【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及碱性电解水制氢，具体为一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置及使用方法。
技术介绍
1、新世纪以来，化石能源的消耗量急速增加，伴随着环境污染问题的加剧，具有环保无碳、灵活高效等优点的氢能受到了越来越多的关注。目前，碱性水电解制氢技术是当前最成熟的制氢方法，其设备结构主要包括两块电极板以及隔在极板中间的石绵膜，由电极板构成的电极小室可以通过串联来增加产能。在电解过程中，氢气在阴极表面产生，氧气在阳极表面产生，由于受到石绵膜的阻碍作用，阴极阳极产生的气体不会产生混合现象。
2、如何高效、快速的将气体与电极表面、电解液分离，是目前提高电解系统电解效率所面临的重要问题之一。传统电极结构在电解制氢过程中产生的氢气会由于气泡与极板之间的黏附力而附着于极板上。气泡停留于极板上的行为使得电极的活性面积减少，造成电解效率降低。而传统的分离设备采用重力沉降的分离手段，对电解液中微细气泡的分离效果十分不理想，易造成气体返混的现象。因此，开发一套能够加速电极上气泡的生长和分离过程的手段对于提高碱性水电解系统的电解效率具有十分重大的意义。
3、目前已公开的专利cn 116334679 a、cn 116575043 a中分别提出了一种梯度孔结构的自支撑碱性电解水制氢电极和一种具备阳极吹扫功能的高稳定性质子交换膜电解水制氢系统，但是存在利用率较低或者系统设备结构较为复杂，且对气液两相的分离不够彻底的缺点。
4、因此，针对碱性水电解过程中如何提供一种结构简单，并且能够有效促进气泡从电极表面和电解液中脱离的电极结构
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置及使用方法，以解决传统气液分离装置分离不彻底以及碱性水电解制氢的效率低的技术问题。
2、本专利技术是通过以下技术方案来实现：
3、一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，包括碱性电解槽、阳极电极、阴极电极、氧气两级气液分离器、氢气两级气液分离器、第一气体收集装置、第二气体收集装置、第一过滤装置和第二过滤装置；所述碱性电解槽内填充电解液，所述阳极电极和阴极电极分别在碱性电解槽的两端，所述碱性电解槽中阳极电极的电解液输出端连接至氧气两级气液分离器的输入端，氧气两级气液分离器的气相输出端连接至第一气体收集装置，氧气两级气液分离器的液相输出端经第一过滤装置连接至碱性电解槽中阳极电极的电解液输入端；所述碱性电解槽中阴极电极的电解液输出端连接至氢气两级气液分离器的输入端，氢气两级气液分离器的气相输出端连接至第二气体收集装置，氢气两级气液分离器的液相输出端经第二过滤装置连接至碱性电解槽中阴极电极的电解液输入端。
4、优选的，碱性电解槽中阳极电极的电解液输出端与氧气两级气液分离器的输入端之间设有第一控制阀和第一离心泵；所述碱性电解槽中阴极电极的电解液输出端与氢气两级气液分离器的输入端之间设有第二控制阀和第二离心泵。
5、优选的，氧气两级气液分离器与第一气体收集装置之间设有第一气体纯化装置；所述氢气两级气液分离器与第二气体收集装置之间设有第二气体纯化装置。
6、优选的，阳极电极和阴极电极的结构相同，其中阴极电极包括电极基体以及阵列排布在电极基体上的若干微柱；所述电极基体结构为梯形结构，其中一端为电极底端，另一端为电极顶端，电极底端的宽度小于电极顶端的宽度；所述电极基体上交错分布微柱区域和非微柱区域，其中若干微柱平行排列在微柱区域，所述微柱区域和非微柱区域均为梯度湿润表面。
7、进一步的，电极基体上沿着电极底端至电极顶端的方向，每排微柱的半径呈递减状态，微柱的数量呈递增状态；相邻微柱之间的圆心间距依次减小，且同排中相邻微柱之间的圆心间距依次减小。
8、进一步的，微柱区域和非微柱区域的梯度湿润表面包括若干宽度为1mm的条形涂布区域，所述条形涂布区域上为不同质量浓度的润湿表面活性剂；所述的润湿表面活性剂为两亲性聚氨酯溶液。
9、优选的，氧气两级气液分离器和氢气两级气液分离器的结构相同，其中氢气两级气液分离器内包括旋流分离器、渐缩溢流管、丝网结构、稳流器和微细纤维模块；所述旋流分离器位于氢气两级气液分离器的中部，所述渐缩溢流管设置在旋流分离器的顶部的气相出口处，其中心轴线偏离氢气两级气液分离器的中心轴线；所述稳流器设置在旋流分离器的底部，且与旋流分离器的液相出口位于同一水平面上，其中液相出口方向为切向方向，所述丝网结构设置在氢气两级气液分离器内的上部，且位于旋流分离器气相输出端的上方，所述微细纤维模块设置在氢气两级气液分离器内的下部，且位于旋流分离器液相输出端的下方，所述旋流分离器通过旋流分离器混合相入口经氢气两级气液分离器与碱性电解槽中阴极电极的电解液输出端连接，其中旋流分离器混合相入口的构件型式为下倾矩形入口。
10、进一步的，微细纤维模块由微细纤维以一定角度编织而成，编织的角度范围为0～90°，微细纤维的直径为80～180um，孔隙率为0.75～0.8。
