CN114892183B - 电解单元、直驱式电解水制气装置、系统与电解制气场及其应用 - Google Patents

电解单元、直驱式电解水制气装置、系统与电解制气场及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114892183B
CN114892183B CN202210623893.XA CN202210623893A CN114892183B CN 114892183 B CN114892183 B CN 114892183B CN 202210623893 A CN202210623893 A CN 202210623893A CN 114892183 B CN114892183 B CN 114892183B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
direct
electrolysis
drive type
unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210623893.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN114892183A (zh
Inventor
刘太楷
宋琛
毛杰
邓春明
邓畅光
刘敏
周克崧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Original Assignee
Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences filed Critical Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority to CN202210623893.XA priority Critical patent/CN114892183B/zh
Publication of CN114892183A publication Critical patent/CN114892183A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114892183B publication Critical patent/CN114892183B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/083—Separating products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

本发明公开了一种电解单元、直驱式电解水制气装置、系统与电解制气场及其应用，属于电解装置技术领域。该电解单元包括开放式腔体容器及阴极、阳极和隔膜；开放式腔体容器具有第一端和第二端以及连接第一端和第二端的容器壁，第一端、第二端和容器壁之间共同形成电解单元腔，阴极、阳极以及隔膜均独立地沿第一端至第二端的方向设置于电解单元腔内，隔膜将电解单元腔分隔为阳极腔和阴极腔；第一端开设有用于排出电解产生的气体的排气孔；第二端开设有用于通入电解液的开口，容器壁上设有排液口。该电解单元结构简单，成本低，尤其适用于直驱式电解水制气。包括上述电解单元的直驱式电解水制气装置、系统与电解制气场可低成本、大规模电解水制气。

Description

电解单元、直驱式电解水制气装置、系统与电解制气场及其 应用
技术领域
本发明涉及电解装置技术领域，具体而言，涉及一种电解单元、直驱式电解水制气装置、系统与电解制气场及其应用。
背景技术
双碳目标的实现要求大力发展高效清洁的能源技术。氢气能量密度高、来源广、使用无污染无排放，已引起国际社会的广泛关注，当前，各国均在大力发展氢能。
电解水制氢是通过电能将水分子解离生成氢气和氧气的技术，是一种仅消耗电能和水的绿色制氢技术，是当前最契合社会发展需求的制氢方式，但电解水制氢成本较高，按市电(0.56元/度)计算，1kg氢气约30元，其中能耗占比95％以上，设备投资占比约4％，这严重限制了电解水制氢的推广和应用。
为解决这一问题，工业上常采用谷电进行电解制氢，但这一方面限制了氢气产量，不利于氢气的大规模利用，另一方面，即使按谷电0.26元/度计算，电解水制氢成本为15元/kgH2，仍然高于化石来源的氢(10元/kg)。
将电解水制氢与可再生能源发电结合，可以实现电力资源的有效利用，可以利用弃电制氢，同时也可以为电解水制氢提供低成本电力。利用弃电制氢时，电价按0.13元/度计算，电解水制取1kg氢气的用电成本为7元左右，十分具有竞争力，但我国弃风弃光地区与用氢端存在明显的地域差异，我国弃风弃光主要为西部地区和内蒙古地区，而用氢端则在华东华南地区的各大中型城市，远距离输运氢气成本极高，因此利用弃电制氢无法大规模应用。
而利用可再生能源发电为电解水制氢提供廉价的电力时，电价按0.3元/度计算，电解水制取1kg氢气的用电成本为15元左右，虽高于化石来源的氢气(<10元/kg)，但可以就地部署，减少了氢气的运输，因此是可以大规模推广应用的制氢方式。
而为了提高电解水制氢的竞争力，需要进一步降低其成本。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种电解单元，以解决上述技术问题。
本发明的目的之二在于提供一种含有上述电解单元的直驱式电解水制气装置。
