CN116718662A - 一种制氢过程实验室原位试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制氢过程实验室原位试验系统，将电解池模块设置于扫描电子显微镜结构中，实现了电解制氢过程的原位检测和观察；本发明设置气体控制模块和液体控制模块，配合使用实现了电解过程中的清洁、干燥、电解、抽气分析和真空观察；本发明可以不断改变电极的位置和状态，且无需打开取出电极操作，实验过程更加便捷，且无需制样，可以直接观察，大大提高了检测的效率，电镜观察后不影响电极的工作，可以断续工作的状态下不断观察电极表面的变化，节省科研样品和材料；本发明设置了卵型的电解腔，抗压性能好，排气排水均无死角，且可以通过通入气体的方法实现对液体的搅动实现清洁，清洁效果更好。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢领域，具体涉及一种制氢过程实验室原位试验系统。
背景技术
氢利用的途径主要是燃料电池移动动力、分布式电站、化工加氢，新兴发展的是氢燃料汽轮机、氢气冶金等。氢能的利用需要从制氢开始，由于氢气在自然界极少以单质形式存在，需要通过工业过程制取。氢气的来源分为工业副产氢、化石燃料制氢、电解水制氢等途径，差别在于原料的再生性、CO2排放、制氢成本。目前，世界上超过95％的氢气制取来源于化石燃料重整，生产过程必然排放CO2；约4％～5％的氢气来源于电解水，生产过程没有CO2排放。制氢过程按照碳排放强度分为灰氢(煤制氢)、蓝氢(天然气制氢)、绿氢(电解水制氢、可再生能源)。氢能产业发展初衷是零碳或低碳排放，因此灰氢、蓝氢将会逐渐被基于可再生能源的绿氢所替代，绿氢是未来能源产业的发展方向。
当前电解水制氢的方法多样，但是都需要研究电解过程中电极的影响，由于电解过程中不可避免的会导致电极老化、腐蚀或者中毒等情况；电极需要使用SEM扫描观察；但是由于电极在取出制样后容易产生变化，因此如何电解水制氢过程中原位观察电极是急需解决的问题之一。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种制氢过程实验室原位试验系统，包括扫描电子显微镜系统和原位电解制氢系统；
电子显微镜包括电子束产生及控制模块、真空室模块、图像捕获模块、气体控制模块；气体控制模块用于对真空室内进行抽真空和灌装气体操作；
原位电解制氢系统包括电解池模块、电极控制模块、电解控制模块、液体控制模块、气体分析模块；电解池模块、电极控制模块安装在真空室模块内部；电解池模块内安装有制氢用电极，电解控制模块连接制氢用电极从而实现对电解制氢过程的电参数控制；液体控制模块用于对电解池模块内灌装电解质和抽出电解质操作；
电子显微镜能够通过电子束产生及控制模块产生电子束，电子束进入真空室模块，对电解池内安装的制氢用电极进行表面扫描，进一步利用图像捕获模块获得电极表面的原位SEM图像；
电极控制模块控制制氢用电极的转动和移动，以使电子束能够对制氢用电极表面进行扫描。
电解池模块包括电解池腔，电解池腔内壁涂覆有抗腐蚀涂层，电解池腔内壁为连续的光滑曲面；
电解池腔顶部设置电子束窗口，电子束窗口用于电子束的进入，电解池腔底部设置有用于进水和排水的流体接口；电解池的侧部设置有进气和排气的气体接口；气体接口的对侧设置有电器接口，电器接口用于使用线缆等连接外部设备以及将传感器的数据输出电解池模块。
电解池腔为卵型，电解池腔的截面符合如下公式：
其中在x-y坐标轴中a为卵型的长半径，b为卵型的短半径，c为卵型的对称半径；
