CN116752160A - 一种小型碱性水电解制氢装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种小型碱性水电解制氢装置及方法，该装置主要部件包括电解槽、电源、三室分隔的气液分离器、循环泵、换热器、循环泵、管路、水箱和补水泵；电源施加一定电流或电压开始电解后，将电解槽阳极排出的阳极液、氧气和阴极排出的氢气、阴极液分别通入三室分离器的第一室和第二室；分离氧气后的阳极液，通过第一室和第三室的金属隔网进入第三室；分离氢气后的阴极液，通过第二室和第三室的金属隔网进入第三室；第三室混合的液体进入换热器，然后通过循环泵打入电解槽实现电解液循环。该装置及方法简化了碱性水电解制氢的气液分离器、接头、外部管路数量，减少了高温碱液泄露位点，是一种适合实验室使用的小型碱性水电解制氢装置及方法。
Description
技术领域
本发明涉及氢能技术领域，尤其涉及一种小型碱性水电解制氢装置及方法。
背景技术
碱性水电解制氢是当前商业化电解制氢的主要方式，具备无需贵金属催化剂、规模化程度高、成本相对低的显著优点。但是碱性水电流制氢电耗高，且电流密度仍有待大幅度提高，为此，大量的科研工作者，通过研发新型高活性催化剂或低电阻隔膜，来提高碱性水电解制氢电流密度或降低电耗。当前，工业上已有比较成熟的5～1000立方标准氢/小时电解制氢装置，但是这类装置体积大且笨重、材料消耗量大，氢气产量高、控制部件过多，不适合新型电极材料或隔膜在实验室研发阶段对电解水制氢装置的需求。为此，需要开发小型的产氢量为每小时数升-数百升的碱性水电解制氢测试装置及方法，匹配实验室数十～数百平方厘米电极材料或隔膜的开发。当前，科研实验室中，三电极体系或H型电解槽二电极体系这些凡是用玻璃装置进行电解水制氢性能评价测试的装置，都不适合高温(＞80℃)、强碱(＞20％ KOH)长时间(＞200h)测试。申请发明专利CN202211461978.9公开了用于纯水PEM电解制氢装置及方法，实用新型CN202220794525.7也公开了用于纯水PEM电解制氢测试装置，但其对高温碱性溶液的适用性不足。采用富镍金属材质的电解槽的端板、极板的板框式碱性水电解槽和电解液循环管路进行电解水制氢研究，在装置的温度、耐碱腐蚀、稳定性方面能达到要求。但是小型电解制氢实验室装置的氢气-气液分离器、氧气-气液分离器等必备部件由于接口数量多且尺寸小，存在接头处气体泄露或高温KOH液体泄露等风险。虽然小型电解制氢装置气体少，气体泄露安全可控，但是KOH碱液泄露造成长时间稳定性评价难以进行。
综上所述，目前的小型碱性水电解制氢评价装置及方法存在部件安装复杂、易泄露KOH的缺点。导致了当前的实验室研究中，难以获取在接近工业运行状况下耐久性测试的数据及资料。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种小型碱性电解水制氢装置及方法。其装置特征在于，所述的小型碱性水电解制氢装置主要包括电解槽、电源、三室分隔的气液分离器、换热器、循环泵、管路、水箱和补水泵；所采用的三室分隔气液分离器在外部看来是一个整体，内部分成三个小室，第一室为带有金属过滤网的氧气-阳极液分离室，第二室为带有金属过滤网的氢气-阴极液分离室，第三室为经过气体分离后的阴极液和阳极液的汇合室，第一室和第二室由第三室分隔开，第一室与第三室以及第二室与第三室的隔板下部分均通过金属网连通。
电解槽是小型碱性水电解槽，电解槽主体由金属端板、极板以及电极、隔膜和垫片构成，单组电极有效面积为4～1000cm2，工作温度范围为室温～200℃。
电源正负极与电解槽正负极极板通过导线相连；通过电源施加和记录电流、电压信号，电解槽工作电密范围为0.1～5A/cm2，
循环泵的泵头为耐强碱(质量分数10～70％ KOH)的高镍金属或全氟材质，工作温度范围为室温～200℃。
换热器通过导热液体或电加热-制冷方式与电解液进行热交换。换热器主要是考虑研发实验中，小型电解槽自身散热严重，需通过外部热源维持电解温度稳定。
本发明的目的之二在于提供使用上述小型碱性水电解制氢的测试方法。
(1)添加电解液并循环泵开启后，启动电源施加一定电流或电压开始电解；
(2)将小型碱性水电解槽阳极排出的阳极液、氧气和阴极排出的氢气、阴极液分别通入三室气液分离器的第一室和第二室中部进入；