本发明的目的之三在于提供一种含有上述直驱式电解水制气装置的直驱式电解水制气系统。
本发明的目的之四在于提供一种含有上述直驱式电解水制气系统的电解制气场。
本发明的目的之五在于提供一种上述电解单元、直驱式电解水制气装置、系统与电解制气场的应用。
本申请可这样实现的：
第一方面，本申请提供一种用于直驱式电解水制氢气的电解单元，该电解单元包括开放式腔体容器以及阴极、阳极和隔膜；
开放式腔体容器具有相对的第一端和第二端以及连接第一端和第二端的容器壁，第一端为封闭端，第二端为敞口端，第一端、第二端和容器壁之间共同形成电解单元腔，阴极、阳极以及隔膜均独立地沿第一端至第二端的方向设置于电解单元腔内，且隔膜位于阴极以及阳极之间并将电解单元腔分隔为阳极腔和阴极腔；
第一端开设有用于排出电解产生的气体的排气孔；第二端开设有用于通入电解液的开口，容器壁上设有排液口。
在可选的实施方式中，排气孔包括与阳极腔连通的第一排气孔以及与阴极腔连通的第二排气孔；
和/或，开口处还设有第一过滤件；
和/或，排液口包括与阳极腔连通的第一排液口以及与阴极腔连通的第二排液口。
在可选的实施方式中，第一排液口以及第二排液口的数量均为多个。
在可选的实施方式中，每个排液口处均设有第二过滤件以及单向限流件。
第二方面，本申请提供一种直驱式电解水制气装置，包括前述实施方式的电解单元。
在可选的实施方式中，直驱式电解水制气装置还包括发电单元，发电单元与电解单元的电极连接。
在可选的实施方式中，发电单元包括多个光伏发电板。
在可选的实施方式中，发电单元不设置变电装置。
在可选的实施方式中，直驱式电解水制气装置还包括支撑单元，电解单元与支撑单元连接。
在可选的实施方式中，发电单元设置于支撑单元上。
在可选的实施方式中，支撑单元包括支撑壳体和进气管，支撑壳体内部具有储气区；支撑壳体设有进气口，进气管的一端经进气口与储气区连接，另一端与电解单元的排气孔连接。
在可选的实施方式中，储气区的数量为1个，进气管的数量也为1个，进气管的两端分别与储气区以及电解单元的第一排气孔或第二排气孔连接；
和/或，储气区包括间隔设置的第一储气区和第二储气区，进气管对应包括第一进气管和第二进气管，其中，第一进气管的两端分别与第一储气区以及第一排气孔连接，第二进气管的两端分别与第二储气区以及第二排气孔连接。
在可选的实施方式中，支撑单元内部还具有与储气区间隔设置的配重区，支撑壳体设有与配重区连通的配重液入口。
第三方面，本申请提供一种直驱式电解水制气系统，包括多个前述实施方式任一项的直驱式电解水制气装置。
在可选的实施方式中，每个直驱式电解水制气装置均独立地包括一一对应的电解单元、支撑单元以及发电单元。
在可选的实施方式中，直驱式电解水制气系统包括多组相互连接的直驱式电解水制气装置组；每组直驱式电解水制气装置组均包括多个相互连接的直驱式电解水制气装置；
其中，每个直驱式电解水制气装置的支撑单元上均设有连接耳，同一组的直驱式电解水制气装置组中，多个直驱式电解水制气装置通过连接耳依次连接；
每个直驱式电解水制气装置的支撑单元上还均设有汇集口以及与储气区连接的集气口，相邻两组的直驱式电解水制气装置组中，前一组直驱式电解水制气装置的集气口或汇集口对应与后一组直驱式电解水制气装置的汇集口或集气口连接。
在可选的实施方式中，多个直驱式电解水制气装置呈阵列方式连接。
在可选的实施方式中，当储气区的数量为1个时，每个支撑单元设置的集气口的数量也为1个。
在可选的实施方式中，当储气区的数量为2个时，每个支撑单元设置的集气口和汇集口的数量也独立地为2个，2个集气口与2个储气区一一对应连接，2个汇集口与2个集气口一一对应连接。
第四方面，本申请提供一种电解制气场，包括采气管以及多个前述实施方式的直驱式电解水制气系统，采气管用于采集每个直驱式电解水制气系统中收集的气体。
在可选的实施方式中，电解制气场还包括输气管，输气管的两端分别与采气管以及预设的气体处理区连接。
第五方面，本申请提供如前述实施方式任一项的电解单元或如前述实施方式任一项的直驱式电解水制气装置或如前述实施方式任一项的直驱式电解水制气系统或如前述实施方式的电解制气场在电解水制气中的应用。
在可选的实施方式中，应用包括电解水制氢、电解海水制氢或光伏电解海水制氢。
本申请的有益效果包括：
本申请提供的用于直驱式电解水制气的电解单元采用开放式结构设计，可用于低成本电解水制气。含有上述电解单元的直驱式电解水制气装置，可不单独设置冷却系统、电解液循环系统和气体处理系统，且可不设置逆变器、变压器等变电部件，与现有技术相比，结构简单、成本低廉、可靠性高，可应用于大规模电解水制气。含有多个上述装置的直驱式电解水制气系统，采用模块化设计，各个电解水制气装置可独立运行，电解产气通过集气管汇集。多个电解水制气系统组合形成电解制气阵列，多个电解制气阵列组合形成规模化电解制气场，可用于规模化低成本电解水制氢制氧。
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单元的剖面图；
图2为本申请提供的电解单元的外形示意图；
图3为现有的电解水制气技术的工艺流程图；
图4为本申请提供的电解水制气技术的工艺流程图；
图5为本申请提供的发电模块与双储气区支撑单元在第一视角下的配合示意图；
图6为本申请提供的发电模块与双储气区支撑单元在第二视角下的配合示意图；
图7为本申请提供的发电模块与双储气区支撑单元在第三视角下的配合示意图；
图8为本申请提供的发电模块与单储气区支撑单元在第一视角下的配合示意图；
