CN119287403A - 一种电容电极及解耦电解水制氢方形电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制氢技术领域，具体为一种电容电极及解耦电解水制氢方形电解槽，通过提出的一种电容电极以及解耦电解水制氢方形电解槽的气、液流道设计，本发明可以实现电解水反应中氢气与氧气的隔离，既节省了离子交换膜的高昂费用，又突破了隔膜的限制，使电解槽工作压力可以做到5MPa甚至更高；通过设置电解槽限位机构，可以防止电解小室坠落，从而防止电解液的泄露，同时，模块化撬装设计，既便于分散式搬移和安装又方便故障时检修维护；通过独特的方形流场、方形碱液进出口及方形氢气/氧气出气口的设计，本发明可以确保电解液流道流速均匀和气体的及时排出，减少能量损失，提高电解效率。

Description

一种电容电极及解耦电解水制氢方形电解槽

技术领域

本发明涉及制氢技术领域，具体为一种电容电极及解耦电解水制氢方形电解槽。

背景技术

目前碱性电解水制氢（AWE）是市场上最成熟的电解水制氢技术，碱性电解水法中阳极和阴极上发生的析氧反应（HER）和析氢反应（OER）在时间和空间上是耦合的，其依靠隔膜来将析氢室和析氧室分离开，主要结构形状为圆形和方形，其中以圆形居多。

近年来研究者们报道了一种解耦电解水方案，通过引入可溶性或固体氧化还原介质，来取代传统的碱性电解槽隔膜，实现解耦电解水的运行，该方案将介质上发生的还原反应和电解水制氢上发生的OER进行耦合（OER步骤），介质上发生氧化反应和电解水制氢上发生的OER进行耦合（HER步骤），实现电解水制氢HER和OER在时间或空间上相互独立。

中国公开号CN111074291A 公开了一种两步法电解水制氢的装置及方法，两个步骤之间必须切换高、低温电解液，操作较繁琐，且高温化学产氧所耗的时间长，难以满足高电流密度产氢的需要；中国公开号CN105420748A也公开了一种两步法电解水制氢的装置及方法，但不能同时产氢和产氧，影响生产效率。同时，近年来，各大生产厂商逐渐推出方形结构的电解槽，中国专利号CN 116445942 A、CN 116463657 A、CN 118048640 B、CN118028847 A等也均公开了方形电解槽装置。

综上所述，在实际应用中，常规碱性电解水制氢主要存在以下问题：

在制氢过程中，阴极产生的氢气体积是阳极产生的氧气体积的2倍，造成了隔膜两侧压力不平衡，会加速氢气和氧气的相互渗透，尤其是在低电流密度下，析氢室和析氧室产生气体量不足且气泡较小，使氢气和氧气更容易穿透隔膜，发生交叉扩散，这也是目前已商业化的隔膜存在的一个较大弊端。

电解槽内电解液流道流速不均匀，会导致电解槽内温度不均匀，同时电解产生的氢气/氧气出气不通畅，容易导致隔膜穿孔，形成机械损伤，在输入功率波动时，电解槽的反应时间较长，且在低负载的情况下电解能效较低。

由于原理及材料限制，当前方形电解槽工作压力大多为常压，在终端应用场景中，会增加气体压缩等综合能耗和压缩机及其他设备的投资成本。

由于缺少支撑，传统方形电解槽存在电解小室（由阴、阳电极、隔膜和碱液等构成的水电解生成氢气和氧气的最小单元） 容易下坠并导致碱液泄漏问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电容电极及解耦电解水制氢方形电解槽，该电容电极可以有效阻隔氢气和氧气混合，该解耦电解水制氢方形电解槽可以防止电解小室下坠，通过流道设计，本发明解耦电解水制氢方形电解槽可以保障电解液流道流速均匀和气体的及时排出，通过与本发明电容电极配合，本发明解耦电解水制氢方形电解槽的工作压力可以突破5MPa。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电容电极，所述电容电极为层状结构，其由两侧电极层与中部电极夹层经压制而成，其中，所述中部电极夹层为刚性、微孔、导电材质，所述两侧电极层由三维多孔导电材料、导电剂、粘合剂制成；在电解应用中，所述电容电极不接电、不发生氧化还原反应，其允许离子与电子通过、阻挡氢气与氧气分子通过，电解槽工作压力可大于5MPa。

