CN111733428B - 一种用于电解水制气的电解单元、电解水制气装置及其应用与电解水制气工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电解水制气的电解单元、电解水制气装置及其应用与电解水制气工艺，属于电解技术领域。电解单元包括依次设置的第一阴极、共用阳极和第二阴极。共用阳极与两个阴极间均设有隔膜以将各电极隔离成不同的电解小室。各电极的电极板均分别设有三个进孔和三个出孔，各电极板的各进出孔分别一一对应连通。第一阴极的第一进孔和第一出孔与电解小室连通，第二阴极的第三进孔和第三出孔与电解小室连通，共用阳极的第二进孔和第二出孔与电解小室连通。上述电解单元及含该电解单元的装置均可使电解水制气时电解小室间压力始终处于平衡状态，将其用于制气，可不采用压力平衡泵即可维持压力平衡，大大降低了电解水制气系统的复杂度和成本。

Description

一种用于电解水制气的电解单元、电解水制气装置及其应用 与电解水制气工艺

技术领域

本发明涉及电解技术领域，具体而言，涉及一种用于电解水制气的电解单元、电解水制气装置及其应用与电解水制气工艺。

背景技术

电解水制气主要指电解水制氢，是一种仅消耗电能和水的制氢制氧工艺。当前有多种水电解工艺，如质子交换膜电解水、碱式电解水、高温电解水、光催化电解水等。采用以上工艺水电解时，由于电子数量守恒，一个水分子必然被电解为2个氢离子和1个氧离子。按摩尔量算，每产生1 摩尔氢气必然产生0.5摩尔氧气，因此随着电解的进行阴极电解小室压力始终会大于阳极电解小室压力，在阴极阳极间存在压差。压差的存在必然导致阴极气体向阳极电解小室扩散，从而降低电解产气纯度，甚至导致电解系统损坏，使氢气和氧气混合而产生危险带来爆炸危险。

为解决这一问题，工业上普遍采用外置压力泵，根据阴阳两极压差水平在阳极进行压力调整，从而使两极间压差维持在较低水平。

但外置压力泵的使用必然提高电解系统技术难度，同时也会带来明显的成本上升，不利于电解技术推广和使用。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一包括提供一种用于电解水制气的电解单元，可不采用压力平衡泵维持压力平衡，大大降低了电解水制气系统的复杂度和成本。

本发明的目的之二包括提供一种含有上述电解单元的电解水制气装置，其具有上述电解单元所具备的所有技术效果。

本发明的目的之三包括提供一种上述电解单元或电解水制气装置的应用，即可用于电解水制氢。

本发明的目的之四包括提供一种电解水制气工艺，该制气工艺采用了上述电解单元或电解水制气装置。

本申请是这样实现的：

第一方面，本申请提供一种用于电解水制气的电解单元，电解单元包括第一阴极、共用阳极和第二阴极，第一阴极和第二阴极相对设置，共用阳极设置于第一阴极和所第二阴极之间且共用阳极的侧面分别与第一阴极和第二阴极相对；

第一阴极、共用阳极以及第二阴极分别均具有电极板和电极片，每个电极板均设有用于容纳电极片的腔室，共用阳极与两个阴极之间均设有隔膜以将阴极和阳极隔离形成多个用于电解电解液的电解小室；

各电极的电极板均分别设有第一进孔、第二进孔、第三进孔、第一出孔、第二出孔和第三出孔，且各电极板的各进孔分别一一对应连通，各出孔也分别一一对应连通，第一进孔、第二进孔和第三进孔均用于将待电解的电解液流进电解小室，第一出孔、第二出孔和第三出孔均用于将电解后生成的气体和/或电解后多余的液体流出电解小室；

其中，第一阴极的电极板上的第一进孔和第一出孔均与第一阴极对应的电解小室连通，共用阳极的电极板上的第二进孔和第二出孔均与共用阳极对应的电解小室连通，第二阴极的电极板上的第三进孔和第三出孔均与第二阴极对应的电解小室连通。

在可选的实施方式中，第一阴极的电极板、第二阴极的电极板以及共用阳极的电极板均为对称结构，每个电极板均具有相互对称的第一部和第二部，第一进孔、第二进孔和第三进孔沿逆时针方向开设于第一部，第一出孔、第二出孔和第三出孔沿逆时针方向开设于第二部。

