一种液体隔膜水电解制氢小室结构和电解液制氢电解槽的制作方法

1.本发明涉及清洁能源技术领域，特别涉及一种液体隔膜水电解制氢小室结构和电解液制氢电解槽。


背景技术：

2.电解水制氢过程无碳排放，是未来制取氢气的重要方法。该技术的推广对实现双碳目标具有重要价值。在电解水制氢的几种技术路径中，碱性水电解制氢的技术成熟度最高，制造成本最低，系统寿命最长，是目前工业上最主要的电解制氢技术。质子交换膜电解制氢技术抗波动性强，同样具有广阔前景，是极具潜力的制氢技术之一。
3.碱性水电解制氢过程中，产品气体与碱液共存，电解槽内部存在气液混合两相流。由于气体的存在，电解槽的欧姆阻抗较高，电流密度分布不均且随机性较强。由于碱液中溶解氢的存在，阴阳两极的氢气交叉渗透率可达到0.31mmolm-2
s-1
。
4.质子交换膜电解制氢技术虽然使用质子交换膜隔绝阴阳极腔室以避免气体交叉混合，但在高电流密度下，由于阴极饱和溶解氢和过饱和氢气的作用下，氢气交叉渗透率仍高达0.18mmolm-2
s-1
。制取得到的产品气体需经过气液分离、洗涤、捕滴等多个步骤后，才能与电解液完全分离，气体后处理路径较长且辅助配套设备较复杂。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种液体隔膜水电解制氢小室结构，该结构可极大地减小酸性或碱性溶液中的容气度，降低系统的阻抗和电解能耗，且无需使用多孔隔膜或昂贵的质子交换膜，电解小室结构更简单紧凑。
6.本发明还提供了一种采用上述小室结构的电解液制氢电解槽。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种液体隔膜水电解制氢小室结构，包括：依次设置的第一双极板、阴极、多孔通道、阳极和第二双极板；所述多孔通道与电解液流道相连接，所述阴极与氢气流道相连，所述阳极与氧气流道相连，所述第一双极板和所述第二双极板均采用导电且不透气的材料制成。
9.优选地，所述多孔通道的材料为聚砜酰胺、氧化锆改性的聚苯硫醚、聚醚砜、聚碳酸酯、金属碳化物中的一种或多种混合物。
10.优选地，所述多孔通道的厚度不小于2mm，孔隙率在30～80％之间，单孔孔径不大于10μm，平均孔径为5～8μm。
11.优选地，所述阴极采用导电且抗弱酸腐蚀的材料制成，所述阳极采用导电且抗强碱腐蚀的材料制成；所述阴极和所述阳极均具有多孔状结构，单孔孔径不小于50μm。
12.优选地，所述阴极的表面担载电解析氢催化剂，所述阳极的表面担载电解析氧催化剂，或者所述阴极和所述阳极由具有催化功能的材料制成。
13.优选地，所述第一双极板和所述第二双极板的表面为有规律的流场结构。
14.优选地，所述阳极与所述第二双极板之间焊接为一体，或通过外力压紧而紧密接触；所述阴极与所述第一双极板之间焊接为一体，或通过外力压紧而紧密接触；所述多孔通道与所述阴极和所述阳极间通过外力压紧而紧密接触。
15.优选地，所述电解液流道的导电电解液成分为30wt％koh+0.2wt％v2o5或10wt％～30wt％h2so4溶液。
16.一种采用小室结构的电解液制氢电解槽，包括：左端板、右端板、整流器和多个平行的如上述的液体隔膜水电解制氢小室结构；相邻两个所述液体隔膜水电解制氢小室结构共用所述第一双极板或所述第二双极板；最左侧的所述液体隔膜水电解制氢小室结构的所述第一双极板与所述左端板接触，处于接地状态；最右侧的所述液体隔膜水电解制氢小室结构的所述第二双极板与所述右端板绝缘接触，并与所述整流器的输出端相连。
17.优选地，所述电解液制氢电解槽的下方设有所述电解液流道，所有所述液体隔膜水电解制氢小室结构的多孔通道均与所述电解液流道连通；所述电解液制氢电解槽的上方设有互不联通的氧气流道和氢气流道，所有所述液体隔膜水电解制氢小室结构的阳极均与所述氧气流道连通，所有所述液体隔膜水电解制氢小室结构的阴极均与所述氢气流道连通。
