一种催化电解制取氢气装置
技术领域
本发明主要涉及氢气制备
技术领域
，具体地说，涉及一种催化电解制取氢气装置。背景技术
随着世界范围能源危机与环境危机的不断加重，新能源成为越来越受重视的发展方向，氢能成为实现碳达峰、碳中和的重要手段。随着氢燃料电池的发明、发展和产业化，需要更清洁的方式实现氢气的制取，才能起到节能减排的效果。目前氢气的制取方式在很大程度上限制了氢能的普及和应用。电解水制氢被认为是制取氢气的主要途径，尤其是利用太阳能、风能这种波动幅度大对电网产生冲击，而产生弃风、弃光的新能源发电系统，利用被放弃的能量进行电解水制取氢气，使能源得到最充分的利用。随着氢气用量的不断增加，电解水技术取得了发展和应用，主要有碱性电解水、PEM(Proton Exchange Membrane，质子交换膜)电解水等技术，但都存在需要使用贵金属作为催化剂，尤其是PEM电解水技术，需要大量使用铂、铱等非常稀缺的贵重金属作为催化剂，而这些贵重金属也是燃料电池的主要催化剂，必然会出现与燃料电池争抢催化剂，造成成本难以控制的局面。而且这些电解水技术都存在电极极化大的问题，导致电解效率低。此外，传统电解水装置设计人员，在不断地改进原有的设计，试图改进原有的缺陷，由于没有从材料端改变，效果相对不明显。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种催化电解制取氢气装置，可解决现有技术成本偏高、电解效率低的技术缺陷。
本发明的催化电解制取氢气装置，包括外壳、AC-DC变换器、氧气收集系统、氢气收集系统、电解液供给系统，所述电解液供给系统设置于外壳内，所述电解液供给系统内设置有若干个独立的电解发生室，相邻的电解发生室之间设置有隔膜，每个电解发生室内设置有电解水单元，若干个电解水单元串联连接，每个电解水单元包括双极性催化电极和密封件，所述双极性催化电极包括阳极电极和阴极电极，所述阳极电极和阴极电极之间利用电极隔板分离，所述阴极电极涂布有用于催化电解的阴极材料粒子，所述电极隔板将每个电解发生室分为氧气生成区和氢气生成区，所述氧气生成区的底部和氢气生成区的顶部均设置有密封件，所述氧气收集系统通过第一管道与氧气生成区相连通，所述氢气收集系统通过第二管道与氢气生成区相连通，所述AC-DC变换器用于将外界的交流电转换为直流电，提供电解的电能。
进一步地，所述双极性催化电极的阳极电极采用在第一金属板基体的一面涂布阳极材料粒子形成，其阴极电极采用在第二金属板基体的一面涂布阴极材料粒子形成，将涂布阳极材料粒子的第一金属板基体、电极隔板和涂布阴极材料粒子的第二金属板基体依次叠加组合形成所述双极性催化电极，所述第一金属板基体涂布阳极材料粒子的一面与所述第二金属板基体涂布阴极材料粒子的一面相背离设置。
进一步地，所述双极性催化电极的阳极电极和阴极电极分别采用第三金属板基体一面涂布阳极材料粒子、另一面涂布阴极材料粒子的方式完成。
进一步地，所述阳极材料粒子为镍、镍的氧化物、镍的氢氧化物中的一种或两种及以上的混合物，所述阴极材料粒子为稀土合金。
进一步地，所述双极性催化电极上设置有电解出液口，且其顶部分别设置氧气出口、氢气出口和电解进液口，所述电解进液口、电解出液口与各电解发生室相连通，所述氧气出口与第一管道连通，所述氢气出口与第二管道连通。
进一步地，所述第一金属板基体、第二金属板基体和电极隔板上均开设有电解出液口、电解进液口、氧气出口和氢气出口。
进一步地，所述催化电解制取氢气装置还包括电流监控器和电压监控器，所述电流监控器和电压监控器分别用于检测并控制电解反应的电流和电压。
进一步地，所述氢气收集系统中安装有气体浓度检测装置、泄爆和快速排放口，所述气体浓度检测装置用于确定氢气浓度是否在安全范围，所述泄爆和快速排放口用于进行气体泄放。
进一步地，所述催化电解制取氢气装置还包括复合边框，所述复合边框包覆在所述隔膜的四周边。
