一种超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽，采用超电容极板将电解室分隔为产氢室和产氧室，产氢电极和产氧电极分置在产氢室和产氧室中，在超电容极板与产氢电极之间，以及在超电容极板与产氧电极之间均设有多孔隔膜进行物理分隔；控制电解室中的超电容极板以设定的时间间隔交替与产氢电极和产氧电极相连接，使得在超电容极板上形成循环的充放电，交替地耦合阴极和阳极上的析氢和析氧反应；本发明专利技术在压滤型电解槽中引入超电容极板，其阻气性能优

【技术实现步骤摘要】
一种超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽及其控制方法


[0001]本专利技术涉及水电解
，具体为一种超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽及控制方法
。

技术介绍

[0002]大力发展可再生能源
、
优化能源结构，是各国能源发展战略行动计划中优先方向之一
。
如何突破电解水过程中氢氧气体的跨膜混杂这一技术瓶颈，是发展直接适配可再生能源的柔性电解制氢技术的关键，契合解决能源和气候变化问题的重大需求
。
[0003]在水的电解过程中，析氢反应
(HER)
和析氧反应
(OER)
在时间和空间上是耦合的
。
无论是碱液电解水
、
质子
/
阴离子交换膜电解水，还是固体氧化物电解水，都需要采用相应的隔膜来阻隔氢气和氧气的混杂，以保障氢气和氧气的纯度
。
但是，在电源功率波动条件下，传统隔膜不足以高效阻隔电解槽内氢氧气体的混杂，不仅严重影响纯度，还带来可能发生爆炸的危险
。
[0004]可再生能源具有随机性
、
间歇性和波动性的特性，直接驱动电解制氢不可避免地造成电解槽内部压力变化大且频繁启停，而且在低功率时氢气和氧气的产生速率实际上可能慢于通过隔膜的速率
(Science,2014,345(6202):1326)
，这都将大大加剧两种气体的相互渗透
。
由于现有三种电解技术必须有离子
(OH
‑<br/>、H
+
或
O2‑
)
通过隔膜，气体的交叉渗透难以避免，特别是在碱液电解槽中更严重
。
[0005]为了解决上述难题，近年来文献中报道了多种解耦电解水方案，将产氢和产氧在时间或空间上分离，从而不必使用隔膜
。
这些方案都是选择一或两个辅助电极，与析氢反应和析氧反应配对，组成相对独立的两个反应系统，以期达到避免氢氧混合的目的
。
如：中国专利公开号
CN105420748A
的专利文献中公开了“一种基于三电极体系的两步法电解水制氢的方法及装置”；文献：
Science,2014,345(6202):1326、Nature Energy,2019,4(9):786、ACS Energy Letters,2021,6(4):1533、Electrochemistry Communications,2019,109:106611、AngewandteChemie International Edition,2018,57(11):2904、Energy&amp;Environmental Science,2022,15(5):2021
等，也各自公开
(
或发表
)
了一种解耦电解水制氢的方案
。
该类方案的共同点是引入一个
(
或两个
)
辅助电极，先后
(
或分别
)
与产氢电极和产氧电极耦合，辅助电极上周期性地发生互为逆向的法拉第反应
(
典型地，在碱水电解中，利用
Ni(OH)2与
NiOOH
之间的氧化还原转化
)
，因法拉第反应对辅助电极上活性材料的组成和微结构的冲击，其长期循环稳定性是一个棘手的问题，且辅助电极上普遍难以承受较高的电流密度
(500Am
‑2以上
)。
此外，如何将这类实验室电解装置转化为工业上可自动运行的规模化制氢的电解槽及控制系统，尚待在工艺和装置设计上寻求突破
。
[0006]中国专利公开号
CN113774417A
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
。
该电解装置采用的是无导线连接的双极电容电极，产氢产氧同步进行；电源周期性断路，等候双极电极两侧之间发生自放电而复原
。
电容材料发生双电层的充放电过程，对材料的冲击程度低，有利于增强循环稳定性
。
该双极电容方案中，由于通电时双极电
极两侧同时朝着相反方向极化，导致两侧的电势差较大而增加能耗，仅适于较低电流密度下的电解
。

