CN107528078A - 具有扩散层电极的高压氢气制备装置 - Google Patents

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李俊志
韩炜
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Abstract

本发明公开了具有扩散层电极的高压氢气制备装置，属于电化学技术领域，包括外壳、第一连接管、第二连接管、阳极和阴极、法兰、第一螺纹及第二螺纹；外壳为充满电解液的高压室，第一连接管位于外壳的上端，用于电解液的供给，第二连接管位于外壳的下端，用于气体的排出；阳极和阴极位于外壳内部，交替安装组成电极组，并由第二螺纹固定在法兰上，法兰通过第一螺纹连接固定在外壳上，连接内部空腔和上部气体腔；通过调整活性物质层数、尺寸，可以控制放氢反应，活性物质的再生是通过金属氧化物的电化学还原而不是对装置拆开更换。并由于扩散层、衬底与电极基底的坚固连接，保证了电极稳定性，同时扩散层、衬底的高比表面提高了氢气产生速率。

Description

具有扩散层电极的高压氢气制备装置
技术领域
本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种具有扩散层电极的高压氢气制备装置。
背景技术
氢是公认的最洁净的燃料，也是重要的化工合成原料。但它不是一次能源，它是要从一次能源通过转换生产出来的能量载体。由于燃料电池新技术的发展，氢气作为燃料电池的燃料，展现了极广泛的和潜在的市场。如何从规划及技术上准备和迎接这一必然要到来的发展，将是一项极为重大的事情。选择先进的技术，合理的方法来生产和应用氢，以获得最大的经济和环境效益，这是未来的发展趋势。目前，碱性电解水由于电解过程中需要提供的电压过高，从而导致成本升高。
发明内容
为了克服现有技术制备氢气成本过高等缺陷，本发明提供了一种具有扩散层电极的高压氢气制备装置。该装置采用了具有高表面积活性物质的工作电极，该电极能够强化电解的浸透以及在不均匀活性物质层中的质量交换过程，从而调解氢气的释放速率以及产率，通过提高电极电解水效率从而达到降低成本的目的。
本发明提供了一种具有扩散层电极的高压氢气制备装置，包括外壳1、第一连接管2、第二连接管3、阳极4和阴极5、法兰9、第一螺纹10及第二螺纹11；其中，外壳1为充满电解液的高压室，第一连接管2位于外壳1的上端，用于电解液的供给，第二连接管3位于外壳1的下端，用于气体的排出；阳极4和阴极5位于外壳1内部，交替安装组成电极组，并由第二螺纹11固定在法兰9上，法兰9通过第一螺纹10连接固定在外壳1上，连接内部空腔12和上部气体腔13；
进一步地，所述的阳极4是通过等离子喷涂方法制得，阳极上由下至上依次为导电基底6、扩散层7、衬底8，具体步骤如下：
(1)、按质量百分比将50-70％铁或镍粉、10-15％粘结剂、10-15％分散剂及10-20％阻燃剂混合，分散到等量的水里制成均匀悬浊液，水的质量与悬浊液的质量相同；
(2)、采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，先将粘结剂喷涂到导电基底6上，形成扩散层7(扩散层7的作用是使导电基底6和衬底8紧密连接增加电极稳定性)，扩散层厚度为50-100微米；
(3)、将步骤(1)的悬浊液在500℃下加热干燥，并以0.8-1M3/h的喷射量喷涂到扩散层7上，形成衬底8，衬底8的厚度为100-120微米，孔径为10-50微米。
进一步地，所述的粘结剂为酚醛树脂导电胶，所述的分散剂为羧甲基纤维素钠盐，所述的阻燃剂为六偏磷酸钠。
进一步地，所述的外壳1的材质为不锈钢，所述的导电基底6为铁片，所述的阴极5为铁片或镍片。
进一步地，所述的第一连接管2及第二连接管3为2分铁管。
进一步地，所述的阳极4的数量为13-15个，阴极5的数量为12-14个。
进一步地，所述的电解液为氢氧化钾或氢氧化钠溶液，质量浓度为20％-30％。
本发明的一种具有扩散层电极的高压氢气和氧气制备装置的工作原理：向阳极和电解液之间加上电势，阳极为利用等离子喷涂方法制得的具有扩散层7和衬底8的层板，扩散层7和衬底8上为多孔镍或铁，形成方向为从衬底向外，衬底8质量为350-700克，孔径为10-50微米。扩散层7和衬底8的多孔表面有助于电解液在阳极中自由渗透，同时保证了氢气释放最佳释放状态和操作安全性以及装置产率。此时出现强烈的离子交换，离子渗透到扩散层和衬底中，同时进行扩散层7、衬底8与电解液的反应通过反应①:
2OH--e＝+H2O, ①
在此期间释放出的氧原子氧化电极扩散层和衬底中的多孔铁通过反应②:
2Fe+2O＝2FeO ②
总反应写成③:
Fe+H2O＝FeO+H2. ③
释放出的氢气进入外壳内部高压室内，在确定的压强下通过第二连接管3输送给用户。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)通过调整活性物质层数，尺寸，可以控制放氢反应，活性物质的再生是通过金属氧化物的电化学还原而不是对装置拆开更换。
(2)装置在进行特定压强参数和放氢速度下稳定工作，放氢速度只取决于流过装置的电流值，以及电极的多孔衬底。
(3)该装置由于扩散层、衬底与电极基底的坚固连接，保证了电极稳定性，同时扩散层、衬底的高比表面提高了高压高纯度氢气产生速率。
附图说明
图1为本发明的具有扩散层电极的高压氢气制备装置的结构示意图。
图2为本发明的具有扩散层电极的高压氢气制备装置的阳极结构放大图。
图中：外壳1，第一连接管2、第二连接管3、阳极4、阴极5、导电基底6、扩散层7、衬底8、法兰9、第一螺纹10、第二螺纹11、内部空腔12、上部气体腔13。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步地说明。
实施例1
一种具有扩散层电极的高压氢气制备装置，包括外壳1、第一连接管2、第二连接管3、阳极4和阴极5、法兰9、第一螺纹10及第二螺纹11；其中，外壳1为充满电解液的高压室，电解液使用质量分数为20％的氢氧化钾溶液；第一连接管2位于外壳1的上端(用于电解液的供给)，第二连接管3位于外壳1的下端(用于气体的排出)；阳极4和阴极5位于外壳1内部，交替安装组成电极组，并由第二螺纹11固定在法兰9上，法兰9通过第一螺纹10连接固定在外壳1上，连接内部空腔12和上部气体腔13；外壳体积为0.7升，内部空腔12体积0.3升。
所述的阳极4是通过等离子喷涂方法制得，阳极上由下至上依次为导电基底6、扩散层7、衬底8，具体步骤如下：
(1)、将350克氧化铁粉，105克粘结剂酚醛树脂导电胶，105克分散剂羧甲基纤维素钠盐，140克阻燃剂六偏磷酸钠，分散到700克水里制成均匀悬浊液；
(2)、采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，先将粘结剂喷涂到导电基底6上，形成扩散层7(扩散层7的作用是使导电基底6和衬底8紧密连接增加电极稳定性)，扩散层厚度为50微米；
(3)、将步骤(1)的悬浊液在500℃下加热干燥，并以0.8M3/h的喷射量喷涂到扩散层7上，形成衬底8，衬底8的厚度为120微米，孔径为30微米。
本发明的一种具有扩散层电极的高压氢气和氧气制备装置这样工作：向阳极和电解液之间加上电势，阳极为利用等离子喷涂方法制得的具有扩散层7和衬底8的层板，衬底8孔径为30微米，形成方向为从衬底向外，离子渗透到扩散层和衬底中，同时进行扩散层、衬底与电解液的反应通过反应①:
2OH--e＝+H2O, ①
在此期间释放出的氧原子氧化电极扩散层和衬底中的多孔铁通过反应②:
2Fe+2O＝2FeO ②
总反应写成③:
Fe+H2O＝2FeO+H2. ③
氢气产量为0.4立方米/小时，压强达到52兆帕，释放出的氢气进入外壳内部高压室内，通过第二连接管3输送给用户。