图9为本申请提供的发电模块与单储气区支撑单元在第二视角下的配合示意图；
图10为本申请提供的双储气区电解水制气装置的结构示意图；
图11为本申请提供的单储气区电解水制气装置的结构示意图；
图12为本申请提供的双储气区发电电解制气系统的结构示意图；
图13为本申请提供的单储气区电解制气系统的结构示意图；
图14为本申请提供的单储气区电解制气阵列的结构示意图；
图15为本申请提供的规模化电解制气示意图；
图16为本申请提供的无气室电解制气模块示意图。
图标：10-电解单元；101-第一端；102-第二端；103-容器壁；11-阳极；12-阴极；13-隔膜；14-电解单元腔；141-阳极腔；142-阴极腔；151-第一排气孔；152-第二排气孔；150-排气管；153-第一排气管；154-第二排气管；16-开口；161-第一过滤件；171-第一排液口；172-第二排液口；173-第二过滤件；174-单向限流件；20-发电单元；30-支撑单元；31-支撑壳体；32-储气区；321-第一储气区；322-第二储气区；33-进气管；331-第一进气管；332-第二进气管；34-配重区；341-配重液入口；35-连接耳；36-集气口；361-第一集气口；362-第二集气口；371-第一汇集口；372-第二汇集口；381-第一集气管；382-第二集气管；391-第一汇流管；392-第二汇流管；40-电解制气阵列；41-采气管；42-输气管。
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。
下面对本申请提供的电解单元、直驱式电解水制气装置、系统与电解制气场及其应用进行具体说明。
请一并参照图1、图2以及图5至图16，本申请提出一种用于直驱式电解水制氢气的电解单元10，该电解单元10包括开放式腔体容器以及阴极12、阳极11和隔膜13；
开放式腔体容器具有相对的第一端101和第二端102以及连接第一端101和第二端102的容器壁103。第一端101为封闭端，第二端102为敞口端，在使用状态下，可理解为第一端101和第二端102分别为相对的上端和下端，第一端101、第二端102和容器壁103之间共同形成开放式的电解单元腔14。
阴极12、阳极11以及隔膜13均独立地沿第一端101至第二端102的方向设置于电解单元腔14内，且隔膜13位于阴极12以及阳极11之间并将电解单元腔14分隔为阳极腔141和阴极腔142。
上述第一端101开设有用于排出电解产生的气体的排气孔；第二端102开设有用于通入电解液的开口16(也即电解液通过该开口16进入电解单元腔14参与电解反应)，容器壁103上设有排液口以将电解单元腔14内反应后的液体排出。
作为参考地，上述排气孔包括与阳极腔141连通的第一排气孔151以及与阴极腔142连通的第二排气孔152。第一排气孔151用于排出电解产生的阳极11气，第二排气孔152用于排出电解产生的阴极12气。上述阳极11气和阴极12气可进一步导向阳极11气体和阴极12气体处理模块或存储模块。
本申请中，第二端102的开口16处设有第一过滤件161，以将用于通入电解单元腔14内的电解液中夹杂的固体杂质等去除。
作为参考地，排液口包括与阳极腔141连通的第一排液口171以及与阴极腔142连通的第二排液口172。
在一些可选的实施方式中，第一排液口171以及第二排液口172的数量均可以为多个，其具体设置形式和方式不做过多限定。
较佳地，每个排液口处均设有第二过滤件173以及单向限流件174。其中，第二过滤件173可防止外界固体杂质进入电解单元腔14。单向限流件174可允许电解单元腔14内的液体向外流同时阻止外部液体向电解单元腔14内流。
电解时，电极上产生气体，气体上浮带动周围电解液向上流动，而由于腔体容器的第一端101(顶部)未设置液体出口，向上流动的电解液受到下部气体和电解液的推动，进而向容器壁103上的排液口附近流动，并从排液口流出。排液口处设置的单向限流件174在其内侧电解液流过时可张开，而其外侧液体向内流动时则闭上，从而实现单向限流作用。同时，随着电解液向上流动，腔体容器的第二端102(底部)开口16处的电解液也一起向上流动，从而实现了电解液的更新。
基于此，本申请提供的开放式结构的电解单元10可在无动力条件下持续进行电解产气(例如制氢气和/或氧气)，成本低，应用前景广阔。
在一些可参考地实施方式中，本申请提供的腔体容器示例性地可由绝缘耐腐蚀材料制成。
例如，腔体容器可由高分子聚合物制成，该高分子聚合物包括但不限于聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龙(PA)、聚丁烯己二酰胺(PA46)、聚对苯二甲酰己二胺(PA6T)、液晶聚合物(LCP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚苯硫醚(PPS)、聚全氟乙丙烯(FEP)、四氟乙烯共聚物(ETFE)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
或者，腔体容器可由硅胶材料制成，该硅胶材料包括但不限于二甲基硅胶、甲基乙烯基硅胶、甲基苯基乙烯基硅胶、氟硅胶、腈硅胶、苯硅胶、乙基硅胶或硅氮橡胶。
或者，腔体容器可由橡胶材料制成，该橡胶材料包括但不限于丁苯橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、天然橡胶或丁苯橡胶。