在可选的实施方式中，第一阴极的电极板、第二阴极的电极板以及共用阳极的电极板均为正方形或圆形。

在可选的实施方式中，第一阴极对应的电解小室、共用阳极对应的电解小室和第二阴极对应的电解小室体积相同。

在可选的实施方式中，第一阴极、共用阳极和第二阴极的大小相同。优选地，第一阴极、共用阳极和第二阴极的大小和材料均相同。

在可选的实施方式中，隔膜的制备材料为只允许离子透过的膜。

在可选的实施方式中，隔膜包括质子交换膜、阴离子交换膜、氢氧根离子交换膜、阳离子交换膜、阳离子导体氧化物隔膜或质子导体氧化物隔膜。

在可选的实施方式中，制备隔膜的材料具有孔洞结构，优选地，孔洞的直径不超过100μm。

在可选的实施方式中，每个电极板均设有卡槽，各电极片分别与对应的电极板卡接。

在可选的实施方式中，电解单元还包括用于电解的电解液。

在可选的实施方式中，电解液包括酸性水溶液、碱性水溶液、水和水蒸气中的任意一种。

在可选的实施方式中，每个电极板的板面均设有连接孔。

在可选的实施方式中，连接孔沿电极板的周向间隔设置，优选地，连接孔沿电极板的周向等距间隔设置。

在可选的实施方式中，电极板和电极片形成的电解小室与连接孔之间设有密封圈。

第二方面，本申请提供一种电解水制气装置，其包括电源以及如前述的电解单元，电解单元与电源电连接。

在可选的实施方式中，电解水制气装置还包括连接于电解单元的两侧的底板和面板。

在可选的实施方式中，当电解单元的数量为多个时，电解水制气装置还包括连接板，多个电解单元按前一电解单元的第二阴极与后一电解单元的第一阴极或第二阴极通过连接板连接的方式叠加。

多个电解单元的所有共用阳极均与电源正极连接，多个电解单元的所有阴极均与电源的负极连接。

或，位于多个电解单元的一端的电解单元的阳极与电源正极连接，另一端的阴极与电源负极连接，其余电极串联。

在可选的实施方式中，连接板的制备材料为耐腐蚀材料，优选地，耐腐蚀材料包括不锈钢和/或耐腐蚀的绝缘材料，更优包括304不锈钢、316 不锈钢、聚四氟乙烯或聚乙醚。

第三方面，本申请提供一种如前述的电解单元或电解水制气装置在电解水制气(如制氢)中的应用。

在可选的实施方式中，前述的电解单元或电解水制气装置用于电解水制氢。

第四方面，本申请提供一种电解水制气工艺，采用包括碱式电解水制气、高温固体氧化物电解水制气、质子交换膜电解水制气、酸式电解水制气或光催化电解水制气的制气方法进行制气，制气过程中使用如前述的电解单元或电解水制气装置。

本申请的有益效果包括：

通过“三通道进液及三通道排气排液”设置，采用三个进液通道分别给共用阳极、第一阴极和第二阴极提供电解液，能够使得电解时各电解小室进液排液相互独立，避免了进液、排液以及排气不均给电解小室带来的压力变化，同时还有效降低了堆装时电解液导电带来的效率损失。将其与“阴极|阳极|阴极”的对称式结构结合，可以实现电解水制气时电解小室间压力始终处于平衡状态，即各电解小室间压差时刻保持在极低水平，该设计不采用压力平衡泵维持压力平衡，大大降低了电解水制气系统的复杂度和成本，可实现低成本制气，可大规模应用于电解水制气领域。

含上述电解单元的电解水制气装置可以实现高压力、高动态载荷、快速响应的电解水制气，尤其适合与风能、太阳能等波动性较大的能源结合，进行绿色能源的高效利用，将其用于电解水制气可有效降低相应工艺的成本，提高绿色能源制气市场竞争力，有利于我国新能源技术的发展和应用，尤其是氢能相关技术的发展和推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请提供的电解水制气装置的第一种结构示意图；

图2至图4依次为图1中第一阴极板、共用阳极板和第二阴极板的结构示意图；

图5至图7依次为电解液在图1中第一阴极的电解小室、共用阳极的电解小室以及第二阴极的电解小室内的流动情况；

图8至图10依次为图1中的第一阴极片、共用阳极片和第二阴极片；

图11为本申请提供的电解水制气装置的第二种结构示意图；

图12至图14依次为图11中第一阴极板、共用阳极板和第二阴极板的结构示意图。

主要元件符号说明：10-底板；21-第一阴极；22-共用阳极；23-第二阴极；24-第一阴极片；25-共用阳极片；26-第二阴极片；30-隔膜；40-连接板； 50-面板；61-卡槽；62-接线头；63-连接孔；64-密封圈；71-第一进孔；72- 第二进孔；73-第三进孔；74-第一出孔；75-第二出孔；76-第三出孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

下面对本申请提供的用于电解水制气的电解单元、电解水制气装置及其应用与电解水制气工艺进行具体说明。

请参照图1(该图未示出电极片)与图11(该图未示出电极片)，本申请提出一种用于电解水制气的电解单元，电解单元包括第一阴极21、共用阳极22和第二阴极23，第一阴极21和第二阴极23相对设置，共用阳极 22设置于第一阴极21和所第二阴极23之间且共用阳极22的侧面分别与第一阴极21和第二阴极23相对。

