CN114507872B - 一种压滤式电解水制氢装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压滤式电解水制氢装置及方法，涉及电解水制氢技术领域。本发明包括电解槽；电解槽内平行设置有若干隔膜；并通过隔膜分隔成若干独立的电解腔；位于电解槽两端的两电解腔内分别设置有阳极电极和阴极电极；位于任意两隔膜之间均设置一隔板组件；隔板组件远离阳极电极的一侧设置成惰性电极、靠近阳极电极的一侧设置成碱性电解水电极；隔膜和惰性电极之间、以及隔膜和阳极电极之间形成阳极电解区域；隔膜和碱性电解水电极之间、隔膜和阴极电极之间形成阴极电解区域。本发明通过阳极电解液储罐、隔膜等的设置，实现两步法电解水产氢产氧空间上的分离，时间上的同步，并能提高氧化还原缓存介质的容量，提高电解水制氢的效率。

Description

一种压滤式电解水制氢装置及方法
技术领域
本发明属于电解水制氢技术领域，特别是涉及一种压滤式电解水制氢装置及方法。
背景技术
氢能源是公认的清洁能源，其具有密度轻、导热性好、燃烧性能好等优点。氢能源是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其它能源制取的，而不像煤、石油、天然气可以直接开采。常用的工业制氢方法主要有天然气蒸汽重整制氢、甲醇蒸汽转化制氢、电解水制氢、烃类氧化重整制氢。
电解水制备氢气操作相对简单，技术相对成熟，而且制氢过程没有污染，是实现大规模生产氢气的重要手段。在当前的制氢工业生产中，碱性水电解技术工业化早、技术成熟、设备成本低，因此碱性水电解在水电解行业中占主导地位。但因为其能耗较高，限制了它的广泛应用。更为重要的是，常规的电解水技术在电极过程中阴阳极同时电极生成氢气和氧气，这将很容易导致氢气和氧气的混合，致使所制备的气体不纯，后续的提纯则将大大增大制备成本。采用离子选择性膜隔开在析氢催化电极产生的氢气和析氧催化电极产生的氧气是一种有效的解决方案，但是离子选择性膜的使用也大大增加了成本。此外，由于电化学析氢和析氧自身的动力学过程不同，造成产氢和产氧速度有所差异，当离子选择性膜两边压力不同时，膜的损耗也非常严重，这进一步增大了成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压滤式电解水制氢装置及方法，通过阳极电解液储罐、隔膜等的设置，实现在实际电解过程中实现两步法制氢，即在电解过程只产生氢气，不产生氧气，避免了现有容易导致氢气和氧气的混合的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种压滤式电解水制氢装置，包括一呈盒体密闭式的电解槽；所述电解槽内平行设置有若干隔膜；并通过所述隔膜分隔成若干独立的电解腔；位于所述电解槽两端的两电解腔内分别设置有阳极电极和阴极电极；位于任意两隔膜之间均设置一隔板组件；所述隔板组件远离阳极电极的一侧设置成惰性电极、靠近阳极电极的一侧设置成碱性电解水电极；所述隔膜和惰性电极之间、以及隔膜和阳极电极之间形成阳极电解区域；所述隔膜和碱性电解水电极之间、隔膜和阴极电极之间形成阴极电解区域。
进一步地，位于所述阴极电解区域和阳极电解区域的电解槽顶部分别设置有阴极出气口和阳极出气口；若干所述阴极出气口通过阴极出气管连通有一第二气液分离装置；若干所述阳极出气口通过阳极出气管连通有一第一气液分离装置。
进一步地，位于任意一所述阴极电解区域的电解槽底部设置有阴极出液口，所述阴极出液口通过阴极输液管连通阴极电解液储罐；所述阴极电解液储罐的底部连通第一管路和第二管路，且所述第一管路和第二管路均与阴极输液管连通；所述第一管路上设置有用于将电解槽内电解液抽入阴极电解液储罐的第一泵，所述第二管路上设置有用于将阴极电解液储罐内电解液抽入电解槽内的第二泵。
进一步地，所述第一管路和第二管路上分别设置有阀门一和阀门二；所述阴极电解液储罐位于所述第二气液分离装置正下方，且所述阴极电解液储罐和第二气液分离装置连通有回流管一，所述回流管一上设置有第一阀门。