电子束窗口为圆形，且电子束窗口的圆心位于卵型腔顶部的对称端点，流体接口为圆形，且流体接口的圆心位于卵型腔底部的对称端点；气体接口为圆形，且气体接口的圆心位于距离卵心较远的小端点；电器接口为圆形，且电器接口的圆心位于距离卵心较近的大端点；
流体接口连接液体控制模块，气体接口连接气体控制模块和气体分析模块。
电解池腔内设置有电极支架，电极支架上安装制氢用电极，电解控制模块对制氢用电极施加可调电压，从而使得制氢用电极对电解液电解产生氢气和氧气；电极支架设置两个平行的旋转轴，旋转轴上安装两个电极板；电极板绕着各自的旋转轴旋转；
电极控制模块控制旋转轴旋转，从而调节电极板之间的角度和距离；
电极支架的旋转轴能够在电极控制模块的控制下平行移动，从而实现旋转轴相对于电子束位移，使得电子束对电极进行扫描成像。
制氢用电极为截面成椭圆形的椭圆柱形，椭圆柱的长轴直径是短轴直径的4-5倍。
一种制氢过程实验室原位试验方法，使用所述的一种制氢过程实验室原位试验系统，包括如下步骤：
步骤一、将制氢用电极通过电子束窗口安装到电解池内的电解控制模块上的旋转轴上；之后通过电极控制模块控制旋转轴旋转，从而调节电极板之间的角度和距离；测试电极控制模块调节功能是否正常，调节功能正常后将电子束窗口密封，密封后只有电子束可以通过电子束窗口；之后执行步骤二；
步骤二、关闭气体接口，使用液体接口向电解腔内注入占总体积2/3的清洁液，清洁液用于对电解腔进行清洗；注入清洁液后通过气体接口向电解腔内注入氮气，通过气体的注入带动清洁液运动，从而实现对电解腔内部高效的清洁；
清洁完毕后通过通过液体接口将清洁液排出；
步骤三、排出清洁液后，关闭液体接口，通过气体接口向电解腔注入高温氮气，实现对电解腔内部的干燥，当电解腔内部气压达到2-3bar时停止注入气体，等待2至5min并通过气体接口排出气体；
重复多次注入和排出高温氮气，从而实现电解腔内部彻底干燥；
步骤四、干燥后关闭气体接口，通过液体接口注入电解液，电解液的体积占电解腔总体积的2/3至3/4；通过电极控制模块调节制氢用电极的角度和位置达到需求，之后开启电解控制模块进行电解制氢作业；电解出的氢气和氧气混合后在电解腔内与电解腔内剩余的氮气混合；
步骤五、电解完成后通过液体接口缓慢排出电解液，直到剩余电解液不足注入电解液的5％时停止排出，之后通过气体接口排出电解腔内的气体，并对电解腔抽真空；剩余的少量电解液在抽真空的过程中转化成水蒸气由气体接口排出；
排出过程中的所有气体收集后经过气体分析模块进行分析，计算出混合气体中的氮气、氧气、氢气和水蒸气的比例和各自的含量；
步骤六、排出气体后，通过气体接口向电解腔注入高温氮气，实现对电解腔内部的干燥，当电解腔内部气压达到2-3bar时停止注入气体，等待2至5min并通过气体接口排出气体；
重复多次注入和排出高温氮气，从而实现电解腔内部彻底干燥；
干燥后对电解腔抽真空；
步骤七、抽真空后，通过电子束产生及控制模块产生电子束，电子束进入真空室模块内的电解腔，通过电极控制模块控制制氢用电极移动，电子束制氢用电极进行表面扫描，进一步利用图像捕获模块获得电极表面的感兴趣位置的原位SEM图像；
步骤八、完成SEM扫描后重复执行步骤二至步骤七，期间改变制氢用电极的相对位置、电压、电解质的浓度和电解时间，实现同一个电极在不同条件下的重复原位检测。
高温氮气的温度为150-200摄氏度。
步骤二和步骤六的重复注入氮气的次数为3-5次。
电解腔内壁涂覆特氟龙涂层。
每次电解试验完成后将实验参数以及混合气体中的氮气、氧气、氢气和水蒸气的比例和各自的含量以及对应的电极表面的SEM图像发送至计算机进行保存。
