CN113774417A - 一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，包括恒流稳压电源、电解槽、双极电容极板，双极电容极板替代离子隔膜垂直设置在电解槽中部，将电解槽内的电解液完全隔成两部分，并构成析氢阴极室与析氧阳极室，析氢阴极室与析氧阳极室内分别安装产氢电极、产氧电极，恒流稳压电源连接在电解槽内的产氢电极和产氧电极上。本发明通过在电解水装置中引入双极电容，对产氢产氧进行空间隔离，避免了使用价格昂贵、维护困难的离子交换膜，电解水的生产效率高，稳定性好，便于长期稳定运行。

Description

一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置
技术领域
本发明涉及水电解技术领域，具体为一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置及制备方法。
背景技术
工业电解水需要采用离子隔膜来分离所生成的氢气和氧气，现采用的离子隔膜有三种：(a)在碱性电解液中电解产氢，阴极上水还原产氢的同时，生成的OH-离子通过石棉布或其它材料的隔膜达到阳极，在此界面被氧化为氧气；(b)在酸性电解液中电解产氢，阳极产生的H+离子通过质子交换膜到达阴极，在此界面被还原为氢气；(c)固体氧化物电解产氢，高温水蒸气在阴极上还原产生的O2-通过氧化物固体电解质到达阳极，在此界面被氧化为氧气。
以上各种工业电解水方案中，离子隔膜都是目前不可缺少的，以防止氢气与氧气混合。对隔膜的质量要求很高，既要使离子的传导电阻小，又要能高效阻挡氢气和氧气在膜中迁移，还必须在强酸或强碱性电解液中保持长时间运行的稳定性。所以，隔膜的使用大大增加了电解水的原材料及运行维护成本。
为取代隔膜的使用，近年来文献中报道了几种尚在研发中的“两步法”电解水方案，在无膜条件下将产氢和产氧在时间或空间上分离。这些方案都是选择两个辅助的电极反应，分别与产氢反应和产氧反应配对，组成两个反应系统。这些方案的优势是将产氢和产氧反应完全分离开而不需要使用隔膜，同时也因为引入了两个辅助反应，带来了一些技术环节上的问题需要解决，才能够实际应用。
例如：中国公开号CN111074291A公开了一种两步法电解水制氢的装置及方法。该电解装置把电解水过程分为常温电化学产氢和高温化学产氧两个步骤，先后在同一个反应器中进行，但两个步骤之间必须切换高、低温电解液，操作较繁琐，且高温化学产氧所耗的时间长，难以满足高电流密度产氢的需要。中国公开号CN105420748A也公开了一种两步法电解水制氢的装置及方法。该电解装置把电解水过程分为电化学产氢和电化学产氧两个步骤，先后在同一个反应器中进行，但同样不能同时产氢和产氧，影响生产效率。两步法引入的辅助电极上循环切换发生互逆的(电)化学反应，其材料的长时间循环稳定性也是一个棘手的问题，尤其在高电流密度下。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，以解决以上缺陷。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，包括：恒流稳压电源、电解槽、双极电容极板，所述双极电容极板替代离子隔膜垂直设置在电解槽中部，将电解槽内的电解液完全隔成两部分，并构成析氢阴极室与析氧阳极室，所述析氢阴极室与析氧阳极室内分别安装产氢电极、产氧电极，所述恒流稳压电源连接在电解槽内的产氢电极和产氧电极上；
优选地，所述双极电容电极由三维多孔的导电材料制成，包括但不限于石墨烯溶胶、碳纳米管溶胶、多孔碳、导电聚合物膜，以及复合物膜；所述双极电容极板，厚度为100微米至10毫米，其中间设置有一无孔、导电、刚性的夹层，彻底阻断氢氧混合。
优选地，所述双极电容电极上无任何导线与外电路连接，其自身的两个侧面构成电容的双极。
