一种高电流密度的碱性水电解槽结构及装置的制作方法

本发明涉及电解水技术领域，具体涉及一种高电流密度的碱性水电解槽结构和装置。

背景技术：

随着社会经济的发展，能源与环境问题已成为一个世界性的难题。目前所使用的化石能源如煤、石油等，属于不可再生的能源，同时燃烧化石燃料所带来的环境污染问题，也已逐渐引起人们的重视。能源短缺以及能源消耗所引起的环境污染问题已经成为本世纪人类面临的最严重的两大难题，人类社会也在迫切的寻找和开发可再生的绿色替代能源。

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水电解制氢技术最为纯熟，其中，低温水电解制氢主要包括碱性水电解和质子交换膜(pem)水电解；碱性水电解制氢是实现大规模制氢的重要技术，也是目前最成熟的制氢技术之一。

pem水电解技术的主要特点是以固体聚合物电解质代替传统的苛性碱溶液电解质。所谓的固体聚合物一般为全氟磺酸质子交换膜，磺酸基具有传递水合氢离子的性质，这也导致了pem水电解内部强酸性的工作环境，因而需要催化剂材料拥有较高的耐蚀性。同时，由于阳极水电解析氧过程能耗较高，需要采用一种以贵金属为代表的高活性的催化剂材料，导致其水电解成本较高，限制了该催化剂的实际应用。

pem电解槽中的质子交换膜具有质子传导性高、气体穿透率小、抗压强度高、厚度薄等优秀性质，使得质子交换膜电解技术比其他电解技术有着电流密度大，电解效率高，并且能够更适用可再生能源的电解水制氢等自身的优势。

在碱性电解水工业中，碱水电解制氢作为实现大规模制氢的重要技术之一，其电解槽目前普遍采用双极式电解槽，这种电解槽由多个单元小室有规律叠压成电解槽的槽体，每个电解小室主要由极框，双极性主极板，隔膜，阴阳极以及密封垫片组成。双极性主极板一面是阴极，另一面是阳极，焊接到极框内，构成一个整体。每个小室分为阴极室和阳极室，隔膜位于阴阳极之间，主要作用是防止氢氧气体混合。

传统的碱性水电解技术因为其能耗较高，效率低，并且因电解水过程中，电解电极的阴、阳极同时生成氢气和氧气，需要采用离子选择性膜将氧气和氢气隔开等，也在一定程度上增大了制氢的成本。

技术实现要素：

为了较好的解决碱性电解水技术的能耗高、效率低的问题，同时，结合pem电解技术的特点和优势，有效降低成本、提高电解的效率，本发明提供了一种高电流密度的碱性水电解槽结构和装置，其结构包括左端板、阴极集流板，多个依次叠加的电解小室单元、阳极集流板和右端板。其中，电解小室单元由阴极单极板、绝缘膜、阳极单极板以及设置于中间的密封垫构成；依次将左端板、阴极集流板、多个电解小室单元、阳极集流板以及右端板，通过多组螺栓进行紧固构成电解槽装置。

尤佳地，所述电解小室单元的阴极单极板和阳极单极板表面分别设置有完全对称的流场，阴极单极板流场内涂覆有析氢催化剂构成阴极电极，阳极单极板流场内涂覆有氢氧化镍构成阳极电极。

进一步地，所述的电解小室单元依次叠加连接，其中，相邻连接在一起的前一电解小室单元的涂覆有析氢催化剂的阴极单极板和后一电解小室单元的涂覆有氢氧化镍的阳极单极板，在实际的生产工艺上可以组合为一体或者采用相同的具有良好导电性能的材料加工制成，形成具有双极性的双极板。

尤佳地，所述电解小室单元阴极单极板和阳极单极板之间通过绝缘膜绝缘，并将阴极电极和阳极电极分隔；完全对称的流场在叠加后形成一个电解室腔体，无需设置隔膜以及阴极室和阳极室。

尤佳地，所述电解小室单元阴极单极板的析氢催化阴极电极对电解水生成氢气具有催化作用，其电极材料可选择为较高电催化活性的金属ni的二元ni-mo合金、ni-son合金、ni-co合金或三元ni-fe-mo合金等。

尤佳地，所述电解小室单元阳极单极板的电极材料选择为掺杂了导电金属co或者碳包覆的晶体结构为球形或片状的ni(oh)2。

进一步地，所述的阴极单极板流场内涂覆的析氢催化剂，其特征在于，涂覆催化剂的工艺方法包括但不仅限于电沉积法、ptfe粘接法、化学还原法、离子喷射法、高温烧结法等。

进一步地，所述的阳极单极板流场内涂覆的氢氧化镍电极，其特征在于，涂覆氢氧化镍的工艺方法包括但不仅限于化学（水执）浴、电沉积法、氧化处理法、电化学脱合金法、阳极氧化法以及阳极电压振荡法等。