进一步地，位于任意一所述阳极电解区域的解槽底部均连通第一阳极输液管***和第二阳极输液管***；还包括第二阳极电解液储罐和第一阳极电解液储罐；所述第二阳极输液管***上设置有用于将电解槽内电解液抽入第二阳极电解液储罐和第一阳极电解液储罐的第三泵；所述第一阳极输液管***上设置有用于将第二阳极电解液储罐和第一阳极电解液储罐内电解液抽入电解槽内的第四泵。
进一步地，所述第三泵和第二阳极电解液储罐和第一阳极电解液储罐之间分别通过管路一和管路二相连通；
所述第四泵和第二阳极电解液储罐和第一阳极电解液储罐之间分别通过管路三和管路四相连通。
进一步地，所述管路一、管路二、管路三和管路四上分别安装设置有阀门三、阀门四、阀门五和阀门六；所述第一气液分离装置位于所述第二阳极电解液储罐和第一阳极电解液储罐上方；且所述第一气液分离装置和第二阳极电解液储罐之间连通有回流管二，且回流管二上设置第二阀门；
所述第一气液分离装置和第一阳极电解液储罐之间连通有回流管三，且回流管三上设置第三阀门。
进一步地，所述第一阳极电解液储罐、第二阳极电解液储罐和阳极电解区域内均填充有阳极电解液；所述阴极电解液储罐和阴极电解区域内填充有阴极电解液；且所述阳极电解液内分散有催化剂；所述阳极电解液和阴极电解液均选用KOH溶液；所述隔膜选用半透膜。
进一步地，所述催化剂为Ni(OH)2/NiOOH及掺杂钴量子点或者薄层纳米片；所述阳极电极和惰性电极均选自碳布，钛网或者泡沫镍；所述碱性电解水电极和阴极电极均选自贵金属材料、过渡金属化合物；所述贵金属材料包括铂、铂黑、及铂黑与碳材料的复合材料；所述过渡金属化合物包括金属镍、钼、钨的磷化物、氮化物、氧化物、碳化物以及磷氮化物。
一种压滤式电解水制氢方法，包括如下步骤：
第一步：分别通过第四泵和第二泵将第二阳极电解液储罐和阴极电解液储罐内的电解液抽入电解槽的阳极电解区域和阴极电解区域内；然后关闭第四泵和第二泵；
第二步：阴极电极和阳极电极进行接电；
第三步：通过检测电解电压，判断电解进程，阴极电极处反应为Ni(OH)2+OH–→NiOOH+H2O+e–，当电解完成后；断开阴极电极和阳极电极，启动第三泵和第一泵，将电解槽内的电解液分别抽入到第二阳极电解液储罐和阴极电解液储罐内；
第四步：待检测到电解槽内电解液完全抽出后，关闭第三泵和第一泵，启动第四泵和第二泵分别将第一阳极电解液储罐和阴极电解液储罐内的电解液抽入电解槽的阳极电解区域和阴极电解区域内，关闭启动第四泵和第二泵；
同时对第二阳极电解液储罐进行加热升温即可。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过阳极电解液储罐、隔膜等的设置，实现在实际电解过程中实现两步法制氢，即在电解过程只产生氢气，不产生氧气，避免了现有容易导致氢气和氧气的混合的问题；实现两步法电解水产氢产氧空间上的分离，时间上的同步，并能提高氧化还原缓存介质的容量，提高电解水制氢的效率。
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；
图2为本发明。
具体实施方式
如图1，一种压滤式电解水制氢装置，包括一呈盒体密闭式的电解槽4；电解槽4内平行设置有若干隔膜43；并通过隔膜43分隔成若干独立的电解腔；位于电解槽4两端的两电解腔内分别设置有阳极电极41和阴极电极42；位于任意两隔膜43之间均设置一隔板组件44；隔板组件44远离阳极电极41的一侧设置成惰性电极、靠近阳极电极41的一侧设置成碱性电解水电极；隔膜43和惰性电极之间、以及隔膜43和阳极电极41之间形成阳极电解区域；隔膜43和碱性电解水电极之间、隔膜43和阴极电极42之间形成阴极电解区域。
位于阴极电解区域和阳极电解区域的电解槽4顶部分别设置有阴极出气口和阳极出气口；若干阴极出气口通过阴极出气管402连通有一第二气液分离装置52；若干阳极出气口通过阳极出气管401连通有一第一气液分离装置51。
