CN115725991A - 一种碱性水电解装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种碱性水电解装置，包括安装框、阳极电极板、阳极电极、阴极电极板和阴极电极，阳极电极板和阴极电极板上分别开设有完全对称的流场，阳极电极设置于阳极电极板的流场内，阴极电极设置于阴极电极板的流场内，阳极电极板和阴极电极板均安装在安装框内，阳极电极板和阴极电极板之间围成电解槽，所述阴极电极由析氢催化剂构成，阳极电极由氢氧化镍构成。本申请的碱性水电解装置在使用时，能够实现氢气和氧气的分步制取，从而无需设置防止电解水产生的氢气和氧气混合的隔膜，进而提高电解液中OH‑离子的移动速度，提高碱性水电解装置的电解水效率和制氢速率。

Description

一种碱性水电解装置

技术领域

本申请涉及电解水制氢领域，尤其是涉及一种碱性水电解装置。

背景技术

在清洁可再生的绿色替代能源中，氢能成为替代传统能源的有效途径之一。现有的制氢技术以商业化的碱性水电解制氢技术最为纯熟，碱性水电解制氢技术是在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，便能分解成氢气和氧气。现有技术中的碱性水电解装置一般包括极框、阳极电极板、阳极电极、阴极电极板、阴极电极和隔膜。阳极电极板和阴极电极板上开设有流道、进液通道、阳极侧出气通道和阴极侧出气通道。阳极电极板和阴极电极板焊接在极框内，阳极电极设置在阳极电极板上，阴极电极设置在阴极电极板上，阳极电极板和阴极电极板之间围成电解槽，隔膜设置在阳极电极板和阴极电极板之间将电解槽划分为阳极室和阴极室。隔膜能够将电解水产生的氢气和氧气分隔开防止二者混合，且电解液能够通过隔膜。使用时，电解液从进液通道注入到电解槽中，电解水产生的氢气和氧气分别从阴极侧出气通道和阳极侧出气通道排出被收集起来。当电解液中的水含量较小时能够通过进液通道向电解槽中补充水。

上述现有技术中的碱性水电解装置存在的问题是：电解液中的OH-离子在透过隔膜向阳极电极移动时会受到隔膜的阻力，导致OH-离子的移动速度慢，进而导致碱性水电解装置的电解水效率低、制氢速率慢。

发明内容

为了改善上述现有技术中碱性水电解装置存在的电解水效率低、制氢速率慢的技术问题，本申请提供一种碱性水电解装置。

本申请提供的碱性水电解装置采用如下的技术方案：

一种碱性水电解装置，包括安装框、阳极电极板、阳极电极、阴极电极板和阴极电极，阳极电极板和阴极电极板上分别开设有完全对称的流场，阳极电极设置于阳极电极板的流场内，阴极电极设置于阴极电极板的流场内，阳极电极板和阴极电极板均安装在安装框内，阳极电极板和阴极电极板之间围成电解槽，所述阴极电极由析氢催化剂构成，阳极电极由氢氧化镍构成。

通过采用上述技术方案，本申请的碱性水电解装置在使用时，先向电解槽内注入常温浓度为10-30%的氢氧化钾或氢氧化钠水溶液，使得阴极电极、阳极电极与电解液充分接触，然后接通外部直流电源对阴极电极和阳极电极通电，在直流电解的作用下，电解液中的水分子在阴极电极表面被还原产生氢气，实现氢气的制取。与此同时，阳极电极Ni(OH)2被氧化为NiOOH，并没有产生氧气。制氢时的电化学反应为，阴极电极反应：H2O+e-→1/2H2↑+OH-；

阳极电极反应：Ni(OH)2+OH-－e-→NiOOH+H2O；总反应式：Ni(OH)2→NiOOH+1/2H2↑。制氢完成后，进行氧气的制取。制氧时先断开外部直流电源，然后向电解槽内注入高温水溶液，使得电解槽内的电解液温度达到96度左右。在此温度下，阳极电极NiOOH的热力学状态不稳定，NiOOH会被分解还原成Ni(OH)2，并产生氧气。反应式为：4NiOOH+2H2O→4Ni(OH)2+O2↑。本申请的碱性水电解装置在使用时，能够实现氢气和氧气的分步制取，从而无需设置防止电解水产生的氢气和氧气混合的隔膜，进而提高电解液中OH-离子的移动速度，提高碱性水电解装置的电解水效率和制氢速率。