第一阴极21、共用阳极22以及第二阴极23分别均具有电极板和电极片，每个电极板均设有用于容纳电极片的腔室，共用阳极22与两个阴极之间均设有隔膜30以将阴极和阳极隔离形成多个用于电解电解液的电解小室。

上述结构可理解成“阴极|阳极|阴极”的对称式结构。该对称式结构通过将两个子电解单元的阳极与阳极合并，阴极分别置于合并后的阳极两侧，从而形成一个具有三电极的电解单元。

其中，子电解单元由1个阳极和1个阴极组成，电解时阳极上产生1 体积的气体，如氧气，阴极上产生2体积的气体，如氢气。当将两个子电解单元的阳极相连并接电源正极，将两个电解单元的阴极相连并接于电源负极，电解时则在两个阳极上各产生1体积的氧气，总共2体积的氧气，在两个阴极上各产生2体积的氢气，总共4体积的氢气。

本申请中的“阴极|阳极|阴极”的对称式结构即是将两个子电解单元中阳极相连并合并成为一个共用阳极22，并保持两个阴极不变。电解时在共用阳极22上产生2体积的氧气，同时在两个阴极上各产生2体积的氢气。由于两个阴极是相互独立，因此存在两个阴极电解小室，在每个阴极电解小室产生的等量氢气，即各产生2体积的氢气，此时两个阴极电解小室的气体体积和共用阳极22电解小室的气体体积是相等的，因此三个电解小室之间压差极小，实现三个电解小室的压力平衡。

进一步地，请结合图2至图4以及图12至图14，各电极的电极板均分别设有第一进孔71、第二进孔72、第三进孔73、第一出孔74、第二出孔 75和第三出孔76，各电极板的各进孔分别一一对应连通，各出孔也分别一一对应连通。

具体的，第一阴极21的电极板上的第一进孔71、第二阴极23的电极板上的第一进孔71和共用阳极22的电极板上的第一进孔71对应，第一阴极21的电极板上的第二进孔72、第二阴极23的电极板上的第二进孔72和共用阳极22的电极板上的第二进孔72对应，第一阴极21的电极板上的第三进孔73、第二阴极23的电极板上的第三进孔73和共用阳极22的电极板上的第三进孔73对应。值得说明的是，此处的“对应”可以是在任一电极板表面的投影完全重合。

上述三个进孔均用于进液(第一进孔71、第二进孔72和第三进孔73 均用于将待电解的电解液流进电解小室)，三个出孔均用于出液出气(第一出孔74、第二出孔75和第三出孔76均用于将电解后生成的气体和/或电解后多余的液体流出电解小室)。也即，待电解的电解液从进孔进入，电解产生的气体和电解后剩余的电解液从出孔排出。该设置可定义为“三通道进液及三通道排气排液”设置。

上述第一阴极21的电极板上的第一进孔71和第一出孔74均与第一阴极21对应的电解小室连通，以在该电极对应的电解小室对电解液进行电解。

第二阴极23的电极板上的第三进孔73和第三出孔76均与第二阴极23 对应的电解小室连通，以在该电极对应的电解小室对电解液进行电解。

共用阳极22的电极板上的第二进孔72和第二出孔75均与共用阳极22 对应的电解小室连通，以在该电极对应的电解小室对电解液进行电解。

上述各进孔和出孔的形状均可以但不仅限于为圆形。

具体的，以第一阴极21为例，待电解的电解液从第一进孔71流进该电极对应的电解小室进行电解，该电解小室电解后的剩余电解液以及产生的气体从第一出孔74排出，而未进入该电解小室的其余电解液则直接通过该电极板的其余两个入孔和两个出孔。

在可选的实施方式中，第一阴极21的电极板、第二阴极23的电极板以及共用阳极22的电极板均为对称结构，每个电极板均具有相互对称的第一部和第二部，第一进孔71、第二进孔72和第三进孔73沿逆时针方向开设于第一部，第一出孔74、第二出孔75和第三出孔76沿逆时针方向开设于第二部。

可以理解为：第一阴极21、第二阴极23和共用阳极22的底部(第一部)均有三个允许电解液进入或通过的通道，分别记为左进、中进、右进。该三个通道中位于左右两侧的通道分别对应着两个阴极，中间的通道则对应阳极，电解时三个通道同时为三个电极提供等量的电解液。

