CN117107267A - 一种超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽及其控制方法 - Google Patents
一种超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽及其控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117107267A CN117107267A CN202311096961.2A CN202311096961A CN117107267A CN 117107267 A CN117107267 A CN 117107267A CN 202311096961 A CN202311096961 A CN 202311096961A CN 117107267 A CN117107267 A CN 117107267A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- super
- hydrogen
- electrolytic
- oxygen
- chamber
- 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.)
- Pending
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 99
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 99
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 98
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 37
- 238000003825 pressing Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 15
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 67
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 67
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 61
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims description 33
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 19
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims description 16
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 claims description 4
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 claims description 4
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 6
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 abstract description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 13
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 210000000481 breast Anatomy 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000006258 conductive agent Substances 0.000 description 3
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910003294 NiMo Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002640 NiOOH Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 229910021397 glassy carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003623 transition metal compounds Chemical class 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
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
- 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
- C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
- C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having 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
- 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
- C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
- C25B13/02—Diaphragms; Spacing elements characterised by shape or form
-
- 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
- C25B15/02—Process control or regulation
-
- 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
- C25B9/01—Electrolytic cells characterised by shape or form
-
- 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
-
- 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
-
- 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
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
本发明公开了一种超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽，采用超电容极板将电解室分隔为产氢室和产氧室，产氢电极和产氧电极分置在产氢室和产氧室中，在超电容极板与产氢电极之间，以及在超电容极板与产氧电极之间均设有多孔隔膜进行物理分隔；控制电解室中的超电容极板以设定的时间间隔交替与产氢电极和产氧电极相连接，使得在超电容极板上形成循环的充放电，交替地耦合阴极和阳极上的析氢和析氧反应；本发明在压滤型电解槽中引入超电容极板，其阻气性能优、稳定性好，能够适配功率波动的可再生能源直接电解制氢。采用多电解室串联的结构形式，可设置与电解功率匹配的电解室数量，实现工业规模制氢。
Description
技术领域
本发明涉及水电解技术领域，具体为一种超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽及控制方法。
背景技术
大力发展可再生能源、优化能源结构，是各国能源发展战略行动计划中优先方向之一。如何突破电解水过程中氢氧气体的跨膜混杂这一技术瓶颈，是发展直接适配可再生能源的柔性电解制氢技术的关键，契合解决能源和气候变化问题的重大需求。
在水的电解过程中，析氢反应(HER)和析氧反应(OER)在时间和空间上是耦合的。无论是碱液电解水、质子/阴离子交换膜电解水，还是固体氧化物电解水，都需要采用相应的隔膜来阻隔氢气和氧气的混杂，以保障氢气和氧气的纯度。但是，在电源功率波动条件下，传统隔膜不足以高效阻隔电解槽内氢氧气体的混杂，不仅严重影响纯度，还带来可能发生爆炸的危险。
可再生能源具有随机性、间歇性和波动性的特性，直接驱动电解制氢不可避免地造成电解槽内部压力变化大且频繁启停，而且在低功率时氢气和氧气的产生速率实际上可能慢于通过隔膜的速率(Science,2014,345(6202):1326)，这都将大大加剧两种气体的相互渗透。由于现有三种电解技术必须有离子(OH-、H+或O2-)通过隔膜，气体的交叉渗透难以避免，特别是在碱液电解槽中更严重。
为了解决上述难题，近年来文献中报道了多种解耦电解水方案，将产氢和产氧在时间或空间上分离，从而不必使用隔膜。这些方案都是选择一或两个辅助电极，与析氢反应和析氧反应配对，组成相对独立的两个反应系统，以期达到避免氢氧混合的目的。如：中国专利公开号CN105420748A的专利文献中公开了“一种基于三电极体系的两步法电解水制氢的方法及装置”；文献：Science,2014,345(6202):1326、Nature Energy,2019,4(9):786、ACS Energy Letters,2021,6(4):1533、Electrochemistry Communications,2019,109:106611、AngewandteChemie International Edition,2018,57(11):2904、Energy&Environmental Science,2022,15(5):2021等，也各自公开(或发表)了一种解耦电解水制氢的方案。该类方案的共同点是引入一个(或两个)辅助电极，先后(或分别)与产氢电极和产氧电极耦合，辅助电极上周期性地发生互为逆向的法拉第反应(典型地，在碱水电解中，利用Ni(OH)2与NiOOH之间的氧化还原转化)，因法拉第反应对辅助电极上活性材料的组成和微结构的冲击，其长期循环稳定性是一个棘手的问题，且辅助电极上普遍难以承受较高的电流密度(500Am-2以上)。此外，如何将这类实验室电解装置转化为工业上可自动运行的规模化制氢的电解槽及控制系统，尚待在工艺和装置设计上寻求突破。
