CN118600448B - 电解槽、电解槽组和电解槽系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电解槽、电解槽组和电解槽系统，所述电解槽包括槽体，所述槽体内设有析氧电极和析氢电极，所述析氧电极和所述析氢电极电连接；镍氢电池，所述镍氢电池设在所述槽体内，所述镍氢电池包括正极电极和负极电极，所述正极电极和所述负极电极之间可通断地电连接。根据本发明的电解槽，无需使用隔膜，减少了隔膜电阻带来的能耗，也提高了电解槽的使用安全性。

Description

电解槽、电解槽组和电解槽系统

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及一种电解槽、电解槽组和电解槽系统。

背景技术

光伏制氢技术是一种利用太阳能通过光伏电池板转换为电能，进而通过电解水制取氢气的技术。这种技术具有清洁、可再生、环境友好等优点，是未来能源转型和能源安全的重要方向。当前，光伏制氢技术的研究重点包括提高光伏电池的转换效率、降低电解水制氢的成本、优化系统设计等方面,其中最受关注的即为电解槽的降本增效和安全性。

目前，碱性电解槽使用的隔膜多为PPS（聚苯硫醚）编织膜，其对于氢气的隔绝性较差。当光伏发电量突然减少时，碱性电解槽无法快速响应这种波动，导致制氧端的氢气浓度上升，存在爆炸风险。另外，隔膜的存在也会增加电解水反应的阻抗，进而增加能耗。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种电解槽，无需使用隔膜，减少了隔膜电阻带来的能耗，也提高了电解槽的使用安全性。

本发明的第二个目的在于提出一种采用上述电解槽的电解槽组。

本发明的第三个目的在于提出一种采用上述电解槽或电解槽组的电解槽系统。

根据本发明第一方面实施例的电解槽，包括：槽体，所述槽体内设有析氧电极和析氢电极，所述析氧电极和所述析氢电极电连接；镍氢电池，所述镍氢电池设在所述槽体内，所述镍氢电池包括正极电极和负极电极，所述正极电极和所述负极电极之间可通断地电连接。

根据本发明实施例的电解槽，通过将镍氢电池的充电反应与电解水反应相结合，实现了电解水反应的析氧过程和析氢过程的解耦，减少了隔膜的使用，降低了隔膜的使用成本。而且，也减少了隔膜电阻带来的能耗，大大降低了电解槽使用过程中的安全风险。此外，将镍氢电池与电解槽融为一体，可实现电化学储能和氢储能的双功能。

根据本发明的一些实施例，当所述正极电极和所述负极电极之间电连接时，所述镍氢电池为充电状态，当所述正极电极和所述负极电极之间的电连接断开时，所述镍氢电池为放电状态。

根据本发明的一些实施例，所述电解槽进一步包括：第一继电器，所述第一继电器连接在所述正极电极和所述负极电极之间；当所述第一继电器通电时，所述镍氢电池为所述充电状态，当所述第一继电器断电时，所述镍氢电池为所述放电状态。

根据本发明的一些实施例，所述槽体包括：制氧室，所述析氧电极和所述负极电极设在所述制氧室内；制氢室，所述制氢室和所述制氧室相互独立，所述析氢电极和所述正极电极设在所述制氢室内。

根据本发明的一些实施例，所述制氧室包括析氧极板、负极板和第一连接件，所述析氧极板和所述负极板分别与所述第一连接件的两侧相连，所述析氧极板、所述负极板和所述第一连接件共同限定出第一储液空间，所述析氧电极设在所述第一连接件的一侧与所述析氧极板的侧壁之间，所述负极电极设在所述第一连接件的另一侧与所述负极板的侧壁之间；所述制氢室包括析氢极板、正极板和第二连接件，所述析氢极板和所述正极板分别与所述第二连接件的两侧相连，所述析氢极板、所述正极板和所述第二连接件共同限定出第二储液空间，所述析氢电极设在所述第二连接件的一侧与所述析氢极板的侧壁之间，所述正极电极设在所述第二连接件的另一侧与所述正极板的侧壁之间，所述正极电极和所述负极电极通过所述正极板和所述负极板可通断地电连接。

根据本发明的一些实施例，所述电解槽进一步包括：第二继电器，所述第二继电器连接在所述析氧极板和所述负极板之间；第三继电器，所述第三继电器连接在所述析氢极板和所述正极板之间；当所述镍氢电池为充电状态时，所述第二继电器和所述第三继电器均断电，当所述镍氢电池为放电状态时，所述第二继电器和所述第三继电器均通电。

根据本发明的一些实施例，所述制氧室上形成有第一进口和第一出口，所述第一进口和所述第一出口分别与所述第一储液空间连通；所述制氢室上形成有第二进口和第二出口，所述第二进口和所述第二出口分别与所述第二储液空间连通。