第一阴极21、第二阴极23和共用阳极22的上部(第二部)均有三个允许电解液流出和电解产气排出的通道，分别记为左出、中出、右出。该三个通道中位于左右两侧的通道也分别对应两个阴极，中间的通道对应阳极，电解时三个通道同时将多余电解液和各电极上电解产生的等量气体导出，从而使各电解小室的压力差始终维持在较低水平。

具体使用时，左进为第一阴极21的进液通道，中进为共用阳极22的进液通道，右进为第二阴极23的进液通道，右出为第一阴极21的出液/气通道，中出为共用阳极22的出液/气通道，左出为第二阴极23的出液/气通道。

在可选的实施方式中，第一阴极21的电极板、第二阴极23的电极板以及共用阳极22的电极板均为正方形(参照图1)或圆形(参照图11)。在其它可选的实施方式中，各电极板也可为其它中心对称图形。第一部的三个通道以及第二部的三个通道均在每个电极板上沿电极板的对称轴对称设置。

在本申请中，第一阴极21对应的电解小室、共用阳极22对应的电解小室和第二阴极23对应的电解小室体积相同。优选地，第一阴极21、共用阳极22和第二阴极23的大小相同，更优地，第一阴极21、共用阳极22和第二阴极23的大小和材料均相同。

电解液在电解单元内的流动情况如图5至图7所示。图5所示为第一阴极21进液出液示意图。电解液通过左进液通道进入第一阴极21的电解小室，并沿箭头所示方向在电解小室内分布和流动，最终经右出通道流出电解小室，电解产生的气体也随电解液经右出通道一起排出，送入后续气液分离器。图6所示为第二阴极23进液出液示意图。电解液经右进通道进入第二阴极23的电解小室，随后沿箭头所示方向在电解小室内分布和流动，最终经左出通道流出电解小室，电解产生的气体也随电解液经左出通道一起排出，进入后续气液分离器。图7所示为共用阳极22的电解小室内电解液流动情况。电解液经中进通道进入电解小室，并沿箭头所示方向进行流动和分布，最终带着电解产生的气体一起从中出通道流出，进入后续气液分离器。

通过上述“三通道进液及三通道排气排液”设置，采用三个进液通道分别给共用阳极22、第一阴极21和第二阴极23提供电解液，能够使得电解时各电解小室进液排液相互独立，避免了进液、排液以及排气不均给电解小室带来的压力变化，同时还有效降低了堆装时电解液导电带来的效率损失。

承上，将“阴极|阳极|阴极”的对称式结构及“三通道进液及三通道排气排液”结合，可以实现电解水制气时电解小室间压力始终处于平衡状态，即各电解小室间压差时刻保持在极低水平，该设计不采用压力平衡泵维持压力平衡，大大降低了电解水制气系统的复杂度和成本，可实现低成本制气，可大规模应用于电解水制气，如制氢领域。

进一步地，在可选的实施方式中，每个电极板的板面均设有连接孔63，以用于通过螺栓等紧固件对电极板进行紧固。

在可选的实施方式中，连接孔63沿电极板的周向间隔设置，优选地，连接孔63沿电极板的周向等距间隔设置。

在可选的实施方式中，电极板和电极片形成的电解小室与连接孔63之间设有密封圈64，以防止漏气漏液。

在可选的实施方式中，本申请所用的隔膜30的制备材料为只允许离子透过的膜，其不允许气体透过。可参考地，该隔膜30可以但不限于包括质子交换膜、阴离子交换膜、氢氧根离子交换膜、阳离子交换膜、阳离子导体氧化物隔膜30或质子导体氧化物隔膜30。

在可选的实施方式中，制备隔膜30的材料具有孔洞结构，优选地，孔洞的直径不超过100μm。

通过上述设置，电解时电解液可通过隔膜30表面的孔洞在电极间转移，但由于压差极小，电解产生的气体不会通过隔膜30，因此电解产气纯度较传统电解工艺高，系统也更灵活，可实现更大范围的载荷调整。

在可选的实施方式中，请参照图8至图10，电极板包括用于与第一阴极21的电极板、第二阴极23的电极板和共用阳极22的电极板分别配合的第一阴极片24、第二阴极片26和共用阳极片25。

在可选的实施方式中，每个电极板均设有卡槽61，第一阴极片24、第二阴极片26和共用阳极片25分别与各电极板卡接，例如可通过接线头62 将电极片卡接于电极板的卡槽中。值得说明的是，第二阴极片26的卡槽61 开设于其背面，图4和图7示出的为第二阴极片26的正面，其背面的卡槽 61可参照图2第一阴极片24和图3共用阳极片25的相应结构。