进位于任意一阴极电解区域的电解槽4底部设置有阴极出液口，阴极出液口通过阴极输液管63连通阴极电解液储罐6；阴极电解液储罐6的底部连通第一管路64和第二管路65，且第一管路64和第二管路65均与阴极输液管63连通；第一管路64上设置有用于将电解槽4内电解液抽入阴极电解液储罐6的第一泵66，第二管路65上设置有用于将阴极电解液储罐6内电解液抽入电解槽4内的第二泵67。
第一管路64和第二管路65上分别设置有阀门一和阀门二；阴极电解液储罐6位于第二气液分离装置52正下方，且阴极电解液储罐6和第二气液分离装置52连通有回流管一61，回流管一61上设置有第一阀门62。
进一步地，位于任意一阳极电解区域的电解槽4底部均连通第一阳极输液管***74和第二阳极输液管***83；还包括第二阳极电解液储罐8和第一阳极电解液储罐7；第二阳极输液管***83上设置有用于将电解槽4内电解液抽入第二阳极电解液储罐8和第一阳极电解液储罐7的第三泵84；第一阳极输液管***74上设置有用于将第二阳极电解液储罐8和第一阳极电解液储罐7内电解液抽入电解槽4内的第四泵73。
进一步地，第三泵84和第二阳极电解液储罐8和第一阳极电解液储罐7之间分别通过管路一82和管路二81相连通；
第四泵73和第二阳极电解液储罐8和第一阳极电解液储罐7之间分别通过管路三72和管路四71相连通。
管路一82、管路二81、管路三72和管路四71上分别安装设置有阀门三、阀门四、阀门五和阀门六；第一气液分离装置51位于第二阳极电解液储罐8和第一阳极电解液储罐7上方；且第一气液分离装置51和第二阳极电解液储罐8之间连通有回流管二55，且回流管二55上设置第二阀门56；
第一气液分离装置51和第一阳极电解液储罐7之间连通有回流管三53，且回流管三53上设置第三阀门54。
第一阳极电解液储罐7、第二阳极电解液储罐8和阳极电解区域内均填充有阳极电解液；阴极电解液储罐6和阴极电解区域内填充有阴极电解液；且阳极电解液内分散有催化剂；阳极电解液和阴极电解液均选用KOH溶液；隔膜43选用半透膜。
催化剂为Ni(OH)2/NiOOH及掺杂钴量子点；阳极电极41和惰性电极均选自泡沫镍；碱性电解水电极和阴极电极42均选自铂。
一种压滤式电解水制氢方法，包括如下步骤：
第一步：分别通过第四泵73和第二泵67将第二阳极电解液储罐8和阴极电解液储罐6内的电解液抽入电解槽4的阳极电解区域和阴极电解区域内；然后关闭第四泵73和第二泵67；
第二步：阴极电极42和阳极电极41进行接电；
第三步：通过检测电解电压，判断电解进程，阴极电极13处反应为Ni(OH)2+OH–→NiOOH+H2O+e–，当电解完成后；断开阴极电极42和阳极电极41，启动第三泵84和第一泵66，将电解槽4内的电解液分别抽入到第二阳极电解液储罐8和阴极电解液储罐6内；
第四步：待检测到电解槽4内电解液完全抽出后，关闭第三泵84和第一泵66，启动第四泵73和第二泵67分别将第一阳极电解液储罐7和阴极电解液储罐6内的电解液抽入电解槽4的阳极电解区域和阴极电解区域内，关闭启动第四泵73和第二泵67；
同时对第二阳极电解液储罐8进行加热升温即可，阳极储罐里的Ni(OH)2/NiOOH及掺杂钴量子点或者薄层纳米片作为氧化还原催化剂在80℃温度下发生化学析氧反应，反应为4NiOOH+2H2O→4Ni(OH)2+O2。
同时在第三步中，当电解完成后，此时打开第二阀门56和第一阀门62，此时在回流管二55和回流管一61的作用下，第一气液分离装置51和第二气液分离装置52内的液体分别会流至二阳极电解液储罐8和阴极电解液储罐6内，回流完成后，关闭第二阀门56和第一阀门62。
同时在第三步中，检测第二阳极电解液储罐8和阴极电解液储罐6内的液面，并判断阴极电解液储罐2和第一阳极电解液储罐3内电解液体积V1和V2，初始电解池1内的电解液体积为V0，则判断失水量为Va＝V0-V1-V2；同步根据V1和V2，判断分别需要向阴极电解液储罐2和第一阳极电解液储罐3补充的水的体积Vb1和Vb2；
