本发明专利技术公开了一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，包括恒流稳压电源、电解槽、双极电容极板，双极电容极板替代离子隔膜垂直设置在电解槽中部，将电解槽内的电解液完全隔成两部分，并构成析氢阴极室与析氧阳极室，析氢阴极室与析氧阳极室内分别安装产氢电极、产氧电极，恒流稳压电源连接在电解槽内的产氢电极和产氧电极上。本发明专利技术通过在电解水装置中引入双极电容，对产氢产氧进行空间隔离，避免了使用价格昂贵、维护困难的离子交换膜，电解水的生产效率高，稳定性好，便于长期稳定运行。定运行。定运行。
【技术实现步骤摘要】
一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置
[0001]本专利技术涉及水电解
，具体为一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置及制备方法。
技术介绍
[0002]工业电解水需要采用离子隔膜来分离所生成的氢气和氧气，现采用的离子隔膜有三种：(a)在碱性电解液中电解产氢，阴极上水还原产氢的同时，生成的OH
‑
离子通过石棉布或其它材料的隔膜达到阳极，在此界面被氧化为氧气；(b)在酸性电解液中电解产氢，阳极产生的H
+
离子通过质子交换膜到达阴极，在此界面被还原为氢气；(c)固体氧化物电解产氢，高温水蒸气在阴极上还原产生的O2‑
通过氧化物固体电解质到达阳极，在此界面被氧化为氧气。
[0003]以上各种工业电解水方案中，离子隔膜都是目前不可缺少的，以防止氢气与氧气混合。对隔膜的质量要求很高，既要使离子的传导电阻小，又要能高效阻挡氢气和氧气在膜中迁移，还必须在强酸或强碱性电解液中保持长时间运行的稳定性。所以，隔膜的使用大大增加了电解水的原材料及运行维护成本。
[0004]为取代隔膜的使用，近年来文献中报道了几种尚在研发中的“两步法”电解水方案，在无膜条件下将产氢和产氧在时间或空间上分离。这些方案都是选择两个辅助的电极反应，分别与产氢反应和产氧反应配对，组成两个反应系统。这些方案的优势是将产氢和产氧反应完全分离开而不需要使用隔膜，同时也因为引入了两个辅助反应，带来了一些技术环节上的问题需要解决，才能够实际应用。
[0005]例如：中国公开号CN111074291A公开了一种两步法电解水制氢的装置及方法。该电解装置把电解水过程分为常温电化学产氢和高温化学产氧两个步骤，先后在同一个反应器中进行，但两个步骤之间必须切换高、低温电解液，操作较繁琐，且高温化学产氧所耗的时间长，难以满足高电流密度产氢的需要。中国公开号CN105420748A也公开了一种两步法电解水制氢的装置及方法。该电解装置把电解水过程分为电化学产氢和电化学产氧两个步骤，先后在同一个反应器中进行，但同样不能同时产氢和产氧，影响生产效率。两步法引入的辅助电极上循环切换发生互逆的(电)化学反应，其材料的长时间循环稳定性也是一个棘手的问题，尤其在高电流密度下。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于：提供一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，以解决以上缺陷。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，包括：恒流稳压电源、电解槽、双极电容极板，所述双极电容极板替代离子隔膜垂直设置在电解槽中部，将电解槽内的电解液完全隔成两部分，并构成析氢阴极室与析氧阳极室，所述析氢阴极室与析氧阳极
室内分别安装产氢电极、产氧电极，所述恒流稳压电源连接在电解槽内的产氢电极和产氧电极上；
[0009]优选地，所述双极电容电极由三维多孔的导电材料制成，包括但不限于石墨烯溶胶、碳纳米管溶胶、多孔碳、导电聚合物膜，以及复合物膜；所述双极电容极板，厚度为100微米至10毫米，其中间设置有一无孔、导电、刚性的夹层，彻底阻断氢氧混合。
[0010]优选地，所述双极电容电极上无任何导线与外电路连接，其自身的两个侧面构成电容的双极。
[0011]优选地，在通电电解过程中，双极电容极板与产氢电极相对的一侧界面发生阳极充电，与产氧电极相对的一侧界面发生阴极充电过程，不发生电化学反应；经过短暂断路，双极电容自放电，瞬间恢复初始状态；通电与断路循环由电路自动切换装置控制。
[0012]优选地，所述双极电容极板，既适用于碱性电解液，也适用于酸性电解液。
[0013]优选地，所述电解水装置还包括电路自动切换装置、气液分离槽、磁力泵、转子流量计，所述析氢阴极室与析氧阳极室的气液混合物分别经气液分离槽后，液相再汇合依次经磁力泵和转子流量计，最后返回至电解槽内，形成电解液循环回路；恒流稳压电源与电路自动切换装置串联后，其整体两端的导线分别连接在电解槽内的产氢电极和产氧电极上。