尤佳地，所述具有双极性的双极板可以由材质为碳板、钛金属板、镍金属板或不锈钢板的材料制成；双极板的两面流场流道加工艺方法包括但不仅限于雕刻、冲压以及化学腐蚀等。

尤佳地，所述具有双极性的双极板的两面流场，其包括但不仅限于平行流场、多流道蛇形流场、人字形流场等。

尤佳地，所述双极板还可以采用极框与带有波浪形或瓦楞形流场的薄板焊接制成。

本发明所设计的结构中，析氢催化阴性电极和阳极电极，分别由最左侧的阴极电极板和最右侧的阳极电极板以及双极性的双极板的流场流道内涂覆析氢催化剂和掺杂导电金属的氢氧化镍构成，中间设置有绝缘膜，叠加后形成一个电解室腔体，无需设置隔膜以及阴极室和阳极室，是基于电解水制氢的步骤和制氧的步骤是分步分时段进行的，可以实现氧气和氢气在同一个腔室内的不同时段分别制取。

实现氢气和氧气分时段制取的方法，是基于在该装置中，其阳极电极材质选用的ni(oh)2材料所具有的特殊化学性质：作为广泛应用于锌镍电池cd-ni和mh-ni等电池中的正极电极材料ni(oh)2/niooh，有一个非常经典的bode循环,如图3所示，按照传统晶体学理论,把处于充电态的活性物质niooh分为β-niooh和γ-niooh两种晶型，与β-niooh与γ-niooh对应的放电态活性物质为β-ni(oh)2与α-ni(oh)2，四者之间构成一个循环的关系。在以上的bode循环中，ni(oh)2/niooh表现出了具有较好的电极可逆性。在将ni(oh)2/niooh用于电解水的阳极材料时，当阳极电极（处于niooh形态）在处于较高温度的水溶液环境中时，羟基氧化镍（niooh）由于热力学上的不稳定性，会自发的进行析氧反应，其化学反应方程式所示：

4niooh 2h2o→4ni(oh)2 o2↑。

采用ni(oh)2作为阳极电极材料，电解槽在电解水过程中，在析氢催化剂的作用下，碱性电解液中的水分子在析氢催化阴极电极表面被电化学还原，产生大量的氢气的同时，ni(oh)2阳极电极被电化学氧化为niooh阳极电极，并不释放出氧气，其化学反应方程式如下所示：

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↑。

而当在将电解槽的外部直流电源断开，并在电解槽的电解液中通入高温饱和蒸汽或较高温度的水溶液时，由于niooh的热力学不稳定性，该阳极电极（处于niooh形态）被分解还原成为ni(oh)2电极，并在其电极周围的产生氧气，其化学反应方程式如下所示：

4niooh 2h2o→4ni(oh)2 o2↑。

综上[0020]~[0022]所述，可以实现分步、分时段的电解水制取氢气和氧气。

与现有的碱性电解水技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下明显的技术效果：

本电解水装置的结构采用与pem电解槽的类似的结构设计，其中，阴极电极由阴极单极板的流场流道表面涂覆析氢催化材料而制成；阳极电极由阳极单极板的流场流道表面涂覆氢氧化镍/或羟基氧化镍材料而制成，具有电极表面积大、电解电流密度大等特点；同时，由于电解小室单元内形成一个电解室腔体，无需设置隔膜以及阴极室和阳极室，因此，在电解水制氢的过程中，电解槽内部的电解液的oh^-离子能够实现快速的向阳极处迁移，有效降低了电解槽内部的电阻电压降，进而减少其电解电位，增加电解槽的电解效率和制氢的速率，大幅降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，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。附图中：

图1为本发明优选实施例提供的包含三个电解小室的碱性电解槽结构和装置的结构示意图；

图2为本发明优选实施例提供的单个电解小室的结构示意图；

图3为本发明优选实施例提供的充放电态活性电极材料ni(oh)2四种晶型的bode循环图，用于说明本装置所能够实施运行的依据；

附图标记说明：1-左端板；2-阴极集流板；3-电解小室；301-阴极电极；302-阴极电极板；303-密封垫；304-绝缘膜；305-阳极电极板；306-阳极电极；4-双极板；；5-阳极集流板；6-右端板。

具体实施方式

以下将结合图1~2对本发明所提供的一种高电流密度的碱性水电解槽结构和装置做进一步的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