可选的，还包括安装在安装框内的加热组件和冷却组件，加热组件和冷却组件位于阳极电极板和阴极电极板之间，且加热组件位于阴极电极板与冷却组件之间，冷却组件位于阳极电极板与加热组件之间，加热组件能够对电解槽中阴极电极板附近的电解液进行加热，冷却组件能够对电解槽中阳极电极板附近的电解液进行冷却。

通过采用上述技术方案，在进行氢气的制取时，接通外部直流电源对阴极电极和阳极电极通电，并控制加热组件和冷却组件同时工作，由于加热组件距离阴极电极板近距离阳极电极板远，冷却组件距离阳极电极板近距离阴极电极板远，加热组件能够对电解槽中阴极电极板附近的电解液进行加热，使得阴极电极板附近的电解液温度大于常温；冷却组件能够对电解槽中阳极电极板附近的电解液进行冷却，使得阳极电极板附近的电解液保持在常温，防止高温导致NiOOH被分解还原成Ni(OH)2并产生氧气。通过提高了阴极电极板附近电解液的温度，从而加快了阴极电极处发生的电极反应，加快了制氢速率。在进行氧气的制取时，断开外部直流电源，并控制冷却组件不再工作，加热组件保持工作状态对电解液进行加热，使得电解液温度达到96度左右，NiOOH被分解还原成Ni(OH)2，并产生氧气。

可选的，所述加热组件包括多根加热管和加热管固定框，各加热管均固定安装在加热管固定框内，各加热管间隔设置，相邻加热管之间形成有供电解液通过的通道；冷却组件包括多根冷却管和冷却管固定框，各冷却管均固定安装在冷却管固定框内，各冷却管间隔设置，相邻冷却管之间形成有供电解液通过的通道；阴极电极板、加热管固定框、冷却管固定框和阳极电极板围成所述电解槽。

通过采用上述技术方案，使得电解液能够在阴极电极板、加热管固定框、冷却管固定框和阳极电极板之间流动，加热组件对阴极电极板附近的电解液加热效果好，冷却组件对阳极电极板附近的电解液冷却效果好。

可选的，还包括安装在安装框内的供水组件，供水组件位于加热组件与冷却组件之间，供水组件包括储水箱，储水箱上开设有供电解液通过的电解液通道，储水箱内部中空设置，储水箱上还开设有与储水箱内部连通的第一补水通道，安装框上对应第一补水通道位置还开设有与第一补水通道连通的第二补水通道，第二补水通道的进口处还固定安装有补水接口，储水箱上还开设有连通储水箱内部与电解槽的出水通道，出水通道内安装有启闭出水通道的电磁阀，储水箱、阴极电极板、加热管固定框、冷却管固定框和阳极电极板共同围成所述电解槽。

通过采用上述技术方案，供水组件设置在加热组件与冷却组件之间，使得加热组件与冷却组件之间的距离增大，从而减小加热组件与冷却组件之间的互相干扰，使得加热组件对阴极电极板附近的电解液加热效果更好，冷却组件对阳极电极板附近的电解液冷却效果更好，而且当电解液中的水含量较少时还能够通过供水组件很方便的向电解槽中补水。

可选的，所述阳极电极板的上端开设有与阳极电极板的流场连通的第一氧气排出通道，安装框上对应第一氧气排出通道位置开设有与第一氧气排出通道连通的第二氧气排出通道，第二氧气排出通道的出口处还固定安装有氧气排出接口，所述阴极电极板的上端开设有与阴极电极板的流场连通的第一氢气排出通道，安装框上对应第一氢气排出通道位置开设有与第一氢气排出通道连通的第二氢气排出通道，第二氢气排出通道的出口处还固定安装有氢气排出接口，阴极电极板的下端还开设有与阴极电极板的流场连通的第一注液通道，安装框上对应第一注液通道位置开设有与第一注液通道连通的第二注液通道，第二注液通道的进口处固定安装有注液接口。