18.从上述的技术方案可以看出，本发明提供的一种液体隔膜水电解制氢小室结构，采用多孔通道代替了传统碱水制氢电解槽和质子交换膜电解槽中的隔膜结构。酸液/碱液在张力或外界动力的作用下进入多孔流道，并在多孔流道与阴极/阳极相接触的位置被电解成为氢气/氧气。充满酸液/碱液的多孔流道由于液封的作用，可将氢气和氧气分隔。该小室结构中，酸液/碱液与气体完全分离，酸液/碱液的电阻显著下降，电解效率提升，且产品气体无需复杂的气液分离后处理。本发明还提供了一种采用小室结构的电解液制氢电解槽，由于采用了前述的液体隔膜水电解制氢小室结构，因此其也就具有相应的有益效果，具体可以参照前面说明，在此不再赘述。
附图说明
19.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，下面将对实施例或现有技术描述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。
20.图1为本发明实施例提供的水电解制氢小室结构示意图。
21.其中，1-第一双极板，2-阴极，3-多孔通道，4-阳极，5-第二双极板。
具体实施方式
22.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。
23.请参阅图1水电解制氢小室结构示意图。
24.本发明实施例提供的一种液体隔膜水电解制氢小室结构，如图1所示，包括：依次
设置的第一双极板1、阴极2、多孔通道3、阳极4和第二双极板5；
25.所述多孔通道3与电解液流道相连接，所述阴极2与氢气流道相连，所述阳极4与氧气流道相连，所述第一双极板1和所述第二双极板5均采用导电且不透气的材料制成。以下酸液/碱液统称为导电电解液。
26.从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的液体隔膜水电解制氢小室结构，以第一双极板1和第二双极板5为界，在小室中，液体张力或外界动力的作用下，导电电解液进入多孔通道3，并与阴阳极相接触，在阴阳极分别被电解产生氢气和氧气，氧气从氧气流道流出，氢气从氢气流道流出。多孔通道3本身由于液封作用，可隔绝两侧的氢气和氧气。该结构可极大地减小酸性或碱性溶液中的容气度，降低系统的阻抗和电解能耗，且无需使用多孔隔膜或昂贵的质子交换膜，小室结构更简单紧凑。
27.在本方案中，所述多孔通道3的材料为聚砜酰胺、氧化锆改性的聚苯硫醚、聚醚砜、聚碳酸酯、金属碳化物中的一种或多种混合物。当然，多孔通道3的材料还可以是导电且不透气效果的其它材料。
28.在本方案中，所述多孔通道3的厚度不小于2mm，孔隙率在30～80％之间，单孔孔径不大于10μm，平均孔径为5～8μm。需要说明的是孔隙率、单孔孔径和平均孔径具体的数值，还可以根据实际需要调整。
29.在本方案中，所述阴极2采用导电且抗弱酸腐蚀的材料制成，所述阳极4采用导电且抗强碱腐蚀的材料制成；所述阴极2和所述阳极4均具有多孔状结构，单孔孔径不小于50μm。此外，单孔孔径具体的数值还可以根据实际需要调整。
30.在本方案中，所述阴极2的表面担载电解析氢催化剂，所述阳极4的表面担载电解析氧催化剂，或者所述阴极2和所述阳极4由具有催化功能的材料制成。另外，阴极2和阳极4具体的材料还可以根据实际需要调整。
31.在本方案中，所述第一双极板1和所述第二双极板5的表面为有规律的流场结构，为气体的流动提供导向作用。
32.具体地，如图1所示，所述阳极4与所述第二双极板5之间焊接为一体，或通过外力压紧而紧密接触；
33.所述阴极2与所述第一双极板1之间焊接为一体，或通过外力压紧而紧密接触；
34.所述多孔通道3与所述阴极2和所述阳极4间通过外力压紧而紧密接。还需要说明的是，本方案如此设计可以使得电解小室更简单紧凑。
35.具体地，所述电解液流道的导电电解液成分为30wt％koh+0.2wt％v2o5或10wt％～30wt％h2so4溶液。还需要说明的是，电解液的具体成分还可以根据实际需要调整。
36.本发明实施例还提供了一种采用小室结构的电解液制氢电解槽，包括：左端板、右端板、整流器和多个平行的如上所述的液体隔膜水电解制氢小室结构；
37.相邻两个所述液体隔膜水电解制氢小室结构共用所述第一双极板1或所述第二双极板5；
38.最左侧的所述液体隔膜水电解制氢小室结构的所述第一双极板1与所述左端板接触，处于接地状态；
39.最右侧的所述液体隔膜水电解制氢小室结构的所述第二双极板5与所述右端板绝缘接触，并与所述整流器的输出端相连。
