CN113913846A - 一种电解水制氢制氧反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电解水制氢制氧反应装置，包括无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽、两套气液分离器、两套干燥管、碱液箱、储氢罐、储氧罐和硅胶管。所述的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽包括阴极端板、阴极极板、自支撑型过渡金属阴极材料、石棉隔膜、自支撑型过渡金属阳极材料、阳极极板和阳极端板等组件。本发明提供的反应装置无需贵金属和质子交换膜，大大降低了装置成本。此外，由于自支撑型电极材料充当反应催化剂和集流体的双重作用，进一步提升了反应装置的能量转化效率，可实现每分钟制氢量超过320mL，制氧量超过160mL。因此，在碳中和背景下，本发明提供的电解水制氢制氧反应装置具有非常光明的商业化应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及化工设备技术领域，尤其涉及一种电解水制氢制氧反应装置。
背景技术
人类社会面临着十分严重的能源危机：煤、石油、天然气等化石燃料的需求日趋增加，而这些化石燃料的全球储量却在日益减少，因此开发新的能源显得尤为重要。氢能(H2)作为一种可再生的新能源，具有清洁、可再生、燃烧值高、易运输以及原料丰富等优点，被视为是未来最有希望替代化石燃料的新能源。可是氢气在自然界中并不存在，因此工业上有天然气制氢、甲醇裂解制氢、焦炉煤气制氢和电解水制氢等多种制氢工艺。其中电解水制氢由于生产过程无温室气体排放，有望在碳中和背景下成为氢气来源的主要路线。
目前主流的电解水制氢技术主要有三种类型：固态氧化物电解水制氢、碱性电解水制氢和质子交换膜电解水制氢。首先固态氧化物电解水制氢技术是在高温条件下(1000℃)工作，每制备1Nm3氢气能耗低至2.6～3.6kW·h，但高温工作条件对电极材料提出了巨大的挑战。因此目前固态氧化物电解水制氢技术还处于实验室研究阶段。
碱性电解水催化材料的研发最为成熟，但却有占地面积大、启停速度慢、难以适应可再生能源间歇性的缺点。质子交换膜电解水设备结构紧凑、启停速度快、还可与可再生能源良好匹配。但其电极材料的工作环境是酸性(pH≈2)，因此商用质子交换膜电解水的电极材料主要是由耐蚀性良好的贵金属来充当；并且电解槽需要昂贵的质子交换膜来将气体隔开，且起到质子传递的作用。因此质子交换膜电解水设备的价格非常昂贵，很大程度上限制了质子交换膜电解水制氢技术的大规模推广应用。
发明内容
本发明提供一种电解水制氢制氧的反应装置。由于质子交换膜电解水制氢设备具有结构紧凑、占地面积小的优势，碱性电解水制氢催化材料的研发最为成熟。因此，将两种电解水制氢技术的优势进行结合，形成一种新的电解水制氢技术。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种电解水制氢制氧反应装置包括无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽、两套气液分离器(分别用于分离氢气和碱液以及氧气和碱液)、两套干燥管(分别用于干燥氢气和氧气)、碱液箱、储氢罐、储氧罐和硅胶管。
进一步地，如上所述的一种电解水制氢制氧反应装置，所述的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽是在质子交换膜电解槽的基础上，以自支撑型过渡金属阴极材料加石棉加自支撑型过渡金属阳极材料的组合替换原有电解槽中的贵金属膜电极，并将纯水替换为KOH电解液。此外，由于自支撑型电极材料具有整体式的特点，可以同时充当化学反应催化剂和集流体的双重作用，从而组装成包括阴极端板、阴极极板、自支撑型过渡金属阴极材料、石棉、自支撑型过渡金属阳极材料、阳极极板和阳极端板等组件的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽。
进一步地，如上所述的一种电解水制氢制氧反应装置，相对于现有的质子交换膜电解水设备，无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽无需贵金属材料和质子交换膜，大幅度降低了反应装置的整体成本。
进一步地，如上所述的一种电解水制氢制氧反应装置，相对于碱性电解水设备，无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽具有宽的运行功率范围和快电负荷响应速度，更有利于反应装置匹配波动的可再生能源。
进一步地，如上所述的一种电解水制氢制氧反应装置，配备有两套气液分离器和两套干燥管，可实现干燥氢气和氧气的同步收集。
进一步地，如上所述的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，所述的阴极极板内侧设有碱液流动通道，便于碱液的快速流动。
进一步地，如上所述的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，所述的自支撑型过渡金属阴极材料和自支撑型过渡金属阳极材料包括但不限于泡沫镍、泡沫铁、泡沫铁镍和泡沫镍钼等自支撑型材料及其改性材料。