优选地，在通电电解过程中，双极电容极板与产氢电极相对的一侧界面发生阳极充电，与产氧电极相对的一侧界面发生阴极充电过程，不发生电化学反应；经过短暂断路，双极电容自放电，瞬间恢复初始状态；通电与断路循环由电路自动切换装置控制。
优选地，所述双极电容极板，既适用于碱性电解液，也适用于酸性电解液。
优选地，所述电解水装置还包括电路自动切换装置、气液分离槽、磁力泵、转子流量计，所述析氢阴极室与析氧阳极室的气液混合物分别经气液分离槽后，液相再汇合依次经磁力泵和转子流量计，最后返回至电解槽内，形成电解液循环回路；恒流稳压电源与电路自动切换装置串联后，其整体两端的导线分别连接在电解槽内的产氢电极和产氧电极上。
优选地，所述电解槽，包括电解槽体，所述电解槽体顶部设置有盖板，所述电解槽体与盖板之间设置有绝缘橡胶垫片并通过螺丝固定，所述产氢电极、产氧电极均贯穿盖板并通过绝缘橡胶圈贯穿盖板安装在上，所述产氢电极、产氧电极上端均露出盖板外，其下端均插入至双极电容极板两侧的电解槽体内的电解液内。
优选地，所述产氢电极的电极材料为：基于贵金属Pt、Pd与碳材料的复合物；或基于过渡金属Ni、Co、Cu或Fe的单质或化合物；或基于稀土元素W、Mo的化合物；所述产氧电极的电极材料为：基于贵金属Ru、Ir与碳材料的复合物；或基于过渡金属Ni、Co、Cu或Fe的单质或化合物；所述电解液为氢氧化钾或氢氧化钠水溶液。
本发明的有益效果在于：
本发明一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，通过在电解水装置中引入双极电容，对产氢产氧进行空间隔离，避免了使用价格昂贵、维护困难的离子交换膜。在电解过程中智能化进行电路开关的切换，完成在一个装置系统内同步的、接近连续地产氢和产氧，提高整体的生产效率。双极电容上发生双电层充放电过程，避免了(电)化学反应，一方面通过瞬时断路就能使双极电容的荷电状态自动快速复原，另一方面在充放电物理过程中材料组成、结构的变化远小于循环反应过程引起的变化，双极电容材料的长期运行稳定性能得到大大提高。
附图说明
图1：实施例1中本发明的装置结构及电解液循环示意图；
图2：实施例2中本发明的整体结构示意图；
图3：实施例2中本发明的电解槽中电解小室结构示意图；
图4：实施例2中本发明的极板结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明，需要说明的是，仅仅是对本发明构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应视为落入本发明的保护范围。
实施例1：
如图1所示，一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，包括：恒流稳压电源1、电路自动切换装置2、电解槽、气液分离槽13、磁力泵14、转子流量计15，电解槽内安装有产氢电极3、产氧电极4、双极电容极板5，双极电容极板5取代现有技术的离子隔膜，垂直设置在电解槽中部，并将电解槽内部分割成析氢阴极室和析氧阳极室，实现产氢和产氧的完全隔离。产氢电极3、产氧电极4分别设置在析氢阴极室和析氧阳极室内，析氢阴极室和析氧阳极室内的电解气液分别经气液分离槽13后，再汇合依次经磁力泵14和转子流量计15，最后返回至电解槽内，形成电解液循环回路，电解液循环回路除加速液相传质以减轻气泡效应外，其作用还包括补偿被双极电容极板阻隔的离子迁移。恒流稳压电源1与电路自动切换装置2串联后，其整体两端的导线分别连接在电解槽内的产氢电极3和产氧电极4上。
