CN113862690A - 一种基于双极电极体系电解水制氢装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双极电极体系电解水制氢装置，涉及水电解技术和氢能源领域。本发明包括三个电极：析氢阴极、析氧阳极、以及双极电极。双极电极置于电解槽中部，将电解槽中的碱液完全分隔，构成阴极析氢室和阳极析氧室，使氢气和氧气完全隔离。双极电极材质为泡沫镍及掺杂钴，碱液中镍表面发生阳极氧化生成Ni(OH)₂/NiOOH氧化物覆盖层。电解水时，与析氢相对的镍表面发生Ni(OH)₂到NiOOH的阳极反应，与析氧相对的镍表面发生逆向的阴极反应，即一体双侧双极。双极电极与智能切换控制机构连接，对双极电极两侧进行“间隔换边式”或“连续旋转式”的切换，使电解过程持续进行。本发明采用一块金属代替离子隔膜，同步分室完成产氢和产氧，降低隔离成本，提高效率。

Description

一种基于双极电极体系电解水制氢装置

技术领域

本发明属于水电解技术领域，特别是涉及一种基于双极电极体系电解水制氢装置。

背景技术

能源是发展国民经济、提高人民生活质量的重要物质基础，是直接影响经济发展的重要制约因素，同时也是国家战略安全保障的基础之一。为解决经济发展与能源短缺及环境污染之间日益加剧的矛盾，开发清洁、高效、可持续发展的新能源动力技术已成为十分紧迫的任务。发展可再生能源和能源的清洁高效利用将是当今国际社会所面临的重要现实问题，对整个世界经济的可持续发展具有重要意义。氢能源作为高效、洁净和理想的二次能源已经受到了全世界的广泛重视。大规模、廉价地生产氢气是开发和利用氢能的重要环节之一。

如中国公开号CN105734600B公开一种三电极体系双电解槽两步法电解水制氢的装置及方法。该电解装置包含两个独立的电解槽(槽-1和槽-2)、析氢催化电极、析氧催化电极和氢氧化镍电极以及碱性电解质。该电解装置把电解水过程分为产氢和产氧两个步骤，并分别在两个电解槽(槽-1和槽-2)中交替进行；不能同时进行产氢和产氧，生产效率慢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双极电极体系电解水制氢装置，采用一块金属代替离子隔膜将电解槽中的碱液完全分隔，以泡沫镍及掺杂Co等材质为双极电极，通过两个电极端进行切换的活动电极的设置，同步分室完成产氢和产氧，降低隔离成本，提高生产效率和安全性。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种基于双极电极体系电解水制氢装置，包括电解槽：电解槽内设置一金属材质的隔板并通过隔板分隔成独立的阳极析氧室和阴极析氢室；

三个电极：对电解水生成氢气具有催化作用的析氢催化电极、对电解水生成氧气具有催化作用的析氧催化电极、以及双极电极；

碱性电解液：在阳极析氧室中的产氧气，在阴极析氢室中的产氢气；所述双极电极为一可将位于所述阳极析氧室和阴极析氢室的两个电极端进行切换的活动电极；所述双极电极连接有控制双极电极两个电极端进行切换***所述阳极析氧室和阴极析氢室的电极控制切换机构。

进一步地，所述双极电极为一圆柱状结构；所述隔板上设置有与双极电极相配合的且呈竖直状设置的槽道；所述双极电极的顶部连接所述电极控制切换机构，所述电极控制切换机构为一包括电性连接的转动电机A和处理器；所述双极电极的材质为泡沫镍及掺杂钴，在碱液中镍表面发生阳极氧化生成Ni(OH)₂/NiOOH氧化物覆盖层。

进一步地，所述双极电极包括一U型电极本体，所述U型电极本体具有可分别***阳极析氧室和阴极析氢室内的第一电极段和第二电极段；所述第一电极段和第二电极段均为泡沫镍，碱液中镍表面发生阳极氧化生成 Ni(OH)2/NiOOH氧化物覆盖层；所述U型电极本体的端部连接所述电极控制切换机构，所述电极控制切换机构包括一与U型电极本体连接的绝缘基板以及处理器，所述绝缘基板的上连接有电动伸缩机构，所述电动伸缩机构的端部连接有转动电机B；还包括设置所述阳极析氧室和阴极析氢室交汇处一侧的L型支架，所述转动电机B安装在所述L型支架上；且所述处理器分别连接电动伸缩机构和转动电机B。

