CN114457360B - 一种无隔膜微电解槽放大设备及加工方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无隔膜微电解槽放大设备及加工方法和应用，其中无隔膜微电解槽放大设备包括第一基板，所述第一基板上阵列有若干微电解槽阵列；所有微电解槽阵列均包含有一第二基板和若干微电解槽单元，且若干微电解槽单元阵列分布在第二基板上；第一基板和第二基板的材质均为聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃、聚二甲基硅氧烷或3D打印材料。本发明所述的无隔膜微电解槽放大设备，从二维维度和空间三维维度两方面，对微电解槽单元进行了数量放大，可提高电解水制氢的产量。

Description

一种无隔膜微电解槽放大设备及加工方法和应用
技术领域
本发明属于电解水制氢技术领域，尤其涉及一种无隔膜微电解槽放大设备及加工方法和应用。
背景技术
目前，电解水制氢是生产绿氢的重要方式。现有的主流电解水制氢技术主要包括三种：碱性电解水制氢、质子交换膜(PEM)电解水制氢以及高温固体氧化物电解(SOEC)制氢。电解水制氢技术中关键的核心设备是电解槽，三种电解技术对应的分别为碱性电解槽、质子交换膜电解槽及高温固体氧化物电解槽。
在氢气产业链中，氢气的储存与运输具有较大难度。氢气体积能量密度较低，燃点较低，易燃易爆，对储运过程中的安全性有极高的要求。相较于石油、天然气等传统化石燃料，氢气在储运环节具有天然的劣势。因此，目前氢气储运成本极高。例如采用气态氢气拖车运输方式，一台长管拖车的成本为160万元，百公里运输成本高达8.66元/kg；采用气态氢管道运输，每公里管道投资就高达580万元。因此，对于某些小规模、地理位置偏远的用氢场景，这种大规模制氢、长距离储运的氢能利用方式，成本高，缺乏灵活性，且有安全风险。鉴于此，发展小规模分布式制氢，就地消纳的用氢方式，作为大规模制氢的补充，具有显著的应用前景。
就电解槽而言，前面提到的三种制氢技术均有其固有缺陷。例如，碱性水电解槽的缺点在于，(1)采用强碱KOH作为电解液，需要使用耐腐蚀金属制造电解槽，增加成本；(2)碱水槽隔膜多采用石棉或PPS等材料，电阻高，增加能耗，阻气性差，因而抗负荷波动性差，启停耗时长；(3)碱性水电解系统结构复杂，部件多，故障率高。对于PEM系统，目前主要的缺陷在于其核心部件-质子交换膜通常采用贵金属制成，成本很高。而高温固体氧化物电解槽目前处于实验阶段，电极性能损耗快，技术成熟度低。因此，目前的三种制氢技术在小规模、分布式制氢中适用性较差。
鉴于以上分析可知，电解水制氢的核心部件是电解槽，其主要问题在于成本高、结构复杂、故障率高等。因此，需开发适用于分布式制氢的小型、结构简单、灵活性高的电解设备。电解槽本质上为通电产生电化学反应的装置，目前，反应器的微型化是化工设备的发展的重要方向之一，因此催生出各种微化工装置，例如微反应器、微分离器等。微化工装置通道的特征尺寸通常在几十到几百微米之间，装置的微型化带来的主要优势有：(1) 微小尺度大大增加了反应比表面积，微反应器中传递过程(反应速率、传热等)将得到大大强化，反应速率将加快，反应产热可快速消散，降低反应过程的安全风险；(2)可控性高，不同于宏观尺度设备内惯性力占主导地位，在微尺度下，表面力(粘性力、界面张力等)占主导，因此微尺度流动具有不同于宏观尺度的特殊性质，可利用其特殊流动形态实现对反应、分离过程的精确控制；(3)集成特性，通过微通道的结构设计，可将不同微反应器等集成，进一步缩小设备的体积，提高效率。
但是，由于单个微电解槽产量小，应用时需对其进行放大，提高产量。对于微流控/微电解槽系统，放大的方法主要为数量放大，即若干个微电解槽同时并行工作，这对微电解槽之间的流动、电解槽的排布提出了更高的要求，需要重新设计。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种无隔膜微电解槽放大设备，从二维维度和空间三维维度两方面，对微电解槽单元进行了数量放大，可提高电解水制氢的产量。