根据本发明的一些实施例，所述第一连接件和/或所述第二连接件包括改性聚四氟乙烯件。

根据本发明的一些实施例，所述析氢电极和/或所述析氧电极为泡沫状材料、网状材料、毡状材料或板状材料；和/或，所述正极电极和/或所述负极电极为泡沫状材料、网状材料、毡状材料或板状材料。

根据本发明的一些实施例，所述析氢电极和/或所述析氧电极为碳、铁、钴、镍、钼、钨、铂、钌和铱中的至少一种，或铁、钴、镍、钼、钨、铂、钌和铱中的至少一种与铝、磷、硫、氧和氮中的至少一种形成的合金材料。

根据本发明的一些实施例，所述正极电极为氧化镍或氢氧化镍；所述负极电极为储氢合金。

根据本发明的一些实施例，所述储氢合金包括钛基合金、镁基合金、锆基合金、镧系稀土合金和铁镍基合金中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述储氢合金包括金属有机框架物、合金有机框架物或碳基材料。

根据本发明第二方面实施例的电解槽组，包括多个根据上述第一方面实施例所述的电解槽，多个所述电解槽串联或并联。

根据本发明的一些实施例，当多个所述电解槽串联时，多个所述电解槽的制氧室的内部相互连通，多个所述电解槽的制氢室的内部相互连通，靠近所述电解槽组中心的所述制氧室的负极电极和靠近所述电解槽组中心的所述制氢室的正极电极可通断地电连接，远离所述电解槽组中心的所述制氧室的析氧电极和远离所述电解槽组中心的所述制氢室的析氢电极电连接。

根据本发明第三方面实施例的电解槽系统，包括根据上述第一方面实施例所述的电解槽，或根据上述第二方面实施例所述的电解槽组。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的电解槽的原理图；

图2是根据本发明实施例的电解槽的示意图；

图3是根据本发明实施例的电解槽的第一密封件的示意图；

图4是根据本发明实施例的电解槽组的示意图；

图5是根据本发明实施例的电解槽系统的示意图。

附图标记：

100、电解槽；200、电解槽组；

1、槽体；11、析氧电极；12、析氢电极；13、制氧室；

131、析氧极板；132、负极板；133、第一连接件；

1331、第一开口；1332、第一台阶部；

1333、第一穿孔；1334、第二穿孔；

134、第一储液空间；135、第一进口；136、第一出口；

14、制氢室；141、析氢极板；142、正极板；

143、第二连接件；1431、第二开口；1432、第二台阶部；

144、第二进口；145、第二出口；146、第二储液空间；

2、镍氢电池；21、正极电极；22、负极电极；

3、第一继电器；4、第二继电器；5、第三继电器；

300、电解槽系统；

301、气液分离模块；302、气体纯化模块；303、过滤模块；

304、冷却模块；305、电源模块；306、电解液模块；307、控制模块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面参考图1-图3描述根据本发明第一方面实施例的电解槽100。

如图1和图2所示，根据本发明第一方面实施例的电解槽100，包括槽体1和镍氢电池2。

具体而言，槽体1内设有析氧电极11和析氢电极12，析氧电极11和析氢电极12电连接。例如，在图1和图2的示例中，析氧电极11和析氢电极12之间连接有电源，析氧电极11处发生反应生产氧气，析氢电极12处发生反应产生氢气，产生的氢气和氧气排出后进入存储介质或直接使用。

结合图1和图2，镍氢电池2设在槽体1内，镍氢电池2包括正极电极21和负极电极22，正极电极21和负极电极22之间可通断地电连接。例如，当正极电极21和负极电极22之间通电时，镍氢电池2可以储能，镍氢电池2的化学反应方程式为：。其中，上述的M指的是储氢合金。也就是说，槽体1内主要包含两个电化学反应过程，一个是电解水反应，化学方程式为：，另一个为镍氢电池反应。通过将镍氢电池2的充电反应与电解水反应相结合，镍氢电池2的正负极反应是通过氢氧根离子的迁移来实现溶液中的电荷转移，相同的，碱性体系中的电解水反应也是通过氢氧根离子的迁移来实现溶液中的电荷转移，利用这一点，将析氢电极12和析氧电极11之间的电荷转移通过镍氢电池2来做媒介，可实现电解水反应的析氧过程和析氢过程的解耦。例如，解耦后可分为产氧端和产氢端。也即，产氧端为析氧电极11所在处，产氢端为析氢电极12所在处。析氧电极11处的反应为：，析氢电极12处的反应为：。

如此设置，实现了电解槽100的电解水反应的析氧过程和析氢过程的解耦，槽体1中间无需使用隔膜进行电路的导通，减少了隔膜的使用，降低了隔膜的使用成本。而且，也减少了由于使用隔膜导致电阻较高带来的能耗，无需担心电解槽100工作时氢气和氧气发生混合，大大降低了电解槽100使用过程中的安全风险。此外，将镍氢电池2与电解槽100融为一体，可实现电化学储能和氢储能的双功能。需要说明的是，耦合是指两个或两个以上的体系或两种运动形式间通过相互作用而彼此影响以至联合起来的现象，在本申请中则指的是析氧反应和析氢反应联合在一起，共同构成水分解反应。解耦则是指将析氧反应和析氢反应分离开，进而解决两者联合在一起时会出现的问题。

