[发明专利]一种基于电源切换的无膜电解水制氢装置

说明书

本发明公开了一种基于电源切换的无膜电解水制氢装置，涉及水电解技术领域。包括电解槽、双极电极和电极组，电解槽中间通过镍板分隔为左室和右室；左室和右室中均填充有碱性电解液；左室和右室的上端均设有气液混合出口；双极电极设置在镍板的两侧，两电极组分别设置在左室和右室中，并与电解电源的正/负极连接。本发明通过将电极组分别串联继电器与电解电源的正负极连接，通过切换电解电源的正负极实现电解室的循环析氢析氧，实现了无电解膜、高压情况下同步分室循环完成电解水产氢和产氧，实现了低成本、低能耗、稳定的电解水制氢，并且无需切换双极电极，解决了密封问题。

技术领域

本发明属于水电解技术领域，特别是涉及一种基于电源切换的无膜电解水制氢装置。

背景技术

在化石能源总量有限且产生大量污染排放的情况下，氢能被认为是连接化石能源向可再生能源过渡的重要桥梁，氢源开发和制氢环节是发展“氢能经济”的首要前提。目前，工业上主要采用化石燃料重整制氢，从环境保护和能量损耗的角度来看，都不符合可持续发展的要求。而相较于传统的制氢工艺，电解水制氢不仅原料来源广泛、价格低廉，而且制备过程清洁、产品纯度高；此外，驱动水分解的电能还可由太阳能、风能、水力能和地热能等新能源转换而来。这些可持续能源之间的转换，不仅可以实现可再生能源通过电解水转化为化学燃料的存储，同时也弥补了能源在时间和空间上可持续供应的差距，因而被公认为最有发展前景的绿色制氢路线。

常规的电解水制氢必须采用离子交换膜以分隔氢气和氧气，离子交换膜价格昂贵，增加了电解制氢的成本，同时膜的使用增加了体系内阻，提升了能耗，传统的电解水过程需要非常稳定的功率输入，以确保H₂和O₂产率达到平衡，降低膜两侧的压力差。然而，相较于析氢过程，析氧过程表现出较慢的动力学特征；随着输入功率的变化，析氢/析氧过程的响应速率不同，势必会造成膜两侧瞬间压差增加，进而导致膜的破损和气体混合的危险，另外，由于H₂、O₂和电解水催化剂的共同存在会产生活性氧，它对离子交换膜会有降解作用，因而降低了膜的使用寿命。

针对这一技术难题，近年来，两步法电解水制氢技术应运而生，两步法基于三个电极：析氢电极、析氧电极，发泡镍及掺杂钴等电极，碱液中镍表面发生阳极氧化生成Ni(OH)₂/NiOOH氧化物覆盖层。发泡镍电极通过进行“间隔插入式”或“连续旋转式”切换，分别产氢产氧，使电解过程持续进行。这种发泡镍电极经常切换产生的问题是高压力下的彻底密封问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电源切换的无膜电解水制氢装置，通过将电极组分别串联继电器与电解电源的正负极连接，通过切换电解电源的正负极实现电解室的循环析氢析氧，实现了无电解膜、高压情况下同步分室循环完成电解水产氢和产氧，实现了低成本、低能耗、稳定的电解水制氢，并且无需切换双极电极，解决了密封问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种基于电源切换的无膜电解水制氢装置，包括电解槽，所述电解槽中间通过镍板分隔为左室和右室；所述左室和右室中均填充有碱性电解液；所述左室和右室的上端均设有一气液混合出口；双极电极，所述双极电极设置在镍板的两侧，所述双极电极的两端分别插入左室和右室中；电极组，两所述电极组分别设置在左室和右室中；所述左室的电极组串联第一继电器至电解电源的正极；所述左室的电极组串联第二继电器至电解电源的负极；所述右室的电极组串联第三继电器至电解电源的负极；所述右室的电极组串联第四继电器至电解电源的正极。

进一步地，所述电极组采用双功能电极或者采用一个析氧电极和一个析氢电极组成的组合电极。

进一步地，所述电极组采用双功能电极时；

所述左室的双功能电极的上端串联第一继电器至电解电源的正极；所述左室的双功能电极的上端还串联第二继电器至电解电源的负极；