(19)国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202111291406.6
(22)申请日 2021.11.01
(71)申请人 北京化工大学
地址 100029 北京市朝阳区北三环东路15
号
(72)发明人 周俊波 武禹桐
(74)专利代理机构 北京正和明知识产权代理事
务所(普通合伙) 11845
专利代理师 孙晟
日本合气道(51)Int.Cl.
C25B 1/04(2021.01)
C25B 15/021(2021.01)
(54)发明名称
解放军理工大学学报
(57)摘要
本发明提供一种高温碱性电解水制氢系统
及其方法，属于电解水制氢领域。该系统包括电
电解装置为压滤式结构电解槽；所述电解装置与
所述电解液供应装置之间连接有热源装置，以加
热电解液。该方法为所述电解装置在直流电作用
全能住宅改造王2011下电解水制得氢气和氧气，电解液的温度为95‑
220℃；工作压力为1‑4MPa；所述直流电电压为1‑
3V。本发明中伴随工作温度的升高可有效可以降
低电解电压，从而减少电解过程的整体能耗，进
而提升电解效率，系统结构和制备工艺简单，适
于大规模工业化应用。权利要求书1页 说明书4页 附图1页CN 114481158 A 2022.05.13
C N 114481158
A
我们这帮人作文1.一种高温碱性电解水制氢系统，包括电解液供应装置、电解装置和气体分离系统，其特征在于：所述电解装置为压滤式结构电解槽；所述电解装置与所述电解液供应装置之间连接有热源装置，以加热电解液。
2.根据权利要求1所述的高温碱性电解水制氢系统，其特征在于，所述电解装置的阴极由双极板和丝网或泡沫镍板阴极组成，所述电解装置的阳极由双极板和丝网或泡沫镍板阳极组成。
3.根据权利要求1所述的高温碱性电解水制氢系统，其特征在于，所述阴极一侧与阳极一侧以耐高温渗透隔膜隔离。
4.根据权利要求3所述的高温碱性电解水制氢系统，其特征在于，所述耐高温渗透隔膜由有机高分子材料、无机材料或复合材料制成。
5.根据权利要求4所述的高温碱性电解水制氢系统，其特征在于，所述有机高分子材料为聚苯硫醚、聚砜、聚酮或聚酰亚胺中的一种或多种的混合物；所述无机材料为氧化锆、氧化硅、硅酸或氧化钛中的一种或多种的混合物；所述复合材料为无机或有机材料经表面改性复合而成。
6.根据权利要求1高温碱性电解水制氢系统，其特征在于，所述电解装置的氢、氧出口设有气体流量调
节阀，以便保证系统压力平衡。
7.根据权利要求1高温碱性电解水制氢系统，其特征在于，所述气体分离系统设有液体回路，所述液体回路与所述电解装置连通。
bak8.一种基于权利要求1‑7任一项所述系统的高温碱性电解水制氢方法，其特征在于，所述电解装置在电压为1‑3V的直流电作用下电解制得氢气和氧气，电解液的温度为95‑220℃；工作压力为1‑4MPa。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电解液为25‑35％氢氧化钾或22‑30％氢氧化钠溶液。
太原pm2.5
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电解得到气液混合物，氢气和氧气被分离，其余的液体经所述液体回路进入所述电解装置中循环使用。
权 利 要 求 书1/1页CN 114481158 A
一种高温碱性电解水制氢系统及其方法
[0001]本发明涉及电解水制氢领域，尤其涉及一种高温碱性电解水制氢系统及其方法。
背景技术
[0002]随着全球工业的迅猛发展，地球面临资源短缺、过度碳排放导致全球温度上升的问题越来越严重。人类对能源的开发和使用已进入新的革命性阶段，从化石能源正快速转向“清洁、低碳、安全、高效”的可再生能源。
[0003]氢能是一种清洁、高效的二次能源，可以长时间储存，可以管道长距离输送，可以直接用来大规模发电，更可以提供给大量工业生产中。随着化石能源的日趋枯竭及环境污染压力的与日俱增，未来氢能将会发挥越来越重要的作用。目前工业上常用的制氢方式有甲醇转化制氢、天然气转化制氢、煤气化制氢、氨裂解制氢等，均为非可再生过程，存在着化石资的消耗和CO2的排放，不符合低碳产业的理念。利用水电解制氢是一种清洁、可再生的过程，不消耗化石资源，产物为氢气和氧气，对环境不造成负担。
[0004]在技术层面，水电解制氢主要分为碱性水电解制氢(AWE)、固体聚合物(PEM)水电解，固体聚合物阴离子交换膜(AEM)水电解、固体氧化物(SOEC)水电解。其中，AWE是最早工业化的水电解技术，已有数十年的应用经验，最为成熟；PEM水电解技术近年来产业化发展迅速，SOEC水电解技术处于初步示范阶段，而AEM水电解研究刚起步。从时间尺度上看，AWE 技术在解决近期可再生能源的消纳方面，由于技术成熟成本低廉，因此更易于快速部署和应用；但从技术角度看，PEM水电解技
术的电流密度高、电解槽体积小、运行灵活、利于快速变载，与风电、光伏(发电的波动性和随机性较大)具有良好的匹配性，但其成本偏高。SOEC、AEM水电解的发展则取决于相关材料技术的突破情况。
发明内容
[0005]本发明的目的在于提供高温碱性电解水制氢系统及方法，伴随工作温度的升高可有效的降低电解电压(包括理论分解电压和电阻电压和电极超电压)，从而减少电解过程的整体能耗，进而提升电解效率，系统结构和制备工艺简单，适于大规模工业化应用。[0006]为实现以上目的，本发明的技术方案如下：