本发明的另一个目的在于提出一种无隔膜微电解槽放大设备的加工方法。
本发明的又一个目的在于提出无隔膜微电解槽放大设备的应用。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种无隔膜微电解槽放大设备，包括第一基板，所述第一基板上阵列有若干微电解槽阵列；所有微电解槽阵列均包含有一第二基板和若干微电解槽单元，且若干微电解槽单元阵列分布在第二基板上；第一基板和第二基板的材质均为聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃、聚二甲基硅氧烷或3D打印材料。
本发明实施例的无隔膜微电解槽放大设备，从二维维度和空间三维维度两方面，对微电解槽单元进行了数量放大，可提高电解水制氢的产量。
另外，根据本发明上述实施例提出的无隔膜微电解槽放大设备还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，若干微电解槽阵列相互平行设置，且若干微电解槽阵列均与第一基板垂直设置或成一定角度倾斜设置。
在本发明的一些实施例中，若干微电解槽阵列之间的间距为第二基板厚度的1.5-3倍；第一基板上安装有温控系统。
在本发明的一些实施例中，若干微电解槽单元平行设置在第二基板上。
在本发明的一些实施例中，若干微电解槽单元成圆环状分布在第二基板上，且每个微电解槽单元均沿圆环的半径方向设置。
在本发明的一些实施例中，若干微电解槽单元均包括一个设在第二基板上的微通道结构和一个第一盖板，且第一盖板与微通道结构形成一个封闭空间。
在本发明的一些实施例中，若干微电解槽单元均包括一个设在第二基板上的微通道结构，所有微电解槽阵列均还包括一个第二盖板；每个微电解槽阵列所对应的第二盖板均可对其所对应的若干微通道结构进行封装，形成与微通道结构数量相当的多个封闭空间。
在本发明的一些实施例中，微通道结构包括电解液入口、主通道、氢气储存槽和氧气储存槽；所述主通道内设有阴极、阳极和隔离墙，所述隔离墙高度小于主通道的深度；所述隔离墙位于阴极和阳极之间，且隔离墙将主通道划分为氢气通道和氧气通道；所述氢气通道的一端和氧气通道一端均与电解液入口连通，所述氢气通道的另一端、氧气通道的另一端分别连通氢气储存槽和氧气储存槽；所述氢气储存槽底部设有第一液体出口，上端设有氢气出口；所述氧气储存槽底部设有第二液体出口，上端设有氧气出口。
在本发明的一些实施例中，所述阴极和阳极均设在其所对应的主通道的侧壁上，且两者相对设置；所述阴极和阳极分别连接阴极接口和阳极接口；所述电解液入口、氢气出口、氧气出口、第一液体出口和第二液体出口均贯穿第二基板。
在本发明的一些实施例中，所述主通道的长度、宽度、深度比为(480-720)：(9-15)： (4-6)；所述隔离墙的宽度为主通道宽度的2/15-1/5，隔离墙的高度为主通道深度的2/5-3/5；所述氢气储存槽和氧气储存槽的长度均为主通道长度的1/5-3/10，宽度均为主通道宽度的 4-6倍，深度均为主通道深度的4.8-7.2倍。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种无隔膜微电解槽放大设备的加工方法，包括在二维维度上，在若干第二基板上加工若干微电解槽单元，形成若干微电解槽阵列的步骤；在空间三维维度上，安装若干微电解槽阵列，形成完整的无隔膜微电解槽放大设备的步骤。
本发明实施例的无隔膜微电解槽放大设备的加工方法与上述无隔膜微电解槽放大设备相对于现有技术的优势基本相同，在此不再赘述。
为达到上述目的，本发明第三方面实施例还涉及所述的无隔膜微电解槽放大设备在电解水制氢领域、氢能无人机或潜艇中的应用。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的无隔膜微电解槽放大设备的结构示意图。