中国专利公开号CN113774417A公开了一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置。该电解装置采用的是无导线连接的双极电容电极，产氢产氧同步进行；电源周期性断路，等候双极电极两侧之间发生自放电而复原。电容材料发生双电层的充放电过程，对材料的冲击程度低，有利于增强循环稳定性。该双极电容方案中，由于通电时双极电极两侧同时朝着相反方向极化，导致两侧的电势差较大而增加能耗，仅适于较低电流密度下的电解。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种低能耗的超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽及其控制方法，以适配功率波动性和间隙性的可再生能源，充分利用功率波动性大的光伏和风电等可再生能源，适用于工业上通行的多个电解小室串联的压滤型电解槽结构及其附属的管路运行系统。
本发明为实现发明目的采用如下技术方案：
本发明超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的特点是：在电解槽中采用超电容极板将电解室分隔为产氢室和产氧室，产氢电极和产氧电极分置在产氢室和产氧室中，所述产氢电极和产氧电极分别与对应一侧流道中的导电柱电接触；在所述超电容极板与产氢电极之间，以及在所述超电容极板与产氧电极之间均设有多孔隔膜进行物理分隔。
本发明超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的特点也在于：设置所述电解槽为单个电解室构成的单室电解槽；或为多个电解室串联构成的多室电解槽。
本发明超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的特点也在于：所述单室电解槽的结构形式是：在一对端板之间由沿圆周均布的螺杆将超电容极板、分处在所述超电容极板两侧的产氢电极和产氧电极，以及所述多孔隔膜压装成圆盘体电解槽，利用所述端板在两侧形成流道，所述导电柱是各端板内侧的端板乳凸，在所述一对端板的外侧一一对应设置连接电源正板的正极接线耳和连接电源负极的负极接线耳。
本发明超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的特点也在于：所述多室电解槽的结构形式是：在一对端板之间由沿圆周均布的螺杆将多个电解室压装成串，形成圆柱体电解槽；处在圆柱体两端头的电解室在外侧均是以对应一端的端板形成流道；在相邻的两个电解室之间设置导电流道板，利用所述导电流道板形成流道；在所述一对端板的外侧一一对应设置用于连接电源正板的正极接线耳和用于连接电源负极的负极接线耳；所述导电柱包括设置在各端板的内侧的端板乳凸，以及设置在所述导电流道板的两侧的道板乳凸。
本发明超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的特点也在于：沿所述圆柱体的轴向分设氢侧气液排出通道和氧侧气液排出通道；各电解室的产氢室均与氢侧气液排出通道相连通，各电解室的产氧室均于氧侧气液排出通道相连通。
本发明超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的特点也在于：所述超电容极板为刚性硬实隔板，其中心为活性材料圆片，在所述活性材料圆片的外周是与活性材料圆片等厚的导电环周极框。
本发明超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的特点也在于：所述超电容极板中的活性材料圆片是以导电微纳米粉为材质。
本发明超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的控制方法的特点也在于：针对单室电解槽，控制电解室中的超电容极板以设定的时间间隔交替与产氢电极和产氧电极相连接，使得在超电容极板上形成循环的充放电，交替地耦合阴极和阳极上的析氢和析氧反应；针对多室电解槽，控制各电解室中的超电容极板以设定的时间间隔在各电解室中同步地交替与产氢电极和产氧电极相连接，使得在超电容极板上形成循环的充放电，交替地耦合阴极和阳极上的析氢和析氧反应。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明在电解槽中引入超电容极板，其阻气性能优、承压强度高、稳定性好，作为传统隔膜的替代物，允许电解槽即时启停，直接适配功率波动性和间隙性的可再生能源，实现可再生能源绿电柔性制氢。
2、本发明中超电容极板上循环发生双电层充放电过程，具有电阻小、能耗低、充放电速率快和稳定性高的特点，优于各种基于辅助电极上发生法拉第反应的解耦电解水方案。采用将超电容极板交替地与产氧电极和产氢电极连接这一独特的控制方式，使得本发明的解耦电解水制氢方案能够适用于工业上通行的多个电解小室串联的压滤型电解槽结构及其附属的管路运行系统。
3、本发明在电解电压低至0.8-0.9V仍可产生氢气和氧气，能够更充分地利用功率波动性大的光伏和风电等可再生能源。
附图说明
图1为本发明中电解槽整体外观结构立体图；
图2为本发明中电解槽内部结构示意图；
图3为本发明中超电容极板结构示意图；
图4为本发明在电流模式下测试的电压-时间图；
图5为本发明在电压模式下测试的电流-时间图。
图中标号：1端板，2导电流道板，3超电容极板，4密封垫圈，5导电流道板继电器接线柱，6超电容极板继电器接线柱，7螺杆，8产氢电极，9产氧电极，10多孔隔膜，11电解液进液通道，12氢侧气液排出通道，13氧侧气液排出通道，14负极接线耳，15正极接线耳，16活性材料圆片，17导电环周极框。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明，需要说明的是，仅仅是对本发明构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应视为落入本发明的保护范围。