[0007]一种高温碱性电解水制氢系统，包括电解液供应装置、电解装置和气体分离系统，所述电解装置为压滤式结构电解槽；所述电解装置与所述电解液供应装置之间连接有热源装置，以加热电解液。企业生产过程中的工业余热可以直接利用其作为热源对电解液进行加热。
[0008]所述电解装置的阴极由双极板和喷涂阴极催化剂的丝网或泡沫镍板阴极组成，所述电解装置的阳极由双极板和喷涂阳极催化剂的丝网或泡沫镍板阳极组成；双极板采用平极板或凹凸极板均可。
[0009]进一步地，所述阴极一侧与阳极一侧之间以耐高温渗透隔膜隔离。
[0010]优选地，所述耐高温渗透隔膜由有机高分子材料、无机材料或复合材料制成。
[0011]更优选地，所述有机高分子材料为聚苯硫醚、聚砜、聚酮或聚酰亚胺中的一种或多种的混合物；所述无机材料为氧化锆、氧化硅、硅酸或氧化钛中的一种或多种的混合物；所述复合材料为无机或有机材料经表面改性复合而成。
[0012]所述耐高温渗透隔膜厚度小，表面孔隙率大，孔径适当，亲水性优良，隔绝气体能力良好，这样可以使导电离子通过时的阻力小且不透气；同时，耐碱性好，在95℃‑220℃的工作温度下，不会被电解液腐蚀。
[0013]所述电解装置的氢、氧出口设有气体流量调节阀。也可以是所述电解装置的氢、氧出口与氢气、氧储罐或用户之间设有气体流量调节阀，以便保证系统压力平衡。电解装置的工作压力可以通过气体流量调节阀调节至所需工况。
[0014]所述气体分离系统设有液体回路，所述液体回路与所述电解装置连通，便于分离出的液体循环利用。
[0015]本发明还提供一种基于上述高温碱性电解水制氢系统的高温碱性电解水制氢方法：
[0016]所述电解装置在电压为1‑3V直流电作用下，电解水制得氢气和氧气，电解液的温度为95‑220℃；
工作压力为1‑4MPa。所述工作压力可以是动态或静态的调整，以保障所述工作压力下，电解液始终为液态。因而在不必改变现有工业化电解液和电极体系的情况下，能够实现提高能量转化效率，同时降低电解电压的目的。
[0017]所述电解液为电解碱液，优选为25‑35％氢氧化钾或22‑30％氢氧化钠溶液。
[0018]反应过程中，阴极上水分子得到电子析出氢离子及OH ‑离子，阳极上OH ‑离子放电析出氧。
[0019]本发明氢气在阴极的析出步骤为：
[0020]S1：水合氢离子和水分子向阴极表面迁移；
[0021]氢离子或水分子放电，在电极表面形成吸附态的氢原子；
[0022]H 2O+e＝H 吸
+OH ‑；[0023]S2：氢原子成为氢分子有三种可能途径：
[0024]1)在电极表面催化复合成氢分子而解吸；
[0025]H 吸+H 吸＝H 2；或者，
[0026]2)氢原子或水分子在电极表面或在已吸附的氢原子上电化学放电解吸成氢分子；
[0027]H 2O+H 吸+e＝H 2
+OH ‑；或者，[0028]3)氢原子从电极表面呈自由态逸出；
[0029]H 吸
＝H。[0030]所述电解得到气液混合物，分别经过氢、氧分离器，氢气和氧气被分离，其余的液体经所述液体回路混合后再经循环泵进入所述电解装置中循环使用，被分离出的氢气和氧气分别经管路进入氢、氧冷凝洗涤器后，经调节阀进入储罐。
[0031]与现有技术相比，本发明中，高温碱性水电解制氢在一定压力和95℃‑220℃的工作温度下运行，无须特制电极而只需要采用商用化电极，就可以降低电解电压，从而提高能量转化效率、降低能耗，还便于有效利用工业余热。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。
[0033]图1为本发明一种实施方式的高温碱性电解水制氢的工艺流程图。
[0034]附图标记说明：1‑碱液储罐；2‑电解槽；3‑氢气分离器；4‑氧气分离器；5‑氢气冷凝洗涤器；6‑氧气冷凝洗涤器；7‑热源装置；8‑氢气储罐；9‑氧气储罐。
具体实施方式
[0035]如本文所用之术语：
[0036]“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
[0037]当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
[0038]“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A 和B)和(A或B)。
[0039]下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0040]实施例1
[0041]一种高温碱性电解水制氢系统，如图1所示，包括储存电解液的碱液储罐1、电解槽2和气体分离系统，所述气体分离系统包括分别与电解槽2相连通的氢气分离器3和氧气分离器4，氢气分离器3下游连接有氢气冷凝洗涤器5，氧气分离器4下游连接有氧气冷凝洗涤器6。氢气分离器3和氧气分离器4的液体出口分别与电解槽2的碱液入口连通。
[0042]电解槽2为压滤式结构电解槽；电解槽2与碱液储罐1之间还连接有热源装置7，以加热电解液。热源装置7为企业生产过程中的工业余热换热器。氢气分离器3和氧气分离器4的液体出口分别连接在热源装置7上游的管道上，经过热源装置7的加热再次进入电解槽2。[0043]电解槽2的电极采用目前工业普用电极，阴极由双极板和喷涂阴极催化剂的丝网阴极组成，阳极由双极板和喷涂阳极催化剂的丝
网阳极组成；双极板采用平极板。阴极一侧与阳极一侧以聚苯硫醚隔膜隔离。
[0044]氢气冷凝洗涤器5与氢气储罐8之间的管路上和氧气冷凝洗涤器6与氧气储罐9之间的管路上分别设有气体流量调节阀，用以控制电解槽2的工作压力。
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