通过采用上述技术方案，方便氢气和氧气的排出收集，方便将电解液注入到电解槽中。

可选的，所述氧气排出接口、氢气排出接口和注液接口内均设置有控制相应通道启闭的电磁阀。

通过采用上述技术方案，方便控制相应通道的启闭。

可选的，所述安装框对应阳极电极板和阴极电极板的两端分别开设有沉槽，沉槽内固定安装有将阳极电极板和阴极电极板封闭在安装框中的盖板。

通过采用上述技术方案，能够很好的将阳极电极板和阴极电极板保护起来，防止受到损坏。

可选的，还包括控制器，所述阳极电极板和阴极电极板的流场内分别设置有温度传感器，温度传感器与控制器电连接，控制器分别与加热组件和冷却组件电控连接，控制器能够根据温度传感器反馈的温度信号控制加热组件和冷却组件工作。

通过采用上述技术方案，控制器能够自动控制加热组件和冷却组件工作实现对电解液温度的调节，使用起来更加便捷。

附图说明

图1是本申请实施例的碱性水电解装置的整体结构示意图；

图2是本申请实施例的碱性水电解装置的剖视图；

图3是阴极电极板的结构示意图；

图4是安装框的结构示意图；

图5是阴极电极板、加热组件、供水组件、冷却组件和阳极电极板组合在一起的结构示意图；

图6是阴极电极板、加热组件、供水组件、冷却组件和阳极电极板的爆炸图；

图7是供水组件的结构示意图。

附图标记说明：1、安装框；11、沉槽；12、盖板；13、第二氧气排出通道；14、氧气排出接口；15、第二氢气排出通道；16、氢气排出接口；17、第二注液通道；18、注液接口；2、阳极电极板；21、阳极电极；22、第一氧气排出通道；3、阴极电极板；31、阴极电极；32、第一氢气排出通道；33、第一注液通道；4、加热组件；41、加热管；42、加热管固定框；5、供水组件；51、储水箱；52、电解液通道；53、第一补水通道；54、第二补水通道；55、补水接口；56、出水通道；6、冷却组件；61、冷却管；62、冷却管固定框；7、流场。

具体实施方式

以下结合附图对本申请作进一步详细说明。

参照图1和图2，本申请实施例公开了一种碱性水电解装置，包括安装框1、阳极电极板2、阳极电极21、阴极电极板3、阴极电极31、加热组件4、供水组件5、冷却组件6、控制器（图中未示出）和温度传感器（图中未示出）。阳极电极板2、阴极电极板3、加热组件4、供水组件5和冷却组件6均固定安装在安装框1内。安装框1对应阳极电极板2和阴极电极板3的两端分别开设有沉槽11，沉槽11内螺栓固定安装有将阳极电极板2和阴极电极板3封闭在安装框1中的盖板12。阴极电极板3、加热组件4、供水组件5、冷却组件6和阳极电极板2依次堆叠设置并共同围成电解槽。加热组件4能够对电解槽中阴极电极板3附近的电解液进行加热，冷却组件6能够对电解槽中阳极电极板2附近的电解液进行冷却。

继续参照图2和图3，阳极电极板2和阴极电极板3上分别开设有完全对称的流场7，阳极电极21设置于阳极电极板2的流场内，阴极电极31设置于阴极电极板3的流场内，阴极电极31由析氢催化剂构成，阳极电极21由氢氧化镍构成。阳极电极板2和阴极电极板3的流场内均设置有温度传感器，温度传感器与控制器电连接，控制器分别与加热组件4和冷却组件6电控连接，控制器能够根据温度传感器反馈的温度信号控制加热组件4和冷却组件6工作。控制器具有制氢模式和制氧模式。当控制器处于制氢模式时，控制器具有阳极侧温度设定值和阴极侧温度设定值。当阳极电极板2流场内的温度传感器检测到的温度大于阳极侧温度设定值时，控制器控制冷却组件6工作制冷，反之则控制冷却组件6停止工作。当阴极电极板3流场内的温度传感器检测到的温度大于阴极侧温度设定值时，控制器控制加热组件4停止工作，反之则控制加热组件4工作。当控制器处于制氧模式时，控制器控制冷却组件6停止工作，此时控制器具有电解液温度设定值，当阳极电极板2流场内的温度传感器检测到的温度大于电解液温度设定值时，控制器控制加热组件4停止工作，反之则控制加热组件4工作。在本实施例中，电解液温度设定值取96度，阴极侧温度设定值取96度，阳极侧温度设定值取25度。在其他实施例中，电解液温度设定值、阴极侧温度设定值和阳极侧温度设定值的数值可以根据实际需要进行调整。

