电解水制气装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及电解水制气技术领域，提供了一种电解水制气装置和方法。一种电解水制气装置，包括一个电解水制气单元或多个电解水制气单元组合，每个电解水制气单元包括：相互独立的一个阳极反应室、两个阴极反应室，一个与外界电源连接的阳极和两个均与同一外界电源连接的阴极，两个阴极并联，阳极位于阳极反应室中，两个阴极分别位于两个阴极反应室中。电解水制气方法，包括：采用上述的装置进行电解水制气。本发明专利技术提供的装置和方法，阳极反应室和阴极反应室之间的压差基本为零，制气过程稳定性好。在压差基本为零的条件下电解产气可在极高压力下进行，从而有望不需后期额外加压就可直接产生高压气体，满足现场高压制氢的需求。

【技术实现步骤摘要】
电解水制气装置和方法
本专利技术涉及电解水制气
，具体而言，涉及电解水制气装置和方法。
技术介绍
化石能源的大量使用导致全球性的气候和环境问题，为此各国纷纷大力发展可再生能源，如风能、太阳能、潮汐能等。而如风能太阳能等新能源均存在非人力可控的波动，直接并网发电会给电网带来毁灭性破坏。通过电解水制氢将可再生能源转变为化学能是一种切实可行的储能方式，将之与可再生能源结合可很好地解决可再生能源对电网的冲击。电解水反应发生在电解槽中，而电解槽主要由阴极、阳极、隔膜组成，其中阴极上产生氢气，阳极上产生氧气，隔膜则将阴极和阳极隔开，防止产生的氢气和氧气混合。现存电解水制氢工艺有质子交换膜电解水、碱式电解水、高温电解水、光催化电解水等。但不论采用何种工艺，由于1个水分子含有2个质子和1个氧离子，电解时必然就生成2个体积的氢气和1个体积的氧气，因此阳极反应室和阴极反应室必然存在压差。且该压差随着电解速度的增加而增加。为解决这一问题，工业上常将阳极电解小室(或电解反应室)与外置压力泵相连，电解时根据阴阳极两侧压差对阳极反应室压力进行实时调整，从而使两极间压差维持在较低水平。但在压力平衡过程存在压差信号采集、压力泵执行压力平衡等过程，因此该电解槽进行压力动态平衡时需要一定的响应时间，且由于压力泵的技术限制，其仅允许在一定的压差范围内工作，因此传统的电解系统载荷的动态变换范围较小。另外，外置压力泵的使用必然提高电解系统复杂度和技术难度，导致成本的明显上升，不利于电解技术推广和使用。专利文件JP2012057226，US10053786公开了：采用高分子聚合物薄膜为隔膜，该薄膜只允许H+通过。将单阴极和单阳极布置在隔膜两侧。氢离子透过高分子聚合物隔膜在阴极形成氢气，电解产生的氧气则和电解液混合一起排出，通过外置压力平衡装置调整阳极电解液的压力，从而实现阴极和阳极间压力平衡。该专利技术依赖外置的压力平衡装置进行压力平衡，动态响应慢，系统成本高。专利文件CN108251856A公开了：采用带增强水合功能的质子交换膜作为隔膜，将单阳极片和单阴极片分别置于所用隔膜两侧，并与电源连接，是隔膜两侧的阳极和阴极上分别产生氧气和氢气，并通过循环水泵将阳极液和混合在其中的氧气排出，实现压力平衡。同样的，该专利技术依赖外置的压力平衡装置进行压力平衡，动态响应慢，系统成本高。专利文件CN109898092A公开了：通过在电解池内引入第三电极，可根据需要配合阴阳极进行电解，实现独立的析氢和析氧反应，该专利技术虽可提高产气纯度，但无法实现压力动态平衡和电解单元的叠加制气，因此存在较大缺陷。专利文件TWM494169公开了：通过在外设两个连通管的存储罐，罐内装满电解液。电解时，氢气存储罐压力增大，推动存储罐内的电解液向氧气存储罐流动，实现压力平衡。该专利技术虽可实现产气压力平衡，但缺少规模化应用可行性，尤其缺乏高压电解水制氢可行性。专利文件CN102162107A公开了：通过采用双层隔膜在阴极和阳极分别形成低压区和高压区，其中阴极压力等于电解液压力，阳极压力最高可达24.8MPa。其中一层离子交换膜采用了铂浸入，可提供较高的析氧活性，另外一层未处理的离子交换膜位于阳极和处理过的离子交换膜之间。电解时，由于离子交换膜的选择性透过功能，在阳极形成了一个高压区，在阴极形成低压区，从而获得高压的氧气。