进一步地，所述电解液供给系统以碱性溶液作为电解液。
本发明的催化电解制取氢气装置，包括外壳、AC-DC变换器、氧气收集系统、氢气收集系统、电解液供给系统，所述电解液供给系统设置于外壳内，所述电解液供给系统内设置有若干个独立的电解发生室，相邻的电解发生室之间设置有隔膜，每个电解发生室内设置有电解水单元，若干个电解水单元串联连接，每个电解水单元包括双极性催化电极和密封件，所述双极性催化电极包括阳极电极和阴极电极，所述阳极电极和阴极电极之间利用电极隔板分离，所述阴极电极涂布有用于催化电解的阴极材料粒子，所述电极隔板将每个电解发生室分为氧气生成区和氢气生成区，所述氧气生成区的底部和氢气生成区的顶部均设置有密封件，所述氧气收集系统通过第一管道与氧气生成区相连通，所述氢气收集系统通过第二管道与氢气生成区相连通，所述AC-DC变换器用于将外界的交流电转换为直流电，提供电解的电能，通过上述设置有效实现了气体分离和高纯度气体的制取。
此外，本发明的催化电解制取氢气装置使用镍、镍的氧化物、镍的氢氧化物中的一种或两种及以上的混合物作为阳极、使用稀土合金作为阴极，阴阳极间利用隔膜分离，有效的解决了传统水电解制氢电极极化大的问题，且稀土合金催化电解制取氢气装置的使用，有效的降低了氢原子在水中的吸附和脱附的能量，使外部提供的电能可以更多的用于氢氧电解反应，提高了电解水反应的氢气制取效率。
进一步地，上述催化电解制取氢气装置，在设计过程中设定了一个特殊的带复合边框的隔膜可以根据需要将电解产生的氢气和氧气进行混合或隔离，提高氢气制取纯度。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一实施例的催化电解制取氢气装置在的结构简图；
图2是图1中双极性催化电极的制作示意图。
附图标记说明：
1、外壳；2、电解液供给系统；3、隔膜；4、双极性催化电极；5、密封件；6、阳极电极；7、阴极电极；8、电极隔板；9、第一管道；10、第二管道；11、阳极材料粒子；12、阴极材料粒子；13、第一金属板基体；14、第二金属板基体；15、电解出液口；16、氧气出口；17、氢气出口；18、电解进液口。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明中，术语“顶”、“底”“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”主要用于区分不同的部件，但不对部件进行具体限制。
图1所示是本发明一实施例的催化电解制取氢气装置的结构示意图。该实施例的催化电解制取氢气装置包括外壳1、AC-DC(Alternating current交流，Direct current直流)变换器、氧气收集系统、氢气收集系统、电解液供给系统2，电解液供给系统2设置于外壳1内，其内设置有若干个独立的电解发生室，相邻的电解发生室之间设置有隔膜3，每个电解发生室内设置有电解水单元，每个电解水单元包括双极性催化电极4和密封件5，隔膜3用于隔离双极性催化电极4避免其接触短路，且隔膜3与电解液供给系统2中的电解液共同形成离子通道，便于电解制氢反应的进行，若干个电解水单元串联连接，该双极性催化电极4包括阳极电极6和阴极电极7，其中，阳极电极6和阴极电极7之间利用电极隔板8分离，阴极电极7涂布有用于催化电解的阴极材料粒子12，电极隔板8将每个电解发生室分为氧气生成区和氢气生成区，氧气生成区的底部和氢气生成区的顶部均设置有密封件5，氧气收集系统通过第一管道9与氧气生成区相连通，能够将阳极电极6产生的氧气收集并储存，氢气收集系统通过第二管道10与氢气生成区相连通，能够将阴极电极7产生的氢气收集并储存，AC-DC变换器用于将外界的交流电转换为直流电，提供电解的电能。需要说明的是，为确定收集的氢气浓度在安全范围内，避免爆炸情况的发生，氢气收集系统上安装有气体浓度检测装置以及泄爆和快速排放口，一旦气体浓度检测装置检测到收集的氢气浓度超过预设的安全范围，则启动泄爆和快速排放口进行氢气排放。