11、一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置的使用方法，基于上述所述的一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，包括如下步骤：
12、阳极电极和阴极电极放置在碱性电解槽内，经过碱性电解槽电解后的含有大量微小气泡的电解液分别被输送到氧气两级气液分离器和氢气两级气液分离器的入口处，并在氧气两级气液分离器和氢气两级气液分离器内分别进行两级分离过程，氧气两级气液分离器中的气相进入第一气体收集装置进行气体存储过程，氧气两级气液分离器中的液相通过第一过滤装置补充纯水后重新进入碱性电解槽中，氢气两级气液分离器中的气相进入第二气体收集装置进行气体存储过程，氢气两级气液分离器中的液相通过第二过滤装置补充纯水后重新进入碱性电解槽中。
13、优选的，氧气两级气液分离器和氢气两级气液分离器内进行两级分离过程相同，其中氢气两级气液分离器内进行两级分离过程如下：
14、经过碱性电解槽电解后的含有大量微小气泡的电解液分别被输送到氢气两级气液分离器的入口处沿旋流分离器混合相入口流入旋流分离器内部进行一级分离过程，由于受到旋流离心力场的作用，电解液中的中、大气泡得以初步分离，随后分离开的气相从旋流分离器的气相出口排出，在上升过程中穿过丝网结构从而过滤掉其中粒径小的液滴，然后气相沿着氢气两级气液分离器的气相出口流出，经过第二气体纯化装置进行干燥过程，最后进入第二气体收集装置进行气体存储过程；而在旋流分离器中分离开后的液相沿着旋流分离器的液相出口流出进入氢气两级气液分离器的内腔，在下流过程中，电解液流经微细纤维模块，微细纤维会使得电解液中的微细气泡发生聚并，并将其收集在纤维表面，这会导致微细气泡通过不断聚并形成大气泡，最终在浮力的作用下大气泡上升离开电解液，从而实现了微细气泡的二级分离过程，分离后的电解液从氢气两级气液分离器的底部流出，经过第二过滤装置进行过滤过程，然后补充适量纯水即可重新进入碱性电解槽本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，其特征在于，包括碱性电解槽(1)、阳极电极(2)、阴极电极(3)、氧气两级气液分离器(8)、氢气两级气液分离器(9)、第一气体收集装置(12)、第二气体收集装置(13)、第一过滤装置(14)和第二过滤装置(15)；所述碱性电解槽(1)内填充电解液，所述阳极电极(2)和阴极电极(3)分别在碱性电解槽(1)的两端，所述碱性电解槽(1)中阳极电极(2)的电解液输出端连接至氧气两级气液分离器(8)的输入端，氧气两级气液分离器(8)的气相输出端连接至第一气体收集装置(12)，氧气两级气液分离器(8)的液相输出端经第一过滤装置(14)连接至碱性电解槽(1)中阳极电极(2)的电解液输入端；所述碱性电解槽(1)中阴极电极(3)的电解液输出端连接至氢气两级气液分离器(9)的输入端，氢气两级气液分离器(9)的气相输出端连接至第二气体收集装置(13)，氢气两级气液分离器(9)的液相输出端经第二过滤装置(15)连接至碱性电解槽(1)中阴极电极(2)的电解液输入端。
2.根据权利要求1所述的一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，其特征在于，所述碱性电解
3.根据权利要求1所述的一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，其特征在于，所述氧气两级气液分离器(8)与第一气体收集装置(12)之间设有第一气体纯化装置(10)；所述氢气两级气液分离器(9)与第二气体收集装置(13)之间设有第二气体纯化装置(11)。
4.根据权利要求1所述的一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，其特征在于，所述阳极电极(2)和阴极电极(3)的结构相同，其中阴极电极(3)包括电极基体(31)以及阵列排布在电极基体(31)上的若干微柱(34)；所述电极基体(31)结构为梯形结构，其中一端为电极底端(32)，另一端为电极顶端(33)，电极底端(32)的宽度小于电极顶端(33)的宽度；所述电极基体(31)上交错分布微柱区域和非微柱区域，其中若干微柱(34)平行排列在微柱区域，所述微柱区域和非微柱区域均为梯度湿润表面(35)。
5.根据权利要求4所述的一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，其特征在于，所述电极基体(31)上沿着电极底端(32)至电极顶端(33)的方向，每排微柱(34)的半径呈递减状态，微柱(34)的数量呈递增状态；相邻微柱(34)之间的圆心间距依次减小，且同排中相邻微柱(34)之间的圆心间距依次减小。
6.根据权利要求4所述的一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，其特征在于，所述微柱区域和非微柱区域的梯度湿润表面(35)包括若干宽度为1mm的条形涂布区域，所述条形涂布区域上为不同质量浓度的润湿表面活性剂；所述的润湿表面活性剂为两亲性聚氨酯溶液。
