电解设备 |
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| 申请号 | CN202311868857.0 | 申请日 | 2023-12-29 | 公开(公告)号 | CN117926297A | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 国能清远发电有限责任公司; | 发明人 | 聂鑫; 陈伟中; 李永生; 龙潇; | ||||
| 摘要 | 本公开涉及一种 电解 设备，包括：反应壳，所述反应壳形成有反应空间并且设置有多个进液口，所述反应壳内填充有电解液；多个传质层分别一一对应地布置在多个所述进液口处并且与所述反应壳相连；第一分隔板设置在所述反应空间中并且嵌设有析氢催化层，所述第一分隔板与所述析氢催化层围成第一反应区，所述第一反应区设置有 阴极 电极 ；第二分隔板设置在所述反应空间中并且环绕于所述第一分隔板，所述第二分隔板上嵌设有第一析 氧 催化层，所述第二分隔板与所述反应壳之间形成第二反应区，所述第二反应区设置有 阳极 电极。通过上述技术方案，本公开提供的电解设备能够实现通过 海 水 获取清洁的氢 能源 ，并且电解设备结构简单且易于维护。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电解设备，其特征在于，所述电解设备包括： |
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| 说明书全文 | 电解设备技术领域背景技术[0002] 海水储量丰富，氢能作为清洁能源的转换媒介，采用水电解技术制氢，利用二氧化碳加氢合成甲烷或甲醇，将氢能转化为化学能并储存起来，通过可再生能源－电能－氢能－电能－化学能之间的相互转化构建能源互联网。其中，利用可再生能源提供电力，以来源广泛且廉价的海水作为电解质原液，可以提高电解制氢的效率并降低电解制氢的成本，可以高效地实现以氢能作为能源载体建成能源互联网的目的。相关技术中，利用海水电解制氢的设备复杂庞大，具有较多的连接管路连接和控制阀门，设备难以维护。发明内容 [0003] 本公开的目的是提供一种电解设备，该电解设备能够实现通过海水获取清洁的氢能源，并且电解设备结构简单且易于维护。 [0004] 为了实现上述目的，本公开提供一种电解设备，所述电解设备包括：反应壳，所述反应壳形成有反应空间并且设置有多个进液口，多个所述进液口沿所述反应壳的周向间隔布置并且均与所述反应空间连通，所述反应壳内填充有电解液；多个传质层，多个所述传质层分别一一对应地布置在多个所述进液口处并且与所述反应壳相连；第一分隔板，所述第一分隔板设置在所述反应空间中并且嵌设有析氢催化层，所述第一分隔板与所述析氢催化层围成第一反应区，所述第一反应区设置有阴极电极；第二分隔板，所述第二分隔板设置在所述反应空间中并且环绕于所述第一分隔板，所述第二分隔板上嵌设有第一析氧催化层，所述第二分隔板与所述反应壳之间形成第二反应区，所述第二反应区设置有阳极电极；离子交换膜，所述离子交换膜布置在所述析氢催化层和所述第一析氧催化层之间；以及第一导管和第二导管，所述第一导管用于连通所述第一反应区和氢气收集装置，所述第二导管用于连通所述第二反应区和氧气收集装置。 [0005] 可选地，所述反应壳包括壳体主体和连接于所述壳体主体的多个导液壳，所述壳体主体上设置有所述进液口，所述导液壳形成有通道口和进液通道，所述进液通道与所述通道口和所述进液口连通，所述通道口处连接有所述传质层。 [0006] 可选地，所述导液壳构造为弧形并且成对设置，成对的两个所述导液壳背离所述壳体主体的端部彼此相互靠近，并且成对的两个所述导液壳彼此相对的一侧布置有所述传质层。 [0007] 可选地，所述电解设备还包括第三分隔板和第二析氧催化层，所述第三分隔板设置在所述反应空间中并且环绕于所述第二分隔板，所述第二析氧催化层嵌设于所述第三分隔板，所述阳极电极位于所述第一析氧催化层和所述第二析氧催化层之间。 [0008] 可选地，所述电解设备还包括渗透层，所述渗透层设置在所述反应空间中并且环绕于所述第二析氧催化层。 [0009] 可选地，所述第三分隔板包括多个第三子隔板，多个所述第三子隔板呈环形阵列布置，所述第二析氧催化层与多个所述第三子隔板同心布置，并且所述第二析氧催化层的部分嵌设于多个所述第三子隔板，所述第三子隔板通过第一支撑板连接所述渗透层。 [0010] 可选地，所述电解设备还包括多个蠕动泵，每个所述蠕动泵设置在所述反应壳中并且连接有第三导管和第四导管，所述第三导管伸入所述第一析氧催化层和所述第二析氧催化层之间，所述第四导管与所述第三导管分别位于所述第二析氧催化层的相对的两侧。 [0012] 可选地，所述蠕动泵通过第一导热件与所述密封壳的壳壁相连。 [0013] 可选地，所述第一分隔板包括多个第一子隔板，多个所述第一子隔板呈环形阵列布置，所述析氢催化层与多个所述第一子隔板同心布置，并且所述析氢催化层的部分嵌设于多个所述第一子隔板，所述第二分隔板包括多个第二子隔板，多个所述第二子隔板呈环形阵列布置，并且所述第一析氧催化层的部分嵌设于多个所述第二子隔板，多个所述第一子隔板与多个所述第二子隔板一一对应布置，并且所述第一子隔板与所述第二子隔板通过第二支撑板相连。 [0014] 可选地，所述反应壳还包括密封壳，所述壳体主体包括底板，所述密封壳与所述底板密封连接，所述电解设备还包括电源装置，所述电源装置与所述阳极电极和所述阴极电极电连接，并且所述电源装置设置在所述密封壳与所述底板所形成的密封空间中。 [0015] 可选地，所述电源装置通过第二导热件与所述密封壳的壳壁相连。 [0016] 可选地，所述反应壳的顶部设置有牵引环，所述牵引环通过牵引绳连接于固定物。 [0017] 通过上述技术方案，在本公开提供的电解设备中，传质层的两侧分别与海水和电解液接触，在电解工作过程中，阳极电极和第一析氧催化层发生氧化反应产生氧气，阴极电极和析氢催化层发生还原反应产生氢气，电解过程中产生的氢离子或氢氧根离子通过离子交换膜进行传递，电解液的水被消耗，在海水与电解液的界面压力差下，促使海水中的水蒸气能够直接扩散通过传质层，同时海水中的杂质离子被传质层排斥在外，反应壳中的电解液将透过的水蒸气吸收。由于反应壳中的电解液与海水持续存在界面压力差，海水中的水蒸气能够稳定持续地从传质层扩散到反应壳的内部，以维持电解液浓度恒定。另一方面，由于海浪具有动能，海浪的冲击压力作为海水中的水蒸气进行压滤流通的驱动压力，能够进一步提高水蒸气的通过率，从而有利于电解设备能够稳定地进行制氢过程。通过上述技术方案，本公开提供的电解设备能够实现通过海水获取清洁的氢能源，并且无需过多的连接管路和控制阀门，因而结构简单且易于维护。 [0020] 图1是本公开实施例提供的电解设备的立体示意图； [0021] 图2是本公开实施例提供的电解设备的一个视图； [0022] 图3是图2中A‑A处的剖面图； [0023] 图4是图2中B‑B处的剖面图； [0024] 图5是图4中C‑C处的向视图。 [0025] 附图标记说明 [0026] 1‑反应壳；101‑壳体主体；102‑导液壳；1021‑通道口；1022‑进液通道；103‑密封壳；2‑进液口；3‑传质层；4‑第一分隔板；5‑析氢催化层；6‑第一反应区；7‑阴极电极；8‑第二分隔板；9‑第一析氧催化层；10第二反应区；11‑阳极电极；12‑离子交换膜；13‑第一导管；14‑第二导管；15‑第三分隔板；16‑第二析氧催化层；17‑渗透层；18‑蠕动泵；19‑第三导管； 20‑第四导管；21‑第一导热件；22‑电源装置；23‑第二导热件；24‑牵引环；25‑牵引绳；26‑第一支撑板；27‑第二支撑板。 具体实施方式[0027] 以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。 [0028] 在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“内、外”是相对于对应的部件自身轮廓而言的“内、外”。另外，本公开所使用的术语“第一”、“第二”等是为了区分一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。