图2为根据本发明另一个实施例的无隔膜微电解槽放大设备的结构示意图。
图3为根据本发明一个实施例的无隔膜微电解槽放大设备中微电解槽阵列(未包含第一盖板或第二盖板)的简单结构示意图。
图4为根据本发明另一个实施例的无隔膜微电解槽放大设备中微电解槽阵列(未包含第一盖板或第二盖板)的简单结构示意图。
图5为根据本发明一个实施例的无隔膜微电解槽放大设备的微电解槽单元的立体图。
图6为根据本发明一个实施例的无隔膜微电解槽放大设备的微电解槽单元不包括盖板部分一个角度的立体图。
图7为图6中B处的放大图。
图8为图6中C处的放大图。
图9为图6中D处的放大图。
图10为根据本发明一个实施例的无隔膜微电解槽放大设备的微电解槽单元不包括盖板部分另一个角度的立体图。
图11为根据本发明一个实施例的无隔膜微电解槽放大设备的微电解槽单元不包括盖板部分的俯视图。
图12为图11中A-A处的剖视图。
图13为图12中E处放大图。
图14为根据本发明一个实施例的无隔膜微电解槽放大设备的微电解槽单元的加工封装过程示意图，其中：(a)为第二基板加工；(b)为第二基板加工微通道结构；(c)为加第一盖板封装。
附图标记：
1-电解液入口；2-阴极接口；3-阳极接口；4-氢气储存槽；5-氧气储存槽；6-氧气出口； 7-氢气出口；9-第一盖板；10-槽；11-主通道；12-阴极；13-阳极；14-隔离墙；15-氢气通道； 16-氧气通道；17-第一液体出口；18-第二液体出口；100-第一基板；200-第二基板；300- 微电解槽阵列；400-微电解槽单元。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图来描述本发明实施例的无隔膜微电解槽放大设备。
图1为根据本发明一个实施例的无隔膜微电解槽放大设备的结构示意图。
如图1所示，本发明实施例的无隔膜微电解槽放大设备，包括第一基板100，第一基板100上阵列有若干微电解槽阵列300；所有微电解槽阵列均包含有一第二基板200和若干微电解槽单元400，且若干微电解槽单元400阵列分布在第二基板200上；第一基板100 和第二基板200的材质均为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS) 或3D打印材料等。
需要说明的是，无隔膜微电解槽放大设备中微电解槽单元的放大规则主要为数量放大，即同时并行若干微电解槽单元。以微电解槽单元为最小微电解槽单元，若干微电解槽单元在第二基板上阵列形成的微电解槽阵列构成微电解槽在二维维度上的放大，而将微电解槽阵列按照一定规律阵列在第一基板上，形成完整的微电解系统，相当于是在空间三维维度上对微电解槽单元的放大。
本发明实施例的无隔膜微电解槽放大设备，从二维维度和空间三维维度两方面，对微电解槽单元进行了数量放大，可提高电解水制氢的产量。
在本发明的一些实施例中，3D打印材料可以是ABS塑料、聚乳酸(PLA)塑料、工程塑料(abs材料、pc材料、尼龙材料等)、光敏树脂，等等。
在本发明的实施例中，微电解槽单元空间排布(也即若干微电解槽阵列在第一基板上的排布)的基本方式至少有两种：
可选的，在一些实施例中，若干微电解槽单元空间排布(也即若干微电解槽阵列在第一基板上的排布)采用第一种基本方式，如图1所示，若干微电解槽阵列300相互平行设置，且若干微电解槽阵列300均与第一基板100垂直设置。需要说明的是，若干微电解槽阵列可以在第一基板上根据需要设置多排多列。若干微电解槽阵列均通过其所在的第二基板与第一基板连接，连接方式可以是螺栓连接、热压等等。需要说明的是，如果第一基板 100是竖直放置，则若干微电解槽阵列300水平排列在第一基板上。