本发明的有益效果为：
本发明将电解池模块设置于扫描电子显微镜结构中，实现了电解制氢过程的原位检测和观察；
本发明设置气体控制模块和液体控制模块，配合使用实现了电解过程中的清洁、干燥、电解、抽气分析和真空观察；使用一个设备既可以实现原位观察电解后电极表面的状态变化，对于电解制氢研究具有重要意义。
本发明可以不断改变电极的位置和状态，且无需打开取出电极操作，实验过程更加便捷，且无需制样，可以直接观察，大大提高了检测的效率，电镜观察后不影响电极的工作，可以断续工作的状态下不断观察电极表面的变化，节省科研样品和材料；
本发明设置了卵型的电解腔，抗压性能好，排气排水均无死角，且可以通过通入气体的方法实现对液体的搅动实现清洁，清洁效果更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
附图1为本发明整体结构示意图；
附图2为本发明电解腔结构示意图；
附图3为本发明电解腔形状示意图；
附图4为本发明电极支架结构示意图；
附图5为本发明制氢用电极不同位置关系示意图。
其中1电子束产生及控制模块、2真空室模块、3真空室门、4气体控制模块、5图像捕获模块、6电解腔、7气体接口、8电子束窗口、9液体接口、10电器接口、11电极支架、12旋转轴、13制氢用电极、14总控制器。
具体实施方式
实施例1：
参见图1-5，一种制氢过程实验室原位试验系统，包括扫描电子显微镜系统和原位电解制氢系统；
电子显微镜包括电子束产生及控制模块、真空室模块、图像捕获模块、气体控制模块；气体控制模块用于对真空室内进行抽真空和灌装气体操作；
原位电解制氢系统包括电解池模块、电极控制模块、电解控制模块、液体控制模块、气体分析模块；电解池模块、电极控制模块安装在真空室模块内部；电解池模块内安装有制氢用电极，电解控制模块连接制氢用电极从而实现对电解制氢过程的电参数控制；液体控制模块用于对电解池模块内灌装电解质和抽出电解质操作；
电子显微镜能够通过电子束产生及控制模块产生电子束，电子束进入真空室模块，对电解池内安装的制氢用电极进行表面扫描，进一步利用图像捕获模块获得电极表面的原位SEM图像；
电极控制模块控制制氢用电极的转动和移动，以使电子束能够对制氢用电极表面进行扫描。
电解池模块包括电解池腔，电解池腔内壁涂覆有抗腐蚀涂层，电解池腔内壁为连续的光滑曲面；
电解池腔顶部设置电子束窗口，电子束窗口用于电子束的进入，电解池腔底部设置有用于进水和排水的流体接口；电解池的侧部设置有进气和排气的气体接口；气体接口的对侧设置有电器接口，电器接口用于使用线缆等连接外部设备以及将传感器的数据输出电解池模块。
电解池腔为卵型，电解池腔的截面符合如下公式：
其中在x-y坐标轴中a为卵型的长半径，b为卵型的短半径，c为卵型的对称半径；
电子束窗口为圆形，且电子束窗口的圆心位于卵型腔顶部的对称端点，流体接口为圆形，且流体接口的圆心位于卵型腔底部的对称端点；气体接口为圆形，且气体接口的圆心位于距离卵心较远的小端点；电器接口为圆形，且电器接口的圆心位于距离卵心较近的大端点；
流体接口连接液体控制模块，气体接口连接气体控制模块和气体分析模块。
电解池腔内设置有电极支架，电极支架上安装制氢用电极，电解控制模块对制氢用电极施加可调电压，从而使得制氢用电极对电解液电解产生氢气和氧气；电极支架设置两个平行的旋转轴，旋转轴上安装两个电极板；电极板绕着各自的旋转轴旋转；
电极控制模块控制旋转轴旋转，从而调节电极板之间的角度和距离；
电极支架的旋转轴能够在电极控制模块的控制下平行移动，从而实现旋转轴相对于电子束位移，使得电子束对电极进行扫描成像。