特别地，所述三维多孔导电材料至少包括石墨烯溶胶、碳纳米管溶胶、多孔碳、导电聚合物膜。

特别地，所述电容电极厚度为：100μm~10mm。

同时，本发明还提供一种解耦电解水制氢方形电解槽，包括端板、极板、双极板、绝缘垫片、析氧电极、隔膜、电容电极、析氢电极、限位支撑杆、压紧螺杆，

其中，所述端板设置在电解槽的两端，紧挨端板相对面分别设有极板，极板上设有接线端子，左右两端极板之间至少设置有一块双极板；

极板与双极板内部有安装凹槽，配合安装后，极板与双极板之间或双极板与双极板之间的安装凹槽会形成封闭安装空间，安装空间内以此安装有绝缘垫片、析氧电极、隔膜、电容电极、隔膜、析氢电极，其中绝缘垫片与极板、双极板轮廓相同，用于对安装凹槽形成的安装空间进行密封；

端板上设有通孔，用于安装限位支撑杆、压紧螺杆，实现对两块端板之间的所有组件（极板(2)、双极板(3)、绝缘垫片(4)、析氧电极(5)、隔膜(6)、电容电极(7)以及析氢电极(8)）进行压紧。

进一步地，安装凹槽内设有电极支撑，用于支撑析氧电极和析氢电极，形成析氧、析氢空间。

特别地，极板、双极板上设有上限位支撑和下限位支撑，上限位支撑和下限位支撑与限位支撑杆配合，防止极板、双极板及其内部组件（电解小室）坠落。

特别地，极板、双极板上下分别开有氢气通道、阴极碱液通道、氧气通道、阳极碱液通道，其中氢气通道、阴极碱液通道与极板、双极板一侧的安装凹槽连通，氧气通道、阳极碱液通道与极板、双极板另一侧的安装凹槽连通；

配合安装后，所有氢气通道与端板上对应的氢气出口连通，形成氢气流通通道；所有氧气通道与端板上对应的氧气出口连通，形成氧气流通通道；所有阴极碱液通道与端板上对应的阴极碱液口连通，形成阴极碱液流通通道；所有阳极碱液通道与端板上对应的阳极碱液口连通，形成阳极碱液流通通道。

特别地，所述电容电极能阻隔析氧电极析出的氧气与析氢电极析出的氢气的混合。

特别地，上限位支撑和下限位支撑的材质为绝缘工程塑料。

特别地，所述氢气通道、阴极碱液通道、氧气通道、阳极碱液通道均为方形孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出一种电容电极，能够阻隔H₂与O₂的混合，大幅降低气体渗透混杂的风险，同时避免了使用价格昂贵、维护困难的离子交换膜，并且，突破了隔膜限制，使电解槽工作压力可以做到5MPa甚至更高，大大降低了气体压缩等综合能耗和压缩机及其他设备的投资成本。

电解槽独特的方形流场设计、方形碱液进出口及方形氢气/氧气出气口，确保了电解液流道流速均匀和气体的及时排出，碱液温度分布更均匀，减少了能量损失，提高了电解效率。

通过设计限位支撑并设计灵活的螺杆安装方式，可防止电解槽小室坠落，同时，模块化撬装设计，便于分散式搬移和安装，降低安装难度，并可以根据使用场景不同增加或减少小室数量，某一个小室发生故障时，检修维护也更方便。

