一种无隔膜微电解制氢设备及微电解制氢系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种无隔膜微电解制氢设备及微电解制氢系统，其中制氢设备包括基板、微通道结构和盖板；基板上安装有阴极接口和阳极接口；微通道结构设在基板上；微通道结构包括主通道、氢气储存槽和氧气储存槽；主通道内设有与阴极接口连接的阴极、与阳极接口连接的阳极和隔离墙；隔离墙位于阴极和阳极之间，且隔离墙将主通道划分为氢气通道和氧气通道；氢气通道的一端和氧气通道一端均与电解液入口连通，氢气通道的另一端、氧气通道的另一端分别连通氢气储存槽和氧气储存槽。本实用新型专利技术所述的无隔膜微电解制氢设备，无隔膜并在主通道内设置了将主通道分为氢气通道和氧气通道的隔离墙，可实现氢氧产物的分离，大幅降低设备成本。设备成本。设备成本。

【技术实现步骤摘要】
一种无隔膜微电解制氢设备及微电解制氢系统


[0001]本技术属于电解制氢
，尤其涉及一种无隔膜微电解制氢设备及微电解制氢系统。

技术介绍

[0002]目前，电解水制氢是生产绿氢的重要方式。现有的主流电解水制氢技术主要包括三种：碱性电解水制氢、质子交换膜(PEM)电解制氢以及高温固体氧化物电解(SOEC)制氢。电解制氢技术中关键的核心设备是电解槽，三种电解技术对应的分别为碱性电解槽、质子交换膜电解槽及高温固体氧化物电解槽。
[0003]在氢气产业链中，氢气的储存与运输具有较大难度。氢气体积能量密度较低，燃点较低，易燃易爆，对储运过程中的安全性有极高的要求。相较于石油、天然气等传统化石燃料，氢气在储运环节具有天然的劣势。因此，目前氢气储运成本极高。例如采用气态氢气拖车运输方式，一台长管拖车的成本为160万元，百公里运输成本高达8.66元/kg；采用气态氢管道运输，每公里管道投资就高达580万元。因此，对于某些小规模、地理位置偏远的用氢场景，这种大规模制氢、长距离储运的氢能利用方式，成本高，缺乏灵活性，且有安全风险。鉴于此，发展小规模分布式制氢，就地消纳的用氢方式，作为大规模制氢的补充，具有显著的应用前景。
[0004]就电解槽而言，前面提到的三种制氢技术均有其固有缺陷。例如，碱性水电解槽的缺点在于，(1)采用强碱KOH作为电解液，需要使用耐腐蚀金属制造电解槽，增加成本；(2)碱水槽隔膜多采用石棉或PPS等材料，电阻高，增加能耗，阻气性差，因而抗负荷波动性差，启停耗时长；(3)碱性水电解系统结构复杂，部件多，故障率高。对于PEM系统，目前主要的缺陷在于其核心部件
‑
质子交换膜通常采用贵金属制成，成本很高。而高温固体氧化物电解槽目前处于实验阶段，电极性能损耗快，技术成熟度低。因此，目前的三种制氢技术在小规模、分布式制氢中适用性较差。
[0005]鉴于以上分析可知，电解制氢的核心部件是电解槽，其主要问题在于成本高、结构复杂、故障率高等。因此，需开发适用于分布式制氢的小型、结构简单、灵活性高的电解设备。电解槽本质上为通电产生电化学反应的装置，目前，反应器的微型化是化工设备的发展的重要方向之一，因此催生出各种微化工装置，例如微反应器、微分离器等。微化工装置通道的特征尺寸通常在几十到几百微米之间，装置的微型化带来的主要优势有：(1)微小尺度大大增加了反应比表面积，微反应器中传递过程(反应速率、传热等)将得到大大强化，反应速率将加快，反应产热可快速消散，降低反应过程的安全风险；(2)可控性高，不同于宏观尺度设备内惯性力占主导地位，在微尺度下，表面力(粘性力、界面张力等)占主导，因此微尺度流动具有不同于宏观尺度的特殊性质，可利用其特殊流动形态实现对反应、分离过程的精确控制；(3)集成特性，通过微通道的结构设计，可将不同微反应器等集成，进一步缩小设备的体积，提高效率。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本技术的第一个目的在于提出一种无隔膜微电解制氢设备，无隔膜并在主通道内设置了将主通道分为氢气通道和氧气通道的隔离墙，可利用微通道(也即主通道)内流动截面上速度梯度引起的浮力效应，在合适的操作条件下，将电解过程产生的气泡控制在电极附近，无需隔膜阻隔产生的氢气氧气，可实现氢氧产物的分离，大幅降低了设备成本，且结构简单，故障率低；同时，由于不存在隔膜，可实用多种电解液制氢。
[0007]本技术的另一个目的在于提供一种微电解制氢系统。
[0008]为达到上述目的，本技术第一方面实施例提出了一种无隔膜微电解制氢设备，包括基板、微通道结构和盖板；
[0009]所述基板上安装有阴极接口和阳极接口；
[0010]所述微通道结构设在基板上；所述微通道结构包括主通道、氢气储存槽和氧气储存槽；所述主通道内设有与阴极接口连接的阴极、与阳极接口连接的阳极和隔离墙；所述隔离墙高度小于主通道的深度；所述隔离墙位于阴极和阳极之间，且隔离墙将主通道划分为氢气通道和氧气通道；所述氢气通道的一端和氧气通道一端均与电解液入口连通，所述氢气通道的另一端、氧气通道的另一端分别连通氢气储存槽和氧气储存槽；所述氢气储存槽底部设有第一液体出口，上端设有氢气出口；所述氧气储存槽底部设有第二液体出口，上端设有氧气出口；
[0011]所述盖板安装在基板设有微通道结构一侧，且盖板与微通道结构形成密封空间。
[0012]另外，根据本技术上述实施例提出的无隔膜微电解制氢设备还可以具有如下附加的技术特征：