参见图1和图2，本实施例中超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的结构形式是：
在电解槽中采用超电容极板3将电解室分隔为产氢室和产氧室，以超电容极板代替传统隔膜起到严密阻隔两侧氢氧气体渗透混合的作用；产氢电极8和产氧电极9分置在产氢室和产氧室中，产氢电极8和产氧电极9分别与对应一侧流道中的导电柱电接触；在超电容极板3与产氢电极8之间，以及在超电容极板3与产氧电极9之间均设有多孔隔膜10进行物理分隔，使电极之间保持尽可能小的距离以降低溶液欧姆降，也避免电极之间电接触。
具体实施中，相应的技术措施也包括：
设置电解槽为单个电解室构成的单室电解槽，或为多个电解室串联构成的多室电解槽。
单室电解槽的结构形式是：在一对端板1之间由沿圆周均布的螺杆7将超电容极板3、分处在超电容极板3两侧的产氢电极8和产氧电极9，以及多孔隔膜10压装成圆盘体电解槽，利用端板在两侧形成流道，导电柱是各端板内侧的端板乳凸，在一对端板1的外侧一一对应设置连接电源正板的正极接线耳15和连接电源负极的负极接线耳14。
多室电解槽的结构形式是：在一对端板1之间由沿圆周均布的螺杆7将多个电解室压装成串，形成圆柱体电解槽；具体实施中，以多电解室串联的结构形式，设置与电解功率匹配的电解室数量，用于工业上规模制氢(电解室的数量可高达150)；处在圆柱体两端头的电解室在外侧均是以对应一端的端板1形成流道；在相邻的两个电解室之间设置导电流道板2，利用导电流道板2形成流道；导电流道板继电器接线柱5和超电容极板继电器接线柱6，凸伸在圆柱体的外周；在一对端板1的外侧一一对应设置用于连接电源正板的正极接线耳15和用于连接电源负极的负极接线耳14；导电柱包括设置在各端板1的内侧的端板乳凸，以及设置在导电流道板2的两侧的道板乳凸；端板乳凸和道板乳凸作为导电柱，其突出的顶点与产氢电极和产氧电极紧密地电接触，在导电流道板与电极之间形成供电解液流动和在电极上反应的流道；在导电流道板2、超电容极板3和端板1的环周极框之间均有密封垫圈4，以避免电解液泄露。
图2所示，本实施例中沿圆柱体的轴向贯穿端板、超电容极板和导电流道板的环周极框，并贯穿密封垫片分别设置电解液进液通道11、氢侧气液排出通道12和氧侧气液排出通道13，各通道与电解槽的外部管路、气液分离槽、泵以及流量计构成电解液循环系统；各电解室的产氢室均与氢侧气液排出通道12相连通，各电解室的产氧室均于氧侧气液排出通道13相连通，将含氢气泡的电解液和含氧气泡的电解槽分别导入氢分离槽和氧分离槽；气液分离后，氢气和氧气进入后续干燥、除杂和增压等环节，最后进入贮氢钢瓶和贮氧钢瓶。气液分离后的液相合并，经电解液进液通道11导回至电解槽内，形成电解液循环回路。
图3所示，本实施例中，超电容极板3优选为直径2cm-2m、厚度为0.1-5毫米的刚性硬实隔板，由活性粉末、导电剂、粘接剂与集流基底一起经高压压制而成，所施加的压力优选为不低于10MPa；其集流基底材料为泡沫镍、泡沫钛或网状玻璃态碳(RVC)；超电容极板3中心为活性材料圆片16，在活性材料圆片16的外周是与活性材料圆片16等厚的导电环周极框17，导电环周极框17与导电流道板2设置为相同的外径；导电环周极框17的内沿与活性材料圆片16的外沿严密相接，保证良好的电接触，导电环周极框17的材质与导电流道板的材质相同。
超电容极板3中的活性材料圆片16是以导电微纳米粉为材质，其材质为活性碳微粉、生物质碳粉、石墨烯或碳纳米管溶胶、导电聚合物、半导体氧化物粉末中的单一组分或多种组分的复合物；超电容极板3既适用于碱性电解液如KOH，也适用于酸性电解液如H2SO4。
产氢电极8选材为贵金属Pt或Pd，或为贵金属Pt或Pd与碳的复合物，或为过渡金属Ni、Mo、W、Co、Cu和Fe的单质或化合物。
产氧电极9选材为金属氧化物Ru或Ir，或为金属氧化物Ru或Ir与碳的复合物，或为Ni、Co、Cu或Fe的过渡金属化合物。
具体实施中，设置本实施例中超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的控制方法是：
针对单室电解槽，控制电解室中的超电容极板3以设定的时间间隔交替与产氢电极8和产氧电极9相连接，使得在超电容极板3上形成循环的充放电，交替地耦合阴极和阳极上的析氢和析氧反应。
针对多室电解槽，控制各电解室中的超电容极板3以设定的时间间隔在各电解室中同步地交替与产氢电极8和产氧电极9相连接，使得在超电容极板3上形成循环的充放电，交替地耦合阴极和阳极上的析氢和析氧反应。
具体实施中，设置时间继电器或其它时间控制装置，使超电容极板在产氧电极和产氢电极之间的交替连接实现自动控制。
本实施例中的析氢和析氧反应分步进行，当超电容极板与产氧电极连接时，产氢电极上发生水的还原反应，同时超电容极板上双电层向外电路释出电子而电势有所升高，但仍显著低于析氧反应所需的电势(此时产氧电极上停止反应)；当超电容极板与产氢电极连接时，产氧电极上发生OH-离子的氧化反应，同时超电容极板上双电层从外电路吸收电子而电势有所降低，但仍显著高于析氢反应所需的电势(此时产氢电极上停止反应)。如此交替地，超电容极板上发生双电层的充电和放电过程。
超电容极板上仅须发生双电层的充电和放电过程，但是也允许利用极板上活性基团或原子的法拉第反应(非析氢析氧反应)。