附图说明

图1为本发明解耦电解水制氢方形电解槽结构示意图1；

图2为本发明解耦电解水制氢方形电解槽结构示意图2；

图3为本发明极板主视图；

图4为本发明极板后视图；

图5为本发明双极板主视图；

图6为本发明电容电极结构示意图；

图7为本发明一种工艺应用示意图。

图中：1、端板；2、极板；3、双极板；4、绝缘垫片；5、析氧电极；6、隔膜；7、电容电极；701、电极层；702、电极夹层；8、析氢电极；9、限位支撑杆；10、压紧螺杆；11、氧气出口；12、阳极碱液口；13、氢气出口；14、阴极碱液口；15、接线端子；16、上限位支撑；17、下限位支撑；18、氢气通道；19、阴极碱液通道；20、电极支撑；21、安装凹槽；22、氧气通道；23、阳极碱液通道；

101、恒流稳压电源；102、电解槽；103、氢气气液分离捕滴装置；104、氧气气液分离捕滴装置；105、水泵；106、纯水箱；107、碱液箱；108、换热器；109、碱液循环泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1、2所示，本发明提供了一种解耦电解水制氢方形电解槽102，该电解槽102使用了本发明提出的一种电容电极7，该电容电极7为层状结构，如图6所示，其中间设置有一微孔、导电、刚性的电极夹层702，能够阻隔氢氧混合，电容电极7两侧为电极层701，其是由三维多孔的导电材料添加导电剂、粘合剂压制而成，其中三维多孔的导电材料包括但不限于石墨烯溶胶、碳纳米管溶胶、多孔碳、导电聚合物膜，以及复合物膜，电容电极7厚度为100微米至10毫米。

在结构组成上，本发明的解耦电解水制氢方形电解槽102中，极板2与相邻双极板3或双极板3与另一块相邻双极板3形成电解小室，极板2与双极板3的两侧分别开有安装凹槽21，凹槽内有电极支撑20，安装后能够形成封闭空间，封闭空间内依次安装有绝缘垫片4、析氧电极5、隔膜6、电容电极7、隔膜6、析氢电极8，据此，形成了电解水电解氧化还原反应的空间，其中，以电容电极7为分界，一侧发生析氢反应，一侧发生析氧反应。总体组成上，本发明的解耦电解水制氢方形电解槽102两侧为端板1，端板1内侧各安装一块极板2，极板2之间安装电解小室，电解小室的数量可以灵活设置，电解小室最少情况下，从左到右依次安装的是端板1、极板2、电解小室内部组件、双极板3、电解小室内部组件、极板2、端板1，其中，电解小室内部组件依次为：绝缘垫片4、析氧电极5、隔膜6、电容电极7、隔膜6、析氢电极8。当需要增加电解小室数量时，在最右侧极板2的前端依次加入双极板3、电解小室内部组件。

极板2的结构如图3、图4所示，极板2上设置有接线端子15用于电解反应接电，极板2每一侧上下端均设置有方形口，上部口为气体通道口，下部口为液体通道口。如图3所示，极板2的注视面左下角设置有方形液体通道口，右上角设置有方形气体通道口，液体通道口、气体通道口与本侧面的安装凹槽21连通，因此，当本侧面发生电解反应（如还原反应）时，气体（氢气）从上部的气体通道口流出，液体（阴极碱液）从下部的液体通道口流出，对应的另一侧结构相似，发生电解反应中的另一极反应（氧化反应），生成气体（氧气）从上部的气体通道口流出，液体（阳极碱液）从下部的液体通道口流出。相应地，双极板3与极板2结构相似（无接线端子15），如图5所示。极板2与双极板3由于结构相似，当配合安装连接后，同一个方向的所有上部左侧通道口连通形成一个气体通道，右侧通道口连通形成另一个气体通道，所有下部左侧通道口连通形成一个液体通道，右侧通道口连通形成另一个液体通道，其中，与析氢电极8相通的极板2或双极板3的一侧发生还原反应，对应的气体通道口为氢气通道18，液体通道口为阴极碱液通道19，与析氧电极5相通的极板2或双极板3的一侧发生氧化反应，对应的气体通道口为氧气通道22，液体通道口为阳极碱液通道23。