根据本发明实施例的电解槽100，通过将镍氢电池2的充电反应与电解水反应相结合，实现了电解水反应的析氧过程和析氢过程的解耦，减少了隔膜的使用，降低了隔膜的使用成本。而且，也减少了隔膜电阻带来的能耗，大大降低了电解槽100使用过程中的安全风险。此外，将镍氢电池2与电解槽100融为一体，可实现电化学储能和氢储能的双功能。

根据本发明的一些实施例，当正极电极21和负极电极22之间电连接时，镍氢电池2为充电状态，当正极电极21和负极电极22之间的电连接断开时，镍氢电池2为放电状态。也就是说，在析氢电极12和析氧电极11工作产生氢气和氧气的过程中，正极电极21和负极电极22为电连接状态，使得负极电极22和正极电池处发生电化学反应进行电量储存。当停止产生氧气和氢气后，断开正极电极21和负极电极22之间的电连接，使得镍氢电池2可以给其它部件进行放电。此时，可将镍氢电池2的正极电极21和负极电极22与负载或其它储能介质进行连接，控制正极电极21与负极电极22之间的电路的通断使镍氢电池2正负极对外放电，放电结束后，镍氢电池2正负极回归到原本的状态，准备下一次制氢制氧与充电，完成整个电解槽系统300的循环。由此，镍氢电池2可以根据电解槽100的工作状态不同而改变工作状态进行充电和放电，提高了电解槽100的使用性能，也提高了电解液的利用率，保证了产氧端和产氢端的动态平衡，以及电化学反应的顺利进行。

根据本发明的一些实施例，结合图1和图2，电解槽100进一步包括第一继电器3，第一继电器3连接在正极电极21和负极电极22之间。当第一继电器3通电时，镍氢电池2为充电状态，当第一继电器3断电时，镍氢电池2为放电状态。由此，通过设置第一继电器3，第一继电器3起到控制电路通断的作用，可以通过对第一继电器3的控制以控制电解槽100的工作状态。也即，通过第一继电器3可以控制镍氢电池2的充电和放电过程，以有利于对电解槽100的控制。

根据本发明的一些实施例，参照图1和图2，槽体1包括制氧室13和制氢室14，析氧电极11和负极电极22设在制氧室13内，制氢室14和制氧室13相互独立，析氢电极12和正极电极21设在制氢室14内。

例如，在图1和图2的示例中，制氧室13和制氢室14为两个相互独立的结构，析氧电极11和负极电极22放置在制氧室13内，析氢电极12和正极电极21放置在制氢室14内。如此设置，通过物理隔绝的方式将电解槽100的产氧端和产氢端分隔两个空间，氢气产生的过程和氧气产生的过程分别发生在不同的空间内，相互独立又彼此关联，避免了氢气和氧气的混合，进一步地提高了电解槽100使用的安全性。另外，本申请采用析氢电极12和析氧电极11分开放置的结构，无需担心电源波动造成的产氧端的氢气浓度升高，因此可更好地适配光伏和风电等间歇性电源。而且，电解槽100的产氢端和产氧端可以同步进行，提高了电解槽100的工作效率。

根据本发明的一些实施例，结合图1和图2，制氧室13包括析氧极板131、负极板132和第一连接件133，析氧极板131和负极板132分别与第一连接件133的两侧相连，析氧极板131、负极板132和第一连接件133共同限定出第一储液空间134，析氧电极11设在第一连接件133的一侧与析氧极板131的侧壁之间，负极电极22设在第一连接件133的另一侧与负极板132的侧壁之间。

例如，在图1-图3的示例中，第一连接件133的沿上下方向的轴线与制氧室13的中心轴线重合，第一连接件133上形成有第一开口1331，第一开口1331贯穿第一连接件133的厚度方向的两侧表面（例如，图2和图3中的左右两侧表面），第一连接件133的厚度方向的两侧表面上分别具有第一台阶部1332，析氧电极11配合在第一台阶部1332处，且析氧电极11的远离第一开口1331的一侧与析氧极板131的侧壁接触。同样地，负极电极22配合在第一连接件133的另一侧的第一台阶部1332上，且负极电极22的远离第一开口1331的侧面与负极极板的侧壁接触，第一储液空间134内充满特定浓度的碱性电解液（例如浓度为6mol/L-7mol/L）。例如，电解槽100为碱性电解槽。本申请采用碱性体系，无需使用昂贵的贵金属催化剂，可与当前市面上主流的碱性过渡金属催化剂相适应。

