一种重力渗透流动式电解制氢装置

本发明属于电解水制氢，具体涉及一种重力渗透流动式电解制氢装置。

背景技术：

1、氢能作为零碳排放的能源载体，在世界能源市场的占比日益升高。氢具有单位质量热值高、易于大规模储运和清洁无污染等优势，在能源和化工等领域发挥着重要作用。在各种制氢方法中，电解水制氢可以提供可持续、高纯度的绿氢。电解水制氢具有较高的能量转换效率，它的诸多优点使其成为解决当前能源危机的重要途径之一。

2、碱性电解水技术目前的研究较为成熟，已广泛应用于工业化生产。然而碱性电解槽通常采用pps等物理隔膜，存在电解过程中氢气和氧气易发生混合，难以制取较高纯度氢气的不足。同时，碱性电解槽采用立式结构，隔膜两边的氢氧根离子依靠浓度差扩散，传质效率低，离子传导阻抗大。近年来发展出了质子交换膜电解水技术，采用质子交换膜作为隔膜结构可以将氢气和氧气有效分隔开。质子交换膜电解槽的使用过程中，质子交换膜容易受离子污染导致离子传导能力下降，同时长期压力差的变化会导致质子交换膜发生变形进而造成损坏，从而减少膜电极的使用寿命。nafion膜是目前广泛采用的质子交换膜，其成本较高，不利于电解水技术的大规模工业化应用。

3、申请号为202310527028.x的中国发明专利申请公开了一种液体隔膜水电解制氢小室结构和电解液制氢电解槽，包括第一双极板、阴极、多孔通道、阳极和第二双极板，该装置中的电解液进入亲水隔膜的多孔流道形成液体隔膜，在多孔流道与电极相接触的位置发生反应生成氢气和氧气。亲水隔膜可将氢气和氧气分隔，且电解小室结构较为紧凑，操作方式简便。该小室结构中，电解液与气体完全分离使得电解液的电阻显著下降，且产品气体无需复杂的气液分离后处理。但由于电解槽的亲水隔膜为立式结构，溶液的流动较为缓慢，使得离子依靠浓度差进行扩散，因此该专利申请所涉及电解槽结构具有溶液中离子传质阻力大、制氢速率不高的缺点。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出了一种重力渗透流动式电解制氢装置，通过采用具有良好吸水性且多孔的亲水材料作为隔层结构，在吸水状态下可以对气体进行有效阻隔，实现了氢气和氧气的分室制备，同时隔层作为溶液的流动通道，由于重力的作用，在上室电极和下室电极之间溶液自上而下流动，实现离子的定向传输，从而有效提高制氢速率。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种重力渗透流动式电解制氢装置，包括多个电解槽15堆叠形成的电解电堆14，单个电解槽15中间通过隔层5水平分隔成上室1和下室2；隔层5上侧设有上室电极3，上室电极3为阴极，隔层5下侧设有下室电极4，下室电极4为阳极；上室1和下室2中分别填充有电解液，在重力作用下，电解液在上室电极3、隔层5和下室电极4之间自上而下流动，进行离子的定向传输，实现氢气和氧气的分室制备。

4、所述上室1一侧设有进水口12，另一侧设有上室气体管路10，下室2一侧设有出水口13，另一侧设有下室气体管路11，下室气体管路11与套壳6内部相连通；每层电解槽15的进水口12并联连接多通道直流蠕动泵17的出口端，多通道直流蠕动泵17的进口端与出水口13并联连接。

5、所述隔层5底部均匀设有若干立柱结构16；每个立柱结构16外侧及隔层5底部边缘设套壳6，套壳6内部与立柱结构16之间空隙连通形成气体收集腔，汇集电解产生的气体，并通过压差将气体从下室气体管路11排出。

6、所述上室电极3位于上室1的底部且隔层5的上侧，与隔层5贴合；下室电极4位于下室2中且隔层5的下侧，与隔层5间留有间隙。

7、所述下室电极4通过下室电极接线柱9连接电解电源的正极，下室电极接线柱9表面有绝缘层；上室电极3通过上室电极接线柱8连接电解电源的负极；上室电极接线柱8表面有绝缘层。

8、所述隔层5与立柱结构16均为亲水性多孔材料，包括pva、羟基乙基纤维素或氨纶。

9、所述上室电极3和下室电极4的材料均为多孔结构或网状结构的导电金属，包括泡沫镍或镍网、镀铱钛网或钛纤维毡、镀铂钛网或钛纤维毡。

10、所述上室1和下室2之间且隔层5外周设有密封垫圈7。

11、所述上室1和下室2中填充的电解液采用1～6mol/l koh溶液或0.5～4mol/lh2so4溶液；上室1中电解液的液面高度低于上室气体管路10，下室2中电解液的液面高度在立柱结构16的底部和下室气体管路11之间。

12、所述立柱结构16包括圆柱或非圆柱。

13、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

14、1、隔层的亲水性多孔材料采用具有良好吸水性且多孔的高分子材料如pva(聚乙烯醇)作为隔层5，同时在隔层5底部设置若干立柱结构16，且每个立柱结构外侧及隔层5底部边缘设套壳6，套壳6内部连通形成气体收集腔，将气体与隔层5隔开；在制氢过程中，隔层材料吸水状态下可以对气体进行有效阻隔，以低廉的材料成本，实现了氢气和氧气的分室制备。