本实施例中，超电容极板的活性材料成分是活性碳粉末，集流基底材料为泡沫镍，由活性粉末、导电剂、粘接剂和适量水混合为均匀的稀糊状，涂敷入泡沫镍基底的微孔中，干燥后在18MPa压力下压制成直径0.5m、厚度为1.1mm的刚性硬实隔板；电解液是20-30％的KOH，产氢电极和产氧电极都用工业镍网电极为基底，表面分别镀有NiMo和NiFe作为催化剂。超电容极板的环周极框、导电流道板和端板的材质采用镍板、或镀镍的铸铁或不锈钢金属板。
测试一：在控制电流模式下对单一电解小室进行测试，获得电压-时间图如图4。产氢电压和产氧电压随电路交替切换而呈周期性变化，随着所施加电流密度的增大而上升。在半周期内电压随时间延长而上升，这主要是电容电极的充放电所引起的，电压上升幅度与所施加的电流密度有关。当电流密度为1500A m-2时，半周期内电压从约1.0V上升到1.35V。当电流密度为250A m-2时，半周期内电压从约0.8V上升到0.9V。可见，当电压低至0.8-0.9V，产氢产氧过程仍可进行。
测试二：在控制电压模式下对单一电解小室进行测试，获得电流-时间图如图5。产氢电流和产氧电流随电路交替切换而呈周期性变化，随着所施加电压的增大而上升。在半周期内电流随时间延长而下称，这主要是电容电极的充放电所引起的，电流下降幅度与所施加的电压有关。当电压为1.23V时，半周期内电流密度从约3000A m-2以上逐渐下降到约1000A m-2。当电压低至0.8-0.9V，产氢产氧过程仍可进行。
在测试一和测试二，超电容极板是厚度为1.1毫米的刚性硬实隔板，由活性碳粉末、导电剂、粘接剂与集流泡沫镍基底一起经18MPa压力压制而成；设置电解温度为常温25℃，析氢析氧交替切换时间为20s，产氢电极为电镀NiMo的镍网，产氧电极为电镀NiFe的镍网，电解液为2M KOH。
本发明通过在压滤型电解槽的电解小室中引入超电容极板，对产氢产氧进行空间隔离，阻气性能优，承压能力强，稳定性好，能够直接适配功率波动性和间隙性的可再生能源，以实现可再生能源绿电柔性制氢。
上述是对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽，其特征是：
在电解槽中采用超电容极板(3)将电解室分隔为产氢室和产氧室，产氢电极(8)和产氧电极(9)分置在产氢室和产氧室中，所述产氢电极(8)和产氧电极(9)分别与对应一侧流道中的导电柱电接触；在所述超电容极板(3)与产氢电极(8)之间，以及在所述超电容极板(3)与产氧电极(9)之间均设有多孔隔膜(10)进行物理分隔。
2.根据权利要求1所述的超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽，其特征是：
设置所述电解槽为单个电解室构成的单室电解槽；
或为多个电解室串联构成的多室电解槽。
3.根据权利要求2所述的超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽，其特征是：
所述单室电解槽的结构形式是：在一对端板(1)之间由沿圆周均布的螺杆(7)将超电容极板(3)、分处在所述超电容极板(3)两侧的产氢电极(8)和产氧电极(9)，以及所述多孔隔膜(10)压装成圆盘体电解槽，利用所述端板在两侧形成流道，所述导电柱是各端板内侧的端板乳凸，在所述一对端板(1)的外侧一一对应设置连接电源正板的正极接线耳(15)和连接电源负极的负极接线耳(14)。
4.根据权利要求2所述的超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽，其特征是：
所述多室电解槽的结构形式是：在一对端板(1)之间由沿圆周均布的螺杆(7)将多个电解室压装成串，形成圆柱体电解槽；
处在圆柱体两端头的电解室在外侧均是以对应一端的端板(1)形成流道；在相邻的两个电解室之间设置导电流道板(2)，利用所述导电流道板(2)形成流道；
在所述一对端板(1)的外侧一一对应设置用于连接电源正板的正极接线耳(15)和用于连接电源负极的负极接线耳(14)；所述导电柱包括设置在各端板(1)的内侧的端板乳凸，以及设置在所述导电流道板(2)的两侧的道板乳凸。
5.根据权利要求4所述的超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽，其特征是：
沿所述圆柱体的轴向分设氢侧气液排出通道(12)和氧侧气液排出通道(13)；各电解室的产氢室均与氢侧气液排出通道(12)相连通，各电解室的产氧室均于氧侧气液排出通道(13)相连通。
6.根据权利要求1所述的超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽，其特征是：
所述超电容极板(3)为刚性硬实隔板，其中心为活性材料圆片(16)，在所述活性材料圆片(16)的外周是与活性材料圆片(16)等厚的导电环周极框(17)。
7.根据权利要求1所述的超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽，其特征是：
所述超电容极板(3)中的活性材料圆片(16)是以导电微纳米粉为材质。
8.一种权利要求2所述的超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的控制方法，其特征是：
针对单室电解槽，控制电解室中的超电容极板(3)以设定的时间间隔交替与产氢电极(8)和产氧电极(9)相连接，使得在超电容极板(3)上形成循环的充放电，交替地耦合阴极和阳极上的析氢和析氧反应；