所述析氢催化电极的电极材料为：基于金属铂以及其与碳的复合物；或基于Ni、Co或Fe过渡金属的单质或化合物；或基于Cu的化合物；或基于W的化合物；基于Mo的化合物；所述析氧催化电极的电极材料为：基于 Ru或Ir贵金属的化合物；或基于Ni、Co、Fe或Mn过渡金属的单质或化合物；所述碱性电解质溶液选自氢氧化钾、氢氧化钠以及其他碱性水溶液。

进一步地，所述阳极析氧室和阴极析氢室上分别设置有氧气收集器和氢气收集器的出口；所述氧气收集器和/或氢气收集器处连接有用于检测气体流量的流量传感器，所述流量传感器与所述处理器连接。

所述阳极析氧室和阴极析氢室的底部均设置有一进碱液口，所述进碱液口连通有进液***，所述进液***包括一与所述进碱液口连通的进液泵，所述进液泵设置在所述碱液槽内。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过两个电极端进行切换的活动电极的设置，通过在电解过程智能的进行电极端的切换，从而完成在一个装置***内同时不同空间完成产氢和产氧，提高整体的生产效率。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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。

图1为本发明电解水制氢装置结构示意图一；

图2为本发明电解水制氢装置结构示意图二；

图3为本发明氢氧化镍电极结构示意图。

具体实施方式

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1-2所示，本发明为一种基于双极电极体系电解水制氢装置，包括一个电解槽，通过一块金属分割成独立的阳极析氧室1和阴极析氢室2；三个电极：对电解水生成氢气具有催化作用的析氢催化电极21、对电解水生成氧气具有催化作用的析氧催化电极11、以及泡沫镍及掺杂Co等材质为双极电极，3；碱性电解液：在阳极析氧室1中的产氧气，在阴极析氢室2 中的产氢气；泡沫镍以及掺杂钴等双极电极3为一可将位于阳极析氧室1 和阴极析氢室2的两个电极端进行切换的活动电极；双极电极3连接有控制双极电极3两个电极端进行切换***阳极析氧室1和阴极析氢室2的电极控制切换机构；析氢催化电极21的材质为Co₂O₃，析氧催化电极11的材质为RuO₂。

且析氢催化电极21和析氧催化电极11分别连接电源正负极。

在阴极析氢室2中：

水分子在作为阴极的析氢催化电极21表面被电化学还原成氢气，即H₂O +e-→1/2H₂+OH^-；同时作为阳极的Ni(OH)₂电极被电化学氧化为NiOOH 电极，即Ni(OH)₂+OH^-－e-→NiOOH+H₂O，当阴极析氢室2中Ni(OH)₂几乎全被氧化成NiOOH，阴极析氢室2中形成的NiOOH电极被转移至阳极析氧室1，用于电解水产氧；

在阳极析氧室1中：

作为阴极的NiOOH电极被电化学还原成为Ni(OH)₂电极，即NiOOH+H₂O +e-→Ni(OH)₂+OH^-；同时氢氧根离子在作为阳极的析氧催化电极11表面被电化学氧化成为氧气，即2OH^-－2e-→1/2O₂+H₂O；当阳极析氧室1 中NiOOH被还原成Ni(OH)₂，阳极析氧室1中形成的Ni(OH)₂电极被转移至阴极析氢室2，并再用于电解水产氢；

实施例2，基于实施例1的；

如图2和3，阳极析氧室1和阴极析氢室2之间连通有一隔板4，双极电极3为一圆柱状结构；隔板4上设置有与双极电极3相配合的且呈竖直状设置的槽道41；双极电极3的顶部连接电极控制切换机构，电极控制切换机构为一包括电性连接的转动电机A和处理器。

双极电极3包括位于中间的绝缘隔板31，绝缘隔板31的两侧分别设置有截面呈半圆形的电极棒32，两个电极棒32均为泡沫镍及掺杂Co等材质；绝缘隔板31的顶部设置有与转动电机A相连接的安装板33；两电极棒32 的顶部电性连接；位于安装板33正下方的绝缘隔板31上设置有贯穿绝缘隔板31的导电结构34、且导电结构34的两端分别连接两电极棒32的导电结构34，导电结构34为泡沫镍及掺杂Co等材质；绝缘隔板31的两侧分别设置有一对可与槽道41呈密封配合的密封翻边35，位于绝缘隔板31同一侧的两密封翻边35对称设置，密封翻边35呈弧形。