在可选的实施方式中，电解单元还包括用于电解的电解液。可参考地，电解液可以但不仅限于包括酸性水溶液、碱性水溶液、水(优选为纯水) 和水蒸气中的任意一种。

此外，本申请还提供一种电解水制气装置，其包括电源以及上述的电解单元，电解单元与电源电连接。可参考地，电解水制气装置可以但不仅限于为电解池堆或电解槽。

在可选的实施方式中，电解水制气装置还包括连接于电解单元的两侧的底板10和面板50。底板10和面板50设有与各进孔、出孔配合的通道以与各电极板连接的固定孔。

在可选的实施方式中，当电解单元的数量为多个时，电解水制气装置还包括连接板40，多个电解单元按前一电解单元的第二阴极23与后一电解单元的第一阴极21或第二阴极23通过连接板40连接的方式叠加。连接板 40也设有与各进孔及出孔配合的孔。

其中，连接板40的制备材料可以为耐腐蚀材料，例如，包括不锈钢和 /或耐腐蚀的绝缘材料，如304不锈钢、316不锈钢、聚四氟乙烯或聚乙醚。

在连接时，多个电解单元可进行并联，也即多个电解单元的所有共用阳极22均与电源正极连接，多个电解单元的所有阴极均与电源的负极连接。上述并联可通过跳线方式的实现。

或，多个电解单元进行串联，也即位于多个电解单元的一端的电解单元的阳极与电源正极连接，另一端的阴极与电源负极连接，其余电极串联。上述串联可通过各电解单元逐级串联的方式实现。

以电解单元为2个为例，将2个具有三通道的电解单元叠加组合可形成较大功率的电解水制气装置。相邻两个电解单元连接可参见图1，从左到右依次为底板10、第一电解单元(依次为第一阴极21、隔膜30、共用阳极 22、隔膜30、第二阴极23)、连接板40、第二电解单元(依次为第一阴极 21、隔膜30、共用阳极22、隔膜30、第二阴极23)以及面板50。其中第一电解单元的第一阴极21和第二电解单元的第一阴极21共用一套进出液通道，第一电解单元的第二阴极23和第二电解单元的第二阴极23共用一套进出液通道，第一电解单元的共用阳极22和第二电解单元的共用阳极22 共用中间进出液通道。值得说明的是，图1中各电极的电极板为未卡接有电极片的情况，图11也亦如此。此外，本申请还提供上述电解单元或电解水制气装置在电解水制气中的应用，例如可用于制氢。

进一步地，本申请还提供了一种电解水制气工艺，其采用包括碱式电解水制气、高温固体氧化物电解水制气、质子交换膜电解水制气、酸式电解水制气或光催化电解水制气的制气方法进行制气，制气过程中使用上述的电解单元或电解水制气装置。

值得说明的是，关于本申请中相关结构和工艺的其它相关内容，可参照现有技术，在此不做过多赘述。

综上，本申请设计的三通道对称式电解水制气电极设计可以实现高压力、高动态载荷、快速响应的电解水制气，尤其适合与风能、太阳能等波动性较大的能源结合，进行绿色能源的高效利用，可以预见该技术的使用可有效降低电解水制气成本，提高绿色能源制气市场竞争力，有利于我国新能源技术的发展和应用，尤其是氢能相关技术的发展和推广。

实施例1

本实施例提供一种电解水制气装置，请一并参照图1至图10，该电解水制气装置包括2组电解单元(第一电解单元和第二电解单元)、连接板40、面板50、底板10和电源(图未示)。

其中，每个电解单元均包括第一阴极21、共用阳极22和第二阴极23，第一阴极21和第二阴极23相对设置，共用阳极22设置于第一阴极21和所第二阴极23之间且共用阳极22的侧面分别与第一阴极21和第二阴极23 相对。共用阳极22与两个阴极之间均设有隔膜30以将各电极分隔成不同的电解小室。每个电极板均设有接线头62卡槽61，用于与第一阴极21的电极板、第二阴极23的电极板和共用阳极22的电极板分别配合的第一阴极片24、第二阴极片26和共用阳极片25分别通过接线头62与各电极板卡接。每个电极板的板面均设有连接孔63，连接孔63沿电极板的周向等距间隔设置且电极板和电极片形成的电解小室与连接孔63之间设有密封圈64，其中，电极板的每个周边均分别设有4个连接孔63。

具体的，该电解水制气装置从左到右依次包括底板10、第一电解单元 (依次为第一阴极21、隔膜30、共用阳极22、隔膜30、第二阴极23)、连接板40、第二电解单元(依次为第一阴极21、隔膜30、共用阳极22、隔膜30、第二阴极23)以及面板50。