如此设置，析氧极板131和负极板132起到电极支撑和导电的作用，析氧电极11和负极电极22起到电化学反应催化剂的作用，第一连接件133起到密封和防止阴阳极（例如析氧电极11和负极电极22）直接接触的作用。而且，第一连接件133对析氧电极11、负极电极22、析氧极板131和负极板132具有支撑作用，以使制氧室13内的各部件稳定地连接成整体。另外，第一连接件133的结构简单，生产加工方便。需要说明的是，第一连接件133或第二连接件143的形状可以根据使用需求具体设置，例如，图3中的第一连接件133为圆环状，图2中的第一连接件133为图3中第一连接件133的沿上下方向的剖面视图。

结合图1和图2，制氢室14包括析氢极板141、正极板142和第二连接件143，析氢极板141和正极板142分别与第二连接件143的两侧相连，析氢极板141、正极板142和第二连接件143共同限定出第二储液空间146，析氢电极12设在第二连接件143的一侧与析氢极板141的侧壁之间，正极电极21设在第二连接件143的另一侧与正极板142的侧壁之间，正极电极21和负极电极22通过正极板142和负极板132可通断地电连接。

例如，在图1-图3的示例中，第二连接件143的沿上下方向的轴线与制氢室14的中心轴线重合，第二连接件143上形成有第二开口1431，第二开口1431贯穿第二连接件143的厚度方向的两侧表面（例如，图2中的左右两侧表面），第二连接件143的厚度方向的两侧表面上分别具有第二台阶部1432，析氢电极12配合在第二台阶部1432处，且析氢电极12的远离第二开口1431的一侧与析氢极板141的侧壁接触。同样地，正极电极21配合在第二连接件143的另一侧的第二台阶部1432上，且正极电极21的远离第二开口1431的侧面与正极极板的侧壁接触，第二储液空间146内充满特定浓度的碱性电解液（例如浓度为6mol/L-7mol/L），第二储液空间146的电解液与第一储液空间134的电解液相同。

如此设置，析氢极板141和正极板142起到电极支撑和导电的作用，析氢电极12和正极电极21起到电化学反应催化剂的作用，第二连接件143起到密封和防止阴阳极（例如析氢电极12和正极电极21）直接接触的作用。而且，第二连接件143对析氢电极12、正极电极21、析氢极板141和正极板142具有支撑作用，以使制氢室14内的各部件稳定地连接成整体。另外，第二连接件143的结构简单，生产加工方便。

根据本发明的一些实施例，参照图1和图2，电解槽100进一步包括第二继电器4和第三继电器5，第二继电器4连接在析氧极板131和负极板132之间，第三继电器5连接在析氢极板141和正极板142之间。当镍氢电池2为充电状态时，第二继电器4和第三继电器5均断电，当镍氢电池2为放电状态时，第二继电器4和第三继电器5均通电。

例如，当电源给电解槽100供电时，控制第一继电器3通电，第二继电器4和第三继电器5断电。也即上述过程为电解槽100制氢制氧，同时镍氢电池2为充电状态的过程。当电解槽100停止工作时，可控制第一继电器3断电，第二继电器4和第三继电器5均通电，进行镍氢电池2的放电。当第二继电器4和第三继电器5通电时，析氧电极11和析氢电极12处为短路状态，以便于镍氢电池2对其它部件进行放电。由此，通过控制第二继电器4和第三继电器5的通电和断电，可以更好的控制产氧端和产氢端的工作状态，以便于控制电解槽100的工作过程和镍氢电池2的放电，从而更加有利于电解槽100的使用。

根据本发明的一些实施例，制氧室13上形成有第一进口135和第一出口136，第一进口135和第一出口136分别与第一储液空间134连通。制氢室14上形成有第二进口144和第二出口145，第二进口144和第二出口145分别与第二储液空间146连通。

例如，在图3的示例中，第一进口135形成在析氧极板131的下部，第一出口136形成在析氧极板131的上部，第一连接件133上形成有第一穿孔1333和第二穿孔1334，第一穿孔1333和第二穿孔1334分别位于第一开口1331的径向两侧，第一穿孔1333和第一进口135相对，第二穿孔1334和第一出口136相对。当电解槽100工作时，电解液可以从第一进口135流入第一储液空间134内，并且可以经第一穿孔1333流动至负极电极22与负极板132的内壁之间。制氧室13内产生的氧气可以第一出口136流出至制氧室13的外部，并且位于负极电极22和负极板132之间的氧气可以经第二穿孔1334流动至第一出口136处。由此，第一进口135和第一出口136的设置有利于电解液的流入和氧气的流出，从而有利于电解槽100的正常使用。此外，第一进口135和第一出口136的位置设置合理，减少了第一进口135和第一出口136在制氧室13内空间的占用，方便了析氧电极11和负极电极22等的布置。