或者，腔体容器可由陶瓷材料或玻璃材料制成。
本申请提供的阴极12和阳极11的制备材质可独立地包括但不限于镍基、铁基、铜基、钴基、哈氏合金、蒙乃尔合金、钛合金、贵金属及其合金、氧化物组成。
本申请提供的隔膜13可以是多孔膜，也可以是离子交换膜，具体可由石棉、树脂和/或高分子材料制成。其中，高分子隔膜13材料包括但不限于壳聚糖类高分子材料、聚砜类高分子材料、苯醚和聚苯醚类高分子材料、聚氟乙烯类高分子材料、聚酯类高分子材料、聚醚酮类高分子材料或磺酸类高分子材料。
此外，本申请还提供了一种直驱式电解水制气装置，其包括上述电解单元10。
进一步地，该直驱式电解水制气装置还包括发电单元20，发电单元20与电解单元10的电极连接，具体的，发电单元20的正极通过线缆与电解单元10中的阳极11连接，发电单元20的负极通过线缆与电解单元10中的阴极12连接。
可参考地，发电单元20可包括多个光伏发电板。
在一些优选的实施方式中，发电单元20不设置变电装置(如逆变器和变压器等，如图4所示)。通过不设置变电装置，可使得本申请提供的直驱式电解水制气装置较现有技术中具有变电装置的电解水制气装置(如图3所示)具有结构简单以及成本低廉等优点。
上述发电单元20可输出直流电压和电流，发电模块直流输出电压和电流与电解单元10工作电压与电流匹配。
示例性地，发电单元20直流输出电压范围可以为1.23-300V，优选为2-30V。发电单元20直流输出电流范围可以为10-10000A，优选为10-500A。
进一步地，直驱式电解水制气装置还可包括支撑单元30，电解单元10与支撑单元30连接，具体可通过管道连接。
示例性地，发电单元20可直接设置于支撑单元30上。
本申请中，支撑单元30包括支撑壳体31和进气管33，支撑壳体31内部具有储气区32；支撑壳体31设有进气口，进气管33的一端经进气口与储气区32连接，另一端与电解单元10的排气孔连接。也即，通过进气管33可将电解单元10电解产生的气体导入支撑单元30的储气区32。
在一些实施方式中，储气区32的数量仅为1个，相应的进气管33的数量也仅为1个，该进气管33的两端分别与储气区32以及电解单元10的第一排气孔151或第二排气孔152连接。
也即，该储气区32根据需要选择性地储存电解单元10中阳极11所产生的气体或阴极12所产生的气体。
在另一些实施方式中，储气区32可包括间隔设置的第一储气区321和第二储气区322，进气管33对应包括第一进气管331和第二进气管332，其中，第一进气管331的一端和第二进气管332的一端分别与第一储气区321和第二储气区322连接，第一进气管331的另一端和第二进气管332的另一端分别与第一排气孔151和第二排气孔152连接。
也即，第一储气区321和第二储气区322可分别储存电解单元10中产生的不同气体。
需说明的是，电解单元10的排气孔分别连接有排气管150，进一步地，再由排气管150与支撑单元30的进气管33连接。
当进气管33包括第一进气管331和第二进气管332时，则排气管150包括与第一进气管331连接的第一排气管153以及与第二进气管332连接的第二排气管154。
进一步地，本申请提供的支撑单元30的内部还具有与储气区32间隔设置的配重区34，支撑壳体31设有与配重区34连通的配重液入口341。
配重区34允许外部液体通过配重液入口341进入，以降低支撑单元30的重心，提高电解水制气装置的稳定性和可靠性，从而可以抵抗海浪、台风等因素对电解水制气装置的影响。
承上，含有上述发电单元20、支撑单元30和电解单元10的电解水制气装置可潜浮于电解液(如海水)中，在光照或外部供电时可持续进行电解制气反应。
当以海水作为电解液时，电解水制气装置潜浮于电解液中，起初阶段，支撑单元30的配重区34以及储气区32被电解液充满，发电单元20处于液面之上。随后，电解水制气装置进行电解，支撑单元30的储气区32内的电解液逐渐被电解产气置换(置换出的电解液从下文中的第一进气管331或第二进气管332排出)，电解制气装置则逐渐上浮。通过设置液位传感器，可以实时监测电解水制气装置工作状态，从而可以及时采集电解产生的气体，使电解水制气装置处于额定的工作状态。
可参考地，上述支撑单元30的材料包括但不限于聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龙(PA)、聚丁烯己二酰胺(PA46)、聚对苯二甲酰己二胺(PA6T)、液晶聚合物(LCP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚苯硫醚(PPS)、聚全氟乙丙烯(FEP)、四氟乙烯共聚物(ETFE)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
此外，本申请还提供了一种直驱式电解水制气系统，其包括多个上述直驱式电解水制气装置。
在该直驱式电解水制气系统中，每个直驱式电解水制气装置均独立地包括一一对应的电解单元10、支撑单元30以及发电单元20。
具体的，该直驱式电解水制气系统包括多组相互连接的直驱式电解水制气装置组；每组直驱式电解水制气装置组均包括多个相互连接的直驱式电解水制气装置。在一些优选的实施方式中，多个直驱式电解水制气装置呈阵列方式连接。
其中，每个直驱式电解水制气装置的支撑单元30上均设有连接耳35，同一组的直驱式电解水制气装置组中，多个直驱式电解水制气装置通过连接耳35依次连接，以保持稳定。