可选的，在第一种排列方式中，相邻两个微电解槽阵列相隔约1.5-3倍微电解槽基板(也即第二基板200)厚度；较佳的，相邻两个微电解槽阵列相隔约2倍微电解槽基板(也即第二基板200)厚度。以第一基板100竖直放置、若干微电解槽阵列300水平排列在第一基板上的情形为例，该间隔主要作用有两方面：首先可为微电解槽阵列下方导线排布提供空间；其次，可在第一基板上微电解槽阵列旁边加装温控系统(温控系统可采用现有市售产品)，当微电解槽单元启动时，需要较高的温度，以加快电解槽的启动，可通过温控系统将加热空气从微电解槽阵列间隔中输入，加快电解槽启动；而当电解一段时间后，可通过温控系统将冷空气输入，给微电解槽单元降温，以提高电解效率。
可选的，在本发明的另一些实施例中，若干微电解槽单元空间排布(也即若干微电解槽阵列在第一基板上的排布)采用第二种基本方式，如图2所示，若干微电解槽阵列300相互平行设置，但若干微电解槽阵列300均与第一基板100成一定角度倾斜设置，较佳的，单个微电解槽阵列与第一基板成45-60°。微电解槽阵列的此种空间排布方式可以称为斜插式排列，相对于第一种基本方式，此种排布方式可以进一步提高微电解槽阵列的空间利用率，减小设备占地。采用该方式时，若干微电解槽阵列均通过其所在的第二基板与第一基板连接，连接方式可以是螺栓连接、热压等等。可选的，当采用该排列方式(斜插式排列) 时，也可以在第一基板上若干微电解槽阵列旁边加装温控系统，温控系统位置可根据实际进行调整，保证加热/降温的冷热空气从相邻微电解槽阵列空隙中吹入。需要说明的是，当采用该排列方式(斜插式排列)时，若干微电解槽阵列可以单排排列，也可以多排排列(如图2所示)，但均满足前述“若干微电解槽阵列300相互平行设置，若干微电解槽阵列300 均与第一基板100成一定角度倾斜设置”的要求。同时，较佳的，若干微电解槽阵列300 之间的间距为第二基板200厚度的1.5-3倍，优选为2倍。
在本发明的实施例中，微电解槽单元在二维维度上的放大(也即若干微电解槽单元在第二基板上的排布方式)至少有两种方式：
可选的，如图3所示，在本发明的一些实施例中，若干微电解槽单元在第二基板上的排布方式采用第一种排布方式：若干微电解槽单元400平行设置在第二基板200上；当第二基板水平放置时，若干微电解槽单元均水平排列。此种排列方式也称平行排列。
可选的，如图4所示，在本发明的另一些实施例中，若干微电解槽单元在第二基板上的排布方式采用第二种排布方式：若干微电解槽单元400成圆环状分布在第二基板200上，且每个微电解槽单元400均沿圆环的半径方向设置。此种排布方式也可以成为是环形排列，若干微电解槽关于中心轴呈圆形排列，较佳的，根据微电解槽单元的数量，相邻微电解槽单元可呈30-45°夹角分布。
需要说明的是，平行排列的若干微电解槽单元所形成的微电解槽阵列较为规整，电解电极、气体储存装置容易安放，但是环形排列的若干微电解槽单元所形成的微电解槽阵列在相同尺寸的基板上可设计更多微电解槽，增加放大效果。
在本发明的一些实施例中，若干微电解槽阵列均包括5-10个微电解槽单元。
在本发明的一些实施例中，如图5所示，若干微电解槽单元400均包括一个设在第二基板200上的微通道结构和一个第一盖板9，且第一盖板9与微通道结构形成一个封闭空间。每个微通道结构均采用单独的盖板，可以提高微电解槽单元电解液的密封安全性，避免漏液。此种情形，第一盖板只要可以对微通道结构进行密封，使其形成封闭的密封腔，第一盖板可以采用任何结构形式安装在第二基板上。可选的，在本发明的一些实施例中，如图5、图6、图11所示，第二基板200上开有槽10，槽10内底部开设有微通道结构；槽10内安装第一盖板9，第一盖板9厚度与槽10深度相当。需要说明的是，槽10在第二基板上的位置不限，但较佳的，槽10与其所对应的微通道结构共中心，槽的形状也不限，只要满足开设微通道结构的需求即可，第一盖板形状、尺寸均与其所对应的槽10相当。