该专利技术以制氧为应用目标，主要用于航空航天领域，无法满足规模化制氢需求。专利文件CN105734600A，CN105420748A，CN105463497A公开了：采用三个电极构成两个独立的电解槽，分别进行氢气电解和氧气的电解。其三电极分别为对电解水生成氢气具有催化作用的析氢催化电极、对电解水生成氧气具有催化作用的析氧催化电极和氢氧化镍(Ni(OH)2)电极。电解时，一个电解槽用于产氢气，另外一个电解槽用于产氧气；产氢气时，阴极连接析氢催化电极，阳极连接氢氧化镍电极；产氧气时，阴极连接氢氧化镍电极，阳极连接析氧催化电极。该专利技术专利涉及一种分开产生氢气和氧气的方法，不涉及电解系统的压力平衡。专利文件CN111005029A公开了：采用共用阳极、对称式双阴极设计实现电解水产气压力自平衡，无需采用外置压力平衡泵，可大幅提高高压电解水制气的稳定性和效率，但采用的是两通道设计，即两个阴极共用一个进液通道和一个排液通道，阳极则使用另外一个进液通道和排液通道，电解时两个阴极上产生的气体总量是阳极产生气体的2倍，因此在阴极排液通道极容易由于产气过多而来不及排出，导致阴极电解小室压力过大，从而使隔膜两侧的压差增加，最终导致隔膜破裂。鉴于此，特提出本申请。
技术实现思路
本专利技术的目的包括：提供了一种电解水制气装置和方法，旨在改善
技术介绍
中提到的至少一种问题。本专利技术的实施例可以这样实现：第一方面，本专利技术实施例提供一种电解水制气装置，包括一个电解水制气单元或多个电解水制气单元组合，每个电解水制气单元包括：相互独立的一个阳极反应室、两个阴极反应室，以及阳极和两个阴极，两个阴极并联，两个阴极的电阻值相差不大于5％，阳极位于阳极反应室中，两个阴极分别位于两个阴极反应室中；在可选的实施方式中，两个阴极的电阻值相同。优选地，两个阴极的形状和材质完全相同。在可选的实施方式中，每个电解水制气单元还包括隔膜、阳极极板以及阴极极板；阳极极板上设置有与阳极匹配的阳极安装槽，阴极极板上设置有与两个阴极匹配的两个阴极安装槽，阳极设置于阳极安装槽内，两个阴极一一对应设置于两个阴极安装槽内；阳极极板和阴极极板相对设置，隔膜设置于阳极极板与阴极极板之间，隔膜与阳极安装槽围成阳极反应室，隔膜与两个阴极安装槽分别围成两个阴极反应室；在可选的实施方式中，阳极的面积等于两个阴极的面积之和。在可选的实施方式中，阳极和阴极包括但不限定于多孔状、泡沫状、网状、片状、层片状。在可选的实施方式中，阴极材料包括但不限定于镍、钴、铂、钯、铁、铜、银、钼、镍钴合金、镍钼合金、镍铁合金、镍铁钼合金。在可选的实施方式中，阳极材料包括但不限定于镍、铂、钯、铱、铟、钌、氧化钴、氧化镍、氢氧化镍、氧化铁。在可选的实施方式中，阳极极板上开设有阳极电解液进口和阳极电解液出口，阳极安装槽内开设有阳极电解液导流槽，阳极电解液导流槽的相对两端分别与阳极电解液进口及阳极电解液出口连通；阴极极板上开设有阴极电解液进口和阴极电解液出口，每个阴极安装槽内均开设有阴极电解液导流槽，每个阴极电解液导流槽的相对两端分别与阴极电解液进口及阴极电解液出口连通；两个阴极电解液导流槽的容积分别与阳极电解液导流槽的容积相差不大于5％；在可选的实施方式中，阳极电解液导流槽与阴极电解液导流槽的宽度相同，阳极电解液导流槽的深度为阴极电解液导流槽的深度的一半，阳极电解液导流槽的长度为每个阴极电解液导流槽长度的两倍；在可选的实施方式中，阳极电解液导流槽和阴极电解液导流槽均呈往复蜿蜒的蛇形分布。在可选的实施方式中，阳极电解液导流槽包括两个对称本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.电解水制气装置，其特征在于，包括一个电解水制气单元或多个电解水制气单元组合，每个所述电解水制气单元包括：相互独立的一个阳极反应室、两个阴极反应室，以及阳极和两个阴极，两个所述阴极并联，两个所述阴极的电阻值相差不大于5％，所述阳极位于阳极反应室中，两个所述阴极分别位于两个阴极反应室中；/n优选地，两个所述阴极的电阻值相同；更优选地，两个所述阴极的形状和材质完全相同。/n

