【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电解水制氢，具体涉及一种无膜式氢氧分离的电解水装置与方法。
技术介绍
1、氢能具有清洁、高效、可再生的优势，在绿色时代有望替代化石燃料成为主要能源形式。利用风、光、核等可再生能源发电进一步电解水制取氢气可实现全过程“零排放”，是实现“双碳”目标的有效手段。传统的电解水技术通常需要使用昂贵的离子交换膜来防止气体混合，这增加了系统成本和电解阻力。此外，在电解过程中h2和o2之间的压差(理论h2/o2＝2:1)会降低离子交换膜的寿命，加剧了膜的衰落(或破坏)。最重要的是，h2、o2在同一时间和同一空间的产生及混合，增加了大规模电解水应用时的安全问题。
2、通过使用氧化还原媒介，可以将水分解反应分成两个半反应，从而实现氢气和氧气在不同时间或(和)空间上的制取。这种电解方式具有许多优点，如可以减少气体分离步骤、降低气体混合的危险性等。该技术目前还处于实验室阶段，是一种新兴发展的电解水制氢技术。
3、然而分步电解装置在实际应用中，生产纯的氢气和氧气需要在每一步生产完氢气或氧气的步骤后对整个腔室进行大量的气体吹扫以排除上一步骤中混合的气体，这无疑增加了运行成本。同时目前报道的分步电解水装置的连续运行还处于实验阶段。
技术实现思路
1、为解决现有技术存在的问题，本专利技术提供一种无膜式氢氧分离的电解水装置与方法。本专利技术设计了结构简单的分步电解水装置，在运行过程中只需对缓冲腔室进行少量气体的吹扫，并且通过串接的方法实现了大规模、无膜式氢氧分离的电解水装置，解
2、为了实现上述目的，本专利技术提供了如下的技术方案。
3、第一方面，本专利技术提供一种无膜式氢氧分离的电解水装置，包括：电解水基元；
4、所述电解水基元包括产氢腔室、产氧腔室、缓冲腔室、电源以及流道；
5、所述产氢腔室包含析氢催化电极及氢气出口；
6、所述产氧腔室包含析氧催化电极及氧气出口；
7、所述缓冲腔室包含媒介电极，
8、其中，所述电源为析氢催化电极、媒介电极、析氧催化电极供电；
9、所述产氢腔室、产氧腔室及缓冲腔室之间通过可控制的流道相连。
10、作为本专利技术进一步改进，所述产氢腔室、产氧腔室及缓冲腔室之间设置隔板，流道设置在隔板上，所有腔室均密封。
11、作为本专利技术进一步改进，所述流道采用活塞结构控制，通过控制流道开关来控制各腔室电解液接触构成回路。
12、作为本专利技术进一步改进，所述缓冲腔室的体积远小于产氢腔室和产氧腔室的体积。
13、作为本专利技术进一步改进，所述析氢催化电极接第一电源负极，析氧催化电极接第二电源正极，媒介电极位于析氢催化电极和析氧催化电极中间，两端分别接第一电源正极和第二电源负极，分别与析氢催化电极和析氧催化电极构成回路。
14、作为本专利技术进一步改进，所述缓冲腔室上设置有氩气进口及氩气出口。
15、作为本专利技术进一步改进，所述的媒介电极选用离子平衡型媒介电极；
16、所述的离子平衡媒介电极选自氧化还原反应为储存和释放h+的固体材料，包括无机固体媒介材料niooh、moo3、mnooh和有机固体媒介材料pto、pani中的至少一种。
17、作为本专利技术进一步改进，n个所述电解水基元依次串联，相邻电解水基元之间通过一个缓冲腔室连接，n≥2。
18、第二方面，本专利技术提供一种无膜式氢氧分离的电解水装置的电解水方法，包含以下步骤：
19、关闭产氢腔室与缓冲腔室、产氧腔室与缓冲腔室之间的流道，对缓冲腔室进行气体吹扫以除氢气和氧气；将析氢催化电极与媒介电极相连，并打开产氢腔室和缓冲腔室之间的流道开关进行产氢；
20、关闭产氢腔室与缓冲腔室、产氧腔室与缓冲腔室之间的流道，对缓冲腔室进行气体吹扫以除氢气和氧气，将析氧催化电极与媒介电极相连，并打开产氧腔室和缓冲腔室之间的流道开关进行产氧。
21、可选地，多个电解水基元串接时，产氢腔室和产氧腔室两端均是缓冲腔室，产氢腔室与其一端的缓冲腔室连接进行产氢的同时，其另一端的缓冲腔室与产氧腔室连接进行产氧；
22、上述步骤结束后，产氢腔室再与其另一端的缓冲腔室连接进行产氢，此时装置内的产氢腔室可实现连续分步电解水产氢；产氧腔室与其一端的缓冲腔室连接进行产氧的同时，其另一端的缓冲腔室与产氢腔室连接进行产氢，上述步骤结束后，产氧腔室再与其另一端的缓冲腔室连接进行产氧；如此循环，产氧腔室实现连续分步电解水产氧。