可选的，此种情形下，在第二基板上形成单一微电解槽单元的方法为：如图14所示，包括加工第二基板的步骤；在第二基板上加工微通道结构的步骤；将第一盖板与第二基板封装的步骤。可选的，在发明的一些实施例中，当采用基板采用PMMA材质等时，可采用CAD 辅助设计，通过精密数控加工(CNC)在第二基板上刻出微通道结构，再将一第一盖板9 与第二基板封装即可形成完整的微电解槽单元。封装可采用环氧树脂胶粘贴、热键合等方式。可选的，在本发明的另一些实施例中，当第二基板采用3D打印材料时，微电解槽单元可以采用3D打印的方式加工成形，通过3D设计图，直接打印出微通道结构，并与第一盖板9封装。封装可采用环氧树脂胶粘贴、热键合等方式。需要说明的是，此种情形下，在第二基板上加工若干微电解槽单元形成一个微电解槽阵列的方式与形成单一微电解槽单元的方式类似，只是需要将同一个微电解槽阵列中所有微电解槽单元的微通道结构均加工在该微电解槽阵列的第二基板上，每个微电解槽单元的第一盖板单独与第二基板进行封装。
在本发明的另一些实施例中，出于成本考虑，若干微电解槽单元400均包括一个设在第二基板200上的微通道结构，所有微电解槽阵列300均还包括一个第二盖板，也即属于同一个微电解槽阵列所有微通道结构共用一个盖板，但此种情形要求每个微电解槽阵列所对应的第二盖板均可对其所对应的若干微通道结构进行封装，形成与微通道结构数量相当的多个封闭空间，否则可能会有漏液的风险。可选的，每个微电解槽阵列所对应的第二盖板均可对其所对应的若干微通道结构进行封装的一种形式可以是，在第二基板上对应每个微通道结构的部位均开设密封槽，在第二盖板上对应每个微通道结构的部位均一体成型可内嵌入密封槽的凸起，且凸起与密封槽之间设置密封垫圈。
在本发明的一些实施例中，如图6和图11所示，微通道结构包括电解液入口1、主通道11、氢气储存槽4和氧气储存槽5；主通道11内设有阴极12、阳极13和隔离墙14，隔离墙14高度小于主通道11的深度；隔离墙14位于阴极12和阳极13之间，且隔离墙14 将主通道11划分为氢气通道15和氧气通道16(如图9所示)；氢气通道15的一端和氧气通道16一端均与电解液入口1连通，氢气通道15的另一端、氧气通道16的另一端分别连通氢气储存槽4和氧气储存槽5；氢气储存槽4底部设有第一液体出口17，上端设有氢气出口7；氧气储存槽5底部设有第二液体出口18，上端设有氧气出口6。该微通道结构所形成的微电解槽单元，无隔膜并在主通道内设置了将主通道分为氢气通道和氧气通道的隔离墙，可利用微通道(也即主通道)内流动截面上速度梯度引起的浮力效应，在合适的操作条件下，将电解过程产生的气泡控制在电极附近，无需隔膜阻隔产生的氢气氧气，可实现氢氧产物的分离，大幅降低了设备成本，且结构简单，故障率低；同时，由于不存在隔膜，可实用多种电解液制氢。
在本发明的一些实施例中，如图7所示，阴极12和阳极13均设在其所对应的主通道11的侧壁上，且两者相对设置。需要说明的是，阴极与阳极在主通道侧壁的安装方式可以采用螺栓连接、焊接等。阴极12采用镍网、镍-铁基网状电极、镍-钼合金电极中的一种，阳极13采用泡沫镍基镍铁合金电极或层状双金属氢氧化物电极，可以进一步降低电解过电势，提高电解效率。镍网、镍-铁基网状电极、镍-钼合金电极、泡沫镍基镍铁合金电极、层状双金属氢氧化物电极等均可通过商业途径获得。
在本发明的一些实施例中，阴极12和阳极13分别连接阴极接口2和阳极接口3。阳极接口和阴极接口的安装方式不限，其中一种可选的安装方式为：阳极接口和阴极接口均一端穿过第二基板连接其对应的电极，另一端延伸至第二基板外侧。更具体的，在第二基板200背面(也即未开设微通道结构一侧)位于微电解槽单元主通道两侧分别开设有第一小孔和第二小孔，且第一小孔和第二小孔分别贯穿至阴极12和阳极13安装位置处。