【技术特征摘要】
1.电解水制气装置，其特征在于，包括一个电解水制气单元或多个电解水制气单元组合，每个所述电解水制气单元包括：相互独立的一个阳极反应室、两个阴极反应室，以及阳极和两个阴极，两个所述阴极并联，两个所述阴极的电阻值相差不大于5％，所述阳极位于阳极反应室中，两个所述阴极分别位于两个阴极反应室中；
优选地，两个所述阴极的电阻值相同；更优选地，两个所述阴极的形状和材质完全相同。


2.根据权利要求1所述的电解水制气装置，其特征在于，每个所述电解水制气单元还包括隔膜、阳极极板以及阴极极板；
所述阳极极板上设置有与所述阳极匹配的阳极安装槽，所述阴极极板上设置有与两个所述阴极匹配的两个阴极安装槽，所述阳极设置于所述阳极安装槽内，两个所述阴极一一对应设置于两个所述阴极安装槽内；
所述阳极极板和所述阴极极板相对设置，所述隔膜设置于所述阳极极板与所述阴极极板之间，所述隔膜与所述阳极安装槽围成所述阳极反应室，所述隔膜与两个所述阴极安装槽分别围成两个阴极反应室；
优选地，所述阳极的面积等于两个所述阴极的面积之和。


3.根据权利要求2所述的电解水制气装置，其特征在于，所述阳极极板上开设有阳极电解液进口和阳极电解液出口，所述阳极安装槽内开设有阳极电解液导流槽，所述阳极电解液导流槽的相对两端分别与所述阳极电解液进口及所述阳极电解液出口连通；
所述阴极极板上开设有阴极电解液进口和阴极电解液出口，每个所述阴极安装槽内均开设有阴极电解液导流槽，每个所述阴极电解液导流槽的相对两端分别与所述阴极电解液进口及所述阴极电解液出口连通；
两个所述阴极电解液导流槽的容积分别与所述阳极电解液导流槽的容积相差不大于5％；
优选地，所述阳极电解液导流槽与所述阴极电解液导流槽的宽度相同，所述阳极电解液导流槽的深度为所述阴极电解液导流槽的深度的一半，所述阳极电解液导流槽的长度为每个所述阴极电解液导流槽长度的两倍；
优选地，所述阳极电解液导流槽和所述阴极电解液导流槽均呈往复蜿蜒的蛇形分布。