电解槽，包括电解槽体6，电解槽体6顶部设置有盖板7，电解槽体6与盖板7之间设置有绝缘橡胶垫片10并通过螺丝9固定，产氢电极3、产氧电极4均贯穿盖板7并通过绝缘橡胶圈8安装在盖板7上，产氢电极3、产氧电极4上端均露出盖板7外，其下端均插入至双极电容极板5两侧的电解槽体6内的电解液内。电解槽体6底部设置有电解液回流通道17，析氢阴极室、析氧阳极室底部均设置有连通至电解液回流通道17的电解液入口16，析氢阴极室、析氧阳极室顶部均设置有气液出口12，气液出口12均通过管道连通至各自的气液分离槽13内，气液分离槽13通过气相和液相的密度差实现气体(氢气或氧气)与电解液的分离。
双极电容电极由三维多孔的导电材料制成，包括石墨烯溶胶、碳纳米管溶胶、多孔碳、导电聚合物膜，以及复合物膜；所述双极电容极板，厚度为100微米至十毫米，其中间设置有一无孔、导电、刚性的夹层，阻断两侧电容材料中的孔隙，避免氢氧混合；双极电容电极无任何导线与外电路连接，其自身的两个侧面构成电容的双极，双极电容极板与产氢电极相对的一侧界面发生阳极充电，与产氧电极相对的一侧界面发生阴极充电过程，不发生电化学反应。双极电容极板，既适用于碱性电解液，也适用于酸性电解液。
在生产过程中，电解液11与产出的氢气、氧气从电解槽上方的气液出口12进入气液分离槽13，气液分离后的液相合并，通过磁力泵14与转子流量计15进入电解槽下方的电解液回流通道17，再通过电解液入口16回流进入电解槽内。
此例中，电解液11采用了6M KOH，双极电容极板5材质采用了多孔碳材料，并结合导电剂、粘结剂和无孔导电夹层制成。
恒流稳压电源1通过电路自动切换装置2与产氢电极3和产氧电极4连接，双极电容极板5与产氢电极3相对的一侧界面(氢侧)发生阳极充电，与产氧电极4相对的一侧界面(氧侧)发生阴极充电过程。
当电路连接时：水分子在产氢电极3上被还原为氢气析出，即2H2O+e-→H2+2OH-；OH-在外电场驱动下向阳极方向迁移，被阻隔和富集在双极电容极板5的氢侧。此侧双极电容极板5上的电子向氧侧迁移并富集在氧侧双极电容极板5表面。析氧阳极室中OH-继续向产氧电极4方向迁移，在产氧电极4上被氧化为氧气析出，即2OH-→1/2O2+H2O+e-。此过程中双极电容极板5两侧发生双电层充电，伴随内部自身电子从氢侧迁移到氧侧，代替了在此局部被阻隔的离子电迁移。
当电路断开时：当电源短暂切断后，双极电容自放电，电子在其内部返流，电容电极瞬间恢复初始状态，便可重启电源继续电解。
通过电路自动切换装置2精准控制电路的连接与断开，经短暂断路，双极电容极板5自放电瞬间恢复初始状态，使双极电容极板5上充电和自放电过程循环进行。从节能角度考虑，在恒电流产氢状态下，当双极电容极板5两侧电势差达到0.1-0.3V时，即可断开电源，使之自放电，瞬间恢复初始状态。断路时间远少于通电时间，电解过程近乎连续进行。
实施例2：
如图2所示，一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，包括：恒流稳压电源30、电路自动切换装置31、电解槽29、气液分离槽32、磁力泵33、转子流量计34，电解槽29内的电解液以及电解的氢气、氧气混合气液分别经气液分离槽32后，再汇合依次经磁力泵33和转子流量计34，最后返回至电解槽29内，形成电解液循环回路；恒流稳压电源30与电路自动切换装置31串联后，其整体两端的导线分别连接在电解槽29内的阴极和阳极上。
如图3所示，电解槽29，包括圆形的极板19、以及位于外周的圆筒状的极框18，
若干个圆形的极板19相互平行，且安装在圆筒状的极框18内，并将极框18内部分割成若干个电解小室，电解槽29内的电解小室一般为20-30个，每一电解小室内均安装有产氢电极20、产氧电极22、双极电容极板21，即双极电容极板21、产氢电极20、产氧电极22均设置有若干个，并分别对应安装在若干个电解小室内，双极电容极板21设置在电解槽29的电解小室内并将电解小室内部分割成析氢阴极室和析氧阳极室，产氢电极20、产氧电极22分别设置在双极电容极板21两侧的析氢阴极室和析氧阳极室内。