每个直驱式电解水制气装置的支撑单元30上还均设有汇集口37以及与储气区32连接的集气口36，相邻两组的直驱式电解水制气装置组中，前一组直驱式电解水制气装置的集气口36或汇集口37对应与后一组直驱式电解水制气装置的汇集口37或集气口36连接。
在一些实施方式中，每个支撑单元30所具有的储气区32的数量仅为1个，每个支撑单元30设置的集气口36的数量也仅为1个。每个支撑壳体31的前侧面均设有1个集气口36，后侧面均设有1个汇集口37；前一组直驱式电解水制气装置中的支撑壳体31的汇集口37与后一组直驱式电解水制气装置中与其相对应的支撑壳体31的集气口36相连接，以实现所有电解产气的统一收集。
在另一些实施方式中，每个支撑单元30所具有的储气区32的数量为2个，每个支撑单元30设置的集气口36和汇集口37的数量也独立地为2个，2个集气口36与2个储气区32一一对应连接，2个汇集口37与2个集气口36一一对应连接。
每个支撑壳体31的前侧面均设有1个第一集气口361和1个第二汇集口372，后侧面均设有1个第一汇集口371和第二集气口362；其中，第一集气口361通过第一集气管381与该支撑壳体31内的第一储气区321连通，第二集气口362通过第二集气管382与该支撑壳体31内的第二储气区322连通；前一组直驱式电解水制气装置中的支撑壳体31的第一汇集口371与后一组直驱式电解水制气装置中与其相对应的支撑壳体31的第一集气口361通过第一集气管381相连接，以实现所有第一储气区321内的气体的统一收集；前一组直驱式电解水制气装置中的支撑壳体31的第二集气口362与后一组直驱式电解水制气装置中与其相对应的支撑壳体31的第二汇集口372通过第二集气管382相连接，以实现所有第二储气区322内的气体的统一收集。
较佳地，上述所有收集到的第一储气区321和第二储气区322内的气体可分别统一汇集于第一汇流管391和第二汇流管392内。
此外，本申请还提供了一种电解制气场，其包括采气管41以及多个上述直驱式电解水制气系统，采气管41用于采集每个直驱式电解水制气系统中收集的气体。
较佳地，多个直驱式电解水制气系统组合形成电解制气阵列40。多个电解制气阵列40通过采气管41连接，形成规模化电解制气场。
进一步地，电解制气场还包括输气管42，输气管42的两端分别与采气管41以及预设的气体处理区连接。
具体的，采气管41内采集到的电解气体通过输气管42集中输运至气体处理或存储区，亦或通过采集船/车在输气管42道出口处将电解产气集中采集。
需说明的是，本申请提供的多个电解制气单元还可以组合形成无发电模块、无支撑单元30的电解制氢系统，通过外部供电，可用于规模化电解制气。
此外，本申请还提供了上述电解单元10、上述直驱式电解水制气装置、上述直驱式电解水制气系统以及上述电解制气场在电解水制气中的应用，如电解水制氢、电解海水制氢或光伏电解海水制氢等。
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。
实施例1
如图2所示，腔体容器由聚丙烯制成，内径为30cm，长度为120cm，在圆桶形腔体容器壁103面上钻取一定数量的通孔作为排液口，将鸭嘴状软硅胶与网状聚丙烯一同装入孔中以分别作为单向限流件174和第二过滤件173。在腔体容器封闭的一端(上端)钻取两个孔作为第一排气孔151和第二排气孔152，将两个中空管分别装入上述两个孔中作为第一排气管153和第二排气管154。在腔体容器内部安装尺寸为20cm×100cm×1mm的长片状哈氏合金阴极12和钛板阳极11，并在两者之间安装聚苯硫醚薄膜作为隔膜13，将阴极12和阳极11分别与对应的接线端(图中未示出)连接。然后将聚丙烯过滤网安装在腔体容器开口16一端(第二端102)以作为第一过滤件161。通过上述设置形成可用于电解水制气的电解单元10。
本实施例采用非堆叠式结构设计，一个电解单元10包含一个阴极12和阳极11。电解时，电极工作电流密度为0.5A/cm2，除去网孔后，电极有效面积为1000cm2，工作电压为2V，工作电流为500A，单个电解单元10功率为1kW。阴极12产生的是氢气，阳极11产生的氧气。本实施例公开的电解单元10价格约为500元，而同等规模的传统叠式电解槽价格为1000-3000元，本申请的成本不到传统电解槽的1/2，具有显著的成本优势。
实施例2
按图5至图7所示，制备尺寸为2.5m×2.5m×30cm聚丙烯支撑单元30，通过螺栓或胶粘的方式将70组4片串联的柔性光伏发电板安装于支撑单元30上表面，形成最大功率点电压为2V、电流为500A的发电单元20。
将支撑单元30的第一进气管331和第二进气管332通过分别与实施例1中的第一排气管153和第二排气管154连接，从而实现与实施例1提供的电解单元10中的第一排气孔151和第二排气孔152连接，形成图10所示的电解制气装置。
将图10所示电解制气装置置于电解液中，待其进入潜浮状态，将第一集气口361与第二集气口362封闭，并让阳光直射发电模块，接通电路(图10中未示出)，开始电解，随着电解进行，发电装置逐渐上浮。将第一集气口361与第二集气口362打开，电解制氢装置则逐渐下沉，直至所有气体被排出。
图10所示电解水制气装置制备成本为2500元/kW左右，其中发电模块成本为1500元/kW，支撑单元30成本为500元，电解单元10为500元。传统电解槽(3000-5000元/kW)+光伏发电(3000-5000元/kW)总成本约6000～10000元/kW，本申请提供的电解水制气装置成本低于传统光伏制氢成本的1/2，具有显著的成本优势。
