本發(fā)明涉及電解水制氫，尤其涉及一種無(wú)膜水電解裝置以及無(wú)膜水電解方法。

背景技術(shù)：

1、化石能源燃燒帶來(lái)的環(huán)境污染與氣候變化是人類(lèi)社會(huì)所面臨的共同挑戰(zhàn)，從傳統(tǒng)化石能源向可再生能源過(guò)渡是發(fā)展的必經(jīng)之路。電解水制氫與可再生能源發(fā)電結(jié)合性好，是解決可再生能源季節(jié)性變動(dòng)及供需不匹配問(wèn)題的最佳技術(shù)。然而現(xiàn)有的堿性水電解和質(zhì)子交換膜水電解技術(shù)均難以兼顧效率與固定成本。堿性水電解技術(shù)成熟，裝置的材料成本低，但是電流密度上限低且效率低，質(zhì)子交換膜水電解效率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，然而由于使用了質(zhì)子交換膜、銥催化劑、鈦雙極板等部件，導(dǎo)致固定成本高，不利于產(chǎn)品制造的成本控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種無(wú)膜水電解裝置以及無(wú)膜水電解方法，其既能夠提升電解水制氫的效率，還能夠通過(guò)簡(jiǎn)化無(wú)膜水電解池的結(jié)構(gòu)，以降低產(chǎn)品制造成本。

2、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種無(wú)膜水電解裝置，包括：

3、無(wú)膜水電解池，其包括陰電極和陽(yáng)電極，所述陰電極和陽(yáng)電極之間具有微納尺度間隔，所述陽(yáng)電極用于通電產(chǎn)生氧氣，所述陰電極用于通電產(chǎn)生氫氣；

4、流動(dòng)組件，其用于為所述無(wú)膜水電解池提供電解質(zhì)，且所述流動(dòng)組件還用于致使所述電解質(zhì)在所述無(wú)膜水電解池的陽(yáng)電極和陰電極之間流動(dòng)，使得電解出的氧氣和氫氣能夠排出；

5、供電組件，其用于為所述無(wú)膜水電解池的陰電極和陽(yáng)電極提供可調(diào)節(jié)的電能。

6、在一些實(shí)施例中，所述微納尺度間隔的尺寸范圍為1nm至1mm。

7、在一些實(shí)施例中，所述微納尺度間隔與兩倍的電解質(zhì)的德拜長(zhǎng)度之比小于1，以使所述陰電極和陽(yáng)電極實(shí)現(xiàn)雙電層交疊；其中，所述電解質(zhì)的德拜長(zhǎng)度根據(jù)以下公式確定：

8、

9、其中，λ為所述電解質(zhì)的德拜長(zhǎng)度，ε為所述電解質(zhì)的介電常數(shù)，kb為玻爾茲曼常數(shù)，t為所述電解質(zhì)的溫度，i、qi和ni分別為所述電解質(zhì)中的離子的種類(lèi)、電荷量和離子數(shù)密度。

10、在一些實(shí)施例中，所述陰電極的電極表面的延伸平面與所述陽(yáng)電極的電極表面的延伸平面之間相互平行，或形成有第一夾角；其中，所述電極表面為用于發(fā)生反應(yīng)的表面。

11、在一些實(shí)施例中，所述無(wú)膜水電解池的陰電極采用具有氫氣析出反應(yīng)催化特性的材料制成；所述無(wú)膜水電解池的陽(yáng)電極采用具有氧氣析出反應(yīng)催化特性的材料制成。

12、在一些實(shí)施例中，在所述微納尺度間隔與兩倍的電解質(zhì)的德拜長(zhǎng)度之比小于1的情況下，所述陰電極采用具有酸性氫氣析出反應(yīng)催化特性的材料制成，所述陽(yáng)電極采用具有堿性氧氣析出反應(yīng)催化特性的材料制成。

13、在一些實(shí)施例中，所述流動(dòng)組件為所述無(wú)膜水電解池提供的電解質(zhì)為液態(tài)電解質(zhì)，且所述流動(dòng)組件還用于致使所述液態(tài)電解質(zhì)在所述陰電極和陽(yáng)電極之間以第一流動(dòng)方式流動(dòng)。

14、在一些實(shí)施例中，所述流動(dòng)組件還包括氫氧分離構(gòu)件，其用于使電解出的氫氣和氧氣相分離，以分別得到純氫氣和純氧氣。

15、在一些實(shí)施例中，所述陰電極和所述陽(yáng)電極上均設(shè)有通孔，所述流動(dòng)組件還用于致使所述電解質(zhì)流經(jīng)所述陰電極上的通孔和陽(yáng)電極上的通孔。