例如，在图2的示例中，第二进口144形成在析氢极板141的下部，第二出口145形成在析氢极板141的上部，第二连接件143上形成有第三穿孔和第四穿孔，第三穿孔和第四穿孔分别位于第二开口1431的径向两侧，第三穿孔和第二进口144相对，第四穿孔和第二出口145相对。当电解槽100工作时，电解液可以从第二进口144流入第二储液空间146内，并且可以经第三穿孔流动至正极电极21与正极板142的内壁之间。制氢室14内产生的氢气可以第二出口145流出至制氢室14的外部，并且位于正极电极21和正极板142之间的氢气可以经第四穿孔流动至第二出口145处。由此，第二进口144和第二出口145的设置有利于电解液的流入和氢气的流出，从而有利于电解槽100的正常使用。此外，第二进口144和第二出口145的位置设置合理，减少了第二进口144和第二出口145在制氢室14内空间的占用，方便了析氢电极12和正极电极21等的布置。

根据本发明的一些实施例，第一连接件133和/或第二连接件143包括改性聚四氟乙烯件。也就是说，第一连接件133和第二连接件143可以采用改性聚四氟乙烯材料制成。如此设置，提高了第一连接件133和第二连接件143的耐腐蚀性能，第一连接件133和第二连接件143长期浸泡在碱性电解液中不易损坏，延长了第一连接件133和第二连接件143的使用寿命。当然，第一连接件133和/或第二连接件143也可以根据使用所需采用其它材质。

可选地，析氧极板131、析氢极板141、负极版和正极板142的形状可以为圆形或者矩形例如方形，材料可采用不锈钢，表层镀镍。如此设置，提升了析氧极板131、析氢极板141、负极版和正极板142的耐久性，有利于析氧极板131、析氢极板141、负极版和正极板142长期稳定地使用，延长了使用寿命。此外，通过在表层镀镍，可以降低析氧极板131、析氢极板141、负极版和正极板142与对应的电极（析氢电极12、析氧电极11、负极电极22和正极电极21）之间的接触电阻，同时避免不锈钢中的铁元素与电极中的镍元素形成原电池而发生自腐蚀。

根据本发明的一些实施例，析氢电极12和/或析氧电极11为泡沫状材料、网状材料、毡状材料或板状材料。和/或，正极电极21和/或负极电极22为泡沫状材料、网状材料、毡状材料或板状材料。也就是说，析氢电极12、析氧电极11、正极电极21和负极电极22可以根据使用所需选择不同形状的材料，提高了析氢电极12、析氧电极11、正极电极21和负极电极22的选择多样性。当然，析氢电极12和析氧电极11可以选择相同的材料或者不同的材料，正极电极21和负极电极22可以选择相同或者不同的材料。

根据本发明的一些实施例，析氢电极12和/或析氧电极11为碳、铁、钴、镍、钼、钨、铂、钌和铱中的至少一种，或铁、钴、镍、钼、钨、铂、钌和铱中的至少一种与铝、磷、硫、氧和氮中的至少一种形成的合金材料。也就是说，析氢电极12和析氧电极11的材料种类可采用碳材料或铁、钴、镍、钼、钨等过渡金属材料或铂、钌、铱等贵金属材料或上述金属与铝或磷、硫、氧、氮等非金属形成的合金材料。如此设置，有利于析氢电极12处的电极反应的顺利进行，也有利于析氧电极11处的电极反应的顺利进行，从而有利于电解槽100的正常使用。

根据本发明的一些实施例，正极电极21为氧化镍或氢氧化镍，负极电极22为储氢合金。例如，当正极电极21为氧化镍时，正极电极21处的化学反应为：，产氢端的总反应为：，负极电极22处的反应为：，产氧端的总反应为：。电解槽100的总反应为：。

如此设置，有利于析氧电极11和析氢电极12处的正常反应的进行，同时也有利于镍氢电池2的正极电极21和负极电极22处的电化学反应的顺利进行，从而有利于电解槽100的制氢制氧，以及镍氢电池2的充电，提升了电解槽100的使用性能。

根据本发明的一些实施例，储氢合金包括钛基合金、镁基合金、锆基合金、镧系稀土合金和铁镍基合金中的至少一种。由此，通过采用上述的合金，有利于负极电极22处电化学反应的顺利进行。此外，采用储氢合金可有效地吸附氢元素，避免或抑制负极电极22上出现少量的析氢，进而避免制氧室13中的氧中氢含量上升，从而提高其安全性和氧气产物的纯度。

根据本发明的一些实施例，储氢合金包括金属有机框架物、合金有机框架物或碳基材料。

例如，金属有机框架物（Metal-Organic Frameworks，简称MOFs）是一类由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键连接形成的多孔材料。它们具有高度有序的孔隙结构和可调节的化学组成。金属有机框架物包括高熵金属有机框架物和非高熵金属有机框架物。在储氢领域，MOFs因其多孔性和可调节的化学环境被认为是有潜力的储氢材料。它们可以通过物理吸附的方式在低温和高压条件下存储氢气。

