一種無膜水電解裝置以及無膜水電解方法

本發明涉及電解水制氫，尤其涉及一種無膜水電解裝置以及無膜水電解方法。

背景技術：

1、化石能源燃燒帶來的環境污染與氣候變化是人類社會所面臨的共同挑戰，從傳統化石能源向可再生能源過渡是發展的必經之路。電解水制氫與可再生能源發電結合性好，是解決可再生能源季節性變動及供需不匹配問題的最佳技術。然而現有的堿性水電解和質子交換膜水電解技術均難以兼顧效率與固定成本。堿性水電解技術成熟，裝置的材料成本低，但是電流密度上限低且效率低，質子交換膜水電解效率高、動態響應快，然而由于使用了質子交換膜、銥催化劑、鈦雙極板等部件，導致固定成本高，不利于產品制造的成本控制。

技術實現思路

1、針對現有技術中存在的上述技術問題，本發明提供了一種無膜水電解裝置以及無膜水電解方法，其既能夠提升電解水制氫的效率，還能夠通過簡化無膜水電解池的結構，以降低產品制造成本。

2、本發明實施例提供了一種無膜水電解裝置，包括：

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

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

5、供電組件，其用于為所述無膜水電解池的陰電極和陽電極提供可調節的電能。

6、在一些實施例中，所述微納尺度間隔的尺寸范圍為1nm至1mm。

7、在一些實施例中，所述微納尺度間隔與兩倍的電解質的德拜長度之比小于1，以使所述陰電極和陽電極實現雙電層交疊；其中，所述電解質的德拜長度根據以下公式確定：

8、

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

10、在一些實施例中，所述陰電極的電極表面的延伸平面與所述陽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生反應的表面。

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

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

13、在一些實施例中，所述流動組件為所述無膜水電解池提供的電解質為液態電解質，且所述流動組件還用于致使所述液態電解質在所述陰電極和陽電極之間以第一流動方式流動。

14、在一些實施例中，所述流動組件還包括氫氧分離構件，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、在一些實施例中，所述陰電極和所述陽電極上均設有通孔，所述流動組件還用于致使所述電解質流經所述陰電極上的通孔和陽電極上的通孔。

16、本發明實施例還提供了一種無膜水電解方法，包括：

17、將無膜水電解池的陰電極和陽電極的間隔設置為微納尺度間隔；其中，所述陽電極用于通電產生氧氣，所述陰電極用于通電產生氫氣；

18、通過流動組件為所述無膜水電解池提供電解質，且經由流動組件致使所述電解質在所述無膜水電解池的陽電極和陰電極之間流動，使得電解出的氧氣和氫氣能夠排出；

19、經由供電組件為所述無膜水電解池的陰電極和陽電極提供可調節的電能。

20、與現有技術相比，本發明實施例的有益效果在于：本發明通過簡化無膜水電解池的結構，使無膜水電解池在不采用隔膜、固態電解質等部件的情況下制備氫氣，有效地降低了產品的制造成本，且在制氫效率方面，通過形成有微納尺度間隔的陰電極和陽電極來降低水電解反應的歐姆極化，提高了電解水制氫的效率。

技術特征：

1.一種無膜水電解裝置，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的無膜水電解裝置，其特征在于，所述微納尺度間隔的尺寸范圍為1nm至1mm。

3.根據權利要求1或2所述的無膜水電解裝置，其特征在于，所述微納尺度間隔與兩倍的電解質的德拜長度之比小于1，以使所述陰電極和陽電極實現雙電層交疊；其中，所述電解質的德拜長度根據以下公式確定：

4.根據權利要求1所述的無膜水電解裝置，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生反應的表面。

5.根據權利要求1所述的無膜水電解裝置，其特征在于，所述無膜水電解池的陰電極采用具有氫氣析出反應催化特性的材料制成；所述無膜水電解池的陽電極采用具有氧氣析出反應催化特性的材料制成。

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

7.根據權利要求1所述的無膜水電解裝置，其特征在于，所述流動組件為所述無膜水電解池提供的電解質為液態電解質，且所述流動組件還用于致使所述液態電解質在所述陰電極和陽電極之間以第一流動方式流動。

8.根據權利要求1所述的無膜水電解裝置，其特征在于，所述流動組件還包括氫氧分離構件，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.根據權利要求1所述的無膜水電解裝置，其特征在于，所述陰電極和所述陽電極上均設有通孔，所述流動組件還用于致使所述電解質流經所述陰電極上的通孔和陽電極上的通孔。

10.一種無膜水電解方法，其特征在于，包括：

技術總結
本發明提供了一種無膜水電解裝置以及無膜水電解方法，無膜水電解裝置包括無膜水電解池、流動組件以及供電組件。無膜水電解池包括陰電極和陽電極，所述陰電極和陽電極之間具有微納尺度間隔，所述陽電極用于通電產生氧氣，所述陰電極用于通電產生氫氣。流動組件用于為所述無膜水電解池提供電解質，且所述流動組件還用于致使所述電解質在所述無膜水電解池的陽電極和陰電極之間流動，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膜水電解池的陰電極和陽電極提供可調節的電能。上述無膜水電解裝置既能夠提升電解水制氫的效率，還能夠通過簡化無膜水電解池的結構，以降低產品制造成本。

技術研發人員：張劍波,徐浩森
受保護的技術使用者：清華大學
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21