最终氢气通道18与端板1上的氢气出口13连通，氢气放出并收集，氧气通道22与端板1上的氧气出口11连通，氧气放出并收集，阴极碱液通道19与端板1上的阴极碱液口14连通，阴极碱液进行循环，阳极碱液通道23与端板1上的阳极碱液口12连通，阳极碱液进行循环。

综上所述，使用本发明的解耦电解水制氢方形电解槽102氢气与氧气能够分别从不同的通道流出，阴极与阳极的碱液也是分别循环流通，再加上本发明的电容电极7能够阻隔氢气与氧气分子通过，因此实现了析氢反应与析氧反应的解耦，不仅节省了使用离子交换膜的高昂费用，而且大幅降低气体渗透混杂的风险，并且，由于突破了隔膜的限制，电解槽102工作压力可以做到5MPa甚至更高，大大降低了气体压缩等综合能耗和压缩机及其他设备的投资成本。另一方面，本发明电解槽102独特的流场设计，确保了电解液流道流速均匀和气体的及时排出，碱液温度分布更均匀，减少能量损失，提高电解效率，且电解槽102电极（包括析氧电极5与析氢电极8）和隔膜6均为方形结构，在使用时不用再进行裁剪，节省成本也节省材料（一般生产出来的电极和隔膜6多为方形的，如果使用传统的圆形电解槽结构，就需要对电极和隔膜6进行裁剪）。

实施例二

如图3、4、5所示，极板2与双极板3分别设有上限位支撑16、下限位支撑17，当整个电解槽102组件依次排好并通过压紧螺杆10压紧后，极板2以及双极板3上的上限位支撑16、下限位支撑17分别卡在限位支撑杆9上，因此，可以防止电解小室的坠落，从而防止了碱液泄露。并且，由于本发明电解槽102采用模块化撬装设计，因此，可以便于分散式搬移和安装，降低安装难度，并可以根据使用场景不同增加或减少小室数量，当某一个小室发生故障时，检修维护也更方便。

需要说明的是，本发明为简化构图以便于清晰表达主体结构，图1、图2中压紧螺杆10未画全，实际应用中端板1上画有螺帽的位置均设有压紧螺杆10，实现对电解槽102的压紧。

实施例三

如图7所示为本发明的一种工艺应用示意图，在生产过程中，恒流稳压电源101提供电解能量，电解槽102使用碱液为27%～32%浓度的KOH溶液，其内产生的氢气和氧气由不同的流道分别进入气液分离捕滴装置经纯化后收集，氢气气液分离捕滴装置103、氧气气液分离捕滴装置104中的碱液经过换热器108冷却后由碱液循环泵109泵出至电解槽102，实现碱液降温循环，维持电解槽102内碱液温度，同时，本工艺设有碱液箱107、碱液循环泵109、纯水箱106以及水泵105，及时补充碱液和纯水。

在材料上，析氢电极8的电极材料可以是基于贵金属Pt、Pd与碳材料的复合物或基于过渡金属Ni、Co、Cu或Fe的单质或化合物，也可以是基于稀土元素W、Mo的化合物；析氧电极5的电极材料可以是基于贵金属Ru、Ir与碳材料的复合物或基于过渡金属Ni、Co、Cu或Fe的单质或化合物。

当电路连接时，水分子在析氢电极8上被还原为氢气析出，即2H₂O + e^- → H₂ +2OH^-；OH^-在外电场驱动下向阳极方向迁移，电容电极7本身带正电，会促进OH^-向阳极迁移，OH^-在析氧电极5上被氧化为氧气析出，即2OH^- → 1/2O₂ + H₂O + e^-。

电容电极7本身不发生氧化还原反应，也没有接电，离子和电子可以通过电容电极7向析氢电极8、析氧电极5传递。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种电容电极，其特征在于：电容电极(7)为层状结构，其由两侧电极层(701)与中部电极夹层(702)经压制而成，其中，所述中部电极夹层(702)为刚性、微孔、导电材质，所述两侧电极层(701)由三维多孔导电材料、导电剂、粘合剂制成；在电解应用中，所述电容电极(7)不接电、不发生氧化还原反应，其允许离子与电子通过、阻挡氢气与氧气分子通过。