作为本发明的优选实施例，参见图2，上述双极性催化电极4的阳极电极6采用在第一金属板基体13的一面涂布阳极材料粒子11形成，其阴极电极7采用在第二金属板基体14的一面涂布阴极材料粒子12形成，将涂布阳极材料粒子11的第一金属板基体13、电极隔板8和涂布阴极材料粒子12的第二金属板基体14依次叠加组合形成所述双极性催化电极4，上述第一金属板基体13涂布阳极材料粒子11的一面与第二金属板基体14涂布阴极材料粒子12的一面相背离设置。
值得提及的是，本发明并不限于先制作独立的阳极电极6和阴极电极7，再通过电极隔板8组合为双极性催化电极4，在其他实施例中，双极性催化电极4的阳极电极6和阴极电极7分别采用第三金属板基体一面涂布阳极材料粒子11、另一面涂布阴极材料粒子12的方式完成，这种情形下只需要一块金属板基体即可。优选地，第一金属板基体13、第二金属板基体14和第三金属板基体采用镍板，阳极材料粒子11为镍、镍的氧化物、镍的氢氧化物中的一种或两种及以上的混合物，阴极材料粒子12为稀土合金，但是阳极材料粒子11、阴极材料粒子12亦可用其他材料。故此，本发明的双极性催化电极4，阴阳极涂布的物质都不含有铂、铱等贵重且稀有的金属，转而使用稀土合金为主要成分，不仅大幅度降低了氢气制取装置的成本，而且有助于将铂、铱等贵金属投入到氢燃料电池产品中，在为其提供反应的氢气的情况下，不与其争夺资源，能够有效促进行业发展。
在进一步地技术方案中，双极性催化电极4的底部设置有电解出液口15、其顶部分别设置氧气出口16、氢气出口17和电解进液口18，电解进液口18、电解出液口15与各电解发生室相连通，氧气出口16与第一管道9连通，氢气出口17与第二管道10连通，具体地，参见图2，第一金属板基体13、第二金属板基体14和电极隔板8上即均开设有电解出液口15、电解进液口18、氧气出口和氢气出口17。
本发明的催化电解制取氢气装置中以碱性溶液作为电解液，该装置通电后，在阳极端电解质中的OH-会氧化生成O2，同时在阴极端H2O中的H+会还原生成H2，由于稀土合金是阴极反应的有效催化剂，可以提高反应效率，这样就会在隔膜3和双极性催化电极4的第一金属板基体13、第二金属板基体14之间分别形成氧气生成区和氢气生成区，可以通过密封件5形成氢气和氧气分离的气体通道，结合外部第一管道9、第二管道10分别进行气体收集。需要说明的是，当该双极性催化电极4的阳极电极6和阴极电极7分别采用第三金属板基体一面涂布阳极材料粒子11、另一面涂布阴极材料粒子12的方式完成时，该第三金属板制作成多层结构，其上分别形成氢气和氧气流道进行气体收集，具体地，该多层结构的第三金属板的其中一侧为氧气收集通道，另一侧为氢气收集通道，中间层是电解液加入通道。同时，在电解液供给系统2内设置有电解液液面控制器，用于控制电解液的供给量，保证反应的进行。
在进一步地技术方案中，上述催化电解制取氢气装置还包括电流监控器和电压监控器，该电流监控器和电压监控器分别用于检测并控制电解反应的电流和电压，确保电解反应在预设区间内进行，在产生异常时能报警并停止供电。
同时，本发明装置中隔膜3需要做边缘密封处理，做到不能有气体流通，隔膜3的四周边包覆有复合边框，这样形成绝缘且不透气的带复合边框的隔膜3。
综上，本发明的催化电解水制取氢气装置，一方面有效的实现了电解水制氢技术的进步，将新型的带气体分离结构的双极性催化电极4引入制氢装置，便于实现气体分离和高纯度气体的制取，没有使用铂、铱等稀有贵重金属，转而使用稀土合金，不仅有效的控制了成本还能为整个行业资源的合理化提供保证；另一方面，使用双极性催化电极4结构和稀土合金，有效降低了反应电阻阻抗和电化学阻抗，提高了反应效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