阳极接口和阴极接口均为圆形连接长条形棒状金属(比如铜、铝等)薄片；阳极接口的长条形薄片一端直接插入第二小孔直至阳极表面并于阳极表面接触，阳极接口的长条形薄片另一端及圆形薄片位于第二基板外侧；阴极接口的长条形薄片一端直接插入第一小孔直至阴极表面并与阴极表面接触，阴极接口的长条形薄片另一端及圆形薄片位于第二基板外侧，以实现通电电解。外接电源将直流电通过夹子夹在阴极接口和阳极接口的圆形薄片上，为微电解槽单元供电。另一种可选的方式为：在第一小孔内安装有第一线缆，第一线缆一端连接阴极，另一端伸出第一小孔延伸至第二基板外侧连接阴极接口2；第二小孔内安装有第二线缆，第二线缆一端连接阳极，另一端伸出第二小孔延伸至第二基板外侧连接阳极接口 3；阳极接口和阴极接口形状为均圆形金属薄片，比如圆形铜片等。
在本发明的一些实施例中，如图6和图10所示，电解液入口1、氢气出口7、氧气出口6、第一液体出口17和第二液体出口18均贯穿第二基板200。较佳的，氢气出口和氧气出口均由相互连通的第一通道和第二通道构成，其中第一通道与其所在的氢气储存槽或氧气储存槽连通，且深度小于氢气储存槽或氧气储存槽，第一通道位于其所在的氢气储存槽或氧气储存槽与第二通道之间，第二通道为贯穿第二基板的通孔。第一通道沿主通道宽度方向的截面成U形，第二通道可以是规则的长方体状或正方体状，也可以是其他形状。
需要说明的是，隔离墙距盖板(也即其所对应的第一盖板或第二盖板)的间距大于主通道距盖板(也即其所对应的第一盖板或第二盖板)的间距，也即隔离墙14的高度小于主通道11的深度(如图12和图13所示)。这样，隔离墙可起到流通电解液，并阻止气泡通过的作用：一方面是界面张力的作用，一方面是速度梯度引起的。
还需要说明的是，主通道的形状不限，只要能保证阴极、阳极、隔离墙的正常安装，电解液的流通即可；隔离墙的形状亦不限，能保证电解液的流通即可。可选的，在本发明的一些实施例中，主通道和隔离墙均为长方体状，氢气通道、氢气储存槽与氧气通道、氧气储存槽关于隔离墙对称设置，隔离墙除了可与第二基板一体成型，还可以采用胶粘接、螺栓连接、焊接等方式固定在主通道内。可选的，隔离墙的材质可以与第二基板保持一致，或者有所不同，只要能保证正常的电解水制氢即可。
在本发明的一些实施例中，主通道11的长度、宽度、深度比为(480-720)：(9-15)：(4-6)；隔离墙与主通道的长度相当，隔离墙14的宽度为主通道11宽度的2/15-1/5，隔离墙14的高度为主通道11深度的2/5-3/5，较佳的，隔离墙高度为主通道深度的一半；氢气储存槽4和氧气储存槽5的长度均为主通道11长度的1/5-3/10，宽度均为主通道11宽度的 4-6倍，深度均为主通道11深度的4.8-7.2倍。较佳的，主通道11的长度、宽度、深度比为600：12：5；隔离墙与主通道的长度相当，隔离墙14的宽度为主通道11宽度的1/6，隔离墙14的高度为主通道11深度的一半；氢气储存槽4和氧气储存槽5的长度均为主通道11长度的1/4，宽度均为主通道11宽度的5倍，深度均为主通道11深度的6倍。一个更优选的情形是：主通道的长度为6cm，宽度为1.2mm，深度为0.5mm；隔离墙长度为6cm，宽度为0.2mm，高度为0.25mm；氢气储存槽和氧气储存槽的长度均为15mm，宽度为6mm，深度为3mm。
可以理解的是，在本发明的一些实施例中，氢气储存槽和氧气储存槽的位置不限，只要与氢气通道和氧气通道分别连通，可以实现氢气和氧气分离即可，可选的，当采用如图6、图8所示的结构，也即氢气储存槽和氧气储存槽并列设置，均位于主通道远离电解液入口一端，可以设置成主通道末端紧贴氢气储存槽和氧气储存槽，直接使氢气通道与氢气储存槽接触连通，氧气通道与氧气储存槽接触连通的形式，也可以为了避免氢气储存槽和氧气储存槽距离过于接近，如图8所示，氢气通道和氧气通道均由两部分位于主通道内的管段和位于主通道外的向主通道两侧弯曲的管段构成。