制氢用电极为截面成椭圆形的椭圆柱形，椭圆柱的长轴直径是短轴直径的4-5倍。
实施例2：
一种制氢过程实验室原位试验方法，使用所述的一种制氢过程实验室原位试验系统，包括如下步骤：
步骤一、将制氢用电极通过电子束窗口安装到电解池内的电解控制模块上的旋转轴上；之后通过电极控制模块控制旋转轴旋转，从而调节电极板之间的角度和距离；测试电极控制模块调节功能是否正常，调节功能正常后将电子束窗口密封，密封后只有电子束可以通过电子束窗口；之后执行步骤二；
步骤二、关闭气体接口，使用液体接口向电解腔内注入占总体积2/3的清洁液，清洁液用于对电解腔进行清洗；注入清洁液后通过气体接口向电解腔内注入氮气，通过气体的注入带动清洁液运动，从而实现对电解腔内部高效的清洁；
清洁完毕后通过通过液体接口将清洁液排出；
步骤三、排出清洁液后，关闭液体接口，通过气体接口向电解腔注入高温氮气，实现对电解腔内部的干燥，当电解腔内部气压达到2-3bar时停止注入气体，等待2至5min并通过气体接口排出气体；
重复多次注入和排出高温氮气，从而实现电解腔内部彻底干燥；
步骤四、干燥后关闭气体接口，通过液体接口注入电解液，电解液的体积占电解腔总体积的2/3至3/4；通过电极控制模块调节制氢用电极的角度和位置达到需求，之后开启电解控制模块进行电解制氢作业；电解出的氢气和氧气混合后在电解腔内与电解腔内剩余的氮气混合；
步骤五、电解完成后通过液体接口缓慢排出电解液，直到剩余电解液不足注入电解液的5％时停止排出，之后通过气体接口排出电解腔内的气体，并对电解腔抽真空；剩余的少量电解液在抽真空的过程中转化成水蒸气由气体接口排出；
排出过程中的所有气体收集后经过气体分析模块进行分析，计算出混合气体中的氮气、氧气、氢气和水蒸气的比例和各自的含量；
步骤六、排出气体后，通过气体接口向电解腔注入高温氮气，实现对电解腔内部的干燥，当电解腔内部气压达到2-3bar时停止注入气体，等待2至5min并通过气体接口排出气体；
重复多次注入和排出高温氮气，从而实现电解腔内部彻底干燥；
干燥后对电解腔抽真空；
步骤七、抽真空后，通过电子束产生及控制模块产生电子束，电子束进入真空室模块内的电解腔，通过电极控制模块控制制氢用电极移动，电子束制氢用电极进行表面扫描，进一步利用图像捕获模块获得电极表面的感兴趣位置的原位SEM图像；
步骤八、完成SEM扫描后重复执行步骤二至步骤七，期间改变制氢用电极的相对位置、电压、电解质的浓度和电解时间，实现同一个电极在不同条件下的重复原位检测。
高温氮气的温度为150-200摄氏度。
步骤二和步骤六的重复注入氮气的次数为3-5次。
电解腔内壁涂覆特氟龙涂层。
每次电解试验完成后将实验参数以及混合气体中的氮气、氧气、氢气和水蒸气的比例和各自的含量以及对应的电极表面的SEM图像发送至计算机进行保存。
值得指出的是，电解水制氢过程中还可以在电解腔的内部安装隔膜，隔膜安装在电极支架上，将电解腔内的电极从中间隔开，使得氢气和氧气分别从阴极和阳极析出；
同时无论是否设置隔膜，析出的氢气和氧气无需分离，统一从气体接口导出即可；但要注意导出过程中的安全性，防止出现明火导致危险。
至此，以说明和描述的目的提供上述实施例的描述。不意指穷举或者限制本公开。特定的实施例的单独元件或者特征通常不受到特定的实施例的限制，但是在适用时，即使没有具体地示出或者描述，其可以互换和用于选定的实施例。在许多方面，相同的元件或者特征也可以改变。这种变化不被认为是偏离本公开，并且所有的这种修改意指为包括在本公开的范围内。