实施例3
按图8与图9所示，制备尺寸为2.5m×2.5m×30cm聚丙烯支撑单元30，通过螺栓或胶粘的方式将70组4片串联的柔性光伏发电板安装于支撑单元30上表面，形成最大功率点电压为2V、电流为500A的发电模块。
将支撑单元30进气管33通过第一排气管153连接以实现与实施例1提供的电解单元10中的第一排气孔151连接，第二排气管154与第二排气孔152连接实现其余气体的排空，形成图8所示的电解制气装置。
将图11所示电解制气装置置于电解液中，待其进入潜浮状态，将集气口36封闭，并让阳光直射发电模块，接通电路(图11中未示出)，开始电解，随着电解进行，发电装置逐渐上浮。将集气口36打开，电解制氢装置则逐渐下沉，直至所有气体被排出。
图11所示电解水制气装置制备成本为2400元/kW左右，其中发电模块成本为1500元/kW，支撑单元30成本为400元，电解单元10为500元。传统电解槽(3000-5000元/kW)+光伏发电(3000-5000元/kW)总成本约6000-10000元/kW，本申请提供的电解水制气装置成本不到传统光伏制氢成本的1/2，具有显著的成本优势。
实施例4
将12个图10所示的电解水制气装置通过连接耳35连接，将相邻两个电解水制气装置的第一集气口361与第一汇集接口连接，第二集气口362与第二汇集接口连接，并通过汇流管分别将第一集气口361和第二集气口362的气体汇流，形成如图12所示的电解水制气系统，系统电解功率为12kW，系统发电功率为12kW，将得到的系统安装于内陆湖中，进行电解水制氢。
以广州日照情况为例，按每天10小时光照时间计算，系统每天可产生120度电，按95％的有效用电计算，每天可电解产生氢气约25.3m3，系统成本3万元，按每年工作300天计算，折旧期为8年，系统折旧为12.5元/天，度电成本为0.1元，每方氢气系统平摊折旧成本费为0.49元，因本系统自带发电模块，无需额外提供电力，因此系统折旧费即是电解生产的氢气成本，所以氢气单价为0.494元/m3，也即5.43元/kg，远低于传统电解水制氢成本，与煤制氢、石油制氢等化石能源制氢价格在同一水平。
此外，电解产生的氧气也具有一定的商业价值，这可进一步拉低氢气的成本。
因此，与传统的电解水制气系统相比，本申请提供的电解水制气系统安全、简单、成本低、可靠性高，具有显著的技术和成本优势。
实施例5
将12个图11所示的电解水制气装置通过连接耳35连接，将相邻两个电解水制气装置的集气口36与汇集接口连接，并通过汇流管将各集气口36的气体汇流采集，形成如图13所示的电解水制气系统，系统电解功率为12kW，系统发电功率为12kW，将得到的系统安装于近海，进行电解海水制氢。
以广东沿海日照条件为例，按每天10小时光照时间计算，系统每天可产生120度电，按95％的有效用电计算，每天可电解产生氢气约25.3m3，系统成本2.88万元，按每年工作300天计算，折旧期为8年，系统折旧为12元/天，度电成本为0.1元，每方氢气系统平摊折旧成本费为0.45元，因本系统自带发电模块，无需额外提供电力，因此系统折旧费即是电解生产的氢气成本，所以氢气单价为0.45元/m3，也即4.95元/kg，远低于传统电解水制氢成本，与煤制氢、石油制氢等化石能源制氢价格在同一水平。与传统的电解水制气系统相比，本申请提供的电解水制气系统安全、简单、成本低、可靠性高，具有显著的技术优势。
实施例6
将4个图13所示的电解水制气系统连接，形成图14所示的电解水制气阵列。将5个图14所示的电解水制气阵列通过采气管41连接组合，形成图15所示的大型电解水制气场，总发电功率为240kW，总电解功率为240kW。
以广东沿海日照条件为例，按每天10小时日照时间计算，每天产生2400度电，按95％的有效用电计算，每天可生产氢气506m3，电解水制气系统总成本为57.6万，按每年工作300天计算，折旧期为8年，系统折旧为240元/天，度电成本为0.1元，每方氢气系统平摊折旧成本费为0.45元，因本系统自带发电模块，无需额外提供电力，因此系统折旧费即是电解生产的氢气成本，所以氢气单价为0.45元/m3，也即4.95元/kg，远低于传统电解水制氢成本，与煤制氢、石油制氢等化石能源制氢价格在同一水平。
此外，电解一定时间后，待储气区32储满气体时，可通过采集船或采集车在输气管42处收取电解产气，气体收集完后，所有电解制气装置均进入潜浮状态。
与传统的大规模电解水制气系统相比，本申请提供的电解水制气阵列安全、简单、成本低、可靠性高，同时还具有操作简单、无人值守等特点，仅需定期采气，与现有技术相比，具有显著的成本和技术优势。
综上所述，本申请提供的用于直驱式电解水制气的电解单元10采用开放式结构设计，可用于低成本电解水制气。含有上述电解单元10的直驱式电解水制气装置，不单独设置冷却系统、电解液循环系统和气体处理系统，且不设置逆变器、变压器等变电部件，与现有技术相比，结构简单、成本低廉、可靠性高，可应用于大规模电解水制气。含有多个上述装置的直驱式电解水制气系统，采用模块化设计，各个电解水制气装置可独立运行，电解产气通过集气管汇集。多个电解水制气系统组合形成电解制气阵列40，多个电解制气阵列40组合形成规模化电解制气场，用于规模化低成本电解水制氢制氧。
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 (14)