请参考图1、2所示：一种高电流密度的碱性水电解槽结构和装置，其结构包括左端板1、阴极集流板2，多个依次叠加的电解小室单元3、阳极集流板5和右端板6；其中，电解小室单元3由阴极单极板302、绝缘膜304、阳极单极板305以及密封垫303构成，依次将左端板1、阴极集流板2、多个电解小室单元3、阳极集流板5以及右端板6，通过多组螺栓进行紧固构成电解槽装置。

该装置中，所述电解小室单元3的阴极单极板302和阳极单极板305表面分别设置有完全对称的流场，阴极单极板302流场内涂覆有析氢催化剂构成阴极电极301，阳极单极板305流场内涂覆有氢氧化镍构成阳极电极306，构成电解槽的两个电极。

在该装置中，所述的一个电解小室单元3的阴极单极板302和阳极单极板305之间通过绝缘膜304绝缘，并保证了电解小室单元内阴极电极301和阳极电极306的隔离；同时，完全对称的流场在叠加后形成一个整体的电解室腔体，无需设置隔膜以及阴极室和阳极室。

其中，所述的多组电解小室单元3依次叠加连接，其相邻连接在一起的前一电解小室单元的阴极单极板302与后一电解小室单元的阳极单极板305，在实际的生产工艺上可以组合为一体或者采用相同的具有良好导电性能的材料加工制成，形成具有双极性的双极板4。

为保证电解槽具有很好的电解活性性能，所述电解小室单元3的阴极单极板302上涂覆的析氢催化阴极电极301，其电极材料选择为具有较高电催化活性的金属ni的二元ni-mo合金、ni-sn合金、ni-co合金或三元ni-fe-mo合金等。

所述电解小室单元3的阳极单极板305上所涂覆的阳极电极306材料选择为掺杂了导电金属co的或者碳包覆的晶体结构为球形或片状的ni(oh)2），该电极材料具有较好的电极可逆性。

所述的阴极单极板302中，其流场内涂覆析氢催化剂构成的阴极电极301，涂覆催化剂的工艺方法可以选择包括但不仅限于电沉积法、ptfe粘接法、化学还原法、离子喷射法、高温烧结法等。

所述的阳极单极板305流场内涂覆氢氧化镍构成阳极电极306，涂覆氢氧化镍的工艺方法可以选择包括但不仅限于化学（水执）浴、电沉积法、氧化处理法、电化学脱合金法、阳极氧化法以及阳极电压振荡法等。

该装置中，所述具有双极性的双极板4可以由材质为碳板、钛金属板、镍金属板或不锈钢板的材料制成；双极板4的两面流场流道加工艺方法可以包括但不仅限于雕刻、冲压以及化学腐蚀等。

该装置中，所述具有双极性的双极板4的两面流场，其流场结构包括但不仅限于平行流场、多流道蛇形流场、人字形流场等。

分步分时段电解水制取氢气和氧气的方法说明

需要说明的是，该碱性电解水装置的结构设计，是基于与传统碱性电解水制氢的工艺方法不同而设计，该结构的设计是基于以下的工艺方法：

（一）先期制氢方法

1、通过外部动力，在所述的碱性电解槽各电解小室单元3的流场流道内，通入浓度为10~30%的氢氧化钾或氢氧化钠水溶液，流动电解质溶液与电解小室单元3的阴极单极板302的析氢催化阴极电极301以及阳极电极板305的氢氧化镍阳极电极306充分接触；

2、接通碱性电解槽的外部直流电源，在直流电解的作用下，电解质溶液中的水分子在各电解小室3的析氢催化阴极电极301表面被电化学还原，进而产生氢气，完成氢气的制取；

此时，各电解小室单元3内的氢氧化镍（ni(oh)2阳极电极306被电化学氧化为niooh阳极电极306，并没有氧气产生，其化学反应方程式如下所示：

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↑；

（二）后期制氧方法

3、在完成制氢之后，断开碱性电解槽的外部直流电源，并通过外部动力向碱性电解槽的各电解小室单元3的流场流道内的电解液中通入高温饱和蒸汽或高温水溶液，使电解液温度达到95度左右；此时，由于各电解小室单元3内的阳极电极（处于niooh形态）306的热力学不稳定性，该阳极电极（处于niooh形态）306被分解还原成为ni(oh)2阳极电极306，并在其电极周围的产生氧气，完成氢气的制取，其化学反应方程式如下所示：

4niooh 2h2o→4ni(oh)2 o2↑；

（三）分步实施以上的方法步骤，使步骤（一）和步骤（二）交替循环进行，即可实现氢气和氧气分不同时段制取。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍属于在本发明的保护范围之中。