在下面的描述中，当涉及到附图时，除非另有解释，不同的附图中相同的附图标记表示相同或相似的要素。上述定义仅用于解释和说明本公开，不应当理解为对本公开的限制。 [0029] 根据本公开的具体实施方式，参考图1至图5中所示，提供一种电解设备，电解设备包括：反应壳1，反应壳1形成有反应空间并且设置有多个进液口2，多个进液口2沿反应壳1的周向间隔布置并且均与反应空间连通，所述反应壳1内填充有电解液；多个传质层3，多个传质层3分别一一对应地布置在多个进液口2处并且与反应壳1相连；第一分隔板4，第一分隔板4设置在反应空间中并且嵌设有析氢催化层5，第一分隔板4与析氢催化层5围成第一反应区6，第一反应区6设置有阴极电极7；第二分隔板8，第二分隔板8设置在反应空间中并且环绕于第一分隔板4，第二分隔板8上嵌设有第一析氧催化层9，第二分隔板8与反应壳1之间形成第二反应区，第二反应区设置有阳极电极11；离子交换膜12，离子交换膜12布置在析氢催化层5和第一析氧催化层9之间；以及第一导管13和第二导管14，第一导管13用于连通第一反应区6和氢气收集装置，第二导管14用于连通第二反应区和氧气收集装置。 [0030] 在本公开中，电解海水制氢制氧的原理为：海水中具有水蒸气，一方面，在海水与电解液的界面压力差推动下，海水中的水蒸气扩散通过传质层3，同时海水中的杂质离子被传质层3排斥在外，电解液迅速将透过的水蒸气吸收，反应壳1内部的电解液在电解制氢过程中被消耗水，使传质层3内外持续保持界面压力差，海水中的水蒸气能够稳定持续地从传质层3扩散至反应壳1的内部，该过程能够持续、快速地获得纯净无杂质的水蒸气。另一方面，由于海浪具有动能，海浪的冲击压力作为海水中的水蒸气进行压滤流通的驱动压力，能够进一步提高水蒸气的通过率，从而提高纯水产量。基于催化电解制氢原理，阳极电极11电解电解液中的纯水产生氧气，阴极电极7电解电解液中纯水产生氢气，这个过程中产生的氢离子或氢氧根离子通过离子交换膜12发生传递。 [0032] 其中，传质层3可以为孔径为1μm的PTFE膜，PTFE膜是采用聚四氟乙烯分散树脂经预混、挤压、压延、双向拉伸等特殊工艺生产的微孔性薄膜，具有较强的疏水性，在透气的同时能够阻止水和其他杂质的通过。 [0033] 其中，阳极电极11可以为具有气体扩散性的碳纸层，第一析氧催化层9可以为Ir/C(铱碳催化剂)，第一析氧催化层9可以提高阳极电解反应的效率；阴极电极7可以为具有气体扩散性的碳纸层，析氢催化层5为Pt/C(铂炭催化剂)，析氢催化层5可以提高阴极电解反应的效率。 [0034] 其中，离子交换膜12为Nafion膜，其原理是基于离子的选择性传输和电荷平衡。Nafion膜由聚四氟乙烯(PTFE)主链和负离子交换基团(通常是磺酸基)交替组成。这种结构使得Nafion膜既具有聚合物的耐化学性和耐温性，又具有离子交换膜的离子选择性。当Nafion膜处于水中时，负离子交换基团会吸收水分子并释放带有磺酸根离子的负电荷。这些带负电荷的磺酸根离子与水中的阳离子(如氢离子)进行离子交换，形成一个离子通道，只允许阳离子在离子交换膜12中传输。同时，由于离子交换的电中性原理，离子交换膜12中的带负电荷的磺酸根离子必须与等量的正电荷进行平衡，通常通过水中的阳离子(如氢离子)来实现。因此，当阳离子(如氢离子)从离子交换膜12的一侧进入时，对应数量的阳离子(如氢离子)也会从水中进入离子交换膜12的另一侧，以保持电荷平衡。 [0035] 通过上述技术方案，在本公开提供的电解设备中，传质层3的两侧分别与海水和电解液接触，在电解工作过程中，阳极电极11和第一析氧催化层9发生氧化反应产生氧气，阴极电极7和析氢催化层5发生还原反应产生氢气，电解过程中产生的氢离子或氢氧根离子通过离子交换膜12进行传递，电解液的水被消耗，在海水与电解液的界面压力差下，促使海水中的水蒸气能够直接扩散通过传质层3，同时海水中的杂质离子被传质层3排斥在外，反应壳1中的电解液将透过的水蒸气吸收。由于反应壳1中的电解液与海水持续存在界面压力差，从而能够海水中的水蒸气能够稳定持续地从传质层3扩散到反应壳1的内部，以维持电解液浓度恒定。