40.由于本方案采用了前述的液体隔膜水电解制氢小室结构，因此其也就具有相应的有益效果，具体可以参照前面说明，在此不再赘述。
41.进一步地，所述电解液制氢电解槽的下方设有所述电解液流道，所有所述液体隔膜水电解制氢小室结构的多孔通道3均与所述电解液流道连通；
42.所述电解液制氢电解槽的上方设有互不联通的氧气流道和氢气流道，所有所述液体隔膜水电解制氢小室结构的阳极4均与所述氧气流道连通，所有所述液体隔膜水电解制氢小室结构的阴极2均与所述氢气流道连通。
43.电解槽运行时，导电电解液由于张力作用，自发地由电解液流道进入多孔通道3，并浸润整个多孔通道3。整流器输出直流电，电流由小室第二双极板5向左流动，到小室第一双极板1流出。所有小室的阳极4侧产生氧气，汇入氧气流道排出电解槽；阴极2侧产生氢气，汇入氢气流道排出电解槽。
44.下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：
45.如图1所示，本发明提供一种液体隔膜水电解制氢小室结构和电解液制氢电解槽。
46.一种液体隔膜水电解制氢小室结构，包括多孔通道3、阴极2、阳极4、双极板。多孔通道3两侧分别为该小室的阴极2、阳极4，阴极2和阳极4的另一侧为双极板。相邻双极板之间为同一个小室，双极板的两侧分别为相邻两个小室的阴极2和阳极4。
47.多孔通道3所用材料为聚砜酰胺、氧化锆改性的聚苯硫醚、聚醚砜、聚碳酸酯、金属碳化物中的一种或多种混合物。
48.多孔通道3的厚度不小于2mm，孔隙率在30～80％之间，单孔孔径不大于10μm，平均孔径为5～8μm。
49.阴极2和阳极4采用导电性能与抗弱酸、强碱腐蚀性能优异的材料制成，具有多孔状结构，单孔孔径不小于50μm。
50.阴极2和阳极4表面分别担载电解析氢催化剂和电解析氧催化剂，或阴极2和阳极4本身由具有催化功能的材料制成。
51.双极板采用导电性能优异的材料制成，表面为有规律的流场结构，气体无法通过双极板。
52.阳极4与双极板之间焊接为一体，或通过外力压紧而紧密接触；阴极2与双极板之间焊接为一体，或通过外力压紧而紧密接触；多孔通道3与阴极2和阳极4间通过外力压紧而紧密接触。
53.多孔通道3与碱液流道相连接，碱液可在液体张力或液泵的作用下由流道进入多孔通道3，并在阴极2表面被电解生成氢气或在阳极4表面被电解生成氧气。
54.阳极4侧与氧气流道相连，阴极2侧与氢气流道相连。电解所得氧气由阳极4侧进入氧气流道，所得氢气由阴极2侧进入氢气流道。
55.本方案提出一种液体隔膜水电解制氢小室结构，采用多孔通道3代替了传统碱水制氢电解槽和质子交换膜电解槽中的隔膜结构。酸液/碱液在张力或外界动力的作用下进入多孔流道，并在多孔流道与阴极2/阳极4相接触的位置被电解成为氢气/氧气。充满酸液/碱液的多孔流道由于液封的作用，可将氢气和氧气分隔。该小室结构中，酸液/碱液与气体完全分离，酸液/碱液的电阻显著下降，电解效率提升，且产品气体无需复杂的气液分离后处理。
56.发明有益效果：本发明能降低电解槽整体的阻抗，提升电解制氢能量效率。本发明可简化现有电解制氢的气液分离工序，减小设备体积。
57.具体实施方式：实施例1：采用新型小室结构的碱水制氢电解槽
58.采用本方案所述小室结构组装的电解槽，由20个重复单元(小室)组成，从左到右分别编号小室01、小室02、小室03、
……
小室20。相邻的两个小室之间以双极板为界。每个小室内部从左到右依次为第一双极板1(与上一小室共用)、阴极2、多孔通道3、阳极4、第二双极板5(与下一小室共用)。小室01左侧的第一双极板1与左端板接触，处于接地状态；小室20右侧的第二双极板5与右端板接触，但与右端板相互绝缘，该第二双极板5与整流器输出端相连。电解槽下方设有碱液流道，可提供充足的导电电解液，导电电解液成分为30wt％koh+0.2wt％v2o5或10wt％～30wt％h2so4溶液，所有小室的多孔通道3均与电解液流道连通。电解槽上方分别设有氧气流道和氢气流道，二者互不联通。所有小室的阳极4侧均与氧气流道连通，阴极2侧均与氢气流道连通。
59.电解槽运行时，导电电解液由于张力作用，自发地由电解液流道进入多孔通道3，并浸润整个多孔通道3。整流器输出直流电，电流由小室20右侧第二双极板5向左流动，到小室01左侧第一双极板1流出。所有小室的阳极4侧产生氧气，汇入氧气流道排出电解槽；阴极2侧产生氢气，汇入氢气流道排出电解槽。