合金有机框架物包括高熵合金有机框架物和非高熵合金有机框架物。高熵合金（High-Entropy Alloys，简称HEAs）是一类由五种或更多主要元素以接近等原子比组成的合金。与传统合金不同，高熵合金不依赖于一种或几种主要元素，而是通过混合多种元素来形成具有独特性能的材料。高熵合金的特点包括高熵效应：由于合金中各元素的浓度相近，这增加了合金的混乱度和熵，从而可能影响合金的微观结构和性能。优异的力学性能：许多高熵合金展现出了优异的力学性能，如高强度、良好的塑性以及在高温下的稳定性。独特的微观结构：高熵合金通常具有简单的单相固溶体结构，这与传统合金中常见的多相结构不同。耐腐蚀性：一些高熵合金展现出了良好的耐腐蚀性，这使得它们在极端环境下具有潜在的应用价值。抗氧化性：高熵合金在高温下具有较好的抗氧化性能，这使得它们在航空航天等领域具有潜在的应用。可调性：通过改变合金中各元素的比例，可以调整高熵合金的性能，以适应不同的应用需求。在储氢合金领域，金属有机框架物（MOFs）和高熵合金（HEAs）都显示出了各自的应用潜力和研究进展。

金属有机框架物（MOFs）因其多孔性、多功能性、结构多样性和化学成分的可控性，在储能材料方面备受关注。MOF复合材料在电池和超级电容器中的应用，尤其是它们与不同功能材料结合时，如MOF/碳质材料、MOF/聚合物、MOF/MXene等复合材料，展现出了提高的电化学性能。高熵合金（HEAs）由于其由五种或更多元素组成的特性，提供了新颖且可调适的活性位点，这在电催化反应中表现出了卓越的性能。HEAs在电催化能量转化反应中的多样化应用，包括氢气发生反应（HER）、氧还原反应（ORR）等。

碳基材料指的是以碳纤维(织物)或碳化硅等陶瓷纤维(织物)为增强体，以碳为基体的复合材料的总称。由此，通过采用上述的材料制得的负极电极22，负极电极22具有良好的使用性能。另外，采用上述的储氢合金，可提高负极电极22的储氢能力，进而提高镍氢电池2的能量密度，避免镍氢电池2因充满电而需要频繁地切换至放电状态。

本申请的无隔膜解耦式的电解槽100可避免使用隔膜带来的负面影响，包括隔膜本身的成本、隔膜电阻导致的能耗升高、隔膜隔绝性能差导致的氢气与氧气混合风险、难以适应快速的可再生能源波动等。同时，通过引入镍氢电池2，可实现制氢与储能的双功能，镍氢电池2储存的能量和氢气中的化学能可在用电高峰期进行释放以缓解电网的压力。

正极板142、负极板132、析氧极板131和析氢极板141的与对应的第一连接件133和第二连接件143的连接处分别设有密封件，密封件可以为密封线。例如，可设计不同形状的密封线，密封线通过压合使第一连接件133和第二连接件143形变，起到防止气液逸出的作用。也就是说，通过设置密封件，第一连接件133的侧面与析氧极板131和负极板132的接触面积增大，密封件填充了第一连接件133的侧面与析氧极板131和负极板132之间的缝隙，从而可以避免制氧室13产生的氧气从上述间隙处流出，提高了制氧室13的密封性能。同样的，也提高了制氢室14的密封性能，提升了电解槽100的使用性能。

根据本发明第二方面实施例的电解槽组200，结合图4，包括多个根据上述第一方面实施例的电解槽100，多个电解槽100串联或并联。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。

根据本发明实施例的电解槽组200，通过采用上述的多个电解槽100串联或者并联后，可以增加单个电解槽组200的产氢量和储电量，从而提升了电解槽组200的使用性能。

根据本发明的一些实施例，当多个电解槽100串联时，多个电解槽100的制氧室13的内部相互连通，多个电解槽100的制氢室14的内部相互连通，靠近电解槽组200中心的制氧室13的负极电极22和靠近电解槽组200中心的制氢室14的正极电极21可通断地电连接，远离电解槽组200中心的制氧室13的析氧电极11和远离电解槽组200中心的制氢室14的析氢电极12电连接。

例如，在图4的示例中，电解槽组200包括三个电解槽100，每个电解槽100包括一个制氧室13和一个制氢室14。三个制氧室13依次排布，并且相邻的两个制氧室13的第一储液空间134相互连通。三个制氢室14依次排布，并且相邻的两个制氢室14的第二储液空间146相互连通。三个制氧室13中靠近制氢室14的其中一个制氧室13的负极电极22与邻近的制氢室14的正极电极21可通断地电连接。三个制氧室13中距离制氢室14距离最远的一个制氧室13的析氧电极11与距离制氧室13最远的一个制氢室14的析氢电极12之间通过电源相连。串联后的电解液分别从最外侧的制氧室13和制氢室14流入对应的第一储液空间134和第二储液空间146，产生的氧气和氢气分别从对应的第一出口136和第二出口145流出。由此，三个电解槽100串联成电解槽组200，提高了电解槽组200的产氢量。相邻的两个制氧室13或制氢室14之间可通过螺栓或压力机的方式进行紧固。