进一步地，如上所述的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，所述的自支撑型过渡金属阴极材料可以同时充当析氢反应催化剂和集流体的双重作用，自支撑型过渡金属阳极材料可以同时充当析氧反应催化剂和集流体的双重作用。
进一步地，如上所述的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，所述石棉的厚度为1～5mm。
进一步地，如上所述的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，由于阴极材料和阳极材料可以同时充当化学反应催化剂和集流体的双重作用，进一步提升了所述电解水制氢制氧反应装置的能量转化效率，当泡沫铁镍电极面积为75cm2时，每分钟制氢量超过320mL，制氧量超过160mL。
本发明的优势：首先，本发明提供的一种电解水制氢制氧反应装置相对于现有的碱性电解水所用的电解槽，具有结构紧凑、启停速度快、与可再生能源良好匹配的优点。此外，以自支撑型非贵金属阴极材料加石棉加自支撑型非贵金属阳极材料的组合替换质子交换膜电解槽中的贵金属膜电极，大大降低了反应装置的造价成本。最后，由于自支撑型电极材料具有整体式的特点，可以同时充当化学反应催化剂和集流体的双重作用，进一步提升了电解水制氢制氧反应装置的能量转化效率。
附图说明
图1是本发明一种电解水制氢制氧反应装置的示意图。
图2是本发明一种电解水制氢制氧反应装置的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽的组件拆分示意图。
图3是对比例有集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽的组件拆分示意图。
图中：1.气液分离器(用于分离氧气和碱液)，2.出氧气口，3.无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，4.出氢气口，5.气液分离器(用于分离氢气和碱液)，6.干燥管，7.进碱液口，8.碱液箱，9.干燥管，10.氧气接口，11.储氧罐，12.硅胶管，13.氢气接口，14.储氢罐，15.阴极端板，16.阴极极板，17.自支撑型过渡金属阴极材料，18.石棉，19.自支撑型过渡金属阳极材料，20.阳极极板，21.阳极端板，22.阴极集流体，23.阳极集流体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示，对电解水制氢制氧反应装置的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽3施加一定电压(>1.23V)，驱动电催化分解水反应发生。此时，碱液箱8中的碱液经进碱液口7穿过阴极端板15进入电解槽3的阴极反应区，在阴极极板16内侧凹槽循环流动，并与自支撑型过渡金属阴极材料17充分接触发生析氢反应。生成的氢气先后经过气液分离器5和干燥管9得到纯净氢气，多余的碱液回流到碱液箱8中。电解槽3的阴极反应区发生析氢反应的同时生成OH-(4H2O+4e-＝4OH-+2H2)，随后OH-透过中间的石棉18进入电解槽3的阳极反应区，在自支撑型过渡金属阳极材料19催化作用下发生析氧反应(4OH--4e-＝O2+2H2O)。生成的氧气先后经过气液分离器1和干燥管6得到纯净氧气，多余的碱液回流到碱液箱8中。
实施例1：
选用两片泡沫镍分别作为自支撑型过渡金属阴极材料和自支撑型过渡金属阳极材料，从而组装成包括阴极端板、阴极极板、泡沫镍、石棉、泡沫镍、阳极极板和阳极端板等组件的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，组件拆分示意图如图2所示。本发明一种电解水制氢制氧反应装置包括如上所述的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽、两套气液分离器(分别用于分离氢气和碱液以及氧气和碱液)、两套干燥管(分别用于干燥氢气和氧气)、碱液箱、储氢罐、储氧罐和硅胶管。
如图1所示，对无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽3施加3V电压，驱动电催化分解水反应发生。此时，碱液箱8中的碱液经进碱液口7穿过阴极端板15进入电解槽3的阴极反应区，在阴极极板16内侧凹槽循环流动，并与泡沫镍充分接触发生析氢反应。生成的氢气先后经过气液分离器5和干燥管9得到纯净氢气，多余的碱液回流到碱液箱8中。电解槽3的阴极反应区发生析氢反应的同时生成OH-(4H2O+4e-＝4OH-+2H2)，随后OH-透过中间的石棉18进入电解槽3的阳极反应区，在泡沫镍催化作用下发生析氧反应(4OH--4e-＝O2+2H2O)。生成的氧气先后经过气液分离器1和干燥管6得到纯净氧气，多余的碱液回流到碱液箱8中。如上所述的电解水制氢制氧反应装置可实现每分钟制氢量为268mL，制氧量为128mL。
实施例2：