4.根据权利要求3所述的电解水制气装置，其特征在于，所述阳极电解液导流槽包括两个对称设置的阳极电解液分槽，所述阳极电解液进口的数量为2个，所述阳极电解液出口为1个，两个所述阳极电解液分槽的一端各自与对应的1个所述阳极电解液进口分别连通，两个所述阳极电解液分槽的另一端均与所述阳极电解液出口连通；
所述阴极电解液出口的数量为2个，所述阴极电解液进口的数量为1个，两个所述阴极电解液导流槽的一端各自与对应的1个所述阴极电解液出口连通，两个所述阴极电解液导流槽的另一端均与所述阴极电解液进口连通；
优选地，所述电解水制气装置包括多个串联的所述电解水制气单元，相邻两个串联的所述电解水制气单元通过其分别的所述阴极极板与所述阳极极板连接，且一体成型为双极板；
优选地，所述电解水制气装置包括多个并联的所述电解水制气单元，相邻两个并联的所述电解水制气单元分别通过其所述阳极极板与外部电源正极相连，通过其所述阴极极板与外部电源负极相连，相邻的两个所述电解水制气单元通过设置于阴极极板后的绝缘垫片隔开。


5.根据权利要求4所述的电解水制气装置，其特征在于，每个所述阳极极板上还设置有与两个所述阴极电解液出口位置对应的两个第一通孔，每个阳极极板上还设置有与阴极电解液进口位置对应的第二通孔；每个所述阴极极板上还设置有与两个所述阳极电解液进口位置对应的两个第三通孔；每个阴极极板上还设置有与阳极电解液出口位置对应的第四通孔；
多个所述电解水制气单元中对应的多个所述阳极电解液出口和多个对应的所述第四通孔连通形成阳极电解液出液通道；多个所述电解水制气单元中对应的多个所述阳极电解液进口和多个对应的所述第三通孔连通形成阳极电解液进液通道；
多个所述电解水制气单元中对应的多个阴极电解液出口和对应的多个所述第一通孔连通形成阴极电解液出液通道；多个所述电解水制气单元中对应的多个所述阴极电解液进口和对应的多个第二通孔连通形成阴极电解液进液通道。


6.根据权利要求5所述的电解水制气装置，其特征在于，所述电解水制气装置包括两个阴极电解液出水管，一个阴极电解液进水管，两个阳极电解液进水管，一个阳极电解液出水管；
两个所述阴极电解液出水管一一对应与两个所述阴极电解液出水通道连通，所述阴极电解液进水管与所述阴极电解液进液通道连通；
两个所述阳极电解液进水管一一对应与两个所述阳极电解液进液通道连通，所述阳极电解液出水管与所述阳极电解液出水通道连通；
优选地，所述电解水制气装置还包括底板，所述底板设置于所述电解水制气装置的最外端，与所述底板对应的另一端的最端部的极板为所述阴极极板时，两个所述阴极电解液出水管、一个所述阴极电解液进水管、两个所述阳极电解液进水管、一个所述阳极电解液出水管分别与该最端部的所述阴极极板的两个所述阴极电解液出口、一个阴极电解液进口、两个所述第三通孔以及一个所述第四通孔连通；与所述底板对应的另一端的最端部的极板为所述阳极极板时，两个所述阴极电解液出水管、一个所述阴极电解液进水管、两个所述阳极电解液进水管、一个所述阳极电解液出水管分别与该最端部的所述阳极板的两个所述第一通孔、一个所述第二通孔、两个所述阳极电解液进口以及一个所述阳极电解液出口连通；
优选地，所述电解水制气装置包括分别设置于所述电解水制气装置相对两端的所述阳极极板和所述阴极极板外侧的两个底板，两个所述阴极电解液出水管、一个所述阴极电解液进水管、两个所述阳极电解液进水管、一个所述阳极电解液出水管均设置于一个所述双极板的周壁上；
优选地，所述电解水制气装置包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘太楷，邓春明，刘敏，宋琛，
申请(专利权)人：广东省新材料研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44