如考虑电解槽100对光伏、风电等波动性电源的适配性或者其它需求，也可将多个制氧室13和制氢室14采用并联的方式进行组合，以达到电流密度不变的条件下负载率的宽幅调节。并联方式的电解槽组200的动态响应能力远高于串联式，当外电源功率下降时，不仅能通过降低电流密度的方式来维持电解槽100的运行，还可以通过关闭部分电解槽100通路来维持高电流密度，大大缓解了整流器的压力，理论上这种结构的响应能力可精确到单一制氧室13或制氢室14的通断。

电解槽组200的核心为电解槽100。电源将电网或可再生能源的电力转换成稳定的直流电供给电解槽100，同时碱液泵将电解液泵入电解槽100，电解槽100将电解液中的水分解成氧气和氢气，这两种气体随着电解液一同从对应的第一出口136或第二出口145分别排出。

根据本发明第三方面实施例的电解槽系统300，参照图5，包括根据上述第一方面实施例的电解槽100，或根据上述第二方面实施例的电解槽组200。

根据本发明实施例的电解槽系统300，通过采用上述的电解槽100或电解槽组200，更加有利于电解槽系统300的控制，提升了电解槽系统300的使用性能。

根据本发明的一些实施例，结合图5，电解槽系统300包括多个电解槽100或电解槽组200、气液分离模块301、气体纯化模块302、过滤模块303、冷却模块304、电源模块305、电解液模块306和控制模块307。

如图5所示，电解槽系统300的工作过程大致如下：

电解液模块306中特定浓度的电解液（例如浓度为1mol/L-7mol/L，优选地为6mol/L-7mol/L）通过电解液模块306中的碱液泵流入电解槽100中，在电解槽100中发生电解水反应和镍氢电池2的充电反应。然后，与生成的氧气和氢气一同（也即图5中的气液混合物）流出，经过滤模块303滤掉电解液中的固体杂质，得到的气液混合物进入气液分离模块301，在气液分离模块301中完成气体和绝大部分电解液的分离，大量的电解液回流至冷却模块304进行降温。气体和少量未分离的高温电解液进入气体纯化模块302完成进一步提纯，提纯后的气体排出系统进入存储介质或直接使用，分离出的少量电解液进入冷却模块304降温，降温后的电解液进入电解液模块306进行浓度测定，浓度过低则补充碱液，浓度过高则补充原料水以待用。电解槽100制氢制氧时，再次通过碱液泵流入电解槽100中，至此完成一次循环。

其中，电源模块305同时给电解槽100和控制模块307供电。电源模块305的电源主要来源于可再生能源发电，包括太阳能发电、风力发电等，也可使用电网或其它形式的电源进行辅助。

控制模块307包括配电柜（图未示出）、控制柜（图未示出）和仪表柜（图未示出），控制模块307负责整个系统的供电控制、阀门控制、泵控制和仪器仪表的监测与报警。控制模块307分别与电解槽100、气液分离模块301、气体纯化模块302、冷却模块304和电解液模块306通讯，以有利于控制模块307对电解槽100、气液分离模块301、气体纯化模块302、冷却模块304和电解液模块306的控制，从而有利于对电解槽系统300的使用和控制。

可选地，气液分离模块301主要包括氧气气液分离器（图未示出）和氢气气液分离器（图未示出），气液分离模块301的一端与过滤模块303相连接，气液分离模块301的另一端与气体纯化模块302相连接，实现氧气、氢气与电解液的初步分离。此外，氧气和氢气为单独的分离，氧气和氢气不易混合，有利于氢气和氧气的使用和提纯。

可选地，气体纯化模块302主要包括氧气纯化器件（图未示出）和氢气纯化器件（图未示出），气体纯化模块302的一端分别与氧气气液分离器和氢气气液分离器相连接，气体纯化模块302的另一端输出高纯度的氧气和氢气，实现氧气和氢气的提纯处理。

可选地，过滤模块303的一端分别与制氧室13的第一出口136和制氢室14的第二出口145相连接，过滤模块303的另一端与气液分离模块301相连接，实现电解液中固体杂质的过滤。

可选地，冷却模块304采用的冷却方式为液冷，冷却液为除盐水。冷却模块304的一端分别与气液分离模块301和气体纯化模块302的上述另一端相连接，冷却模块304的另一端与电解液模块306的碱液罐相连接，实现电解液的降温处理。