在电解过程中，如何防止氢氧产物互混是关键之一。本发明实施例中的微电解槽单元能够实现氢氧产物隔离的主要依据有三点：1.微通道(也即主通道)内流动的流动截面上速度梯度引起的浮力效应(Segre′-Silberberg effect)，可将电极产生的产物气泡限制在电极附近，壁面产物混合(Esposito,Da Niel V.Membraneless Electrolyzers forLow-Cost Hydrogen Production in a Renewable Energy Future[J].Joule,2017)；2.本发明实施例中的微电解槽单元中设计的主通道内隔离墙结构，可产生较高拉普拉斯力，可起到防止产物气泡穿过的作用。隔离墙产生的拉普拉斯力PLap(单位为Pa)可由下式计算：
PLap＝γ/d
其中，γ、d分别为气液两相界面张力(单位为N/m)及隔离墙上方与主通道顶部的间隔距离(单位为μm)。以空气和水为例，其界面张力为0.072N/m，d为300μm，经计算，可提供240Pa的拉普拉斯压力，足以阻隔产物气泡，防止氢氧产物互混。
本发明实施例中的微电解槽单元中，特增加氢氧产物储槽(也即氢气储存槽和氧气储存槽)，增加停留时间，实现电解液与气体产物的分离。
本发明实施例中的单个微电解槽单元，具有一下优势：
(1)无隔膜设计。利用微通道内流动截面上速度梯度引起的浮力效应(Segre′ -Silberberg effect)，在合适的操作条件下，可将电解过程产生的气泡控制在电极附近，加上特殊设计的通道隔离墙结构(隔离墙设在主通道内，将主通道分为氢气通道和氧气通道)，无需隔膜阻隔产生的氢气氧气，可实现氢氧产物的分离，大幅降低了设备成本，且结构简单，故障率低。
(2)由于微通道(也即主通道)极窄(一般通道特征尺度小于2mm)，因此其欧姆阻抗较低，电解效率高；同时，由于微尺度传热大幅增强，可及时消除过程产热，电解槽的安全性也得到显著提高。
(3)由于不存在隔膜，因此可使用多种电解液电解水制氢，不仅可使用碱性KOH，也可采用酸性溶液如H2SO4。
(4)模块化单元设计，出现故障后可直接更换，免维修。
(5)体积小，可方便地与光伏、风电等新能源设备集成，使用方便。
(6)同时产生氧气，适合于小规模、分布式制氢场景，例如氢能无人机、潜艇等。
本发明实施例中的单个微电解槽单元的工作过程(也即利用本发明实施例中的单个微电解槽单元电解水制氢的方法)为：
电解液(电解液可采用KOH等碱液、纯水及硫酸等酸性溶液)由经电解液入口1进入主通道进11行电解水制氢，电解产生的氢气和氧气在隔离墙14两侧分别随电解液经氢气通道15和氧气通道16流动至氢气储存槽4和氧气储存槽5，在氢气储存槽4和氧气储存槽5中实现气液分离，氢气、氧气产物分别经氢气出口7和氧气出口6排出，氢气储存槽 4中的电解液从第一液体出口17排出，氧气储存槽5中的电解液从第二液体出口18排出。较佳的，可以将电解液入口与泵等动力系统的出口连通，将第一液体出口17、第二液体出口18与泵等动力系统的入口连通，这样就可以实现电解液在主通道11、氢气储存槽4和氧气储存槽5等构成的微通道结构内的循环利用。
本发明实施例的无隔膜微电解槽放大设备的工作过程为：
与单个微电解槽单元的工作过程类似，只需将所有微电解槽单元的阳极接口和阴极接口均与现有电源连接，较佳的，将所有微电解槽单元的电解液入口与泵等动力系统的出口连通，将所有微电解槽单元的第一液体出口17、第二液体出口18与泵等动力系统的入口连通；将所有微电解槽单元的氢气出口7与现有储氢系统连通，将所有微电解槽单元的氧气出口6与现有氧气储存系统连通。
本发明实施例的无隔膜微电解槽放大设备的加工方法，该方法为：先在二维维度上，在若干第二基板200上加工若干微电解槽单元400，形成若干微电解槽阵列300；再在空间三维维度上，安装若干微电解槽阵列300，形成完整的无隔膜微电解槽放大设备。