另一方面，由于海浪具有动能，海浪的冲击压力作为海水中的水蒸气进行压滤流通的驱动压力，能够进一步提高水蒸气的通过率，从而有利于电解设备能够稳定地进行制氢过程。通过上述技术方案，本公开提供的电解设备能够实现通过海水获取清洁的氢能源，并且无需过多的连接管路和控制阀门，因而结构简单且易于维护。 [0036] 在本公开中，反应壳1可以构造为任意合适的形状。根据本公开的一种示例性实施方式，参考图2中所示，反应壳1可以包括壳体主体101和连接于壳体主体101的多个导液壳102，壳体主体101上设置有进液口2，导液壳102形成有通道口1021和进液通道1022，进液通道1022与通道口1021和进液口2连通，通道口1021处连接有传质层3。上述技术方案中，通过设置多个导液壳102，并且在每个导液壳102的通道口1021设置传质层3，能够增大传质层3与海水的接触面积，从而提高纯水的产水量。 [0037] 根据本公开的示例性实施方式，参考图2和图3中所示，导液壳102可以构造为弧形并且成对设置，成对的两个导液壳102背离壳体主体101的端部彼此相互靠近，并且成对的两个导液壳102彼此相对的一侧布置有传质层3。 [0038] 上述技术方案中，成对设置的两个导液壳102之间形成门孔，传质层3设置在两个导液壳102相对的侧部，通过这样设置，当海浪冲击力过大时，成对设置的两个导液壳102形成的门孔不但可以限制进入两个导液壳102之间的海水量，减小海浪的冲击力，还可以使进入门孔的海浪首先作用在壳体主体101，降低海浪的速度，从而防止过大的冲击力对传质层3造成破坏。 [0039] 根据本公开的示例性实施方式，参考图2和图3中所示，电解设备还可以包括第三分隔板15和第二析氧催化层16，第三分隔板15设置在反应空间中并且环绕于第二分隔板8，第二析氧催化层16嵌设于第三分隔板15，阳极电极11位于第一析氧催化层9和第二析氧催化层16之间。上述技术方案中，通过设置第二析氧催化层16，能够提高阳极的电解效率。 [0040] 根据本公开的示例性实施方式，参考图2和图3中所示，电解设备还包括渗透层17，渗透层17设置在反应空间中并且环绕于第二析氧催化层16。由于电解反应中杂质离子会影响电解反应的效率，上述技术方案中，通过设置渗透层17能够进一步阻挡进入反应壳1内电解液中的杂质离子，其中，渗透层17可以为PTFE膜。 [0041] 根据本公开的示例性实施方式，参考图2和图3中所示，第三分隔板15可以包括多个第三子隔板，多个第三子隔板呈环形阵列布置，第二析氧催化层16与多个第三子隔板同心布置，并且第二析氧催化层16的部分嵌设于多个第三子隔板，第三子隔板通过第一支撑板26连接渗透层17。上述技术方案中，第三子隔板和渗透层17通过第一支撑板26连接，一方面能够保持渗透层17与第二析氧催化层16的间距，另一方面能够提高第二析氧催化层16和渗透层17的结构强度。 [0042] 随着电解反应的持续，第二析氧催化层16内侧的区域中氢离子或氢氧根离子越来越多，会影响电解效率，根据本公开的示例性实施例，结合参考图3和图5中所示，电解设备还可以包括多个蠕动泵18，每个蠕动泵18设置在反应壳1中并且连接有第三导管19和第四导管20，第三导管19伸入第一析氧催化层9和第二析氧催化层16之间，第四导管20与第三导管19分别位于第二析氧催化层16的相对的两侧。上述技术方案中，蠕动泵18的数量为多个，其中，一部分蠕动泵18用于将第二析氧催化层16内侧的电解液向第二析氧催化层16外侧泵送，另一部分蠕动泵18用于将第二析氧催化层16外侧的电解液向第二析氧催化层16内侧泵送以提高第二析氧催化层16内侧的纯水量。 [0043] 根据本公开的示例性实施例，参考图2和图4中所示，反应壳1可以包括壳体主体101和密封壳103，壳体主体101包括底板，密封壳103与底板密封连接，蠕动泵18设置在密封壳103与底板所形成的密封空间中。上述技术方案中，底板底部设置密封壳103，蠕动泵18设置在密封壳103内，能够降低电解设备的重心，从而提高电解设备的稳定性，使电解设备不易倾倒。 [0044] 根据本公开的示例性实施例，参考图2和图4中所示，蠕动泵18通过第一导热件21与密封壳103的壳壁相连。上述技术方案中，蠕动泵18在工作过程中会产生热量，第一导热件21可以将蠕动泵18产生的热量传导给密封壳103，并通过海水降温。其中，第一导热件21可以为紫铜导热片，还可以为其他导热优良的材料，例如铝等，本公开对此不做限制。蠕动泵18外部还可以设置第一紫铜封箱，第一紫铜封箱能够进一步提高蠕动泵18与密封壳103之间的传热效率。 [0045] 根据本公开的示例性实施例，参考图2和图4中所示，第一分隔板4可以包括多个第一子隔板，多个第一子隔板呈环形阵列布置，析氢催化层5与多个第一子隔板同心布置，并且析氢催化层5的部分嵌设于多个第一子隔板，第二分隔板8包括多个第二子隔板，多个第二子隔板呈环形阵列布置，并且第一析氧催化层9的部分嵌设于多个第二子隔板，多个第一子隔板与多个第二子隔板一一对应布置，并且第一子隔板与第二子隔板通过第二支撑板27相连。上述技术方案中，通过第二支撑板27将析氢催化层5和第一析氧催化层9连为一体，能够提高析氢催化层5和第一析氧催化层9的结构强度。 [0046] 根据本公开的示例性实施例，参考图2和图4中所示，反应壳1还包括密封壳103，壳体主体101包括底板，密封壳103与底板密封连接，电解设备还包括电源装置22，电源装置22与阳极电极11和阴极电极7电连接，并且电源装置22设置在密封壳103与底板所形成的密封空间中。上述技术方案中，反应壳1底部设置密封壳103，电源装置22设置在密封壳103内，能够降低电解设备的重心，从而提高电解设备的稳定性，使电解设备不易倾倒。密封壳103的底部还可以连接密封管线，密封管线内设置供电电缆。密封管线设置在密封壳103底部，能够进一步降低电解设备的重心，提高电解设备的稳定性，防止电解设备倾倒。 [0047] 根据本公开的示例性实施例，参考图2和图4中所示，电源装置22通过第二导热件23与密封壳103的壳壁相连。上述技术方案中，电源装置22工作会产生热量，第二导热件23可以将电源装置22产生的热量传导给密封壳103，并通过海水降温。其中，第二导热件23可以为紫铜导热片，还可以为其他导热优良的材料，例如铝等，本公开对此不做限制。电源装置22外部还可以设置第二紫铜封箱，第二紫铜封箱能够进一步提高电源装置22与密封壳 103之间的传热效率。 [0048] 根据本公开的示例性实施例，参考图1和图2中所示，反应壳1的顶部设置有牵引环24，牵引环24通过牵引绳25连接于固定物。上述技术方案中，通过牵引绳25连接反应壳1，能够将电解设备束缚，防止电解设备被海水冲走。 [0049] 参考图1至图5中所示，本公开的电解设备的实施原理为：海水从成对设置的两个导液壳102之间的门孔进入后，经传质层3阻隔过滤生成纯水进入反应壳1内部。在阳极电极11、第一析氧催化层9和第二析氧催化层16发生氧化反应产生氧气，在阴极电极7和析氢催化层5发生还原反应产生氢气。电解过程中产生的氢离子或氢氧根离子通过离子交换膜12进行传递。一部分蠕动泵18将第二析氧催化层16外侧的电解液向第二析氧催化层16内部泵送，同时，另一部分蠕动泵18将第二析氧催化层16内侧的电解液向第二析氧催化层16外部泵送。同时，蠕动泵18在工作过程中产生的热量通过第一导热件21传递给密封壳103并经海水降温，电源装置22在工作过程中产生的热量通过第二导热件23传递给密封壳103并经海水降温。反应壳1通过牵引绳25束缚，能够防止反应壳1被海水冲走。 [0050] 以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。 [0051] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。 [0052] 此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。 |
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