7.根据权利要求1所述的一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，其特征在于，所述氧气两级气液分离器(8)和氢气两级气液分离器(9)的结构相同，其中氢气两级气液分离器(9)内包括旋流分离器(92)、渐缩溢流管(93)、丝网结构(94)、稳流器(95)和微细纤维模块(96)；所述旋流分离器(92)位于氢气两级气液分离器(9)的中部，所述渐缩溢流管(93)设置在旋流分离器(92)的顶部的气相出口处，其中心轴线偏离氢气两级气液分离器(9)的中心轴线；所述稳流器(95)设置在旋流分离器(92)的底部，且与旋流分离器(92)的液相出口位于同一水平面上，其中液相出口方向为切向方向，所述丝网结构(94)设置在氢气两级气液分离器(9)内的上部，且位于旋流分离器(92)气相输出端的上方，所述微细纤维模块(96)设置在氢气两级气液分离器(9)内的下部，且位于旋流分离器(92)液相输出端的下方，所述旋流分离器(92)通过旋流分离器混合相入口(91)经氢气两级气液分离器(9)与碱性电解槽(1)中阴极电极(3)的电解液输出端连接，其中旋流分离器混合相入口(91)的构件型式为下倾矩形入口。
8.根据权利要求7所述的一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，其特征在于，所述微细纤维模块(96)由微细纤维以一定角度编织而成，编织的角度范围为0～90°，微细纤维的直径为80～180um，孔隙率为0.75～0.8。
9.一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置的使用方法，基于权利要求1-8任一项所述的一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，其特征在于，包括如下步骤：
10.根据权利要求9所述的一...
【技术特征摘要】
1.一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，其特征在于，包括碱性电解槽(1)、阳极电极(2)、阴极电极(3)、氧气两级气液分离器(8)、氢气两级气液分离器(9)、第一气体收集装置(12)、第二气体收集装置(13)、第一过滤装置(14)和第二过滤装置(15)；所述碱性电解槽(1)内填充电解液，所述阳极电极(2)和阴极电极(3)分别在碱性电解槽(1)的两端，所述碱性电解槽(1)中阳极电极(2)的电解液输出端连接至氧气两级气液分离器(8)的输入端，氧气两级气液分离器(8)的气相输出端连接至第一气体收集装置(12)，氧气两级气液分离器(8)的液相输出端经第一过滤装置(14)连接至碱性电解槽(1)中阳极电极(2)的电解液输入端；所述碱性电解槽(1)中阴极电极(3)的电解液输出端连接至氢气两级气液分离器(9)的输入端，氢气两级气液分离器(9)的气相输出端连接至第二气体收集装置(13)，氢气两级气液分离器(9)的液相输出端经第二过滤装置(15)连接至碱性电解槽(1)中阴极电极(2)的电解液输入端。
2.根据权利要求1所述的一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，其特征在于，所述碱性电解槽(1)中阳极电极(2)的电解液输出端与氧气两级气液分离器(8)的输入端之间设有第一控制阀(4)和第一离心泵(6)；所述碱性电解槽(1)中阴极电极(3)的电解液输出端与氢气两级气液分离器(9)的输入端之间设有第二控制阀(5)和第二离心泵(7)。
3.根据权利要求1所述的一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，其特征在于，所述氧气两级气液分离器(8)与第一气体收集装置(12)之间设有第一气体纯化装置(10)；所述氢气两级气液分离器(9)与第二气体收集装置(13)之间设有第二气体纯化装置(11)。
4.根据权利要求1所述的一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，其特征在于，所述阳极电极(2)和阴极电极(3)的结构相同，其中阴极电极(3)包括电极基体(31)以及阵列排布在电极基体(31)上的若干微柱(34)；所述电极基体(31)结构为梯形结构，其中一端为电极底端(32)，另一端为电极顶端(33)，电极底端(32)的宽度小于电极顶端(33)的宽度；所述电极基体(31)上交错分布微柱区域和非微柱区域，其中若干微柱(34)平行排列在微柱区域，所述微柱区域和非微柱区域均为梯度湿润表面(35)。
5.根据权利要求4所述的一种强化碱性水电解过程中气泡分离装置，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁文君，龚文诺，李云松，张海峰，段炼，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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