可以理解的是，当若干微电解槽单元均单独对应一个第一盖板时，先加工若干微电解槽单元中一个微电解槽单元的微通道结构，然后对这个微电解槽单元的微通道结构用第一盖板封装，再依次加工该微电解槽阵列中的其他微电解槽单元；而同一个微电解槽阵列中的多个微电解槽单元共用一个第二盖板时，先逐个在第二基板上加工出微通道结构，再统一用一个第二盖板将属于该微电解槽阵列的所有微通道结构进行封装。
需要说明的是，上述无隔膜微电解槽放大设备的加工方法也为微电解槽单元的放大规则。
综上，本发明实施例的无隔膜微电解槽放大设备，从二维维度和空间三维维度两方面，对微电解槽单元进行了数量放大，可提高电解水制氢的产量。该无隔膜微电解槽放大设备可以广泛用于电解水制氢领域、氢能无人机或潜艇中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种无隔膜微电解槽放大设备，其特征在于，包括第一基板，所述第一基板上阵列有若干微电解槽阵列；所有微电解槽阵列均包含有一第二基板和若干微电解槽单元，且若干微电解槽单元阵列分布在第二基板上；第一基板和第二基板的材质均为聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃、聚二甲基硅氧烷或3D打印材料；
若干微电解槽单元均包括一个设在第二基板上的微通道结构和一个第一盖板，且第一盖板与微通道结构形成一个封闭空间；
或者，若干微电解槽单元均包括一个设在第二基板上的微通道结构，所有微电解槽阵列均还包括一个第二盖板；每个微电解槽阵列所对应的第二盖板均可对其所对应的若干微通道结构进行封装，形成与微通道结构数量相当的多个封闭空间；
微通道结构包括电解液入口、主通道、氢气储存槽和氧气储存槽；所述主通道内设有阴极、阳极和隔离墙，所述隔离墙高度小于主通道的深度；所述隔离墙位于阴极和阳极之间，且隔离墙将主通道划分为氢气通道和氧气通道；所述氢气通道的一端和氧气通道一端均与电解液入口连通，所述氢气通道的另一端、氧气通道的另一端分别连通氢气储存槽和氧气储存槽；所述氢气储存槽底部设有第一液体出口，上端设有氢气出口；所述氧气储存槽底部设有第二液体出口，上端设有氧气出口。
2.根据权利要求1所述的无隔膜微电解槽放大设备，其特征在于，若干微电解槽阵列相互平行设置，且若干微电解槽阵列均与第一基板垂直设置或成一定角度倾斜设置。
3.根据权利要求1所述的无隔膜微电解槽放大设备，其特征在于，若干微电解槽阵列之间的间距为第二基板厚度的1.5-3倍；第一基板上安装有温控系统。
4.根据权利要求1所述的无隔膜微电解槽放大设备，其特征在于，若干微电解槽单元平行设置在第二基板上；
或者，若干微电解槽单元成圆环状分布在第二基板上，且每个微电解槽单元均沿圆环的半径方向设置。
5.根据权利要求1所述的无隔膜微电解槽放大设备，其特征在于，所述阴极和阳极均设在其所对应的主通道的侧壁上，且两者相对设置；所述阴极和阳极分别连接阴极接口和阳极接口；所述电解液入口、氢气出口、氧气出口、第一液体出口和第二液体出口均贯穿第二基板。
6.根据权利要求1所述的无隔膜微电解槽放大设备，其特征在于，所述主通道的长度、宽度、深度比为（480-720）：（9-15）：（4-6）；所述隔离墙的宽度为主通道宽度的2/15-1/5，隔离墙的高度为主通道深度的2/5-3/5；所述氢气储存槽和氧气储存槽的长度均为主通道长度的1/5-3/10，宽度均为主通道宽度的4-6倍，深度均为主通道深度的4.8-7.2倍。
7.一种加工如权利要求1至6任意一项所述的无隔膜微电解槽放大设备的方法，其特征在于，包括在二维维度上，在若干第二基板上加工若干微电解槽单元，形成若干微电解槽阵列的步骤；在空间三维维度上，安装若干微电解槽阵列，形成完整的无隔膜微电解槽放大设备的步骤。
8.如权利要求1至6任意一项所述的无隔膜微电解槽放大设备在电解水制氢领域的应用。
9.如权利要求1至6任意一项所述的无隔膜微电解槽放大设备在氢能无人机或潜艇中的应用。
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