使用时，通过柱状的双极电极3的设置，实现在进行电解水过程中可根据需求任意时刻调整双极电极3转动将双极电极3的两个电极端切换性的放入阳极析氧室1和阴极析氢室2，从而循环的进行氧化和还原反应。

实施例3，基于实施例1的；

如图1、Ni(OH)₂/NiOOH双极电极3包括一U型电极本体301，U型电极本体301具有可分别***阳极析氧室1和阴极析氢室2内的第一电极段302 和第二电极段303，第一电极段302和第二电极段303均为泡沫镍及掺杂 Co等材质；U型电极本体301的端部连接电极控制切换机构，电极控制切换机构包括一与U型电极本体301连接的绝缘基板5以及处理器，绝缘基板5的上连接有电动伸缩机构51，电动伸缩机构51的端部连接有转动电机 B53；还包括设置阳极析氧室1和阴极析氢室2交汇处一侧的L型支架54，转动电机B53安装在L型支架54上；且处理器分别连接电动伸缩机构51 和转动电机B53。

实施例4，基于实施例1-3的；

如图1和2，阳极析氧室1和阴极析氢室2上分别有氧气收集器和氢气收集器的出口；氧气收集器和/或氢气收集器处连接有用于检测气体流量的流量传感器，流量传感器与处理器连接。通过流量传感器检测气体的流量判断电解速度，从而判断位于是阳极析氧室1和阴极析氢室2内的双极电极3的表面氧化还原程度，方便及时的将双极电极3的两个电极端切换性的放入阳极析氧室1和阴极析氢室2内，避免因双极电极3的自身状况影响电解速度。

实施例5、基于实施例1-3的；

阳极析氧室1和阴极析氢室2的底部均设置有一进碱液口7，进碱液口 7连通有进液***，进液***包括一与进碱液口7连通的进液泵，进液泵设置在碱液槽内。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种基于双极电极体系电解水制氢装置，其特征在于：包括

电解槽：内设置一金属材质的隔板(4)并通过隔板(4)分隔形成阳极析氧室(1)和阴极析氢室(2)；

三个电极：对电解水生成氢气具有催化作用的析氢催化电极(21)、对电解水生成氧气具有催化作用的析氧催化电极(11)、以及双极电极(3)；

碱性电解液：在阳极析氧室(1)中的产氧气，在阴极析氢室(2)中的产氢气；所述双极电极(3)为一可将位于所述阳极析氧室(1)和阴极析氢室(2)的两个电极端进行切换的活动电极；

所述双极电极(3)连接有控制双极电极(3)两个电极端进行切换***所述阳极析氧室(1)和阴极析氢室(2)的电极控制切换机构。

2.根据权利要求1所述的一种基于双极电极体系电解水制氢装置，其特征在于，所述双极电极(3)为一圆柱状结构；所述隔板(4)上设置有与双极电极(3)相配合的且呈竖直状设置的槽道(41)；

所述双极电极(3)的顶部连接所述电极控制切换机构，所述电极控制切换机构为一包括电性连接的转动电机A和处理器。

3.根据权利要求2所述的一种基于双极电极体系电解水制氢装置，其特征在于，所述双极电极(3)的材质为泡沫镍及掺杂钴，在碱液中镍表面发生阳极氧化生成Ni(OH)₂/NiOOH氧化物覆盖层。

4.根据权利要求1所述的一种基于双极电极体系电解水制氢装置，其特征在于，所述Ni(OH)₂/NiOOH双极电极(3)包括一U型电极本体(301)，所述U型电极本体(301)具有可分别***阳极析氧室(1)和阴极析氢室(2)内的第一电极段(302)和第二电极段(303)；

所述第一电极段(302)和第二电极段(303)均为泡沫镍及掺杂钴，碱液中镍表面发生阳极氧化生成Ni(OH)₂/NiOOH氧化物覆盖层；

所述U型电极本体(301)的端部连接所述电极控制切换机构，所述电极控制切换机构包括一与U型电极本体(301)连接的绝缘基板(5)以及处理器，所述绝缘基板(5)的上连接有电动伸缩机构(51)，所述电动伸缩机构(51)的端部连接有转动电机B(53)；

还包括设置所述阳极析氧室(1)和阴极析氢室(2)交汇处一侧的L型支架(54)，所述转动电机B(53)安装在所述L型支架(54)上；

且所述处理器分别连接电动伸缩机构(51)和转动电机B(53)。

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