2.如权利要求1所述的电容电极，其特征在于：所述三维多孔导电材料至少包括石墨烯溶胶、碳纳米管溶胶、多孔碳、导电聚合物膜。

3.如权利要求2所述的电容电极，其特征在于：所述电容电极(7)厚度为：100μm~10mm。

4.一种使用权利要求1~3任一项所述电容电极（7）的解耦电解水制氢方形电解槽，包括端板(1)、极板(2)、双极板(3)、绝缘垫片(4)、析氧电极(5)、隔膜(6)、电容电极(7)、析氢电极(8)、限位支撑杆(9)、压紧螺杆(10)，其特征在于：

端板(1)设置在两端，紧挨端板(1)相对面分别设有极板(2)，极板(2)上设有接线端子(15)，左右两端极板(2)之间至少设置有一块双极板(3)；

极板(2)与双极板(3)内部有安装凹槽(21)，配合安装后，极板(2)与双极板(3)之间或双极板(3)与双极板(3)之间的安装凹槽(21)会形成封闭安装空间，安装空间内依次安装有绝缘垫片(4)、析氧电极(5)、隔膜(6)、电容电极(7)、隔膜(6)、析氢电极(8)，其中绝缘垫片(4)与极板(2)、双极板(3)轮廓相同，用于对安装凹槽(21)形成的安装空间进行密封；

端板(1)上设有通孔，用于安装限位支撑杆(9)、压紧螺杆(10)，实现对两块端板(1)之间的极板(2)、双极板(3)、绝缘垫片(4)、析氧电极(5)、隔膜(6)、电容电极(7)以及析氢电极(8)进行压紧。

5.如权利要求4所述的解耦电解水制氢方形电解槽，其特征在于：安装凹槽(21)内设有电极支撑(20)，用于支撑析氧电极(5)和析氢电极(8)，形成析氧、析氢空间。

6.如权利要求5所述的解耦电解水制氢方形电解槽，其特征在于：极板(2)、双极板(3)上设有上限位支撑(16)和下限位支撑(17)，上限位支撑(16)和下限位支撑(17)与限位支撑杆(9)配合，防止极板(2)、双极板(3)及其内部组件坠落。

7.如权利要求6所述的解耦电解水制氢方形电解槽，其特征在于：极板(2)、双极板(3)上下分别开有氢气通道(18)、阴极碱液通道(19)、氧气通道(22)、阳极碱液通道(23)，其中氢气通道(18)、阴极碱液通道(19)与极板(2)、双极板(3)一侧的安装凹槽(21)连通，氧气通道(22)、阳极碱液通道(23)与极板(2)、双极板(3)另一侧的安装凹槽(21)连通；

配合安装后，所有氢气通道(18)与端板(1)上对应的氢气出口(13)连通，形成氢气流通通道；所有氧气通道(22)与端板(1)上对应的氧气出口(11)连通，形成氧气流通通道；所有阴极碱液通道(19)与端板(1)上对应的阴极碱液口(14)连通，形成阴极碱液流通通道；所有阳极碱液通道(23)与端板(1)上对应的阳极碱液口(12)连通，形成阳极碱液流通通道。

8.如权利要求7所述的解耦电解水制氢方形电解槽，其特征在于：所述电容电极(7)能阻隔析氧电极(5)析出的氧气与析氢电极(8)析出的氢气的混合。

9.如权利要求8所述的解耦电解水制氢方形电解槽，其特征在于：上限位支撑(16)和下限位支撑(17)的材质为绝缘工程塑料。

10.如权利要求9所述的解耦电解水制氢方形电解槽，其特征在于：所述氢气通道(18)、阴极碱液通道(19)、氧气通道(22)、阳极碱液通道(23)均为方形孔。