氫氣收集子系統(tǒng)(5)相連通，陰極第二墊片(104)中間開(kāi)孔放置陰極催化劑(105)，陰極第一墊片(102)中間開(kāi)孔使得氣體溢出，陰極集電板(103)位于陰極第一墊片(102)和陰極第二墊片(104)之間，陰極催化劑(105)的導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)陰極集電板(103)與能量輸入子系統(tǒng)4正極相連。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種大氣集水耦合電解水制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述頂板(101)與陰極第一墊片(102)、陰極集電板(103)、陰極第二墊片(104)之間固定連接，形成封閉的空間，保證電催化制氫子系統(tǒng)(1)生成的氫氣不會(huì)泄露。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大氣集水耦合電解水制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述電催化制氧子系統(tǒng)(3)由內(nèi)向外包括陽(yáng)極第一墊片(302)、陽(yáng)極集電板(303)、陽(yáng)極第二墊片(304)及底板(305)，陽(yáng)極第一墊片(302)中間開(kāi)孔放置陽(yáng)極催化劑(301)，陽(yáng)極催化劑(301)的導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)陽(yáng)極集電板(303)與能量輸入子系統(tǒng)(4)負(fù)極相連，陽(yáng)極第二墊片(304)中間開(kāi)孔使得氣體溢出，底板(305)開(kāi)設(shè)有第一通孔(306)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大氣集水耦合電解水制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述大氣集水子系統(tǒng)(2)包含第一連接板(201)、吸濕材料(202)及第二連接板(203)，第一連接板(201)和第二連接板(203)中間均設(shè)有第二通孔(204)，吸濕材料(202)放置于第二通孔(204)內(nèi)，使吸濕材料(202)一面與陰極催化劑(105)接觸，發(fā)生電催化產(chǎn)氫反應(yīng)，產(chǎn)生的氫氣通過(guò)氫氣收集口(106)儲(chǔ)存至氫氣收集子系統(tǒng)(5)；吸濕材料(202)另一面與陽(yáng)極催化劑(301)接觸，發(fā)生電催化產(chǎn)氧反應(yīng)，產(chǎn)生的氧氣從底板(305)上的第一通孔(306)釋放到空氣中。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大氣集水耦合電解水制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述電催化制氫子系統(tǒng)1、大氣集水子系統(tǒng)(2)及電催化制氧子系統(tǒng)(3)中頂板(101)、陰極集電板(103)、第一連接板(201)、第二連接板(203)、陽(yáng)極集電板(303)及底板(305)的材質(zhì)包括金屬、玻璃、或亞克力板。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大氣集水耦合電解水制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述吸水材料包括吸濕性水凝膠或吸濕性氣凝膠。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大氣集水耦合電解水制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述陰極催化劑105采用析氫電催化劑材料，陽(yáng)極催化劑(301)采用析氧電催化劑材料。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大氣集水耦合電解水制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述能量輸入子系統(tǒng)(4)采用電池，電池采用電化學(xué)電池或太陽(yáng)能電池板。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大氣集水耦合電解水制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述電催化制氫子系統(tǒng)1通過(guò)氫氣收集口(106)與氫氣收集子系統(tǒng)(5)的進(jìn)氣口連接，將制得的氫氣進(jìn)行儲(chǔ)存。

技術(shù)總結(jié)
一種大氣集水耦合電解水制氫系統(tǒng)，包括電催化制氫子系統(tǒng)、大氣集水子系統(tǒng)和電催化制氧子系統(tǒng)，大氣集水子系統(tǒng)位于電催化制氫子系統(tǒng)和電催化制氧子系統(tǒng)中間；所述大氣集水子系統(tǒng)中放置有吸濕材料，吸濕材料一面與電催化制氫子系統(tǒng)中放置的陰極催化劑接觸，發(fā)生電催化產(chǎn)氫反應(yīng)；吸濕材料另一面與電催化制氧子系統(tǒng)中放置的陽(yáng)極催化劑接觸，發(fā)生電催化產(chǎn)氧反應(yīng)；陰極催化劑與陽(yáng)極催化劑分別通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與能量輸入子系統(tǒng)的兩個(gè)電極相連接，在能量輸入子系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行電催化分解大氣水反應(yīng)；本發(fā)明將大氣集水技術(shù)耦合電催化分解水，實(shí)現(xiàn)了大氣集水的同時(shí)分解大氣水制氫，提高了大氣水的利用率和電催化分解大氣水制氫效率，具有綠色、節(jié)能、可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的原位制氫方式。

技術(shù)研發(fā)人員：藺麗華,廖子添,劉茂昌,董韻煒,胡家杰,楊祖鋅,剡雪麗,張?jiān)姁?師進(jìn)文,敬登偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：陜西華添氫能科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19