技术实现思路

[0007]本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种低能耗的超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽及其控制方法，以适配功率波动性和间隙性的可再生能源，充分利用功率波动性大的光伏和风电等可再生能源，适用于工业上通行的多个电解小室串联的压滤型电解槽结构及其附属的管路运行系统
。
[0008]本专利技术为实现专利技术目的采用如下技术方案：
[0009]本专利技术超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的特点是：在电解槽中采用超电容极板将电解室分隔为产氢室和产氧室，产氢电极和产氧电极分置在产氢室和产氧室中，所述产氢电极和产氧电极分别与对应一侧流道中的导电柱电接触；在所述超电容极板与产氢电极之间，以及在所述超电容极板与产氧电极之间均设有多孔隔膜进行物理分隔
。
[0010]本专利技术超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的特点也在于：设置所述电解槽为单个电解室构成的单室电解槽；或为多个电解室串联构成的多室电解槽
。
[0011]本专利技术超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的特点也在于：所述单室电解槽的结构形式是：在一对端板之间由沿圆周均布的螺杆将超电容极板
、
分处在所述超电容极板两侧的产氢电极和产氧电极，以及所述多孔隔膜压装成圆盘体电解槽，利用所述端板在两侧形成流道，所述导电柱是各端板内侧的端板乳凸，在所述一对端板的外侧一一对应设置连接电源正板的正极接线耳和连接电源负极的负极接线耳
。
[0012]本专利技术超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的特点也在于：所述多室电解槽的结构形式是：在一对端板之间由沿圆周均布的螺杆将多个电解室压装成串，形成圆柱体电解槽；处在圆柱体两端头的电解室在外侧均是以对应一端的端板形成流道；在相邻的两个电解室之间设置导电流道板，利用所述导电流道板形成流道；在所述一对端板的外侧一一对应设置用于连接电源正板的正极接线耳和用于连接电源负极的负极接线耳；所述导电柱包括设置在各端板的内侧的端板乳凸，以及设置在所述导电流道板的两侧的道板乳凸
。
[0013]本专利技术超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的特点也在于：沿所述圆柱体的轴向分设氢侧气液排出通道和氧侧气液排出通道；各电解室的产氢室均与氢侧气液排出通道相连通，各电解室的产氧室均于氧侧气液排出通道相连通
。
[0014]本专利技术超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽的特点也在于：所述超电容极板为刚性硬实隔板，其中心为活性材料圆片，在所述活性材料圆片的外周是与活性材料圆片等厚的导电环周极框
。
[0015]本专利技术超电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽，其特征是：在电解槽中采用超电容极板
(3)
将电解室分隔为产氢室和产氧室，产氢电极
(8)
和产氧电极
(9)
分置在产氢室和产氧室中，所述产氢电极
(8)
和产氧电极
(9)
分别与对应一侧流道中的导电柱电接触；在所述超电容极板
(3)
与产氢电极
(8)
之间，以及在所述超电容极板
(3)
与产氧电极
(9)
之间均设有多孔隔膜
(10)
进行物理分隔
。2.
根据权利要求1所述的超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽，其特征是：设置所述电解槽为单个电解室构成的单室电解槽；或为多个电解室串联构成的多室电解槽
。3.
根据权利要求2所述的超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽，其特征是：所述单室电解槽的结构形式是：在一对端板
(1)
之间由沿圆周均布的螺杆
(7)
将超电容极板
(3)、
分处在所述超电容极板
(3)
两侧的产氢电极
(8)
和产氧电极
(9)
，以及所述多孔隔膜
(10)
压装成圆盘体电解槽，利用所述端板在两侧形成流道，所述导电柱是各端板内侧的端板乳凸，在所述一对端板
(1)
的外侧一一对应设置连接电源正板的正极接线耳
(15)
和连接电源负极的负极接线耳
(14)。4.
根据权利要求2所述的超电容解耦电解水制氢的压滤型电解槽，其特征是：所述多室电解槽的结构形式是：在一对端板
(1)
之间由沿圆周均布的螺杆
(7)
将多个电解室压装成串，形成圆柱体电解槽；处在圆柱体两端头的电解室在外侧均是以对应一端的端板
(1)
形成流道；在相邻的两个电解室之间设置导电流道板
(2)
，利用所述导电流道板
(2)
形成流道；在所述一对端板...

【专利技术属性】
技术研发人员：何建波，何茜，孙卉，王志阳，李芳，李冰，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：