选用两片泡沫铁分别作为自支撑型过渡金属阴极材料和自支撑型过渡金属阳极材料，从而组装成包括阴极端板、阴极极板、泡沫铁、石棉、泡沫铁、阳极极板和阳极端板等组件的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，组件拆分示意图如图2所示。本发明一种电解水制氢制氧反应装置包括如上所述的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽、两套气液分离器(分别用于分离氢气和碱液以及氧气和碱液)、两套干燥管(分别用于干燥氢气和氧气)、碱液箱、储氢罐、储氧罐和硅胶管。
如图1所示，对电解槽3施加3V电压，驱动电催化分解水反应发生。此时，碱液箱8中的碱液经进碱液口7穿过阴极端板15进入电解槽3的阴极反应区，在阴极极板16内侧凹槽循环流动，并与泡沫铁充分接触发生析氢反应。生成的氢气先后经过气液分离器5和干燥管9得到纯净氢气，多余的碱液回流到碱液箱8中。电解槽3的阴极反应区发生析氢反应的同时生成OH-(4H2O+4e-＝4OH-+2H2)，随后OH-透过中间的石棉18进入电解槽3的阳极反应区，在泡沫铁催化作用下发生析氧反应(4OH--4e-＝O2+2H2O)。生成的氧气先后经过气液分离器1和干燥管6得到纯净氧气，多余的碱液回流到碱液箱8中。如上所述的电解水制氢制氧反应装置每分钟制氢量为216mL，制氧量为102mL。
实施例3：
选用两片泡沫铁镍分别作为自支撑型过渡金属阴极材料和自支撑型过渡金属阳极材料，从而组装成包括阴极端板、阴极极板、泡沫铁镍、石棉、泡沫铁镍、阳极极板和阳极端板等组件的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，组件拆分示意图如图2所示。本发明一种电解水制氢制氧反应装置包括如上所述的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽、两套气液分离器(分别用于分离氢气和碱液以及氧气和碱液)、两套干燥管(分别用于干燥氢气和氧气)、碱液箱、储氢罐、储氧罐和硅胶管。
如图1所示，对电解槽3施加3V电压，驱动电催化分解水反应发生。此时，碱液箱8中的碱液经进碱液口7穿过阴极端板15进入电解槽3的阴极反应区，在阴极极板16内侧凹槽循环流动，并与泡沫铁镍充分接触发生析氢反应。生成的氢气先后经过气液分离器5和干燥管9得到纯净氢气，多余的碱液回流到碱液箱8中。电解槽3的阴极反应区发生析氢反应的同时生成OH-(4H2O+4e-＝4OH-+2H2)，随后OH-透过中间的石棉18进入电解槽3的阳极反应区，在泡沫铁镍催化作用下发生析氧反应(4OH--4e-＝O2+2H2O)。生成的氧气先后经过气液分离器1和干燥管6得到纯净氧气，多余的碱液回流到碱液箱8中。如上所述的电解水制氢制氧反应装置每分钟制氢量为328mL，制氧量为156mL。
对比例1：
选用两片泡沫镍分别作为自支撑型过渡金属阴极材料和自支撑型过渡金属阳极材料、两块集流体，组装成有集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，组件拆分示意图如图3所示，电解槽包括阴极端板、阴极极板、集流体、泡沫镍、石棉、泡沫镍、集流体、阳极极板和阳极端板等组件。有集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽结合两套气液分离器(分别用于分离氢气和碱液以及氧气和碱液)、两套干燥管(分别用于干燥氢气和氧气)、碱液箱、储氢罐、储氧罐和硅胶管搭建成电解水制氢制氧反应装置。
对电解槽施加3V电压，驱动电催化分解水反应发生。此时，碱液箱中的碱液经进碱液口穿过阴极端板进入电解槽的阴极反应区，在阴极极板内侧凹槽循环流动，在泡沫镍和集流体作用下发生析氢反应。生成的氢气先后经过气液分离器和干燥管得到纯净氢气，多余的碱液回流到碱液箱中。电解槽的阴极反应区发生析氢反应的同时生成OH-(4H2O+4e-＝4OH-+2H2)，随后OH-透过中间的石棉进入电解槽的阳极反应区，在泡沫镍和集流体作用下发生析氧反应(4OH--4e-＝O2+2H2O)。生成的氧气先后经过气液分离器和干燥管得到纯净氧气，多余的碱液回流到碱液箱中。如上所述的电解水制氢制氧反应装置每分钟制氢量为234mL，制氧量为109mL。
对比例2：
选用两片泡沫铁分别作为自支撑型过渡金属阴极材料和自支撑型过渡金属阳极材料、两块集流体，组装成有集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，组件拆分示意图如图3所示，电解槽包括阴极端板、阴极极板、集流体、泡沫铁、石棉、泡沫铁、集流体、阳极极板和阳极端板等组件。有集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽结合两套气液分离器(分别用于分离氢气和碱液以及氧气和碱液)、两套干燥管(分别用于干燥氢气和氧气)、碱液箱、储氢罐、储氧罐和硅胶管搭建成电解水制氢制氧反应装置。