电解液模块306主要包括碱液罐和碱液泵，碱液罐材质可以设置为聚四氟乙烯等防腐蚀材料，电解液模块306的一端与冷却模块304的上述另一端相连接，电解液模块306的另一端经碱液泵与第一进口135和第二进口144相连接，碱液罐中配备有碱液浓度测量装置（图未示出），以检测电解液的浓度。当碱液浓度过高时，则需要补充原料水，原料水为超纯水。当碱液浓度过低时，则需要补充碱，碱可以是分析纯的氢氧化钾或氢氧化钠。

根据本发明实施例的电解槽100、电解槽组200、电解槽系统300的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (14)

1.一种电解槽，其特征在于，包括：

槽体，所述槽体内设有析氧电极和析氢电极，所述析氧电极和所述析氢电极电连接，所述槽体包括制氧室和制氢室，所述析氧电极设在所述制氧室内，所述制氢室和所述制氧室相互独立，所述析氢电极设在所述制氢室内；

镍氢电池，所述镍氢电池设在所述槽体内，所述镍氢电池包括正极电极和负极电极，所述负极电极设在所述制氧室内，所述正极电极设在所述制氢室内，所述正极电极和所述负极电极之间可通断地电连接；

当所述正极电极和所述负极电极之间电连接时，所述镍氢电池为充电状态，当所述正极电极和所述负极电极之间的电连接断开时，所述镍氢电池为放电状态。

2.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，进一步包括：

第一继电器，所述第一继电器连接在所述正极电极和所述负极电极之间；

当所述第一继电器通电时，所述镍氢电池为所述充电状态，当所述第一继电器断电时，所述镍氢电池为所述放电状态。

3.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，所述制氧室包括析氧极板、负极板和第一连接件，所述析氧极板和所述负极板分别与所述第一连接件的两侧相连，所述析氧极板、所述负极板和所述第一连接件共同限定出第一储液空间，所述析氧电极设在所述第一连接件的一侧与所述析氧极板的侧壁之间，所述负极电极设在所述第一连接件的另一侧与所述负极板的侧壁之间；

所述制氢室包括析氢极板、正极板和第二连接件，所述析氢极板和所述正极板分别与所述第二连接件的两侧相连，所述析氢极板、所述正极板和所述第二连接件共同限定出第二储液空间，所述析氢电极设在所述第二连接件的一侧与所述析氢极板的侧壁之间，所述正极电极设在所述第二连接件的另一侧与所述正极板的侧壁之间，所述正极电极和所述负极电极通过所述正极板和所述负极板可通断地电连接。

4.根据权利要求3所述的电解槽，其特征在于，进一步包括：

第二继电器，所述第二继电器连接在所述析氧极板和所述负极板之间；

第三继电器，所述第三继电器连接在所述析氢极板和所述正极板之间；

当所述镍氢电池为充电状态时，所述第二继电器和所述第三继电器均断电，当所述镍氢电池为放电状态时，所述第二继电器和所述第三继电器均通电。

5.根据权利要求3所述的电解槽，其特征在于，所述制氧室上形成有第一进口和第一出口，所述第一进口和所述第一出口分别与所述第一储液空间连通；

所述制氢室上形成有第二进口和第二出口，所述第二进口和所述第二出口分别与所述第二储液空间连通。

6.根据权利要求3所述的电解槽，其特征在于，所述第一连接件和/或所述第二连接件包括改性聚四氟乙烯件。

7.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，所述析氢电极和/或所述析氧电极为泡沫状材料、网状材料、毡状材料或板状材料；和/或

所述正极电极和/或所述负极电极为泡沫状材料、网状材料、毡状材料或板状材料。

8.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，所述析氢电极和/或所述析氧电极为碳、铁、钴、镍、钼、钨、铂、钌和铱中的至少一种，或铁、钴、镍、钼、钨、铂、钌和铱中的至少一种与铝、磷、硫、氧和氮中的至少一种形成的合金材料。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的电解槽，其特征在于，所述正极电极为氧化镍或氢氧化镍；

所述负极电极为储氢合金。

10.根据权利要求9所述的电解槽，其特征在于，所述储氢合金包括钛基合金、镁基合金、锆基合金、镧系稀土合金和铁镍基合金中的至少一种。

11.根据权利要求9所述的电解槽，其特征在于，所述储氢合金包括金属有机框架物、合金有机框架物或碳基材料。

12.一种电解槽组，其特征在于，包括多个根据权利要求1-11中任一项所述的电解槽，多个所述电解槽串联或并联。

13.根据权利要求12所述的电解槽组，其特征在于，当多个所述电解槽串联时，多个所述电解槽的制氧室的内部相互连通，多个所述电解槽的制氢室的内部相互连通，靠近所述电解槽组中心的所述制氧室的负极电极和靠近所述电解槽组中心的所述制氢室的正极电极可通断地电连接，远离所述电解槽组中心的所述制氧室的析氧电极和远离所述电解槽组中心的所述制氢室的析氢电极电连接。

14.一种电解槽系统，其特征在于，包括根据权利要求1-11中任一项所述的电解槽，或根据权利要求12或13所述的电解槽组。