外周的极框18采用铁镀镍材料制成，其主要作用一方面是支撑整个单元小室，另一方面极框还起到流通作用，电解小室上下方的极框18内分别设置有气液通道26和电解液回流通道27，若干个电解小室的析氢阴极室和析氧阳极室中均设置有连通气液通道26的气液出口25，以及连通电解液回流通道27的电解液入口28。
极板19、产氢电极20、产氧电极22、以及双极电容极板21均通过采用钢镀镍材料制成的钢圈24嵌入在极框18内壁上，用来承受内压，并使用绝缘密封垫片23构成密封结构，防止漏液。极板19上施加一定的驱动电压，由于水的电解电压和过电位等因素，每个电解小室的电势降为2V左右。
如图4所示，极板19两端面上均设置有凹凸相间的凹面和凸面，凹面与凸面分别与相邻两个单元小室的电极相接触。极板19的作用是将相邻的两个单元小室隔开，起到导电以及集流体的作用，而极板19凸面与电极相接触形成一个腔室，有利于电解时的电解液与气体在主极板与电极之间流通。
极框18端面上设置有电解槽气液出口和电解槽电解液入口，电解槽气液出口内端连通气液通道26，电解槽电解液入口内端连通电解液回流通道27，电解槽气液出口、电解槽电解液入口外端均通过管道分别连通至两气液分离槽32中。
恒流稳压电源30通过电路自动切换装置31与电解槽29相连，电解槽中的电解气液连接至气液分离槽32，经气液分离后，电解液混合，经过磁力泵33与转子流量计34通过电解液回流通道27，进入每个电解小室中。
双极电容电极由三维多孔的导电材料制成，包括石墨烯溶胶、碳纳米管溶胶、多孔碳、导电聚合物膜，以及复合物膜；所述双极电容极板，厚度为100微米至十毫米，其中间设置有一无孔、导电、刚性的夹层，阻断两侧电容材料中的孔隙，避免氢氧混合；双极电容电极无任何导线与外电路连接，其自身的两个侧面构成电容的双极，双极电容极板与产氢电极相对的一侧界面发生阳极充电，与产氧电极相对的一侧界面发生阴极充电过程，不发生电化学反应。电解液为氢氧化钾或氢氧化钠水溶液。
在实施例1和2中，双极电容无任何导线与外电路连接，其自身的两个侧面构成电容的双极，厚度为100微米至十毫米，目的是尽可能提高电容极板的面积比电容，在通电-断路循环中获得更长的通电产氢时间。双极电容极板中间设置有一无孔、导电、刚性的夹层，作用是彻底阻断两侧电容材料中的孔隙，避免氢氧混合。
在实施例1和2中，产氢电极的电极材料为：基于贵金属Pt、Pd与碳材料的复合物；或基于过渡金属Ni、Co、Cu或Fe的单质或化合物；或基于稀土元素W、Mo的化合物；产氧电极的电极材料为：基于贵金属Ru、Ir与碳材料的复合物；或基于过渡金属Ni、Co、Cu或Fe的单质或化合物。
本发明是基于双极电化学原理，但双极电极上仅发生充放电过程，不发生Faraday氧化还原反应。在产氢阴极和产氧阳极之间，垂直放置一块没有导线连接的导电体，作为双极电容极板，并将阴极电解液和阳极电解液完全隔离。电容极板材料性质稳定，导电性好，具有三维多孔结构，目的是尽可能提高其面积比电容。
通电时，电解液中正常电迁移的离子(包括OH-或H+及其对离子)被电容极板阻隔，造成电容极板的氢侧附近液层中负离子过剩，而氧侧附近正离子过剩，同时电容极板内部自身电子从氢侧迁移到氧侧，代替了在此局部被阻隔的离子电迁移。此过程可分解为电容电极氢侧的阳极充电和氧侧的阴极充电过程，即一体双侧双极。当电源短暂切断后，双极电容自放电，电子在其内部返流，电容电极的荷电状态瞬间恢复，便可连通电源继续电解。