针对多室电解槽，控制各电解室中的超电容极板(3)以设定的时间间隔在各电解室中同步地交替与产氢电极(8)和产氧电极(9)相连接，使得在超电容极板(3)上形成循环的充放电，交替地耦合阴极和阳极上的析氢和析氧反应。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311096961.2A CN117107267A (zh) | 2023-08-29 | 2023-08-29 | 一种超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽及其控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311096961.2A CN117107267A (zh) | 2023-08-29 | 2023-08-29 | 一种超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽及其控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117107267A true CN117107267A (zh) | 2023-11-24 |
Family
ID=88794285
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311096961.2A Pending CN117107267A (zh) | 2023-08-29 | 2023-08-29 | 一种超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽及其控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117107267A (zh) |
-
2023
- 2023-08-29 CN CN202311096961.2A patent/CN117107267A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103806014A (zh) | 一种质子交换膜水电解装置 | |
| CN114174558A (zh) | 模块化电解器池和在升高的压力下以高转化率将二氧化碳转化成气态产物的方法 | |
| CN113913844B (zh) | 一种基于电源切换的无膜电解水制氢装置 | |
| CN113913846A (zh) | 一种电解水制氢制氧反应装置 | |
| WO2023093012A1 (zh) | 一种三电极体系电解水制氢方法 | |
| CN113235110A (zh) | 一种新型水电解制氢电解槽装置 | |
| CN113774417B (zh) | 一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置 | |
| CN113186555A (zh) | 一种高电流密度的碱性水电解槽结构及装置 | |
| CN113862690A (zh) | 一种基于双极电极体系电解水制氢装置 | |
| CN109898092B (zh) | 一种双反应电极半电解水装置 | |
| CN114892182A (zh) | 基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽及其应用 | |
| Zhao et al. | Automatic operation of decoupled water electrolysis based on bipolar electrode | |
| CN108258267A (zh) | 一种酸阴极-碱阳极低温醇类燃料电池 | |
| US20180195185A1 (en) | Proton exchange membrane electrolyzer | |
| CN217628644U (zh) | 基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽 | |
| CN117107267A (zh) | 一种超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽及其控制方法 | |
| CN108603297B (zh) | 用于生成氢的电解池单元 | |
| CN215103586U (zh) | 一种新型水电解制氢电解槽装置 | |
| CN114457351A (zh) | 一种基于单电解槽双电极两步法分步电解水制氢的方法及装置 | |
| CN115029717A (zh) | 一种基于旋转式双极电极的无膜电解水制氢装置 | |
| CN212581571U (zh) | 一种电解槽 | |
| CN220685252U (zh) | 一种新型碱性水电解槽 | |
| CN216237301U (zh) | 一种高效的质子交换膜电解槽 | |
| CN216129682U (zh) | 一种高电流密度的碱性水电解槽装置 | |
| RU194839U1 (ru) | Регенеративный топливный элемент с открытым катодом |
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 |