16、本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種無(wú)膜水電解方法，包括：

17、將無(wú)膜水電解池的陰電極和陽(yáng)電極的間隔設(shè)置為微納尺度間隔；其中，所述陽(yáng)電極用于通電產(chǎn)生氧氣，所述陰電極用于通電產(chǎn)生氫氣；

18、通過(guò)流動(dòng)組件為所述無(wú)膜水電解池提供電解質(zhì)，且經(jīng)由流動(dòng)組件致使所述電解質(zhì)在所述無(wú)膜水電解池的陽(yáng)電極和陰電極之間流動(dòng)，使得電解出的氧氣和氫氣能夠排出；

19、經(jīng)由供電組件為所述無(wú)膜水電解池的陰電極和陽(yáng)電極提供可調(diào)節(jié)的電能。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例的有益效果在于：本發(fā)明通過(guò)簡(jiǎn)化無(wú)膜水電解池的結(jié)構(gòu)，使無(wú)膜水電解池在不采用隔膜、固態(tài)電解質(zhì)等部件的情況下制備氫氣，有效地降低了產(chǎn)品的制造成本，且在制氫效率方面，通過(guò)形成有微納尺度間隔的陰電極和陽(yáng)電極來(lái)降低水電解反應(yīng)的歐姆極化，提高了電解水制氫的效率。

技術(shù)特征：

1.一種無(wú)膜水電解裝置，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)膜水電解裝置，其特征在于，所述微納尺度間隔的尺寸范圍為1nm至1mm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無(wú)膜水電解裝置，其特征在于，所述微納尺度間隔與兩倍的電解質(zhì)的德拜長(zhǎng)度之比小于1，以使所述陰電極和陽(yáng)電極實(shí)現(xiàn)雙電層交疊；其中，所述電解質(zhì)的德拜長(zhǎng)度根據(jù)以下公式確定：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)膜水電解裝置，其特征在于，所述陰電極的電極表面的延伸平面與所述陽(yáng)電極的電極表面的延伸平面之間相互平行，或形成有第一夾角；其中，所述電極表面為用于發(fā)生反應(yīng)的表面。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)膜水電解裝置，其特征在于，所述無(wú)膜水電解池的陰電極采用具有氫氣析出反應(yīng)催化特性的材料制成；所述無(wú)膜水電解池的陽(yáng)電極采用具有氧氣析出反應(yīng)催化特性的材料制成。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)膜水電解裝置，其特征在于，在所述微納尺度間隔與兩倍的電解質(zhì)的德拜長(zhǎng)度之比小于1的情況下，所述陰電極采用具有酸性氫氣析出反應(yīng)催化特性的材料制成，所述陽(yáng)電極采用具有堿性氧氣析出反應(yīng)催化特性的材料制成。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)膜水電解裝置，其特征在于，所述流動(dòng)組件為所述無(wú)膜水電解池提供的電解質(zhì)為液態(tài)電解質(zhì)，且所述流動(dòng)組件還用于致使所述液態(tài)電解質(zhì)在所述陰電極和陽(yáng)電極之間以第一流動(dòng)方式流動(dòng)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)膜水電解裝置，其特征在于，所述流動(dòng)組件還包括氫氧分離構(gòu)件，其用于使電解出的氫氣和氧氣相分離，以分別得到純氫氣和純氧氣。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)膜水電解裝置，其特征在于，所述陰電極和所述陽(yáng)電極上均設(shè)有通孔，所述流動(dòng)組件還用于致使所述電解質(zhì)流經(jīng)所述陰電極上的通孔和陽(yáng)電極上的通孔。

10.一種無(wú)膜水電解方法，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種無(wú)膜水電解裝置以及無(wú)膜水電解方法，無(wú)膜水電解裝置包括無(wú)膜水電解池、流動(dòng)組件以及供電組件。無(wú)膜水電解池包括陰電極和陽(yáng)電極，所述陰電極和陽(yáng)電極之間具有微納尺度間隔，所述陽(yáng)電極用于通電產(chǎn)生氧氣，所述陰電極用于通電產(chǎn)生氫氣。流動(dòng)組件用于為所述無(wú)膜水電解池提供電解質(zhì)，且所述流動(dòng)組件還用于致使所述電解質(zhì)在所述無(wú)膜水電解池的陽(yáng)電極和陰電極之間流動(dòng)，使得電解出的氧氣和氫氣能夠排出。供電組件用于為所述無(wú)膜水電解池的陰電極和陽(yáng)電極提供可調(diào)節(jié)的電能。上述無(wú)膜水電解裝置既能夠提升電解水制氫的效率，還能夠通過(guò)簡(jiǎn)化無(wú)膜水電解池的結(jié)構(gòu)，以降低產(chǎn)品制造成本。

技術(shù)研發(fā)人員：張劍波,徐浩森
受保護(hù)的技術(shù)使用者：清華大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21