提供示例实施例，从而本公开将变得透彻，并且将会完全地将该范围传达至本领域内技术人员。为了透彻理解本公开的实施例，阐明了众多细节，诸如特定零件、装置和方法的示例。显然，对于本领域内技术人员，不需要使用特定的细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施，而且两者都不应当解释为限制本公开的范围。在某些示例实施例中，不对公知的工序、公知的装置结构和公知的技术进行详细地描述。
在此，仅为了描述特定的示例实施例的目的使用专业词汇，并且不是意指为限制的目的。除非上下文清楚地作出相反的表示，在此使用的单数形式“一个”和“该”可以意指为也包括复数形式。术语“包括”和“具有”是包括在内的意思，并且因此指定存在所声明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或额外地具有一个或以上的其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。除非明确地指示了执行的次序，在此描述的该方法步骤、处理和操作不解释为一定需要按照所论述和示出的特定的次序执行。还应当理解的是，可以采用附加的或者可选择的步骤。
Claims (10)
1.一种制氢过程实验室原位试验系统，包括扫描电子显微镜系统和原位电解制氢系统；其特征在于：
电子显微镜包括电子束产生及控制模块、真空室模块、图像捕获模块、气体控制模块；气体控制模块用于对真空室内进行抽真空和灌装气体操作；
原位电解制氢系统包括电解池模块、电极控制模块、电解控制模块、液体控制模块、气体分析模块；电解池模块、电极控制模块安装在真空室模块内部；电解池模块内安装有制氢用电极，电解控制模块连接制氢用电极从而实现对电解制氢过程的电参数控制；液体控制模块用于对电解池模块内灌装电解质和抽出电解质操作；
电子显微镜能够通过电子束产生及控制模块产生电子束，电子束进入真空室模块，对电解池内安装的制氢用电极进行表面扫描，进一步利用图像捕获模块获得电极表面的原位SEM图像；
电极控制模块控制制氢用电极的转动和移动，以使电子束能够对制氢用电极表面进行扫描。
2.根据权利要求1所述的一种制氢过程实验室原位试验系统，其特征在于：
电解池模块包括电解池腔，电解池腔内壁涂覆有抗腐蚀涂层，电解池腔内壁为连续的光滑曲面；
电解池腔顶部设置电子束窗口，电子束窗口用于电子束的进入，电解池腔底部设置有用于进水和排水的流体接口；电解池的侧部设置有进气和排气的气体接口；气体接口的对侧设置有电器接口，电器接口用于使用线缆等连接外部设备以及将传感器的数据输出电解池模块。
3.根据权利要求2所述的一种制氢过程实验室原位试验系统，其特征在于：
电解池腔为卵型，电解池腔的截面符合如下公式：
其中在x-y坐标轴中a为卵型的长半径，b为卵型的短半径，c为卵型的对称半径；
电子束窗口为圆形，且电子束窗口的圆心位于卵型腔顶部的对称端点，流体接口为圆形，且流体接口的圆心位于卵型腔底部的对称端点；气体接口为圆形，且气体接口的圆心位于距离卵心较远的小端点；电器接口为圆形，且电器接口的圆心位于距离卵心较近的大端点；
流体接口连接液体控制模块，气体接口连接气体控制模块和气体分析模块。
4.根据权利要求3所述的一种制氢过程实验室原位试验系统，其特征在于：
电解池腔内设置有电极支架，电极支架上安装制氢用电极，电解控制模块对制氢用电极施加可调电压，从而使得制氢用电极对电解液电解产生氢气和氧气；电极支架设置两个平行的旋转轴，旋转轴上安装两个电极板；电极板绕着各自的旋转轴旋转；
电极控制模块控制旋转轴旋转，从而调节电极板之间的角度和距离；