参照图2和图4，阳极电极板2的上端开设有与阳极电极板2的流场连通的第一氧气排出通道22，安装框1上对应第一氧气排出通道22位置开设有与第一氧气排出通道22连通的第二氧气排出通道13，第二氧气排出通道13的出口处还固定安装有氧气排出接口14。阴极电极板3的上端开设有与阴极电极板3的流场连通的第一氢气排出通道32，安装框1上对应第一氢气排出通道32位置开设有与第一氢气排出通道32连通的第二氢气排出通道15，第二氢气排出通道15的出口处还固定安装有氢气排出接口16。阴极电极板3的下端还开设有与阴极电极板3的流场连通的第一注液通道33，安装框1上对应第一注液通道33位置开设有与第一注液通道33连通的第二注液通道17，第二注液通道17的进口处固定安装有注液接口18。氧气排出接口14、氢气排出接口16和注液接口18内均设置有控制相应通道启闭的电磁阀。

参照图5和图6，加热组件4包括多根加热管41和加热管固定框42，各加热管41均固定安装在加热管固定框42内，各加热管41平行间隔设置，相邻加热管41之间形成有供电解液通过的通道。冷却组件6包括多根冷却管61和冷却管固定框62，各冷却管61均固定安装在冷却管固定框62内，各冷却管61平行间隔设置，相邻冷却管61之间形成有供电解液通过的通道。

参照图2和图7，供水组件5包括储水箱51，储水箱51、阴极电极板3、加热管固定框42、冷却管固定框62和阳极电极板2共同围成电解槽。储水箱51上开设有供电解液通过的电解液通道52，储水箱51内部中空用于容纳水。储水箱51上端开设有与储水箱51内部连通的第一补水通道53，安装框1上对应第一补水通道53位置还开设有与第一补水通道53连通的第二补水通道54，第二补水通道54的进口处还固定安装有补水接口55。储水箱51上还开设有连通储水箱51内部与电解槽的出水通道56，出水通道56内安装有启闭出水通道56的电磁阀。

本申请实施例的实施原理为：本申请的碱性水电解装置在使用时，先通过注液接口18向电解槽内注入常温浓度为10-30%的氢氧化钾或氢氧化钠水溶液，使得阴极电极31、阳极电极21与电解液充分接触，然后接通外部直流电源对阴极电极31和阳极电极21通电，加热组件4和冷却组件6工作，由于加热组件4距离阴极电极板3近距离阳极电极板2远，冷却组件6距离阳极电极板2近距离阴极电极板3远，加热组件4能够对电解槽中阴极电极板3附近的电解液进行加热；冷却组件6能够对电解槽中阳极电极板2附近的电解液进行冷却，防止阳极电极板2附近的电解液升温，使得阳极电极板2附近的电解液保持在常温。在直流电解的作用下，电解液中的水分子在阴极电极31表面被还原产生氢气，氢气通过氢气排出接口16被排出收集，实现氢气的制取；而且通过提高了阴极电极板3附近电解液的温度，从而加快了阴极电极31处发生的电极反应，加快了制氢速率。与此同时，阳极电极Ni(OH)2被氧化为NiOOH，并没有产生氧气。制氢时的电化学反应为，阴极电极反应：H2O+e-→1/2H2↑+OH-；

阳极电极反应：Ni(OH)2+OH-－e-→NiOOH+H2O；总反应式：Ni(OH)2→NiOOH+1/2H2↑。制氢完成后，进行氧气的制取。制氧时先断开外部直流电源，冷却组件6不再工作，加热组件4对电解液进行加热，使得电解液温度达到96度左右。在此温度下，阳极电极NiOOH的热力学状态不稳定，NiOOH会被分解还原成Ni(OH)2，并产生氧气，氧气通过氧气排出接口14被排出收集。反应式为：4NiOOH+2H2O→4Ni(OH)2+O2↑。

本申请的碱性水电解装置在使用时，能够实现氢气和氧气的分步制取，从而无需设置防止电解水产生的氢气和氧气混合的隔膜，进而提高电解液中OH-离子的移动速度，提高碱性水电解装置的电解水效率和制氢速率。而且，制氢时提高了阴极电极板3附近电解液的温度，从而加快了阴极电极31处发生的电极反应，加快了制氢速率。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种碱性水电解装置，包括安装框（1）、阳极电极板（2）、阳极电极（21）、阴极电极板（3）和阴极电极（31），阳极电极板（2）和阴极电极板（3）上分别开设有完全对称的流场（7），阳极电极（21）设置于阳极电极板（2）的流场内，阴极电极（31）设置于阴极电极板（3）的流场内，阳极电极板（2）和阴极电极板（3）均安装在安装框（1）内，阳极电极板（2）和阴极电极板（3）之间围成电解槽，其特征在于，所述阴极电极（31）由析氢催化剂构成，阳极电极（21）由氢氧化镍构成。

