CN115404503A - 一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及氢生产技术领域，提供了一种无膜电解制氢装置及其制备方法，涉及利用无膜电解、氢气和氧气隔离、气液分离、电解液循环等装置和方法，旨在解决现有的有膜电解槽内阻大、电解效率低、能耗高、成本高、连续运行稳定性差、抗电流扰动差等问题。所述无膜电解制氢装置及其制备方法包括：将微通道的两个面作为阳极和阴极，流体在阳极和阴极之间流动，产生的氧气和氢气在阳极板和阴极板顶端隔离并与电解液分离，多余的电解液通过内连通管路回流。所述装置结构和方法工艺简单，能耗低，效率高，电解槽体积小，占地少，可操作性强，容易实施，在电极上实现气体隔离和气液分离，提高电解液通量、电解槽耐电流扰动能力、电解效率、制氢量等。

Description

一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及氢生产技术领域，具体而言，涉及一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法。
背景技术
氢能具有清洁无污染、热值高、资源丰富、应用范围广等优点，是实现能源转型与碳中和的一类重要二次能源，备受高度重视，已成为很多国家能源转型的战略选择。氢产业链中，制备和储运直接影响后端的应用。目前常规的氢气制取方法主要有：①化石燃料制氢；②副产氢回收；③电解水制氢；④高温分解制氢。其中工业化大规模制氢方法主要是化石燃料制氢，占目前国内氢气产量的96％左右。然而，这些制氢的生产工艺流程复杂，制氢过程会对环境造成不同污染，制得的氢纯度低，需要有效的分离技术提纯氢气，使得氢未能实现全过程清洁化，所制得的氢气基本上都属于“灰氢”(通过化石燃料石油、天然气和煤制取，制氢成本较低，但碳排放量大)和“蓝氢”(利用化石燃料制氢，同时配合碳捕捉和碳封存技术，碳排放强度相对较低，但捕集成本较高)范畴，全过程考虑，碳排放水平与直接使用煤炭相比相差不大遵循“灰氢不可取、蓝氢可利用、绿氢(采用风、光、潮汐等可再生能源电解制氢，制氢过程完全没有碳排放，但成本较高)是方向”的原则，应避免在氢气制取过程中产生污染物或温室气体的排放，迫切需要走新能源发电制氢的“绿氢”路线，降低制氢成本，增加绿氢规模。
水电解制氢虽然成本较高，但是具有气体纯度高、原料易得、使用方便等优点，有一定的市场，特别随着风、光、潮汐等可再生能源的利用技术提升，使用这些可再生能源产生的电电解水制氢具有竞争优势和广阔的应用前景。目前电解水制氢多采用碱性水电解，电解槽的阴极产生氢气H2，阳极产生氧气O2，二者用隔膜分隔开，避免氢氧混合发生危险。隔膜不仅增加体系的内阻，而且质量的好坏，直接关系到H2与O2的纯度、电耗、稳定性和安全等问题。因此，目前隔膜电解制氢的工艺技术和设备存在内阻大、能耗高、抗电流波动能力差、流体运动阻力大、气液分离系统复杂、运行稳定性差(电解单体通过膜串联而成，一个膜出问题会导致整个装置无法正常工作)、膜材料贵、成本高等问题，不利于氢的持续生产和广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于：解决目前电解制氢过程中存在内阻大、能耗高、抗电流扰动性差、流体运动和离子扩散阻力大、气液分离系统复杂、运行稳定性差等问题，消除传统电解工艺中隔膜引起的极化、低可靠性、低效率、扩展性差和高成本等缺陷，创新性设计无膜电解制氢装置，并在无膜电解工艺的基础上实现在电极上气液分离、气体隔离与高效收集，改善气体在电极上的分布、分离和富集，对产生的气体进行物理阻隔，节约隔膜及其密封和电解等成本，提高能量效率、产氢效率、抗电流扰动和运行稳定性。
有鉴于此，本发明提供了一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法，旨在解决现有电解制氢过程中存在内阻大、能耗高、抗电流扰动性差、流体运动阻力大、气液分离系统复杂、运行稳定性差、成本高等问题，设计无膜电解制氢装置，降低内阻和能耗，提高电解效率、抗电流扰动和运行稳定性，有利于利用风、光、潮汐等可再生能源发的不稳定电制备绿氢，实现氢的可持续发展。
为达此目的，本发明主要采用以下技术方案：
一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法，其特征在于，包括：电解槽阳极和阴极之间没有隔膜，电极之间有电解液，阳极和阴极保持一定距离；电解槽电极上产生的气体在电极上气液分离；电解槽电极上产生的物质和氢气物理隔离。
作为优选，所述的隔膜指阳极和阴极之间放置的允许离子通过而不允许电子和产物通过的膜，包括离子交换膜、石棉隔膜、聚苯硫醚隔膜、聚砜类隔膜、聚乙烯、聚丙烯、玻璃纤维、聚合物复合膜、蒙乃尔合金。
作为优选，所述的电极上气液分离指改变电极微结构和表界面性质使产生的气体与电解液间的分离。
作为优选，所述的物理隔离指阻隔阴极上产生的氢气和阳极上产生的物质之间接触的物理措施。
作为优选，所述的物理措施指物理的手段，包括一个电极上方带隔离帽、增加电极顶端的距离、电极上方增加负压系统。
作为优选，所述的改变电极微结构和表界面性质指改变电极的织构、孔结构、表界面特性。
作为优选，所述的阳极与阴极之间一定距离指不超过200mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所提供的利用微通道无膜电解制氢装置及方法，旨在解决现有的有膜电解槽内阻大、能耗高、电解效率低、成本高、连续运行稳定性差、抗电流扰动差等和无膜电解槽结构复杂、工艺条件苛刻等问题。所述无膜电解制氢装置及其制备方法包括：将微通道的两个面作为阳极和阴极，流体在阳极和阴极之间流动，产生的氧气和氢气在阳极板和阴极板上方与电解液分离并在电极顶端进行隔离，多余的电解液通过内连通管路回流至电解池中。所述装置结构和方法工艺简单，能耗低，效率高，电解槽体积小，占地少，可操作性强，容易实施，在电极上实现气体隔离和气液分离，提高电解液通量、电解槽耐不稳定电源电流扰动能力、电解效率、制氢量等，从电化学工程、流体力学和装备的角度，为电解制氢节能降耗，克服了目前隔膜电解制氢的不足，工艺简单，可操作性强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。
图1示出了无膜电解槽阴极和阳极平行布置与气液分离及气体回收示意图；
图2示出了无膜电解槽阴极和阳极上方花瓣结构布置与气液分离及气体回收示意图。
图3无膜电解制氢装置实物图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本实施例提供了一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
实施例1
将涂覆有15-25纳米Pd粒子的Ni网裁成长和宽分别为200mm和30mm的窄条，将高纯度碳板裁成长和宽分别为200mm和30mm的窄条，将Ni网和碳板平行放置在电解槽中并分别接电源的负极和正极，Ni网阴极和碳板阳极之间的距离为10mm，电解液为3.0mol/L的KOH水性溶液，电解液以0.01m/s的速度由下到上经过平行的两个电解板，到达指定液面后多余电解液由内部连通管重新由底部进入电解槽中，电极60mm的宽边下端浸入电解液液面以下9mm,宽边上端的21mm加工成特殊人字形微孔结构并涂覆超疏水材料聚二甲基硅氧烷，阴极的上方放置碳钢隔离帽，电极上产生的气体在电极上方经过超疏水材料与特殊孔结构和电解液气液分离后，通过单向阀与电解槽外的氢气储罐连通，阳极上方通过环氧玻璃钢倒置漏斗和单向阀与电解槽外的氧气储罐连通，为了便于气体经过单向阀后进入回收系统，可以在收集回路中增加泵产生负压，或者将气液分离后的气体用翅片式换热器冷却在管路中产生负压，交换的热量用于电解池的水加热。无膜电解制氢装置的阴极与阳极布置、气液分离和回收系统如图1所示。无膜电解制氢装置实物图如图2所示。所设计的电解制氢装置的阴极与阳极之间间距和电解液流动速率可以根据外界电源的电流大小及时调整，抗电流扰动性强，保持恒定电压情况下，可以直接使用风、光、潮汐等可再生能源产生的不稳定电流电解，快速启停，内阻小，电流密度高达3A cm-2，电解生成1公斤氢气需要电量16度电，法拉第效率达到97.6％，氢气纯度大于99.8％。
实施例2
将表面沉积硫化镍纳米棒、长和宽分别为500mm和50mm的碳钢格栅作阴极，将长和宽分别为500mm和50mm的玻璃碳作阳极，碳钢和玻璃碳分别接电源的负极和正极，电解液为2 mol/L的KOH和1mol/L的NaOH混合溶液，阳极和阴极间距为200mm。将阳极和阴极宽50mm的20mm浸入电解液液面以下，超出电解液液面的30mm上部分增加蝶形微孔结构和聚氨酯超疏水材料，并将超出液面的电极部分做成喇叭口花瓣结构，增加电极顶端富集的氢气和氧气之间的距离至600mm，电极上产生的气体经过超疏水材料后与电解液分离，分离后在电极顶端富集，富集的气体在收集系统的负压作用下经过单向阀后进入各自的储罐，电极结构与布置、气液分离与回收系统如图3所示。该电解槽的电解液通量大，抗外界电流扰动能力比实施例1更强，但是内阻有增加，电流密度高达5A cm-2,电解生成1公斤氢气需要电量23度电，法拉第效率达到95.2％，氢气纯度大于99.1％。