[0014]优选地，所述电解槽，包括电解槽体，所述电解槽体顶部设置有盖板，所述电解槽体与盖板之间设置有绝缘橡胶垫片并通过螺丝固定，所述产氢电极、产氧电极均贯穿盖板并通过绝缘橡胶圈贯穿盖板安装在上，所述产氢电极、产氧电极上端均露出盖板外，其下端均插入至双极电容极板两侧的电解槽体内的电解液内。
[0015]优选地，所述产氢电极的电极材料为：基于贵金属Pt、Pd与碳材料的复合物；或基于过渡金属Ni、Co、Cu或Fe的单质或化合物；或基于稀土元素W、Mo的化合物；所述产氧电极的电极材料为：基于贵金属Ru、Ir与碳材料的复合物；或基于过渡金属Ni、Co、Cu或Fe的单质或化合物；所述电解液为氢氧化钾或氢氧化钠水溶液。
[0016]本专利技术的有益效果在于：
[0017]本专利技术一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，通过在电解水装置中引入双极电容，对产氢产氧进行空间隔离，避免了使用价格昂贵、维护困难的离子交换膜。在电解过程中智能化进行电路开关的切换，完成在一个装置系统内同步的、接近连续地产氢和产氧，提高整体的生产效率。双极电容上发生双电层充放电过程，避免了(电)化学反应，一方面通过瞬时断路就能使双极电容的荷电状态自动快速复原，另一方面在充放电物理过程中材料组成、结构的变化远小于循环反应过程引起的变化，双极电容材料的长期运行稳定性能得到大大提高。
附图说明
[0018]图1：实施例1中本专利技术的装置结构及电解液循环示意图；
[0019]图2：实施例2中本专利技术的整体结构示意图；
[0020]图3：实施例2中本专利技术的电解槽中电解小室结构示意图；
[0021]图4：实施例2中本专利技术的极板结构示意图。
具体实施方式
[0022]以下结合实施例对本专利技术作进一步的说明，需要说明的是，仅仅是对本专利技术构思所作的举例和说明，所属本
的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离专利技术的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应视为落入本专利技术的保护范围。
[0023]实施例1：
[0024]如图1所示，一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，包括：恒流稳压电源1、电路自动切换装置2、电解槽、气液分离槽13、磁力泵14、转子流量计15，电解槽内安装有产氢电极3、产氧电极4、双极电容极板5，双极电容极板5取代现有技术的离子隔膜，垂直设置在电解槽中部，并将电解槽内部分割成析氢阴极室和析氧阳极室，实现产氢和产氧的完全隔离。产氢电极3、产氧电极4分别设置在析氢阴极室和析氧阳极室内，析氢阴极室和析氧阳极室内的电解气液分别经气液分离槽13后，再汇合依次经磁力泵14和转子流量计15，最后返回至电解槽内，形成电解液循环回路，电解液循环回路除加速液相传质以减轻气泡效应外，其作用还包括补偿被双极电容极板阻隔的离子迁移。恒流稳压电源1与电路自动本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，其特征在于，包括：恒流稳压电源、电解槽、双极电容极板，所述双极电容极板替代离子隔膜垂直设置在电解槽中部，将电解槽内的电解液完全隔成两部分，并构成析氢阴极室与析氧阳极室，所述析氢阴极室与析氧阳极室内分别安装产氢电极、产氧电极，所述恒流稳压电源连接在电解槽内的产氢电极和产氧电极上。2.根据权利要求1所述的一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，其特征在于，所述双极电容电极由三维多孔的导电材料制成，包括但不限于石墨烯溶胶、碳纳米管溶胶、多孔碳、导电聚合物膜，以及复合物膜；所述双极电容极板，厚度为100微米至10毫米，其中间设置有一无孔、导电、刚性的夹层，彻底阻断氢氧混合。3.根据权利要求1所述的一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，其特征在于，所述双极电容电极上无任何导线与外电路连接，其自身的两个侧面构成电容的双极。4.根据权利要求1所述的一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，其特征在于，在通电电解过程中，双极电容极板与产氢电极相对的一侧界面发生阳极充电，与产氧电极相对的一侧界面发生阴极充电过程，不发生电化学反应；经过短暂断路，双极电容自放电，瞬间恢复初始状态；通电与断路循环由电路自动切换装置控制。5.根据权利要求1所述的一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置，其特征在于，所述双极电容极板，既适用于碱性...
【专利技术属性】
技术研发人员：何建波，赵梦杰，李二梅，黄霏霏，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：
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