上述各电极的电极板为能相互完全重合的正方形，每个电极板均具有相互对称的第一部和第二部，第一进孔71(左进)、第二进孔72(中进) 和第三进孔73(右进)沿逆时针方向开设于第一部，第一出孔74(右出)、第二出孔75(中出)和第三出孔76(左出)沿逆时针方向开设于第二部。且各电极板的各进孔分别一一对应，各出孔也分别一一对应。每个电极板的第一部的三个进孔与第二部的三个出孔相互对称，第一进孔71和第三进孔73沿第二进孔72对称，第一出孔74和第三出孔76沿第二出孔75对称。

并且，第一阴极21的第一进孔71和第一出孔74均与第一阴极21的电极板连通；第二阴极23的第三进孔73和第三出孔76均与第二阴极23 的电极板连通；共用阳极22的第二进孔72和第二出孔75均与共用阳极22 的电极板连通。

上述第一电解单元的第一阴极21和第二电解单元的第一阴极21共用一套进出液通道，第一电解单元的第二阴极23和第二电解单元的第二阴极 23共用一套进出液通道，第一电解单元的共用阳极22和第二电解单元的共用阳极22共用中间进出液通道。

两组电解单元通过跳线的方式将共用阳极22统一连电源正极，所有阴极则通过跳线与电源负极相连，形成并联电解池堆。

电解液从右侧面板50上底部的三个进液口进入，并经各部件底部的通道进入电解单元，多余的电解液和电解产生的气体则在顶部三个出液/气通道汇集排出。三个进液通道可使用三个独立的电解液循环系统，也可共用一个电解液循环系统，但为保证进液行为一致，三个进液通道所用电解液循环系统在配件、电气化控制、布管排线等方面严格保持一致。面板50上的三个出液/气通道分别与气液分离器相连，其中气体经分离干燥后进入储罐，电解液则被循环使用。

本实施例中的连接板40材质为可耐强碱腐蚀的不锈钢(304不锈钢)。隔膜30采用质子交换膜制得且上述隔膜30的表面具有直径不超过100微米的孔洞。电解液为纯水。

实施例2

本实施例的连接板40的材质为聚四氟乙烯高绝缘材料。连接板40将相邻的电解单元阴极分隔开，采用逐级串联的方式将电解单元阳极与下一电解单元的第一阴极21或第二阴极23相连，最后将电解池堆一端的阳极与电源正极相连，而另一端的阴极与电源负极相连，形成串联电解池堆。电解液从右侧面板50上底部的三个进液口进入，并经各部件底部的通道进入电解单元，多余的电解液和电解产生的气体则在顶部三个出液/气通道汇集排出。三个进液通道可使用三个独立的电解液循环系统，也可共用一个电解液循环系统，但为保证进液行为一致，三个进液通道所用电解液循环系统在配件、电气化控制、布管排线等方面应严格保持一致。面板50上的三个出液/气通道分别与气液分离器相连，其中气体经分离干燥后进入储罐，电解液则被循环使用。

其余结构同实施例1。

实施例3

请参照图11至图14，本实施例与实施例1的区别在于：电极板的形状为圆形，连接孔63沿电极板的周向等距间隔设置，相邻两个进孔和/或出孔之间均设有一个连接孔63。

实施例4

本实施例与实施例2的区别在于：电极板的形状为圆形，连接孔63沿电极板的周向等距间隔设置，相邻两个进孔和/或出孔之间均设有一个连接孔63。

对比例1

JP2012057226和US10053786：采用高分子聚合物薄膜为隔膜，该薄膜只允许H⁺通过。将单阴极和单阳极布置在隔膜两侧。氢离子透过高分子聚合物隔膜在阴极形成氢气，电解产生的氧气则和电解液混合一起排出，通过外置压力平衡装置调整阳极电解液的压力，从而实现阴极和阳极间压力平衡。该发明依赖外置的压力平衡装置进行压力平衡，动态响应慢，系统成本高。

对比例2

CN108251856A：采用带增强水合功能的质子交换膜作为隔膜，将单阳极片和单阴极片分别置于所用隔膜两侧，并与电源连接，是隔膜两侧的阳极和阴极上分别产生氧气和氢气，并通过循环水泵将阳极液和混合在其中的氧气排出，实现压力平衡。同样的，该发明依赖外置的压力平衡装置进行压力平衡，动态响应慢，系统成本高。

对比例3

CN109898092A：通过在电解池内引入第三电极，可根据需要配合阴阳极进行电解，实现独立的析氢和析氧反应，该发明虽可提高产气纯度，但无法实现压力动态平衡和电解单元的叠加制气，因此存在较大缺陷。

对比例4

TWM494169：通过在外设两个连通管的存储罐，罐内装满电解液。电解时，氢气存储罐压力增大，推动存储罐内的电解液向氧气存储罐流动，实现压力平衡。该发明虽可实现产气压力平衡，但缺少规模化应用可行性，尤其缺乏高压电解水制氢可行性。