Claims (10)

1.一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法，其特征在于，包括：电解槽阳极和阴极之间没有隔膜，电极之间有电解液，阳极和阴极保持一定距离。
2.一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法，其特征在于，包括：电解槽电极上产生的气体在电极上气液分离。
3.一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法，其特征在于，包括：电解槽电极上产生的物质和氢气物理隔离。
4.一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法，其特征在于，包括：权利要求1所述的隔膜指阳极和阴极之间放置的允许离子通过而不允许电子和产物通过的膜，包括离子交换膜、石棉隔膜、聚苯硫醚隔膜、聚砜类隔膜、聚乙烯、聚丙烯、玻璃纤维、聚合物复合膜、蒙乃尔合金。
5.一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法，其特征在于，包括：权利要求1所述的电解液指含氢的物质。
6.一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法，其特征在于，包括：权利要求2所述的电极上气液分离指改变电极微结构和表界面性质使产生的气体与电解液分离。
7.一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法，其特征在于，包括：权利要求3所述的物理隔离指阻隔阴极上产生的氢气和阳极上产生的物质之间接触的物理措施。
8.一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法，其特征在于，包括：权利要求7所述的物理措施指物理的手段，包括一个电极上方带隔离帽、增加电极顶端的距离、电极上方增加负压系统。
9.一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法，其特征在于，包括：权利要求6所述的改变电极微结构和表界面性质指改变电极的织构、孔结构、表界面特性。
10.一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法，其特征在于，包括：权利要求1所述的阳极与阴极之间一定距离指不超过200mm。
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