23、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
24、本专利技术提供一种无膜式氢氧分离的电解水装置，在传统分步电解水装置的基础上增加了缓冲腔腔，将产氢腔室和产氧腔室隔开，缓冲腔室与产氢腔室和产氧腔室中间通过流道连接构成回路，相比于传统分步电解水装置，本专利技术只需对缓冲腔室进行氩气吹扫即可解决装置电解液氢氧混合问题，大大降低装置运行成本。本专利技术使用氧化反应为h+储存和释放的离子平衡型媒介电极，相比于传统媒介电极，离子平衡型媒介电极在分步电解水产氧过程中会储存生成的h+，在分步电解水产氢过程中会释放h+，相比于传统分步电解水装置，本专利技术解决了电解液离子平衡问题。本专利技术设计了结构简单的分步电解水电解水基元，并且通过串接电解水基元实现了大规模、可连续分步电解水制氢，相比于传统分步电解水装置，本专利技术解决了装置机械维护复杂和无法大规模连续分步电解水制氢问题。
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1.一种无膜式氢氧分离的电解水装置，其特征在于，包括：电解水基元；
2.根据权利要求1所述的一种无膜式氢氧分离的电解水装置，其特征在于，所述产氢腔室(14)、产氧腔室(9)及缓冲腔室(13)之间设置隔板(3)，流道(6)设置在隔板(3)上，所有腔室均密封。
3.根据权利要求1所述的一种无膜式氢氧分离的电解水装置，其特征在于，所述流道(6)采用活塞结构控制，通过控制流道(6)开关来控制各腔室电解液接触构成回路。
4.根据权利要求1所述的一种无膜式氢氧分离的电解水装置，其特征在于，所述缓冲腔室(13)的体积远小于产氢腔室(14)和产氧腔室(9)的体积。
5.根据权利要求1所述的一种无膜式氢氧分离的电解水装置，其特征在于，所述析氢催化电极(2)接第一电源负极，析氧催化电极(7)接第二电源正极，媒介电极(5)位于析氢催化电极(2)和析氧催化电极(7)中间，两端分别接第一电源正极和第二电源负极，分别与析氢催化电极(2)和析氧催化电极(7)构成回路。
6.根据权利要求1所述的一种无膜式氢氧分离的电解水装置，其特征在于，所述缓冲腔室(
7.根据权利要求1所述的一种无膜式氢氧分离的电解水装置，其特征在于，所述的媒介电极(5)选用离子平衡型媒介电极；
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种无膜式氢氧分离的电解水装置，其特征在于，n个所述电解水基元依次串联，相邻电解水基元之间通过一个缓冲腔室(13)连接，n≥2。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种无膜式氢氧分离的电解水装置的电解水方法，其特征在于，包含以下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种无膜式氢氧分离的电解水装置的电解水方法，其特征在于，
...【技术特征摘要】
1.一种无膜式氢氧分离的电解水装置，其特征在于，包括：电解水基元；
2.根据权利要求1所述的一种无膜式氢氧分离的电解水装置，其特征在于，所述产氢腔室(14)、产氧腔室(9)及缓冲腔室(13)之间设置隔板(3)，流道(6)设置在隔板(3)上，所有腔室均密封。
3.根据权利要求1所述的一种无膜式氢氧分离的电解水装置，其特征在于，所述流道(6)采用活塞结构控制，通过控制流道(6)开关来控制各腔室电解液接触构成回路。
4.根据权利要求1所述的一种无膜式氢氧分离的电解水装置，其特征在于，所述缓冲腔室(13)的体积远小于产氢腔室(14)和产氧腔室(9)的体积。
5.根据权利要求1所述的一种无膜式氢氧分离的电解水装置，其特征在于，所述析氢催化电极(2)接第一电源负极，析氧催化电极(7)接第二电源正极，媒介电极(5)位于析氢催化电极(2)...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈玉彬，刘萱，吕飞，吴家哲，郑智豪，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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