60.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
61.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种液体隔膜水电解制氢小室结构，其特征在于，包括：依次设置的第一双极板(1)、阴极(2)、多孔通道(3)、阳极(4)和第二双极板(5)；所述多孔通道(3)与电解液流道相连接，所述阴极(2)与氢气流道相连，所述阳极(4)与氧气流道相连，所述第一双极板(1)和所述第二双极板(5)均采用导电且不透气的材料制成。2.根据权利要求1所述的液体隔膜水电解制氢小室结构，其特征在于，所述多孔通道(3)的材料为聚砜酰胺、氧化锆改性的聚苯硫醚、聚醚砜、聚碳酸酯、金属碳化物中的一种或多种混合物。3.根据权利要求1所述的液体隔膜水电解制氢小室结构，其特征在于，所述多孔通道(3)的厚度不小于2mm，孔隙率在30～80％之间，单孔孔径不大于10μm，平均孔径为5～8μm。4.根据权利要求1所述的液体隔膜水电解制氢小室结构，其特征在于，所述阴极(2)采用导电且抗弱酸腐蚀的材料制成，所述阳极(4)采用导电且抗强碱腐蚀的材料制成；所述阴极(2)和所述阳极(4)均具有多孔状结构，单孔孔径不小于50μm。5.根据权利要求1所述的液体隔膜水电解制氢小室结构，其特征在于，所述阴极(2)的表面担载电解析氢催化剂，所述阳极(4)的表面担载电解析氧催化剂，或者所述阴极(2)和所述阳极(4)由具有催化功能的材料制成。6.根据权利要求1所述的液体隔膜水电解制氢小室结构，其特征在于，所述第一双极板(1)和所述第二双极板(5)的表面为有规律的流场结构。7.根据权利要求1所述的液体隔膜水电解制氢小室结构，其特征在于，所述阳极(4)与所述第二双极板(5)之间焊接为一体，或通过外力压紧而紧密接触；所述阴极(2)与所述第一双极板(1)之间焊接为一体，或通过外力压紧而紧密接触；所述多孔通道(3)与所述阴极(2)和所述阳极(4)间通过外力压紧而紧密接触。8.根据权利要求1所述的液体隔膜水电解制氢小室结构，其特征在于，所述电解液流道的导电电解液成分为30wt％koh+0.2wt％v2o5或10wt％～30wt％h2so4溶液。9.一种采用小室结构的电解液制氢电解槽，其特征在于，包括：左端板、右端板、整流器和多个平行的如权利要求1-7任意一项所述的液体隔膜水电解制氢小室结构；相邻两个所述液体隔膜水电解制氢小室结构共用所述第一双极板(1)或所述第二双极板(5)；最左侧的所述液体隔膜水电解制氢小室结构的所述第一双极板(1)与所述左端板接触，处于接地状态；最右侧的所述液体隔膜水电解制氢小室结构的所述第二双极板(5)与所述右端板绝缘接触，并与所述整流器的输出端相连。10.根据权利要求9所述的采用小室结构的电解液制氢电解槽，其特征在于，所述电解液制氢电解槽的下方设有所述电解液流道，所有所述液体隔膜水电解制氢小室结构的多孔通道(3)均与所述电解液流道连通；所述电解液制氢电解槽的上方设有互不联通的氧气流道和氢气流道，所有所述液体隔膜水电解制氢小室结构的阳极(4)均与所述氧气流道连通，所有所述液体隔膜水电解制氢小室结构的阴极(2)均与所述氢气流道连通。

技术总结
本发明公开了一种液体隔膜水电解制氢小室结构，包括：依次设置的第一双极板、阴极、多孔通道、阳极和第二双极板；所述多孔通道与电解液流道相连接，所述阴极与氢气流道相连，所述阳极与氧气流道相连，所述第一双极板和所述第二双极板均采用导电且不透气的材料制成。本方案通过采用多孔通道，可极大地减小酸性或碱性溶液中的容气度，降低系统的阻抗和电解能耗，且无需使用多孔隔膜或昂贵的质子交换膜，电解小室结构更简单紧凑。本发明还公开了一种采用上述小室结构的电解液制氢电解槽。采用上述小室结构的电解液制氢电解槽。采用上述小室结构的电解液制氢电解槽。


技术研发人员：史翊翔 郝培璇 刘梦华 王海光 刘厚权 李爽 蔡宁生
受保护的技术使用者：北京华易氢元科技有限公司
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/16