在第三步中，还向阴极电解液储罐2补充体积为Vb1的水。
在第四步中，当第二阳极电解液储罐8完成析氧后，向第二阳极电解液储罐8补充体积为Vb2的水。
同时还包括两个分别用于对第二阳极电解液储罐8和第一阳极电解液储罐7进行加热冷却的加热冷却***；
包括用于第二阳极电解液储罐8或第一阳极电解液储罐7将浸没在其内部的调温槽20；调温槽20分别接通热水箱10和冷水箱30；热水箱10和冷水箱30均位于调温槽20下方；调温槽20底部分别通过管道一A11和管道二A31连通热水箱10和冷水箱30；且热水箱10和冷水箱30还分别通过管道一B12和管道二B32与调温槽20的顶部连通；管道一A11和管道二A31上分别设置有第一控制阀门14和第二控制阀门34；管道一B12和管道二B32上分别设置有第一液泵13和第二液泵33；管道一B12和管道二B32的出水端均连通在调温槽20的顶部一侧，管道一B12和管道二B32的进水端分别连通在热水箱10和冷水箱30的底部。
当需要对放置在内部的第二阳极电解液储罐8或第一阳极电解液储罐7进行加热时，关闭第二控制阀门34，打开第一控制阀门14，并通过第一液泵13将热水箱10内的高温热水泵入调温槽20内，利用热水对调温槽20内的阳极析氧槽进行加热，此时存储在阳极析氧槽内的电解液在加热作用下，此时第二阳极电解液储罐8或第一阳极电解液储罐7内的发生4NiOOH+2H2O→4Ni(OH)2+O2↑，当氧气产生速度下降至指定速率时，判定析氧完成，此时关闭第一液泵13，待调温槽20内水完全流出后，关闭第一控制阀门14，并打开第二控制阀门34以及启动第二液泵33，此时在第二液泵33的作用下将冷水箱30内的水泵入调温槽20内对调温槽20内的阳极析氧槽进行冷却。
在上述冷却和加热过程中，保持冷水/热水的流动性，从而保证冷却/加热的效果。
冷水箱30内设置有制冷装置，热水箱10内设置有加热装置；制冷装置包括设置在冷水箱30内侧壁的半导体制冷片；加热装置为设置在热水箱10内底侧面的电加热管；热水箱10的外侧壁上设置保温层；阳极析氧槽内设置有检测温度的温度传感器。通过制冷装置和加热装置的设置，方便在进行加热的过程中，不停的对用于对阳极析氧槽进行加热的水进行加热，保证加热用水温度相对恒定；利用制冷装置方便在进行冷却的过程中，不停的对用于对阳极析氧槽进行冷却的水进行冷却，保证冷却用水温度相对恒定。
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 (6)

1.一种压滤式电解水制氢装置，其特征在于：包括一呈盒体密闭式的电解槽(4)；
所述电解槽(4)内平行设置有若干隔膜(43)；并通过所述隔膜(43)分隔成若干独立的电解腔；
位于所述电解槽(4)两端的两电解腔内分别设置有阳极电极(41)和阴极电极(42)；位于任意两隔膜(43)之间均设置一隔板组件(44)；
所述隔板组件(44)远离阳极电极(41)的一侧设置成惰性电极、靠近阳极电极(41)的一侧设置成碱性电解水电极；
所述隔膜(43)和惰性电极之间、以及隔膜(43)和阳极电极(41)之间形成阳极电解区域；
所述隔膜(43)和碱性电解水电极之间、隔膜(43)和阴极电极(42)之间形成阴极电解区域；
所述隔膜(43)选用半透膜；
位于任意一所述阴极电解区域的电解槽(4)底部设置有阴极出液口，所述阴极出液口通过阴极输液管(63)连通阴极电解液储罐(6)；
所述阴极电解液储罐(6)的底部连通第一管路(64)和第二管路(65)，且所述第一管路(64)和第二管路(65)均与阴极输液管(63)连通；
所述第一管路(64)上设置有用于将电解槽(4)内电解液抽入阴极电解液储罐(6)的第一泵(66)，所述第二管路(65)上设置有用于将阴极电解液储罐(6)内电解液抽入电解槽(4)内的第二泵(67)；
位于任意一所述阳极电解区域的电解槽(4)底部均连通第一阳极输液管***(74)和第二阳极输液管***(83)；
还包括第二阳极电解液储罐(8)和第一阳极电解液储罐(7)；