本发明一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，通过在电解水装置中引入双极电容电极，双极电容电极上无任何导线与外电路连接，并垂直置于电解液中，对产氢产氧进行空间隔离，避免了使用价格昂贵、维护困难的离子隔膜。在电解过程中智能化进行电路的切换，完成在一个装置系统内同步的、接近连续地产氢和产氧，提高整体的生产效率。在反应过程中，双极电容电极上仅发生双电层充放电过程，无(电)化学反应发生，一方面通过瞬时断路就能使双极电容的荷电状态自动快速复原，另一方面在充放电物理过程中材料组成、结构的变化远小于循环反应过程引起的变化，双极电容材料的长期运行稳定性能得到大大提高。
上述是对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，其特征在于，包括：恒流稳压电源、电解槽、双极电容极板，所述双极电容极板替代离子隔膜垂直设置在电解槽中部，将电解槽内的电解液完全隔成两部分，并构成析氢阴极室与析氧阳极室，所述析氢阴极室与析氧阳极室内分别安装产氢电极、产氧电极，所述恒流稳压电源连接在电解槽内的产氢电极和产氧电极上。
2.根据权利要求1所述的一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，其特征在于，所述双极电容电极由三维多孔的导电材料制成，包括但不限于石墨烯溶胶、碳纳米管溶胶、多孔碳、导电聚合物膜，以及复合物膜；所述双极电容极板，厚度为100微米至10毫米，其中间设置有一无孔、导电、刚性的夹层，彻底阻断氢氧混合。
3.根据权利要求1所述的一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，其特征在于，所述双极电容电极上无任何导线与外电路连接，其自身的两个侧面构成电容的双极。
4.根据权利要求1所述的一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，其特征在于，在通电电解过程中，双极电容极板与产氢电极相对的一侧界面发生阳极充电，与产氧电极相对的一侧界面发生阴极充电过程，不发生电化学反应；经过短暂断路，双极电容自放电，瞬间恢复初始状态；通电与断路循环由电路自动切换装置控制。
5.根据权利要求1所述的一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，其特征在于，所述双极电容极板，既适用于碱性电解液，也适用于酸性电解液。
6.根据权利要求1所述的一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，其特征在于，所述电解水装置还包括电路自动切换装置、气液分离槽、磁力泵、转子流量计，所述析氢阴极室与析氧阳极室的气液混合物分别经气液分离槽后，液相再汇合依次经磁力泵和转子流量计，最后返回至电解槽内，形成电解液循环回路；恒流稳压电源与电路自动切换装置串联后，其整体两端的导线分别连接在电解槽内的产氢电极和产氧电极上。
7.根据权利要求6所述的一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，其特征在于，所述电解槽，包括电解槽体，所述电解槽体顶部设置有盖板，所述电解槽体与盖板之间设置有绝缘橡胶垫片并通过螺丝固定，所述产氢电极、产氧电极均贯穿盖板并通过绝缘橡胶圈贯穿盖板安装在上，所述产氢电极、产氧电极上端均露出盖板外，其下端均插入至双极电容极板两侧的电解槽体内的电解液内。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，其特征在于，所述产氢电极的电极材料为：基于贵金属Pt、Pd与碳材料的复合物；或基于过渡金属Ni、Co、Cu或Fe的单质或化合物；或基于稀土元素W、Mo的化合物；所述产氧电极的电极材料为：基于贵金属Ru、Ir与碳材料的复合物；或基于过渡金属Ni、Co、Cu或Fe的单质或化合物；所述电解液为氢氧化钾或氢氧化钠水溶液。
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