对比例5

CN102162107A：通过采用双层隔膜在阴极和阳极分别形成低压区和高压区，其中阴极压力等于电解液压力，阳极压力最高可达24.8MPa。其中一层离子交换膜采用了铂浸入，可提供较高的析氧活性，另外一层未处理的离子交换膜位于阳极和处理过的离子交换膜之间。电解时，由于离子交换膜的选择性透过功能，在阳极形成了一个高压区，在阴极形成低压区，从而获得高压的氧气。该发明以制氧为应用目标，主要用于航空航天领域，无法满足规划化制氢需求。

对比例6

CN105734600A，CN105420748A，CN105463497A：采用三个电极构成两个独立的电解槽，分别进行氢气电解和氧气的电解。其三电极分别为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和氢氧化镍(Ni(OH)₂)电极。电解时，一个电解槽用于产氢气，另外一个电解槽用于产氧气；产氢气时,阴极连接析氢催化电极, 阳极连接氢氧化镍电极；产氧气时,阴极连接氢氧化镍电极,阳极连接析氧催化电极。该发明专利涉及一种分开产生氢气和氧气的方法，不涉及电解系统的压力平衡，明显区别于本发明。

对比例7

CN111005029A：采用双阴极单阳极对称式设计进行电解水制氢，具体涉及一种电解水产气压力自平衡装置，其电解单元包括第一阴极、共用阳极和第二阴极，共用阳极设置于第一阴极和第二阴极之间，共用阳极的两侧面分别与第一阴极和第二阴极相对设置，第一阴极和第二阴极并联且分别用于与外部电源的负极连接，共用阳极用于与外部电源的正极连接，可组成无压差的电解单元。第一阴极和第二阴极共用一个进液通道和一个出液通道，电解时由于两个阴极产气总量较多，极易引起严重的气泡驻留，从而在第一阴极小室和第二阴极小室与阳极电解小室存在较大压差，导致隔膜破损失效，电解单元报废。

而本申请涉及一种三进三出电解结构设计，即同样采用第一阴极、共用阳极和第二阴极设计，但在各个电极下部从左到右预留三个进液口，且在电极上部从左到右也预留三个出液口，分别对应第一阴极进液出液，共用阳极进液出液，第二阴极进液出液。通过将第一阴极和第二阴极的进出液通道分离，使第一阴极和第二阴极成为相互独立的两个电极，因此，电解时不会相互影响，从而使电解更稳定，因此本发明具有显著效果。

对比例8

CN2224210Y：公开了一种加强型电解槽，包括由两个阴极组成双阴极式电解槽，电解时电解液由共同阳极进入，并沿阳极表面凹凸型电解液循环通道流动，并渗入设置于阳极两侧的阴极区，在阴极区产生氢气，产生的氢气通过氢气收集装置进行收集，多余的电解液则回到共同阳极进入循环。该专利旨在加强氢气产量，仅能在常压下工作，不涉及压力平衡和高压条件下电解水制氢领域，与本发明差别显著。

综上所述，本申请设计的三通道对称式电解水制气电极设计可以实现高压力、高动态载荷、快速响应的电解水制气，尤其适合与风能、太阳能等波动性较大的能源结合，进行绿色能源的高效利用，可以预见该技术的使用可有效降低电解水制气成本，提高绿色能源制气市场竞争力，有利于我国新能源技术的发展和应用，尤其是氢能相关技术的发展和推广。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (28)

1.一种用于电解水制气的电解单元，其特征在于，所述电解单元包括第一阴极、共用阳极和第二阴极，所述第一阴极和所述第二阴极相对设置，所述共用阳极设置于所述第一阴极和所第二阴极之间且所述共用阳极的侧面分别与所述第一阴极和所述第二阴极相对；

所述第一阴极、所述共用阳极以及所述第二阴极分别均具有电极板和电极片，每个电极板均设有用于容纳电极片的腔室，所述共用阳极与两个阴极之间均设有隔膜以将阴极和阳极隔离形成多个用于电解电解液的电解小室；

各电极的所述电极板均分别设有第一进孔、第二进孔、第三进孔、第一出孔、第二出孔和第三出孔，且各电极板的各进孔分别一一对应连通，各出孔也分别一一对应连通，所述第一进孔、所述第二进孔和所述第三进孔均用于将待电解的电解液流进电解小室，所述第一出孔、所述第二出孔和所述第三出孔均用于将电解后生成的气体和/或电解后多余的液体流出电解小室；

其中，所述第一阴极的电极板上的所述第一进孔和所述第一出孔均与所述第一阴极对应的电解小室连通，所述共用阳极的电极板上的所述第二进孔和所述第二出孔均与所述共用阳极对应的电解小室连通，所述第二阴极的电极板上的所述第三进孔和所述第三出孔均与所述第二阴极对应的电解小室连通。

