[发明专利]一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法

说明书

本发明涉及氢生产技术领域，提供了一种无膜电解制氢装置及其制备方法，涉及利用无膜电解、氢气和氧气隔离、气液分离、电解液循环等装置和方法，旨在解决现有的有膜电解槽内阻大、电解效率低、能耗高、成本高、连续运行稳定性差、抗电流扰动差等问题。所述无膜电解制氢装置及其制备方法包括：将微通道的两个面作为阳极和阴极，流体在阳极和阴极之间流动，产生的氧气和氢气在阳极板和阴极板顶端隔离并与电解液分离，多余的电解液通过内连通管路回流。所述装置结构和方法工艺简单，能耗低，效率高，电解槽体积小，占地少，可操作性强，容易实施，在电极上实现气体隔离和气液分离，提高电解液通量、电解槽耐电流扰动能力、电解效率、制氢量等。

技术领域

本发明涉及氢生产技术领域，具体而言，涉及一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法。

背景技术

氢能具有清洁无污染、热值高、资源丰富、应用范围广等优点，是实现能源转型与碳中和的一类重要二次能源，备受高度重视，已成为很多国家能源转型的战略选择。氢产业链中，制备和储运直接影响后端的应用。目前常规的氢气制取方法主要有：①化石燃料制氢；②副产氢回收；③电解水制氢；④高温分解制氢。其中工业化大规模制氢方法主要是化石燃料制氢，占目前国内氢气产量的96％左右。然而，这些制氢的生产工艺流程复杂，制氢过程会对环境造成不同污染，制得的氢纯度低，需要有效的分离技术提纯氢气，使得氢未能实现全过程清洁化，所制得的氢气基本上都属于“灰氢”(通过化石燃料石油、天然气和煤制取，制氢成本较低，但碳排放量大)和“蓝氢”(利用化石燃料制氢，同时配合碳捕捉和碳封存技术，碳排放强度相对较低，但捕集成本较高)范畴，全过程考虑，碳排放水平与直接使用煤炭相比相差不大遵循“灰氢不可取、蓝氢可利用、绿氢(采用风、光、潮汐等可再生能源电解制氢，制氢过程完全没有碳排放，但成本较高)是方向”的原则，应避免在氢气制取过程中产生污染物或温室气体的排放，迫切需要走新能源发电制氢的“绿氢”路线，降低制氢成本，增加绿氢规模。

水电解制氢虽然成本较高，但是具有气体纯度高、原料易得、使用方便等优点，有一定的市场，特别随着风、光、潮汐等可再生能源的利用技术提升，使用这些可再生能源产生的电电解水制氢具有竞争优势和广阔的应用前景。目前电解水制氢多采用碱性水电解，电解槽的阴极产生氢气H₂，阳极产生氧气O₂，二者用隔膜分隔开，避免氢氧混合发生危险。隔膜不仅增加体系的内阻，而且质量的好坏，直接关系到H₂与O₂的纯度、电耗、稳定性和安全等问题。因此，目前隔膜电解制氢的工艺技术和设备存在内阻大、能耗高、抗电流波动能力差、流体运动阻力大、气液分离系统复杂、运行稳定性差(电解单体通过膜串联而成，一个膜出问题会导致整个装置无法正常工作)、膜材料贵、成本高等问题，不利于氢的持续生产和广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于：解决目前电解制氢过程中存在内阻大、能耗高、抗电流扰动性差、流体运动和离子扩散阻力大、气液分离系统复杂、运行稳定性差等问题，消除传统电解工艺中隔膜引起的极化、低可靠性、低效率、扩展性差和高成本等缺陷，创新性设计无膜电解制氢装置，并在无膜电解工艺的基础上实现在电极上气液分离、气体隔离与高效收集，改善气体在电极上的分布、分离和富集，对产生的气体进行物理阻隔，节约隔膜及其密封和电解等成本，提高能量效率、产氢效率、抗电流扰动和运行稳定性。

有鉴于此，本发明提供了一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法，旨在解决现有电解制氢过程中存在内阻大、能耗高、抗电流扰动性差、流体运动阻力大、气液分离系统复杂、运行稳定性差、成本高等问题，设计无膜电解制氢装置，降低内阻和能耗，提高电解效率、抗电流扰动和运行稳定性，有利于利用风、光、潮汐等可再生能源发的不稳定电制备绿氢，实现氢的可持续发展。

为达此目的，本发明主要采用以下技术方案：

一种微通道无膜电解制氢装置及其制备方法，其特征在于，包括：电解槽阳极和阴极之间没有隔膜，电极之间有电解液，阳极和阴极保持一定距离；电解槽电极上产生的气体在电极上气液分离；电解槽电极上产生的物质和氢气物理隔离。