2.根据权利要求1所述的碱性水电解装置，其特征在于，还包括安装在安装框（1）内的加热组件（4）和冷却组件（6），加热组件（4）和冷却组件（6）位于阳极电极板（2）和阴极电极板（3）之间，且加热组件（4）位于阴极电极板（3）与冷却组件（6）之间，冷却组件（6）位于阳极电极板（2）与加热组件（4）之间，加热组件（4）能够对电解槽中阴极电极板（3）附近的电解液进行加热，冷却组件（6）能够对电解槽中阳极电极板（2）附近的电解液进行冷却。

3.根据权利要求2所述的碱性水电解装置，其特征在于，所述加热组件（4）包括多根加热管（41）和加热管固定框（42），各加热管（41）均固定安装在加热管固定框（42）内，各加热管（41）间隔设置，相邻加热管（41）之间形成有供电解液通过的通道；冷却组件（6）包括多根冷却管（61）和冷却管固定框（62），各冷却管（61）均固定安装在冷却管固定框（62）内，各冷却管（61）间隔设置，相邻冷却管（61）之间形成有供电解液通过的通道；阴极电极板（3）、加热管固定框（42）、冷却管固定框（62）和阳极电极板（2）围成所述电解槽。

4.根据权利要求3所述的碱性水电解装置，其特征在于，还包括安装在安装框（1）内的供水组件（5），供水组件（5）位于加热组件（4）与冷却组件（6）之间，供水组件（5）包括储水箱（51），储水箱（51）上开设有供电解液通过的电解液通道（52），储水箱（51）内部中空设置，储水箱（51）上还开设有与储水箱（51）内部连通的第一补水通道（53），安装框（1）上对应第一补水通道（53）位置还开设有与第一补水通道（53）连通的第二补水通道（54），第二补水通道（54）的进口处还固定安装有补水接口（55），储水箱（51）上还开设有连通储水箱（51）内部与电解槽的出水通道（56），出水通道（56）内安装有启闭出水通道（56）的电磁阀，储水箱（51）、阴极电极板（3）、加热管固定框（42）、冷却管固定框（62）和阳极电极板（2）共同围成所述电解槽。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的碱性水电解装置，其特征在于，所述阳极电极板（2）的上端开设有与阳极电极板（2）的流场连通的第一氧气排出通道（22），安装框（1）上对应第一氧气排出通道（22）位置开设有与第一氧气排出通道（22）连通的第二氧气排出通道（13），第二氧气排出通道（13）的出口处还固定安装有氧气排出接口（14），所述阴极电极板（3）的上端开设有与阴极电极板（3）的流场连通的第一氢气排出通道（32），安装框（1）上对应第一氢气排出通道（32）位置开设有与第一氢气排出通道（32）连通的第二氢气排出通道（15），第二氢气排出通道（15）的出口处还固定安装有氢气排出接口（16），阴极电极板（3）的下端还开设有与阴极电极板（3）的流场连通的第一注液通道（33），安装框（1）上对应第一注液通道（33）位置开设有与第一注液通道（33）连通的第二注液通道（17），第二注液通道（17）的进口处固定安装有注液接口（18）。

6.根据权利要求5所述的碱性水电解装置，其特征在于，所述氧气排出接口（14）、氢气排出接口（16）和注液接口（18）内均设置有控制相应通道启闭的电磁阀。

7.根据权利要求1所述的碱性水电解装置，其特征在于，所述安装框（1）对应阳极电极板（2）和阴极电极板（3）的两端分别开设有沉槽（11），沉槽（11）内固定安装有将阳极电极板（2）和阴极电极板（3）封闭在安装框（1）中的盖板（12）。

8.根据权利要求2所述的碱性水电解装置，其特征在于，还包括控制器，所述阳极电极板（2）和阴极电极板（3）的流场内分别设置有温度传感器，温度传感器与控制器电连接，控制器分别与加热组件（4）和冷却组件（6）电控连接，控制器能够根据温度传感器反馈的温度信号控制加热组件（4）和冷却组件（6）工作。

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