1.一种直驱式电解水制气装置，其特征在于，包括电解单元、发电单元和支撑单元；
所述电解单元包括开放式腔体容器以及阴极、阳极和隔膜；
所述开放式腔体容器具有相对的第一端和第二端以及连接所述第一端和所述第二端的容器壁，所述第一端为封闭端，所述第二端为敞口端，所述第一端、所述第二端和所述容器壁之间共同形成电解单元腔，所述阴极、所述阳极以及所述隔膜均独立地沿所述第一端至所述第二端的方向设置于所述电解单元腔内，且所述隔膜位于所述阴极以及所述阳极之间并将所述电解单元腔分隔为阳极腔和阴极腔；
所述第一端开设有用于排出电解产生的气体的排气孔；所述第二端开设有用于通入电解液的开口，所述容器壁上设有排液口；
所述排气孔包括与所述阳极腔连通的第一排气孔以及与所述阴极腔连通的第二排气孔；
所述开口处还设有第一过滤件；
所述排液口包括与所述阳极腔连通的第一排液口以及与所述阴极腔连通的第二排液口；每个排液口处均设有第二过滤件以及单向限流件；
所述发电单元与所述电解单元的电极连接；
所述发电单元包括多个光伏发电板；
所述发电单元不设置变电装置；
所述电解单元与所述支撑单元连接；
所述发电单元设置于所述支撑单元上；
所述支撑单元包括支撑壳体和进气管，所述支撑壳体内部具有储气区；所述支撑壳体设有进气口，所述进气管的一端经所述进气口与储气区连接，另一端与所述电解单元的排气孔连接；
所述支撑单元内部还具有与所述储气区间隔设置的配重区，所述支撑壳体设有与所述配重区连通的配重液入口；
所述电解水制气装置潜浮于电解液中。
2.根据权利要求1所述的直驱式电解水制气装置，其特征在于，所述第一排液口以及所述第二排液口的数量均为多个。
3.根据权利要求1所述的直驱式电解水制气装置，其特征在于，所述储气区的数量为1个，所述进气管的数量也为1个，所述进气管的两端分别与所述储气区以及所述电解单元的第一排气孔或第二排气孔连接；
和/或，所述储气区包括间隔设置的第一储气区和第二储气区，所述进气管对应包括第一进气管和第二进气管，其中，所述第一进气管的两端分别与所述第一储气区以及所述第一排气孔连接，所述第二进气管的两端分别与所述第二储气区以及所述第二排气孔连接。
4.一种直驱式电解水制气系统，其特征在于，包括多个权利要求1-3任一项所述的直驱式电解水制气装置。
5.根据权利要求4所述的直驱式电解水制气系统，其特征在于，每个所述直驱式电解水制气装置均独立地包括一一对应的电解单元、支撑单元以及发电单元。
6.根据权利要求4或5所述的直驱式电解水制气系统，其特征在于，所述直驱式电解水制气系统包括多组相互连接的直驱式电解水制气装置组；每组所述直驱式电解水制气装置组均包括多个相互连接的直驱式电解水制气装置；
其中，每个所述直驱式电解水制气装置的支撑单元上均设有连接耳，同一组的直驱式电解水制气装置组中，多个直驱式电解水制气装置通过所述连接耳依次连接；
每个所述直驱式电解水制气装置的支撑单元上还均设有汇集口以及与储气区连接的集气口，相邻两组的直驱式电解水制气装置组中，前一组直驱式电解水制气装置的集气口或汇集口对应与后一组直驱式电解水制气装置的汇集口或集气口连接。
7.根据权利要求6所述的直驱式电解水制气系统，其特征在于，多个所述直驱式电解水制气装置呈阵列方式连接。
8.根据权利要求6所述的直驱式电解水制气系统，其特征在于，当所述储气区的数量为1个时，每个所述支撑单元设置的所述集气口的数量也为1个；
或，当所述储气区的数量为2个时，每个所述支撑单元设置的所述集气口和汇集口的数量也独立地为2个，2个所述集气口与2个所述储气区一一对应连接，2个所述汇集口与2个所述集气口一一对应连接。
9.一种电解制气场，其特征在于，包括采气管以及多个权利要求4-8任一项所述的直驱式电解水制气系统，所述采气管用于采集每个所述直驱式电解水制气系统中收集的气体。
10.根据权利要求9所述的电解制气场，其特征在于，所述电解制气场还包括输气管，所述输气管的两端分别与所述采气管以及预设的气体处理区连接。
11.如权利要求1-3任一项所述的直驱式电解水制气装置或如权利要求4-8任一项所述的直驱式电解水制气系统或如权利要求9-10任一项所述的电解制气场在电解水制气中的应用。
12.根据权利要求11所述的应用，其特征在于，所述应用包括电解水制氢。
13.根据权利要求11所述的应用，其特征在于，所述应用包括电解海水制氢。
14.根据权利要求11所述的应用，其特征在于，所述应用包括光伏电解海水制氢。
CN202210623893.XA 2022-06-02 2022-06-02 电解单元、直驱式电解水制气装置、系统与电解制气场及其应用 Active CN114892183B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210623893.XA CN114892183B (zh) 2022-06-02 2022-06-02 电解单元、直驱式电解水制气装置、系统与电解制气场及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210623893.XA CN114892183B (zh) 2022-06-02 2022-06-02 电解单元、直驱式电解水制气装置、系统与电解制气场及其应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114892183A CN114892183A (zh) 2022-08-12