(3)经过第一室分离室金属网过滤分离氧气后的阳极液，再通过第一室和第三室之间的金属隔网进入第三室；氧气通过第一室上端阀门和管路排出气液分离器，进入后续氧气冷却、干燥、收集或外排处理单元(后续氮源未在本发明专利中体现)；
(4)经过第二室金属网过滤分离氢气后的阴极液，再通过第二室和第三室之间的金属隔网进入第三室；氢气通过第一室上端阀门和管路排出气液分离器，进入后续氢气冷却、干燥、收集处理单元；
(5)第三室混合的阳极液和阴极液经过定量泵补水后进入换热器，然后通过泵打入电解槽实现电解液循环。
进一步的，在电解过程中，通过监测电解槽电压或电流密度、工作温度、压强、氧气-阳极液分离室和氢气-阴极室压差、液体流速以及气体纯度，并反馈控制电源、循环泵、换热器、阀门的工作参数。例如氧气-阳极液分离室、氢气-阴极液分离室的排气口可以加装压差监测-阀门联动控制，维持氧气分离室和氢气分离室压力平衡，根据实验室研究中需求而定。
本发明提供的碱性水电解制氢装置和方法中，由于采用了一体式氧气-阳极液分离室、氢气-阴极液分离室，不仅简化了操作方法，减少了压力容器数量。更重要的时减少了接口数量和碱性水电解制氢实验装置中易出现的碱液泄露问题，保证了实验室研发时的可操作性和持续稳定性。同时，底部通过金属网相互贯通的结构，有利于快速建立起阳极液和阴极液的压力平衡，不仅避免压力差距过大时造成电极和膜的损坏。再者，第一室与第三室以及第二室与第三室之间，由于两侧液体压力平衡作用，避免了对相互之间隔离壁的损坏。
本发明虽然氧气分离室和氢气分离室距离相近，但是由于气体已经隔绝开，原则上不存在危险；即使发生极端条件下，气体互串混合，该小型气液分离器腔体内无电子器件，也不易发生危险。
本发明还提供了上述方案所述本发明提供了一种小型碱性电解水制氢装置及方法在碱性水解制氢研发中的应用。不仅可以应用在常规电解碱性水制氢测试评价中，也可以应用于碱性阴离子膜电解水制氢测试评价中。有助于在实验室获取碱性电解制氢用电极材料、隔膜的在接近工业运行状况下耐久性测试的数据及资料。
附图说明
图1为本发明提供的一种小型碱性电解水制氢装置示意图，其中：1-碱性水电解槽，2-直流电源，3-三室分隔气液分离器，4-换热器，5-恒流泵，6-纯水箱，7-定量泵补水，8-氧气/阳极液分离室(第一室)，9-氢气/阴极液分离室(第二室)，10-阳极和阴极液汇流室(第三室)，11-氧气分离室金属过滤网，12-氧气分离室-汇流室分隔金属网，13-氢气分离室金属过滤网，14-氢气分离室-汇流室分隔金属网，15-氧气排出口，16-电解液添加/取样口，17-氢气排出口。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，结合图1对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
如图1所示，小型碱性电解水制氢装置包括电解槽、电源、三室分隔的气液分离器、换热器、循环泵、管路、水箱和补水泵组件。采用的小型电解槽为5组串联的板框式电解槽，单张电极有效直径为10cm，面积为78.5cm2的碱性水电解槽。三室气液分离罐为体积16L，氧气分离室、汇流室、氢气分离室的体积分别约为6、4、6L，氧气分离室和氢气分离室分别填充有厚度5cm的多孔镍网层，用于促进气体分离。氧气分离室和氢气分离室与中间室3之间通过直径5cm的泡沫镍网连通。
(1)通过电解液添加口16加入30％KOH溶液，至电解槽充满液体，没过8阳极液进入口和10中阴极液进入口。电解液经换热器4和循环泵5电解槽经初步预热到80℃后，启动恒电流电源2开始恒电流电解，电流强度63A。
(2)碱性水电解槽1阳极排出的阳极液、氧气和阴极排出的氢气、阴极液分别从三室气液分离器的8和9中部进入；
(3)氧气分离室8中经过金属网11过滤分离氧气后的阳极液，通过金属网12后进入9，氧气通过8上端阀门和管路15排出气液分离器；
(4)氢气分离室10中经过金属网13过滤分离氢气后的阴极液，通过金属网14后进入9，氢气通过10上端阀门和管路17排出气液分离器；
(5)9中混合的阳极液和阴极液，经过定量泵7补水后进入换热器4，然后通过循环泵5打入电解槽1实现电解液循环，其中定量泵7的补水速率为0.12～0.16L/h，维持三室气液分离器中液位恒定。