[0013]在本技术的一些实施例中，所述阴极和阳极均设在主通道的侧壁上，且两者相对设置；所述阴极采用镍网、镍
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铁基网状电极、镍
‑
钼合金电极中的一种；所述阳极采用泡沫镍基镍铁合金电极或层状双金属氢氧化物电极。
[0014]在本技术的一些实施例中，所述基板上开有槽，槽内底部开设有所述微通道结构；所述槽内安装盖板，盖板厚度与槽深度相当；所述隔离墙的高度小于主通道的深度。
[0015]在本技术的一些实施例中，所述电解液入口、氢气出口、氧气出口、第一液体出口和第二液体出口均贯穿基板。
[0016]在本技术的一些实施例中，所述基板材质为聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃、聚二甲基硅氧烷或3D打印材料。
[0017]在本技术的一些实施例中，所述氢气通道、氢气储存槽与氧气通道、氧气储存槽关于隔离墙对称设置。
[0018]在本技术的一些实施例中，所述主通道的长度、宽度、深度比为(480
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720)：(9
‑
15)：(4
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6)；所述隔离墙的宽度为主通道宽度的2/15
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1/5，隔离墙的高度为主通道深度的2/5
‑
3/5；所述氢气储存槽和氧气储存槽的长度均为主通道长度的1/5
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3/10，宽度均为主通道宽度的4
‑
6倍，深度均为主通道深度的4.8
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7.2倍。
[0019]在本技术的一些实施例中，所述阳极接口和阴极接口均一端穿过基板连接其对应的电极，另一端延伸至基板外侧；所述阳极接口和阴极接口均为圆形连接长条形棒状金属薄片。
[0020]本技术实施例的无隔膜微电解制氢设备的加工封装方法，包括：加工基板的
步骤；加工微通道结构的步骤；将盖板与基板封装的步骤。
[0021]当基板采用有机玻璃PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材质时，可采用CAD辅助设计，通过精密数控加工在基板上刻出微通道结构。
[0022]当基板材质采用3D打印材料时，可采用3D打印的方式直接加工基板和微通道结构。
[0023]为达到上述目的，本技术第二方面实施例提出了一种微电解制氢系统，包括如上所述的无隔膜微电解制氢设备、动力系统、能量源、氢气储存装置、氧气储存装置；所述无隔膜微电解制氢设备的电解液入口与动力系统出口连通，第一液体出口和第二液体出口均与动力系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无隔膜微电解制氢设备，其特征在于，包括基板、微通道结构和盖板；所述基板上安装有阴极接口和阳极接口；所述微通道结构设在基板上；所述微通道结构包括主通道、氢气储存槽和氧气储存槽；所述主通道内设有与阴极接口连接的阴极、与阳极接口连接的阳极和隔离墙；所述隔离墙高度小于主通道的深度；所述隔离墙位于阴极和阳极之间，且隔离墙将主通道划分为氢气通道和氧气通道；所述氢气通道的一端和氧气通道一端均与电解液入口连通，所述氢气通道的另一端、氧气通道的另一端分别连通氢气储存槽和氧气储存槽；所述氢气储存槽底部设有第一液体出口，上端设有氢气出口；所述氧气储存槽底部设有第二液体出口，上端设有氧气出口；所述盖板安装在基板设有微通道结构一侧，且盖板与微通道结构形成密封空间。2.根据权利要求1所述的无隔膜微电解制氢设备，其特征在于，所述阴极和阳极均设在主通道的侧壁上，且两者相对设置；所述阴极采用镍网、镍
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铁基网状电极、镍
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钼合金电极中的一种；所述阳极采用泡沫镍基镍铁合金电极或层状双金属氢氧化物电极。3.根据权利要求1所述的无隔膜微电解制氢设备，其特征在于，所述基板上开有槽，槽内底部开设有所述微通道结构；所述槽内安装盖板，盖板厚度与槽深度相当。4.根据权利要求1所述的无隔膜微电解制氢设备，其特征在于，所述电解液入口、氢气出口、氧气出口、第一液体出口和第二液体出口均贯穿基板。5.根据权利要求1所述的无隔膜微电解制氢设备，其特征在于，所述基板材质为聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃、聚二甲基硅氧烷或3D打印材料。6.根据权利要求1所述的无隔...

【专利技术属性】
技术研发人员：王韬，王凡，刘丽萍，郭海礁，王金意，王鹏杰，
申请(专利权)人：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，
类型：新型
国别省市：