电极支架的旋转轴能够在电极控制模块的控制下平行移动，从而实现旋转轴相对于电子束位移，使得电子束对电极进行扫描成像。
5.根据权利要求4所述的一种制氢过程实验室原位试验系统，其特征在于：
制氢用电极为截面成椭圆形的椭圆柱形，椭圆柱的长轴直径是短轴直径的4-5倍。
6.一种制氢过程实验室原位试验方法，使用权利要求5所述的一种制氢过程实验室原位试验系统，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、将制氢用电极通过电子束窗口安装到电解池内的电解控制模块上的旋转轴上；之后通过电极控制模块控制旋转轴旋转，从而调节电极板之间的角度和距离；测试电极控制模块调节功能是否正常，调节功能正常后将电子束窗口密封，密封后只有电子束可以通过电子束窗口；之后执行步骤二；
步骤二、关闭气体接口，使用液体接口向电解腔内注入占总体积2/3的清洁液，清洁液用于对电解腔进行清洗；注入清洁液后通过气体接口向电解腔内注入氮气，通过气体的注入带动清洁液运动，从而实现对电解腔内部高效的清洁；
清洁完毕后通过通过液体接口将清洁液排出；
步骤三、排出清洁液后，关闭液体接口，通过气体接口向电解腔注入高温氮气，实现对电解腔内部的干燥，当电解腔内部气压达到2-3bar时停止注入气体，等待2至5min并通过气体接口排出气体；
重复多次注入和排出高温氮气，从而实现电解腔内部彻底干燥；
步骤四、干燥后关闭气体接口，通过液体接口注入电解液，电解液的体积占电解腔总体积的2/3至3/4；通过电极控制模块调节制氢用电极的角度和位置达到需求，之后开启电解控制模块进行电解制氢作业；电解出的氢气和氧气混合后在电解腔内与电解腔内剩余的氮气混合；
步骤五、电解完成后通过液体接口缓慢排出电解液，直到剩余电解液不足注入电解液的5％时停止排出，之后通过气体接口排出电解腔内的气体，并对电解腔抽真空；剩余的少量电解液在抽真空的过程中转化成水蒸气由气体接口排出；
排出过程中的所有气体收集后经过气体分析模块进行分析，计算出混合气体中的氮气、氧气、氢气和水蒸气的比例和各自的含量；
步骤六、排出气体后，通过气体接口向电解腔注入高温氮气，实现对电解腔内部的干燥，当电解腔内部气压达到2-3bar时停止注入气体，等待2至5min并通过气体接口排出气体；
重复多次注入和排出高温氮气，从而实现电解腔内部彻底干燥；
干燥后对电解腔抽真空；
步骤七、抽真空后，通过电子束产生及控制模块产生电子束，电子束进入真空室模块内的电解腔，通过电极控制模块控制制氢用电极移动，电子束制氢用电极进行表面扫描，进一步利用图像捕获模块获得电极表面的感兴趣位置的原位SEM图像；
步骤八、完成SEM扫描后重复执行步骤二至步骤七，期间改变制氢用电极的相对位置、电压、电解质的浓度和电解时间，实现同一个电极在不同条件下的重复原位检测。
7.根据权利要求6所述的一种制氢过程实验室原位试验方法，其特征在于：
高温氮气的温度为150-200摄氏度。
8.根据权利要求6所述的一种制氢过程实验室原位试验方法，其特征在于：
步骤二和步骤六的重复注入氮气的次数为3-5次。
9.根据权利要求6所述的一种制氢过程实验室原位试验方法，其特征在于：
电解腔内壁涂覆特氟龙涂层。
10.根据权利要求6所述的一种制氢过程实验室原位试验方法，其特征在于：
每次电解试验完成后将实验参数以及混合气体中的氮气、氧气、氢气和水蒸气的比例和各自的含量以及对应的电极表面的SEM图像发送至计算机进行保存。
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