[发明专利]一种电解水制氢制氧反应装置

说明书

本发明提供了一种电解水制氢制氧反应装置，包括无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽、两套气液分离器、两套干燥管、碱液箱、储氢罐、储氧罐和硅胶管。所述的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽包括阴极端板、阴极极板、自支撑型过渡金属阴极材料、石棉隔膜、自支撑型过渡金属阳极材料、阳极极板和阳极端板等组件。本发明提供的反应装置无需贵金属和质子交换膜，大大降低了装置成本。此外，由于自支撑型电极材料充当反应催化剂和集流体的双重作用，进一步提升了反应装置的能量转化效率，可实现每分钟制氢量超过320mL，制氧量超过160mL。因此，在碳中和背景下，本发明提供的电解水制氢制氧反应装置具有非常光明的商业化应用前景。

技术领域

本发明涉及化工设备技术领域，尤其涉及一种电解水制氢制氧反应装置。

背景技术

人类社会面临着十分严重的能源危机：煤、石油、天然气等化石燃料的需求日趋增加，而这些化石燃料的全球储量却在日益减少，因此开发新的能源显得尤为重要。氢能(H₂)作为一种可再生的新能源，具有清洁、可再生、燃烧值高、易运输以及原料丰富等优点，被视为是未来最有希望替代化石燃料的新能源。可是氢气在自然界中并不存在，因此工业上有天然气制氢、甲醇裂解制氢、焦炉煤气制氢和电解水制氢等多种制氢工艺。其中电解水制氢由于生产过程无温室气体排放，有望在碳中和背景下成为氢气来源的主要路线。

目前主流的电解水制氢技术主要有三种类型：固态氧化物电解水制氢、碱性电解水制氢和质子交换膜电解水制氢。首先固态氧化物电解水制氢技术是在高温条件下(1000℃)工作，每制备1Nm³氢气能耗低至2.6～3.6kW·h，但高温工作条件对电极材料提出了巨大的挑战。因此目前固态氧化物电解水制氢技术还处于实验室研究阶段。

碱性电解水催化材料的研发最为成熟，但却有占地面积大、启停速度慢、难以适应可再生能源间歇性的缺点。质子交换膜电解水设备结构紧凑、启停速度快、还可与可再生能源良好匹配。但其电极材料的工作环境是酸性(pH≈2)，因此商用质子交换膜电解水的电极材料主要是由耐蚀性良好的贵金属来充当；并且电解槽需要昂贵的质子交换膜来将气体隔开，且起到质子传递的作用。因此质子交换膜电解水设备的价格非常昂贵，很大程度上限制了质子交换膜电解水制氢技术的大规模推广应用。

发明内容

本发明提供一种电解水制氢制氧的反应装置。由于质子交换膜电解水制氢设备具有结构紧凑、占地面积小的优势，碱性电解水制氢催化材料的研发最为成熟。因此，将两种电解水制氢技术的优势进行结合，形成一种新的电解水制氢技术。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种电解水制氢制氧反应装置包括无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽、两套气液分离器(分别用于分离氢气和碱液以及氧气和碱液)、两套干燥管(分别用于干燥氢气和氧气)、碱液箱、储氢罐、储氧罐和硅胶管。

进一步地，如上所述的一种电解水制氢制氧反应装置，所述的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽是在质子交换膜电解槽的基础上，以自支撑型过渡金属阴极材料加石棉加自支撑型过渡金属阳极材料的组合替换原有电解槽中的贵金属膜电极，并将纯水替换为KOH电解液。此外，由于自支撑型电极材料具有整体式的特点，可以同时充当化学反应催化剂和集流体的双重作用，从而组装成包括阴极端板、阴极极板、自支撑型过渡金属阴极材料、石棉、自支撑型过渡金属阳极材料、阳极极板和阳极端板等组件的无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽。

进一步地，如上所述的一种电解水制氢制氧反应装置，相对于现有的质子交换膜电解水设备，无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽无需贵金属材料和质子交换膜，大幅度降低了反应装置的整体成本。

进一步地，如上所述的一种电解水制氢制氧反应装置，相对于碱性电解水设备，无集流体无质子交换膜自支撑型电极的电解槽具有宽的运行功率范围和快电负荷响应速度，更有利于反应装置匹配波动的可再生能源。