对电解槽施加3V电压，驱动电催化分解水反应发生。此时，碱液箱中的碱液经进碱液口穿过阴极端板进入电解槽的阴极反应区，在阴极极板内侧凹槽循环流动，在泡沫铁和集流体作用下发生析氢反应。生成的氢气先后经过气液分离器和干燥管得到纯净氢气，多余的碱液回流到碱液箱中。电解槽的阴极反应区发生析氢反应的同时生成OH-(4H2O+4e-＝4OH-+2H2)，随后OH-透过中间的石棉进入电解槽的阳极反应区，在泡沫铁和集流体作用下发生析氧反应(4OH--4e-＝O2+2H2O)。生成的氧气先后经过气液分离器和干燥管得到纯净氧气，多余的碱液回流到碱液箱中。如上所述的电解水制氢制氧反应装置每分钟制氢量为178mL，制氧量为85mL。
对比例3：
选用两片泡沫铁镍分别作为自支撑型过渡金属阴极材料和自支撑型过渡金属阳极材料、两块集流体，组装成有集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，组件拆分示意图如图3所示，电解槽包括阴极端板、阴极极板、集流体、泡沫铁镍、石棉、泡沫铁镍、集流体、阳极极板和阳极端板等组件。有集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽结合两套气液分离器(分别用于分离氢气和碱液以及氧气和碱液)、两套干燥管(分别用于干燥氢气和氧气)、碱液箱、储氢罐、储氧罐和硅胶管搭建成电解水制氢制氧反应装置。
对电解槽施加3V电压，驱动电催化分解水反应发生。此时，碱液箱中的碱液经进碱液口穿过阴极端板进入电解槽的阴极反应区，在阴极极板内侧凹槽循环流动，在泡沫铁镍和集流体作用下发生析氢反应。生成的氢气先后经过气液分离器和干燥管得到纯净氢气，多余的碱液回流到碱液箱中。电解槽的阴极反应区发生析氢反应的同时生成OH-(4H2O+4e-＝4OH-+2H2)，随后OH-透过中间的石棉进入电解槽的阳极反应区，在泡沫铁镍和集流体作用下发生析氧反应(4OH--4e-＝O2+2H2O)。生成的氧气先后经过气液分离器和干燥管得到纯净氧气，多余的碱液回流到碱液箱中。如上所述的电解水制氢制氧反应装置每分钟制氢量为300mL，制氧量为144mL。
表1：实施例和对比例中电解水制氢制氧反应装置的产氢速率和产氧速率
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种电解水制氢制氧反应装置，其特征在于，包括无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽、两套气液分离器(分别用于分离氢气和碱液以及氧气和碱液)、两套干燥管(分别用于干燥氢气和氧气)、碱液箱、储氢罐、储氧罐和硅胶管。
2.根据权利要求1所述的一种电解水制氢制氧反应装置，其特征在于，所述的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽包括阴极端板、阴极极板、自支撑型过渡金属阴极材料、石棉、自支撑型过渡金属阳极材料、阳极极板和阳极端板。
3.根据权利要求1所述的一种电解水制氢制氧反应装置，其特征在于，相对于现有的质子交换膜电解水设备，无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽无需贵金属材料和质子交换膜，大幅度降低了反应装置的整体成本。
4.根据权利要求1所述的一种电解水制氢制氧反应装置，其特征在于，相对于碱性电解水设备，无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽具有宽的运行功率范围和快电负荷响应速度，更有利于反应装置匹配波动的可再生能源。
5.根据权利要求1所述的一种电解水制氢制氧反应装置，其特征在于，电解水制氢制氧反应装置配备有两套气液分离器和两套干燥管，可实现干燥氢气和氧气的同步收集。
6.根据权利要求2所述的一种无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，其特征在于，所述的阴极极板内侧设有碱液流动通道，便于碱液的快速流动。
7.根据权利要求2所述的一种无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，其特征在于，所述的自支撑型过渡金属阴极材料和自支撑型过渡金属阳极材料包括但不限于泡沫镍、泡沫铁、泡沫铁镍和泡沫镍钼等自支撑型材料及其改性材料。
8.根据权利要求2所述的一种无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，其特征在于，所述的自支撑型过渡金属阴极材料可以同时充当析氢反应催化剂和集流体的双重作用，自支撑型过渡金属阳极材料可以同时充当析氧反应催化剂和集流体的双重作用。
9.根据权利要求2所述的一种无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，其特征在于，所述石棉的厚度为1～5mm。
10.根据权利要求2所述的一种无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽，其特征在于，
由于阴极材料和阳极材料可以同时充当化学反应催化剂和集流体的双重作用，进一步提升了所述电解水制氢制氧反应装置的能量转化效率，当泡沫铁镍电极面积为75cm2时，每分钟制氢量超过320mL，制氧量超过160mL。
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