2.根据权利要求1所述的电解单元，其特征在于，所述第一阴极的电极板、所述第二阴极的电极板以及所述共用阳极的电极板均为对称结构，每个电极板均具有相互对称的第一部和第二部，所述第一进孔、所述第二进孔和所述第三进孔沿逆时针方向开设于所述第一部，所述第一出孔、所述第二出孔和所述第三出孔沿逆时针方向开设于所述第二部。

3.根据权利要求2所述的电解单元，其特征在于，所述第一部的三个进孔与所述第二部的三个出孔相互对称。

4.根据权利要求3所述的电解单元，其特征在于，所述第一进孔和第三进孔沿所述第二进孔对称，所述第一出孔和所述第三出孔沿所述第二出孔对称。

5.根据权利要求4所述的电解单元，其特征在于，所述第一阴极的电极板、所述第二阴极的电极板以及所述共用阳极的电极板均为正方形或圆形。

6.根据权利要求2所述的电解单元，其特征在于，所述第一阴极对应的电解小室、所述共用阳极对应的电解小室和所述第二阴极对应的电解小室体积相同。

7.根据权利要求2所述的电解单元，其特征在于，所述第一阴极、所述共用阳极和所述第二阴极的大小相同。

8.根据权利要求7所述的电解单元，其特征在于，所述第一阴极、所述共用阳极和所述第二阴极的大小和材料均相同。

9.根据权利要求1所述的电解单元，其特征在于，所述隔膜的制备材料为只允许离子透过的膜。

10.根据权利要求9所述的电解单元，其特征在于，所述隔膜包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、阳离子导体氧化物隔膜或质子导体氧化物隔膜。

11.根据权利要求9所述的电解单元，其特征在于，制备所述隔膜的材料具有孔洞结构。

12.根据权利要求11所述的电解单元，其特征在于，所述孔洞的直径不超过100μm。

13.根据权利要求1至12任一项所述的电解单元，其特征在于，每个电极板均设有卡槽，各电极片分别与对应的电极板卡接。

14.根据权利要求13所述的电解单元，其特征在于，所述电解单元还包括用于电解的电解液。

15.根据权利要求14所述的电解单元，其特征在于，所述电解液包括酸性水溶液、碱性水溶液、水和水蒸气中的任意一种。

16.根据权利要求13所述的电解单元，其特征在于，每个所述电极板的板面均设有连接孔。

17.根据权利要求16所述的电解单元，其特征在于，所述连接孔沿所述电极板的周向间隔设置。

18.根据权利要求17所述的电解单元，其特征在于，所述连接孔沿所述电极板的周向等距间隔设置。

19.根据权利要求16所述的电解单元，其特征在于，所述电极板和所述电极片形成的电解小室与所述连接孔之间设有密封圈。

20.一种电解水制气装置，其特征在于，所述电解水制气装置包括电源以及如权利要求1-19任一项所述的电解单元，所述电解单元与所述电源电连接。

21.根据权利要求20所述的电解水制气装置，其特征在于，所述电解水制气装置还包括连接于所述电解单元的两侧的底板和面板。

22.根据权利要求20所述的电解水制气装置，其特征在于，当所述电解单元的数量为多个时，所述电解水制气装置还包括连接板，多个所述电解单元按前一电解单元的第二阴极与后一电解单元的第一阴极或第二阴极通过所述连接板连接的方式叠加；

多个所述电解单元的所有共用阳极均与所述电源的正极连接，多个所述电解单元的所有阴极均与所述电源的负极连接；

或，位于多个所述电解单元的一端的电解单元的阳极与电源正极连接，另一端的阴极与电源负极连接，其余电极串联。

23.根据权利要求22所述的电解水制气装置，其特征在于，所述连接板的制备材料为耐腐蚀材料。

24.根据权利要求23所述的电解水制气装置，其特征在于，所述耐腐蚀材料包括不锈钢和/或耐腐蚀的绝缘材料。

25.根据权利要求24所述的电解水制气装置，其特征在于，所述耐腐蚀材料包括304不锈钢、316不锈钢、聚四氟乙烯或聚乙醚。

26.如权利要求1-19任一项所述的电解单元或如权利要求20-25任一项所述的电解水制气装置在电解水制气中的应用。

27.根据权利要求26所述的电解水制气装置，其特征在于，所述的电解单元或所述的电解水制气装置用于电解水制氢。

28.一种电解水制气工艺，其特征在于，采用包括碱式电解水制气、高温固体氧化物电解水制气、质子交换膜电解水制气、酸式电解水制气或光催化电解水制气的制气方法进行制气，制气过程中使用如权利要求1-19任一项所述的电解单元或如权利要求20-25任一项所述的电解水制气装置。

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