所述第二阳极输液管***(83)上设置有用于将电解槽(4)内电解液抽入第二阳极电解液储罐(8)和第一阳极电解液储罐(7)的第三泵(84)；
所述第一阳极输液管***(74)上设置有用于将第二阳极电解液储罐(8)和第一阳极电解液储罐(7)内电解液抽入电解槽(4)内的第四泵(73)；
所述第一阳极电解液储罐(7)、第二阳极电解液储罐(8)和阳极电解区域内均填充有阳极电解液；
所述阴极电解液储罐(6)和阴极电解区域内填充有阴极电解液；
且所述阳极电解液内分散有催化剂；
所述阳极电解液和阴极电解液均选用KOH溶液；所述催化剂为Ni(OH)2/NiOOH及掺杂钴量子点或者薄层纳米片；所述阳极电极(41)和惰性电极均选自碳布，钛网或者泡沫镍；所述碱性电解水电极和阴极电极(42)均选自贵金属材料、过渡金属化合物；所述贵金属材料包括铂、铂黑、及铂黑与碳材料的复合材料；所述过渡金属化合物包括金属镍、钼、钨的磷化物、氮化物、氧化物、碳化物以及磷氮化物。
2.根据权利要求1所述的一种压滤式电解水制氢装置，其特征在于，位于所述阴极电解区域和阳极电解区域的电解槽(4)顶部分别设置有阴极出气口和阳极出气口；
若干所述阴极出气口通过阴极出气管(402)连通有一第二气液分离装置(52)；若干所述阳极出气口通过阳极出气管(401)连通有一第一气液分离装置(51)。
3.根据权利要求2所述的一种压滤式电解水制氢装置，其特征在于，所述第一管路(64)和第二管路(65)上分别设置有阀门一和阀门二；
所述阴极电解液储罐(6)位于所述第二气液分离装置(52)正下方，且所述阴极电解液储罐(6)和第二气液分离装置(52)连通有回流管一(61)，所述回流管一(61)上设置有第一阀门(62)。
4.根据权利要求2所述的一种压滤式电解水制氢装置，其特征在于，所述第三泵(84)和第二阳极电解液储罐(8)和第一阳极电解液储罐(7)之间分别通过管路一(82)和管路二(81)相连通；
所述第四泵(73)和第二阳极电解液储罐(8)和第一阳极电解液储罐(7)之间分别通过管路三(72)和管路四(71)相连通。
5.根据权利要求4所述的一种压滤式电解水制氢装置，其特征在于，所述管路一(82)、管路二(81)、管路三(72)和管路四(71)上分别安装设置有阀门三、阀门四、阀门五和阀门六；
所述第一气液分离装置(51)位于所述第二阳极电解液储罐(8)和第一阳极电解液储罐(7)上方；
且所述第一气液分离装置(51)和第二阳极电解液储罐(8)之间连通有回流管二(55)，且回流管二(55)上设置第二阀门(56)；
所述第一气液分离装置(51)和第一阳极电解液储罐(7)之间连通有回流管三(53)，且回流管三(53)上设置第三阀门(54)。
6.基于权利要求1-5任一项所述一种压滤式电解水制氢装置的一种压滤式电解水制氢方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：分别通过第四泵(73)和第二泵(67)将第二阳极电解液储罐(8)和阴极电解液储罐(6)内的电解液抽入电解槽(4)的阳极电解区域和阴极电解区域内；然后关闭第四泵(73)和第二泵(67)；
第二步：阴极电极(42)和阳极电极(41)进行接电；
第三步：通过检测电解电压，判断电解进程，当电解完成后；断开阴极电极(42)和阳极电极(41)，启动第三泵(84)和第一泵(66)，将电解槽(4)内的电解液分别抽入到第二阳极电解液储罐(8)和阴极电解液储罐(6)内；
第四步：待检测到电解槽(4)内电解液完全抽出后，关闭第三泵(84)和第一泵(66)，启动第四泵(73)和第二泵(67)分别将第一阳极电解液储罐(7)和阴极电解液储罐(6)内的电解液抽入电解槽(4)的阳极电解区域和阴极电解区域内，关闭启动第四泵(73)和第二泵(67)；
同时对第二阳极电解液储罐(8)进行加热升温即可。
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