15、2、隔层5为水平结构，将单个电解槽15从中间水平分隔成上室1和下室2，隔层的亲水性多孔材料采用具有良好吸水性且多孔的高分子材料如pva，作为溶液的流动通道，在重力的作用下，在上室电极和下室电极之间溶液自上而下流动，实现流动强化，促进电解液中离子的迁移，降低离子传导阻抗，从而有效提高制氢速率。

16、3、本发明将多个电解槽15堆叠形成的电解电堆14，大大减少了装置的占地面积，适用性广泛，更易于推广使用。

17、综上，本发明克服了现有电解制氢技术所存在的成本高、离子扩散阻力大、运行稳定性差和系统维修难度大等问题。通过结构和材料改进，利用重力强化液相传质的电解水制氢装置，实现氢气和氧气的分室制备，具有氢氧渗透率低、占地面积小、成本低且操作简便的优点。

技术特征：

1.一种重力渗透流动式电解制氢装置，包括多个电解槽(15)堆叠形成的电解电堆(14)，其特征在于：单个电解槽(15)中间通过隔层(5)水平分隔成上室(1)和下室(2)；隔层(5)上侧设有上室电极(3)，上室电极(3)为阴极，隔层(5)下侧设有下室电极(4)，下室电极(4)为阳极；上室(1)和下室(2)中分别填充有电解液，在重力作用下，电解液在上室电极(3)、隔层(5)和下室电极(4)之间自上而下流动，进行离子的定向传输，实现氢气和氧气的分室制备。

2.根据权利要求1所述的一种重力渗透流动式电解制氢装置，其特征在于：所述上室(1)一侧设有进水口(12)，另一侧设有上室气体管路(10)，下室(2)一侧设有出水口(13)，另一侧设有下室气体管路(11)，下室气体管路(11)与套壳(6)内部相连通；每层电解槽(15)的进水口(12)并联连接多通道直流蠕动泵(17)的出口端，多通道直流蠕动泵(17)的进口端与出水口(13)并联连接。

3.根据权利要求1所述的一种重力渗透流动式电解制氢装置，其特征在于：所述隔层(5)底部均匀设有若干立柱结构(16)；每个立柱结构(16)外侧及隔层(5)底部边缘设套壳(6)，套壳(6)内部与立柱结构(16)之间空隙连通形成气体收集腔，汇集电解产生的气体，并通过压差将气体从下室气体管路(11)排出。

4.根据权利要求1所述的一种重力渗透流动式电解制氢装置，其特征在于：所述上室电极(3)位于上室(1)的底部且隔层(5)的上侧，与隔层(5)贴合；下室电极(4)位于下室(2)中且隔层(5)的下侧，与隔层(5)间留有间隙。

5.根据权利要求1或4所述的一种重力渗透流动式电解制氢装置，其特征在于：所述下室电极(4)通过下室电极接线柱(9)连接电解电源的正极，下室电极接线柱(9)表面有绝缘层；上室电极(3)通过上室电极接线柱(8)连接电解电源的负极；上室电极接线柱(8)表面有绝缘层。

6.根据权利要求1、3、4任一项所述的一种重力渗透流动式电解制氢装置，其特征在于：所述隔层(5)与立柱结构(16)均为亲水性多孔材料，包括pva、羟基乙基纤维素或氨纶。

7.根据权利要求1、4、5任一项所述的一种重力渗透流动式电解制氢装置，其特征在于：所述上室电极(3)和下室电极(4)的材料均为多孔结构或网状结构的导电金属，包括镍网或泡沫镍、镀铱钛网或钛纤维毡、镀铂钛网或钛纤维毡。

8.根据权利要求1或4所述的一种重力渗透流动式电解制氢装置，其特征在于：所述上室(1)和下室(2)之间且隔层(5)外周设有密封垫圈(7)。

9.根据权利要求1所述的一种重力渗透流动式电解制氢装置，其特征在于：所述上室(1)和下室(2)中填充的电解液采用1～6mol/lkoh溶液或0.5～4mol/l h2so4溶液；上室(1)中电解液的液面高度低于上室气体管路(10)，下室(2)中电解液的液面高度在立柱结构(16)的底部和下室气体管路(11)之间。

10.根据权利要求2所述的一种重力渗透流动式电解制氢装置，其特征在于：所述立柱结构(16)包括圆柱或非圆柱。

技术总结一种重力渗透流动式电解制氢装置，包括多个电解槽堆叠形成的电解电堆，单个电解槽中间通过隔层分隔成上室和下室；隔层上侧设有上室电极，上室电极为阴极，隔层下侧设有下室电极，下室电极为阳极，上室一侧设进水口，另一侧设上室气体管路，下室一侧设出水口，另一侧设下室气体管路；工作时，打开电解电源，在上室电极表面，水分子被还原成氢气，产生的氢气通过上室气体管路进行收集；在下室电极表面，氢氧根被氧化成氧气，产生的氧气通过下室气体管路进行收集；上室内的电解液受重力作用，顺着隔层的流动通道流入下室，使氢氧根离子的传质得到有效加强；多通道直流蠕动泵17可将下室内的电解液输送至上室中；本发明的工艺和结构简单，运行稳定，可操作性和实用性强，电解槽的占地面积小、成本低。技术研发人员：苏进展,董文轩,王志强受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11