Claims (7)

1.具有扩散层电极的高压氢气制备装置，其特征在于，包括外壳(1)、第一连接管(2)、第二连接管(3)、阳极(4)和阴极(5)、法兰(9)、第一螺纹(10)及第二螺纹(11)；其中，外壳(1)为充满电解液的高压室，第一连接管(2)位于外壳(1)的上端，用于电解液的供给，第二连接管(3)位于外壳(1)的下端，用于气体的排出；阳极(4)和阴极(5)位于外壳(1)内部，交替安装组成电极组，并由第二螺纹(11)固定在法兰(9)上，法兰(9)通过第一螺纹(10)连接固定在外壳(1)上，连接内部空腔(12)和上部气体腔(13)。
2.如权利要求1所述的具有扩散层电极的高压氢气制备装置，其特征在于，所述的阳极(4)是通过等离子喷涂方法制得，阳极上由下至上依次为导电基底(6)、扩散层(7)、衬底(8)，具体步骤如下：
(1)、按质量百分比将50-70％铁或镍粉、10-15％粘结剂、10-15％分散剂及10-20％阻燃剂混合，分散到等量的水里制成均匀悬浊液，水的质量与悬浊液的质量相同；
(2)、采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，先将粘结剂喷涂到导电基底(6)上，形成扩散层(7)，扩散层厚度为50-100微米；
(3)、将步骤(1)的悬浊液在500℃下加热干燥，并以0.8-1M3/h的喷射量喷涂到扩散层(7)上，形成衬底(8)，衬底(8)的厚度为100-120微米，孔径为10-50微米。
3.如权利要求2所述的具有扩散层电极的高压氢气制备装置，其特征在于，所述的粘结剂为酚醛树脂导电胶，所述的分散剂为羧甲基纤维素钠盐，所述的阻燃剂为六偏磷酸钠。
4.如权利要求1所述的具有扩散层电极的高压氢气制备装置，其特征在于，所述的外壳(1)的材质为不锈钢，所述的导电基底(6)为铁片，所述的阴极(5)为铁片或镍片。
5.如权利要求1所述的具有扩散层电极的高压氢气制备装置，其特征在于，所述的第一连接管(2)及第二连接管(3)为2分铁管。
6.如权利要求1所述的具有扩散层电极的高压氢气制备装置，其特征在于，所述的阳极(4)的数量为13-15个，阴极5的数量为12-14个。
7.如权利要求1所述的具有扩散层电极的高压氢气制备装置，其特征在于，所述的电解液为氢氧化钾或氢氧化钠溶液，质量浓度为20％-30％。
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