在该碱性水电解制氢实验中，电解槽温度稳定在88±2℃，单室槽电压为1.92±0.03V，且在1200h测试时间内基本维持稳定。
实施例2
类似图1所示，小型碱性电解水制氢装置包括电解槽、电源、三室分隔的气液分离器、换热器、循环泵、管路、水箱和补水泵组件。其中，采用的小型电解槽为3组串联的板框式电解槽，单张电极有效尺寸为4*5cm2的碱性水电解槽。其中，三室气液分离罐为体积5L，三个小室体积分别为2、1、2L，氧气分离室和氢气分离室分别填充有厚度2cm的多孔镍网层，用于促进气体分离。氧气分离室和氢气分离室与中间室3之间通过直径2cm的泡沫镍网连通。
(1)通过电解液添加口16加入30％KOH溶液，至电解槽充满液体，没过8阳极液进入口和10中阴极液进入口。电解液经换热器4和循环泵5电解槽经初步预热到80℃后，启动恒电流电源2开始恒电流电解，电流强度20A。
(2)碱性水电解槽1阳极排出的阳极液、氧气和阴极排出的氢气、阴极液分别从三室气液分离器的8和9中部进入；
(3)氧气分离室8中经过金属网11过滤分离氧气后的阳极液，通过金属网12后进入9，氧气通过8上端阀门和管路15排出气液分离器；
(4)氢气分离室10中经过金属网13过滤分离氢气后的阴极液，通过金属网14后进入9，氢气通过10上端阀门和管路17排出气液分离器；
(5)9中混合的阳极液和阴极液，经过定量泵7补水后进入换热器4，然后通过循环泵5打入电解槽1实现电解液循环，其中定量泵7的补水速率为0.025～0.035L/h，维持三室气液分离器中液位恒定。
在该碱性水电解制氢实验中，电解槽温度稳定在86±2℃，单室槽电压为1.96±0.04V，且在2000h测试时间内基本维持稳定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种小型碱性电解水制氢装置，其特征在于，所述的小型碱性水电解制氢装置包括电解槽、电源、三室分隔的气液分离器、换热器、循环泵、管路、水箱和补水泵。
2.根据权利要求1所述的一种小型碱性水电解制氢装置，其特征在于，所述的三室分隔气液分离器在外部看来是一个整体，内部分成三个小室，第一室为带有金属过滤网的氧气-阳极液分离室，第二室为带有金属过滤网的氢气-阴极液分离室，第三室为经过气体分离后的阴极液和阳极液的汇合室，第一室和第二室由第三室分隔开，第一室与第三室以及第二室与第三室的隔板下部分均通过金属网连通。
3.根据权利要求1所述的一种小型碱性水电解制氢装置，其特征在于，所述的电解槽是小型碱性水电解槽，电解槽主体由金属端板、极板以及电极、隔膜和垫片构成，工作温度范围为室温～200℃。
4.根据权利要求1所述的一种小型碱性水电解制氢装置，其特征在于，所述的电源正负极与电解槽正负极极板通过导线相连；通过电源施加和记录电流、电压信号，电解槽工作电密范围为0.1～5A/cm2
5.根据权利要求1所述的一种小型碱性水电解制氢装置，其特征在于，所述的循环泵的泵头为耐强碱(质量分数10～70％KOH)的高镍金属或全氟材质，工作温度范围为室温～200℃。
6.根据权利要求1所述的一种小型碱性水电解制氢装置，其特征在于，所述的换热器通过导热液体或电加热-制冷方式与电解液进行热交换。
7.一种小型碱性水电解制氢方法，其特征在于采用权利要求1-6任一项所述的小型碱性水电解制氢装置进行电解制氢。
8.根据权利要求7所述的小型碱性水电解制氢方法，其特征在于，施加一定电流或电压开始电解后，将小型碱性水电解槽阳极排出的阳极液、氧气和阴极排出的氢气、阴极液分别从三室气液分离器的第一室和第二室中部进入；经过金属网过滤分离氧气后的阳极液，通过第一室和第三室的金属隔网进入第三室，氧气通过第一室上端阀门和管路排出气液分离器；经过金属网过滤分离氢气后的阴极液，通过第二室和第三室的金属隔网进入第三室，氢气通过第一室上端阀门和管路排出气液分离器；第三室混合的阳极液和阴极液经过定量泵补水后进入换热器，然后通过循环泵打入电解槽实现电解液循环电解。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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