CN114892183B true CN114892183B (zh) 2023-08-08

Family

ID=82727063

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210623893.XA Active CN114892183B (zh) 2022-06-02 2022-06-02 电解单元、直驱式电解水制气装置、系统与电解制气场及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114892183B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201962369U (zh) * 2011-01-21 2011-09-07 中冶焊接科技有限公司 管式电解槽组
CN103352234A (zh) * 2013-07-31 2013-10-16 孙誉宁 一种制氢制氧系统
CN110875711A (zh) * 2019-11-08 2020-03-10 江苏科技大学 基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统及方法
CN113224338A (zh) * 2021-06-08 2021-08-06 深圳海闻科技有限公司 一种电能供应装置和航行器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201962369U (zh) * 2011-01-21 2011-09-07 中冶焊接科技有限公司 管式电解槽组
CN103352234A (zh) * 2013-07-31 2013-10-16 孙誉宁 一种制氢制氧系统
CN110875711A (zh) * 2019-11-08 2020-03-10 江苏科技大学 基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统及方法
CN113224338A (zh) * 2021-06-08 2021-08-06 深圳海闻科技有限公司 一种电能供应装置和航行器

Also Published As

Publication number Publication date
CN114892183A (zh) 2022-08-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN202401137U (zh) 风光互补海水制氢制氧系统
US20050183962A1 (en) System and method for generating hydrogen gas using renewable energy
MX2011008712A (es) Aparato y metodo para capturar gas durante electrolisis.
CN105749914B (zh) 一种对称双功能光催化剂、双室光反应器及光催化还原二氧化碳的方法
CN208471684U (zh) 一种光催化-微生物燃料电池污水处理复合装置
MX2011008710A (es) Celda electrolitica y metodo de uso de ésta.
MX2011008711A (es) Aparato y metodo para controlar la nucleacion durante electrolisis.
CN106374127B (zh) 一种跌水曝气式微生物燃料电池
US20120125780A1 (en) System and method for generating hydrogen gas using renewable energy
CN101514462A (zh) 一种超纯水膜电解装置
US20120222967A1 (en) System and Method for Generating Hydrogen Gas Using Renewable Energy
CN207418326U (zh) 一种聚光光伏光热耦合利用海水淡化系统
CN101337749A (zh) 一种太阳能海水淡化方法及成套装置
CN104630816B (zh) 基于太阳能和海水电池协同驱动的光电降解有机污染物制氢的装置及工艺
CN107881526A (zh) 一种潮流能海水制取氢气氧气装置
CN110205642A (zh) 一种太阳能装置
CN110112439A (zh) 一种金属空气电池电解液动态循环过滤装置
WO2012120314A2 (en) Apparatus
CN106591875A (zh) 利用光能电解海水制取次氯酸钠的装置
CN114892183B (zh) 电解单元、直驱式电解水制气装置、系统与电解制气场及其应用
CN209276647U (zh) 一种利用太阳能分解水制氢装置
CN209618951U (zh) 一种电化学氧化还原污水原位修复装置
CN208395286U (zh) 一种风电电解水制氢系统
CN106784952B (zh) 一种利用可拓展连续流微生物燃料电池产电除污的方法
CN213113530U (zh) 液态金属磁流体直接电解水制氢装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant