专利名称：电解水制氢的装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种电解水制氢的方法及其装置，具体地涉及ー种在超低电压下通过电解水制氢的方法及其装置。
背景技术：
氢气是最轻的气体，最常见的用途是充填氢气球和氢气飞艇。其次氢气是重要的化工原料。传统エ业上制氢的方法有(I)氯碱エ业电解食盐水可副产氢气；或用镀镍的铁电极电解15%的KOH电解液，可制得纯氢；(2)从天然气或裂解石袖气制氢气，这是现在制氢的主要方法；(3)水煤气法制氧，用红热的焦煤与水蒸气反应制得氢气。此外，还有ー种通过电解水制造氢气的方法，但是由于其耗能巨大，因而在传统制氢エ业中一直未被大规模推广使用。 在传统的电解水制造氢气的エ艺上，如图I所示，电解反应刚开始时，由电源I施加到电解池2的阴极电极板3和阳极电极板4之间的外加电压较小，且流过电解池2的电流也很小，两电极板3和4上观察不到电解现象。之后，随着两电极板3和4之间的外加电压(即电动势E)的増大，两电极板3、4表面附着少量氢气和氧气，该反应(也称为正反应)的电化学方程式如下阴极4H++4e = 2 ;阳极40H_-4e = 2H20+02。除一部分氢气和氧气溶解到电解池2的电解液中，而吸附在两电极板3和4上的氢气和氧气发生了逆反应，逆反应产生的电动势与外加电压相反，其电化学方程式如下阴极2H2-4e = 4H+ ;阳极2H20+02+4e= 40H_。逆反应阻碍了正反应的进行但始终不超过正反应。因此，外加电压必须克服逆反应产生的电动势。如果继续增大两电极板3和4之间的电压，电路中的电流有少许增加，如图2所示的O-El段。如图2所示，当电压增至E1-E2段时，氢气和氧气的压カ等于大气压力，呈气泡逸出，反电动势达极大值，此后再増加电压至E2，电流I就呈直线上升。将直线反向外推到于电压轴相交，此交点的电压为分解电压，这是维持电解质电解液不断发生电解所必需外加的最小电压，也叫分解电压(E分解)。例如，用光亮钼作电极电解H2SO4电解液的过程中，水的分解电压为I. 67V(E分解=I. 67V)。也就是说，在传统电解水制造氢气的エ艺中，当外加电解电压必须不小于分解电压时，才能持续地电解电解液中的水而获取氢气。
发明内容
本发明的范围只由后附的权利要求书所规定，在任何程度上都不受这一节发明内容的陈述所限。本发明提供一种电解水制氢系统，包括用于电解电解液中的水的电解单元；用于向所述电解单元供电的电源模块；用于从含有氢气的电解液中分离出氢气的氢气分离装置；其中，所述电解単元具有第一极板(阴极室16内置极板30)和第二极板(阳极室15内置极板20)，所述第一极板和第二极板分别由比表面积大的导电材料制成并具有粉末间隙结构。
其中，所述比表面积大的导电材料为导电活性炭粉末，以及由所述导电活性炭粉末制成的所述第一极板和第二极板均具有粉末间隙利粉末内细孔结构。其中，所述第一极板和第二极板分别包括金属框架和被并列地放置在所述金属框架上的多个微极板，其中所述微极板由所述导电活性炭粉末制成并具有粉末间隙和粉末内细孔结构。其中，所述电源模块能够控制所述电解単元的所述第一极板和所述第二极板上的因氢气、氧气发生逆反应而产生的逆向电流值不超过所述电源模块向所述电解単元提供的直流电流的值。其中，还包括氧气分离装置，用于从含有氧气的电解液中分离出氧气。其中,还包括补充水注入装置,用于补充电解液在反应中失去的水。其中，还包括泵，用于维持电解液的工作压カ及保持电解液的循环流动。
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其中，还包括加热装置，所述加热装置对被输入所述氢气分离装置和/或氧气分离装置之前的所述电解液进行加热。其中，所述电解液的成分为0H_、H20。其中，所述电解液的成分为H+、H20。本发明还提供一种电解水制氢的方法，包括以下步骤制备电解液；电源模块向电解单元供电使得所述电解单元内的所述电解液中的水被电解成氢气和氧气；将含有氢气的所述电解液送入氢气分离装置，所述氢气分离装置从含有氢气的所述电解液中分离出氢气；其中，当所述电源模块向所述电解単元供电后，在所述电解単元上的由比表面积大的导电材料制成并具有间隙结构的第一极板上生成氢气和在所述电解単元上的由比表面积大的导电材料制成并具有间隙结构的第二极板上生成氧气。其中，所述比表面积大的导电材料为导电活性炭粉末，其中由所述导电活性炭粉末制成的所述第一极板和第二极板均具有粉末间隙和粉末内细孔结构。其中，所述第一极板和第二极板均包括金属框架和被并列地放置在所述金属框架上的多个微极板，其中所述微极板由所述导电活性炭粉末制成并具有粉末间隙和粉末内细孔结构。其中，当所述电源模块向所述电解単元供电时，所述电源模块控制所述电解単元的所述第一极板和所述第二极板上的因氢气、氧气发生逆反应而产生的逆向电流值不超过所述电源模块向所述电解单元提供的电流的值。其中，还包括将含有氧气的所述电解液被送入氧气分离装置，所述氧气分离装置从含有氧气的所述电解液中分离出氧气。其中，还包括向经所述氢气分离装置分离出氢气之后的所述电解液补充水。其中，还包括向经所述氧气分离装置分离出氧气之后的所述电解液补充水。其中，还包括对被输入所述氢气分离装置之前的所述电解液进行加热。其中，还包括对被输入所述氧气分离装置之前的所述电解液进行加热。其中保持电解液循环流动。其中所述电解液的成分为OH' H20。其中，所述电解液的成分为H+、H20。
图I为传统的电解水制造氢气エ艺的原理图；图2为传统的电解水制造氢气エ艺中电流和电压变化例示图；图3为实施方式涉及的电解水制氢系统的结构图；图4为实施方式涉及的电解单元的结构图；图5为实施方式涉及的电解单元的结构剖面图；图6为实施方式涉及的极板的结构图；图7为实施方式涉及的微极板的结构图；
图8为实施方式涉及的电源模块工作原理图；图9为实施方式涉及的电源模块的电流电压的输入和经整流后输出的变化图；图IOA为实施方式涉及的施加在极板两端的电压变化图；图IOB为实施方式涉及的极板电流密度变化图；图IOC为实施方式涉及的极板上氧(氢)气的浓度变化图；图11为实施方式涉及的补充水注入装置的结构图；图12为实施方式涉及的电解液的制备装置结构图；图13为实施方式涉及的电解水制氢系统的结构另一例示图；图14A-14B为实施方式涉及的极板结构的另一例示图；图15为实施方式涉及的极板结构的另一例示的剖面图；图16为实施方式涉及的电解水制氢系统的结构另一例示图。
具体实施例方式本发明的效果及意义通过以下所示实施方式的说明将会更加明晰。但是，以下所示实施方式归根到底只是将本发明具体实施时的一例，本发明绝不受以下实施方式的任何限制。下面參照附图，就本实施方式涉及的电解水制氢系统进行说明。图3为本实施方式涉及的电解水制氢系统的结构图。电解水制氢系统包括电源模块5和电解水制氢装置19，上述电解水制氢装置19通过导线6与电源模块5电连接。上述电解水制氢装置19包括多个串联连接在电源模块5上的电解单元14及上述多个电解単元14共用的辅助装置，上述辅助装置包括氢气分离装置9、氧气分离装置11、补充水注入装置10、泵8、加热装置7。上述各辅助装置通过管道18和三通17互通互连。其中，电源模块5用于向电解单元14施加电压，电解单元14用于电解水，氢气分离装置9用于脱去电解液中反应生成的氢气，泵8和12用于维持液体的工作压カ及流量并保持电解水制氢装置19内的电解液的循环流动，加热装置7和13用于通过接触换热、循环换热等方式为电解单元14补充能量，氧气分离装置11用于脱去电解液中反应生成的氧气，补充水注入装置10用于补充电解液在反应中失去的水。其中，电解水制氢装置19的各项參数由电解水得到的氢气的量来決定。上述氢气分离装置9和氧气分离装置11没有特别的限定，可以采用中国环球化学公司編制由化学エ业部批准的HG/T20570. 8-95气液分离器设计标准设计而成，也可以使用美国Membrana-Charlotte生产的Liqui-Cel脱气膜元件制成,其目的是从电解液中分离氢气和氧气。在电解水生成氧气、氢气的过程中，需要吸收能量，而在传统电解水エ艺中，由于氧气、氢气逆反应程度很高，逆反应放出大量的热能使得溶液温度在整个电解水的过程中变化不大。然而，采用本发明的电解水制氢系统来电解水，由于使用的电解电压低，使得逆反应程度很低，逆反应放出的热量小于正反应吸收的热量，所以溶液温度会降低，当溶液冻结时电化学反应就停止了。因此，在本发明中采用加热装置7和13把外界环境中的热量(如エ业热废水、地热及热空气等)收集起来，然后通过热交換的形式传递给电解单元14内的电解液，使电解单元14内的电解液温度保持相对稳定(高于溶液的冰点)，使得电化学反应能持续进行，从而保证整个系统能 持续工作。上述加热装置7和13可以通过接触换热、循环换热系统等方式为电解単元14补充能量。目前常用的各种换热方式，只要能维持电解单元14内电解液温度的相对稳定性，都可以用来作为本发明的加热装置。图4 图5为电解单元14的结构图。如图4 图5所示，电解单元14由具有绝缘外壳141的阴极室16和阳极室15通过盐桥144连接而成，其中盐桥144是连接阴极室16和阳极室15的一段细管，其目的是保证电化学反应能够顺利进行。上述阴极室16内置极板30，并通过极板30上的负极连接146连接到电源模块5的负极。上述阳极室15内置极板20，并通过极板20上的阳极连接147连接到电源模块5的阳极。阳极室15具有用于连接加热装置13的加热装置连接孔150和用于连泵8的注入孔149 ;阴极室16具有用于连接加热装置7的加热装置连接孔148和用于连接泵12的注入孔145。其中，如图5所示，上述阴极室16内的极板30由多个被并列地放置在铜质框架50内的微极板143构成，用于生成氢气；上述阳极室15内的极板20由多个被并列地放置在铜质框架40内的微极板142构成，用于生成氧气。其中，微极板142和143是由导电活性炭粉末制成。图6为极板20(30)的结构图。极板20 (30)具有铜质框架40 (50)，在铜质框架40(50)上安置有多个微极板142(143)。具体而言，铜质框架40 (50)被分隔成多个并列的贯通的格子，在每ー个格子内放入经过处理的导电活性炭粉末，从而形成多个并列地放置的微极板142 (143)(參见图7)。图7为微极板142(143)的结构图。微极板142(143)由导电活性炭粉末制成。在微极板142(143)中，导电活性炭粉末的晶格之间生成的空隙形成许多大小、形状不同的细孔，使得在微极板142 (143)中的导电活性炭粉末具有粉末间隙和粉末内的细孔结构。这些细孔根据半径的大小分成微孔(小于20A)、过渡孔(20-1000A)和大孔(1000-100000A)。电解液通过导电活性炭粉末层时，由大孔流入，在毛细效应和水的粘性作用下，在大孔中从高压端向低压端缓慢流动，进入过渡孔和微孔中，导电活性炭粉末间隙中的电解液流速比导电活性炭粉末孔隙中的流速高。以阴极室16为例，当阴极室16注满电解液后，接通电源模块5使极板143通电。由于发生电化学反应氢离子变成氢气，该反应过程需要吸收热量，又由于使用的电解电压较低，极板30上単位面积上氢气浓度很低，因此逆反应程度也很低，逆反应放出的热量小于正反应吸收的热量，导致导电活性炭粉末周围和内部温度下降，其中导电活性炭内部的温度下降更快。在电解液通过导电活性炭时(如图5或图6所示的箭头方向)，微孔中的电解液温度最低、氢气浓度最高，氢气从微孔经过渡孔扩散到大孔的电解液中，随着大孔中电解液流出导电活性炭。当温度较高的电解液通过导电活性炭粉末层，由于导电活性炭粉末间隙的电解液流速比导电活性炭内的孔隙中的电解液流速快，导电活性炭粉末间隙中的电解液温度就比导电活性炭内的孔隙中的电解液温度高，两者所含的氢气浓度则正好相反，因为氢气的溶解率很小，所以导电活性炭粉末间隙电解液中氢气浓度很快达到饱和。由于导电活性炭粉末体积较小，因此导电活性炭粉末内、外部电解液压カ的变化也很小，导电活性炭粉末间隙中氢气浓度达到饱和的电解液流入导电活性炭细孔后因温度下降变成了氢气浓度不饱和电解液，不饱和电解液吸收氢气后很快成为该温度下的饱和电解液，其中的氢气在随饱和电解液流出导电活性炭时会因为温度升高而形成小的气泡逸出，该氢气气泡随电解液流动。在流出导电活性炭的电解液中的氢气逸出后，该饱和电解液流入另ー导电活性炭颗粒中重复上述过程。微极板142在阳极室15中的工作原理相类似，在此不再重复叙述。在本实施方式中，电解单元14的极板20(30)包括有多个由活性炭粉末制成的微极板142 (143)，使得极板20 (30)与电解液的接触面大大地増加，从而使得极板20 (30)与电解液的接触电阻大大地减小，同时使得电解产物氢气和氧气溶解到电解液中的速度极为迅速，降低了电解电压，使得可以使用小于传统电解水制造氢气的エ艺中的电解电压的电压，也能持续地电解电解液中的水而获取氢气和氧气。同时，由于微极板142(143)的导电活性炭粉末之间存在粉末间隙和粉末内细孔，其不仅更加进ー步地増加了极板20(30)与电解 液的接触面，而且因粉末间隙和粉末内细孔中的电解液流速不同而导致粉末间隙中的电解液温度高于粉末内细孔中的电解液温度，粉末间隙和粉末内细孔中的电解液中氢气存在浓度差，从而使得电解水生成的氢气和氧气更容易地从电解液中逸出。图7中的极板20 (30)的制作过程如下首先，将导电活性炭粉末进行预处理。在导电活性炭粉末中加入粘结剂酚醛树脂和固化剂乌洛托品，用研钵充分研磨搅拌均匀。然后，将经处理过的导电活性炭粉末放入铜质框架40(50)内制成多个微极板142(143)。其中,可以通过改变微极板142(143)的厚度d、面积aXb和微极板142 (143)并联的个数就可以得到需要的极板20、30面积和电阻。接着，在氮气保护下，将其内形成有微极板142(143)的铜质框架40 (50)以每分钟升温4°C的速度升温至850°C，保温2小时后，在氮气保护下降至室温，制成成品极板20 (30)。通过上述处理，把阻塞导电活性炭粉末间隙和粉末内的细孔的粘结剂碳化重现导电活性炭粉末间隙和粉末内的细孔结构，同时使极板142(143)的形状定型。图8为使用交流电的电源模块工作原理图。如图8所示，电源模块5包括电源输入端54、ニ极管51、稳压管52、晶闸管(SCR) 53、电阻兀件57和负载输出55、56,其中负载输出55为阳极,负载输出56为阴极。在电源模块5工作时,通过四个ニ极管51把电源输入端54输入的交流电全波电流(參见图9a)整流成直流脉动电流(參见图9c)。同理，电源模块5的输入的相应的交流电全波电压(參见图9b)经四个ニ极管51整流后，输出相应的脉动电压((參见图9d))。如图9d所示，在脉动电压上升段(0 /2)时，当电压达到稳压管52的反向击穿电压值Ul时，稳压管52被击穿，从而形成触发电流，该触发电流使晶闸管(SCR) 53导通，使得电解电流通过负载输出55、56加载到电解单元14上。电解单元14的极板20 (30)被施加电压后开始电解水产生氢气、氧气，所产生的氢气、氧气一部分溶解到电解液中，其余的堆积在极板20(30)上。同时，堆积在极板20(30)上的因氢气、氧气发生逆反应而产生逆向电流，但此时的逆向电流始終不超过来自于电源模块5的正向电流。然而，当脉动电压进入下降段/2 JI)时，来自于电源模块5的正向电流迅速减小到与堆积在极板20 (30)上的因氢气、氧气发生逆反应而产生的逆向电流值相等，导致SCR53截止，直到下一个脉冲电压的到来。当下一个脉冲的脉动电压上升段 3ji/2)的电压达到稳压管52的反向击穿电压值Ul吋，稳压管52再次被击穿，从而再次形成触发电流，该触发电流使晶闸管(SCR) 53再次被导通，使得电解电流通过负载输出55、56加载到电解単元14上，极板20(30)被施加电压后再次开始电解水产生氢气、氧气。然后，当下一个脉冲的脉动电压进入下降段(JI 3/2 2 Ji)时，来自于电源模块5的正向电流再次迅速减小到与堆积在极板20 (30)上的因氢气、氧气发生逆反应而产生的逆向电流值相等，导致SCR53截止，直到再下一个脉冲电压的到来。电源模块5以ー个脉动电流周期重复上述过程。因此，在电源模块5的作用下，当来自于电源模块5的正向电流再次迅速减小到与堆积在极板20(30)上的因氢气、氧气发生逆反应而产生的逆向电流值相等时(即生成氢气、氧气的正反应速度等于氢气、氧气发生的逆反应速度吋)，SCR53截止电源模块5向电解单元14供电，从而减小了电能的消耗。图IOA为施加在极板两端的电压变化图。如图IOA所示，纵轴表示极板两端的电压U，横轴时间T。当电源模块5向电解单元14施加电压时，在脉动电压上升段，经过预定时 间Tl达到稳压管52的反向击穿电压Ul (參见图9d)，稳压管52被击穿，形成触发电流，使晶闸管(SCR) 53被导通。此时，电解单元14的极板20(30)两端施加的电压为稳压管52的反向击穿电压U1，当达到/2周期的时间时，施加在电解单元14的极板20(30)两端的电压达到最大值为U2。当脉动电压进入下降段时，来自于电源模块5的正向电流迅速减小到与堆积在极板20 (30)上的因氢气、氧气发生逆反应而产生的逆向电流值相等，导致SCR53截止，电解单元14的极板20 (30)两端的电压为O。当下ー个脉冲电压到来时，极板20 (30)两端的电压重复上述变化过程。图IOB为极板电流密度变化图。如图IOB所示，纵轴表示极板电流密度J，横轴时间T。当电源模块5向电解单元14施加电压时，在脉冲电压的上升段，稳压管52被击穿，晶闸管(SCR) 53被导通，电解单元14的极板20 (30)被施加电压值为稳压管52的反向击穿电压Ul的初始电压。此时，堆积在极板20 (30)上的因氢气、氧气浓度低发生逆反应而产生的逆向电流远远小于来自于电源模块5的电解电流，因此极板电流密度J ー开始出现迅速上升。当在脉冲电压的上升段吋，随着极板20(30)的通电时间増加，电解电压的升高，极板20 (30)上产生的逆向电流也逐渐増大，井越来越接近来自于电源模块5的电解电流，因此极板电流密度J的上升逐渐趋缓。当脉动电压达到最大值U2 (极板电流密度J达到最大值Jl)后进入下降段时，来自于电源模块5的电解电流迅速减小到与堆积在极板20(30)上的因氢气、氧气发生逆反应而产生的逆向电流值相等，导致SCR53截止，电解单元14的极板20(30)两端的电压为0，极板电流密度J也迅速减为O。当下ー个脉冲电压到来吋，极板电流密度J重复上述变化过程。图IOC为极板上氧(氢)气的浓度变化图。如图IOC所示，纵轴表示氧(氢)气浓度C，横轴时间T。当极板电流密度J迅速上升时，极板20 (30)上产生氧(氢)气的浓度C也迅速上升；当极板电流密度J上升速度逐渐趋缓时，极板20(30)上产生氧(氢)气的浓度C上升速度也逐渐趋缓；极板电流密度J由最大值Jl迅速减为0吋，极板20 (30)堆积的氧(氢)气由于电解液的冲刷溶解，氧(氢)气的浓度C由最大值Cl逐渐降低，直至为O。当下ー个脉冲电压到来时，极板20(30)上的氧(氢)气的浓度C重复上述变化过程。
图11为补充水注入装置的结构图。如图10所示，补充水注入装置10包括装置主体101、电解液输入口 102、电解液输出口 103、压カ传感器104、电源105、电磁阀106、管道107和补充水注入ロ 108。电解液输入口 102和电解液输出ロ 103位于装置主体101的两端，电解液从电解液输入口 102输入装置主体101后，通过安装在装置主体101上的压カ传感器104感应到装置主体101内的电解液的压カ来确定是否向电解液补充水。当压カ传感器104感应到装置主体101内的电解液的压カ小于预先设定的值时，压カ传感器104导通电路，使电源105给电磁阀106通电，电磁阀106被打开，补充水通过补充水注入ロ 108由电磁阀106经由管道107送入装置主体101以补充电解液在反应中失去的水。当压カ传感器104感应到经补充水后的电解液的压 カ达到上述预先设定的值时，断开电源105向电磁阀106通电，从而关闭电磁阀106，停止向装置主体101补充水。图12为电解液的制备装置结构图。在本发明中，由于使用的电解电压较低，如果使用常规的碱金属电解质溶液作为电解液，大量的碱金属离子吸附在阴极室16的极板上，其结果会升高极板143的电势，影响电化学反应的速度。因此，在本发明中，为了解决上述问题，使用了ー种配套电解液。如图12所示，电解液的制备装置200包括反滲透膜201和由耐酸碱材料制成的容器202，其中容器202被渗透膜201分隔成两部分。在容器202中的反渗透膜201 —侧加入碱金属电解质溶液的稀溶液，然后向该侧的金属电解质溶液的稀溶液加压，则在反滲透膜201另ー侧的容器202中获得所需的配套电解液。例如，金属电解质容液为氢氧化钠溶液，经过电解液的制备装置200的上述处理后，在容器202中溶反滲透膜201 一侧的残液成分为Na+、0H_、H20，而另一侧的电解液成分为0H_、H20。用同样加压分离的方法分离稀硫酸也可以制成只含有氢离子的电解液，一侧的残液成分H+、SO42' H2O,而另ー侦_电解液为矿、1120。下面就电解水制氢系统的电解电解液中的水制取氢气的过程进行说明。如图3所不，当向电源模块5的电源输入端54输入全波交流电时，电源模块5的负载输出55、56向电解单元14施加直流脉冲电压和直流脉冲电流(參见图8、图9)。电解単元14受到来自电源模块5的直流脉冲电压和直流脉冲电流的作用，电解液在其阴极室16的与负载输出56电连接的极板30上发生电化学反应,生成氢气，以及电解液在其阳极室15的与负载输出55电连接的极板20上发生电化学反应，生成氧气。在电解单元14的极板20上吸附的氧气和极板30上吸附的氢气一部分溶解到电解液中另一部分形成原电池发生逆向反应，由于极板20和极板30有着巨大的面积使得氢气和氧气溶解到电解液的速度十分迅速，同时堆积在极板20和极板30上的部分氧气和氢气产生逆反应并形成与来自电源模块5的电流方向(正向电流)相反的逆向电流。如图9所示，当上述来自电源模块5的直流脉冲电压处于上升段吋，来自电源模块5的正向电流(电解电流减去极板20、30上的因氢气、氧气发生逆反应而产生的逆向电流)不断増大，使得电解液中的氢气、氧气的浓度升高；当上述来自电源模块5的直流脉冲电压处于下降段时，来自电源模块5的电解电流迅速减小到与极板20、30上的因氢气、氧气发生逆反应而产生的逆向电流值相等，正向电流值为零，导致电源模块5的晶闸管53截止，极板20、30上的正、逆向电化学反应均停止，流动的电解液继续冲刷极板20、30，使得极板20、30上氢气和氧气浓度继续下降，以此来保证极板20、30上的氢气、氧气发生逆反应程度达到最低，从而保证了上述正向电流的作用而生成氢气、氧气的量达到最大。
如图3所示，在电解水制氢装置19中，由于在泵8和12的作用下，电解液在阴极室16和阳极室15之间循环流动。当泵12将电解液(此时电解液主要成分为H+、H2O)泵入阴极室16时，电解液冲刷溶解堆积在极板30上的氢气、OF,使得含有氢气的电解液(此时电解液主要成分为0H_、H2O)从电解单元14的阴极室16流出。从阴极室16流出的含有氢气的电解液经由加热装置7加热后进入氢气分离装置9脱去电解液中的氢气。其中，含有氢气的电解液在加热装置7过程中，由于电解液的温度升高，使得氢气的在电解液中的溶解率降低，从而进一歩地从电解液中逸出氢气。然后，经氢气分离装置9脱去氢气后的电解液被送入补充水注入装置10，以补充电解液在电化学反应中失去的水，同时使处于氢气饱和状态的电解液变成氢气不饱和电解液。接着，由泵8将注入水后的电解液(此时电解液主要成分为0H_、H20)泵入阳极室15。另ー方面，泵8将注入水后的电解液泵入阳极室15吋，电解液冲刷溶解堆积在极板20上的氧气、H+，使得含有氧气的电解液(此时电解液主要成分为H+、H20)从电解単元14的阳极室15流出。从阳极室15流出的含有氧气的电解液经由加热装置13加热后进入氧气分离装置11脱去电解液中的氧气。其中，含有氧气的电解液在加热装置13过程中，由于电解液的温度升高，使得氧气的在电解液中的溶解率降低，从而进一歩地从电解液中逸出氧气。然后，经氧气分离装置11脱去氧气后的电解液(此时 电解液主要成分为H\ H2O)由泵12泵入阴极室16。在上述实施方式中，由于在泵8和12的作用下，电解液在阴极室16和阳极室15之间循环流动，使得阴极室16产生的含有0H—的电解液作为原料进入阳极室15、阳极室15产生的含有H+的电解液作为原料进入阴极室16，实现了阴极室16和阳极室15的电性平衡、在加速电化学反应的同时减小了中和反应的发生，最大限度地避免了中和热产生，使得电解水制氢!系统吸收外界热能的效率得以进一步提尚。在上述实施方式中，由于补充水注入装置10是在电解液经氢气分离装置9或氧气分离装置11脱去氢气或氧气后向该电解液补充电解液在电化学反应中失去的水，使处于氢、氧气饱和状态的电解液变成氢、氧气不饱和电解液，从而有利于水的电解生成氢气和氧气。在上述实施方式中，电解水制氢装置19包括多个电解单元14，本发明不限于此，电解水制氢装置19也可只有一个电解単元14(如图13所示)。在上述实施方式中，极板20(30)是通过在铜质框架40 (50)上安置有多个微极板142(143)而构成的方形结构(參见图6)，本发明不限于此，可被作为极板的任何形状的框架均可用于本发明，比如极板20(30)也可以是由如图14A所示的铜皮301和细铜条302为骨架卷成的具有多个同心圆柱的圆柱形框架，各个铜质同心圆柱之间的空隙分别被填充导电活性炭粉末后形成多个微极板142(143)(參见图14A-14B、图15)。如图14B和图15所示，电解液从圆柱体的一端流入，从圆柱体的另一端流出(如图14B、图15的箭头方向)。在上述实施方式中，如图16所示，还可在阳极室15侧配置补充水注入装置10a，使经氧气分离装置11脱去氧气的电解液在补充水注入装置IOa补充在电化学反应中失去的水后由栗12栗入阴极室16。上述实施方式中，将经处理过的导电活性炭粉末放入铜质框架40(50)内制成微极板142 (143)，本发明不限于此，也可以将经处理过的导电活性炭粉末放入任何导电性能良好的其他金属制成的框架中制成微极板142 (143)，从而制得极板20 (30)。上述其他金属不仅可以金、银、铁、铝等金属单质，还可以包括他们的合金。上述实施方式中，微极板142(143)由导电活性炭粉末制成，本发明不限于此，也可以任何比表面积大的导电材料，上述比表面积大的导电材料为粉末状导电材料，比如石墨粉等，其均能使所制得的微极板具有粉末间隙，使得进ー步增加了极板20(30)与电解液的接触面积，从而进ー步减小了极板20(30)与电解液的接触电阻，由此使得进ー步増加了电解产物氢气和氧气溶解到电解液中的速度，进ー步降低了电解电压，使得可以使用小于传统电解水制造氢气的エ艺中的电解电压的电压，也能持续地电解电解液中的水而获取氢气和氧气。首先，将比表面积大的导电材料进行预处理。在比表面积大的导电材料中加入
粘结剂酚醛树脂和固化剂乌洛托品，用研钵充分研磨搅拌均匀。然后，将经处理过的比表面积大的导电材料放入金属框架内制成微极板142(143)。接着，在氮气保护下，将其内形成有多个微极板142 (143)的金属框架以每分钟升温4°C的速度升温至预定温度(小于导电材料的熔化温度)，保温一定小时后，在氮气保护下降至室温，制成成品极板20(30)。通过上述处理，把阻塞比表面积大的导电材料间隙的粘结剂碳化重现比表面积大的导电材料间隙结构，同时使极板142(143)的形状定型。但在本发明中，优选导电活性炭粉末，因为电活性炭粉末与其它比表面积大的导电材料相比较，除了比表面积大以及使得微极板具有粉末间隙夕卜，还因为导电活性炭粉末还存在细孔结构，能够更易于使得氢气和氧气形成小气泡从电解液中逸出的。上述实施方式中，在氮气保护下来制取扱板，本发明不限于此，也可以在其他不活泼气体保护下来制取极板，比如惰性气体等。此外，本发明的实施方式在专利权利要求范围所示的技术性思想的范围内可以适当有各种变更。
权利要求
1.一种电解水制氢系统,包括 用于电解电解液中的水的电解单元； 用于向所述电解单元供电的电源模块； 用于从含有氢气的电解液中分离出氢气的氢气分离装置； 其中，所述电解单元具有第一极板和第二极板，所述第一极板和第二极板分别由比表面积大的导电材料制成并具有粉末间隙结构。
2.根据权利要求I所述的电解水制氢系统，其特征在于所述比表面积大的导电材料为导电活性炭粉末，以及由所述导电活性炭粉末制成的所述第一极板和第二极板均具有粉末间隙和粉末内细孔结构。
3.根据权利要求2所述的电解水制氢系统，其特征在于所述第一极板和第二极板分别包括金属框架和被并列地放置在所述金属框架上的多个微极板，其中所述微极板由所述 导电活性炭粉末制成并具有粉末间隙和粉末内细孔结构。
4.根据权利要求I所述的电解水制氢系统，其特征在于所述电源模块能够控制所述电解单元的所述第一极板和所述第二极板上的因氢气、氧气发生逆反应而产生的逆向电流值不超过所述电源模块向所述电解单元提供的直流电流的值。
5.根据权利要求I所述的电解水制氢系统，其特征在于还包括氧气分离装置，用于从含有氧气的电解液中分离出氧气。
6.根据权利要求I所述的电解水制氢系统，其特征在于还包括补充水注入装置，用于补充电解液在反应中失去的水。
7.根据权利要求I所述的电解水制氢系统，其特征在于还包括泵，用于维持电解液的工作压力及保持电解液的循环流动。
8.根据权利要求I 7任意一项所述的电解水制氢系统，其特征在于还包括加热装置，所述加热装置对被输入所述氢气分离装置和/或氧气分离装置之前的所述电解液进行加热。
9.根据权利要求8所述的电解水制氢系统，其特征在于所述电解液的成分为0H\H20。
10.根据权利要求9所述的电解水制氢系统，其特征在于所述电解液的成分为H+、H20。
11.一种电解水制氢的方法，包括以下步骤 制备电解液； 电源模块向电解单元供电使得所述电解单元内的所述电解液中的水被电解成氢气和氧气； 将含有氢气的所述电解液送入氢气分离装置，所述氢气分离装置从含有氢气的所述电解液中分离出氢气； 其中，当所述电源模块向所述电解单元供电后，在所述电解单元上的由比表面积大的导电材料制成并具有间隙结构的第一极板上生成氢气和在所述电解单元上的由比表面积大的导电材料制成并具有间隙结构的第二极板上生成氧气。
12.根据权利要求11所述的电解水制氢系统，其特征在于所述比表面积大的导电材料为导电活性炭粉末，其中由所述导电活性炭粉末制成的所述第一极板和第二极板均具有粉末间隙和粉末内细孔结构。
13.根据权利要求12所述的电解水制氢系统，其特征在于所述第一极板和第二极板均包括金属框架和被并列地放置在所述金属框架上的多个微极板，其中所述微极板由所述导电活性炭粉末制成并具有粉末间隙和粉末内细孔结构。
14.根据权利要求11所述的电解水制氢的方法，其特征在于当所述电源模块向所述电解单元供电时，所述电源模块控制所述电解单元的所述第一极板和所述第二极板上的因氢气、氧气发生逆反应而产生的逆向电流值不超过所述电源模块向所述电解单元提供的电流的值。
15.根据权利要求11所述的电解水制氢的方法，其特征在于，还包括将含有氧气的所述电解液被送入氧气分离装置，所述氧气分离装置从含有氧气的所述电解液中分离出氧气。
16.根据权利要求11所述的电解水制氢的方法，其特征在于，还包括向经所述氢气分离装置分离出氢气之后的所述电解液补充水。
17.根据权利要求15所述的电解水制氢的方法，其特征在于，还包括向经所述氧气分离装置分离出氧气之后的所述电解液补充水。
18.根据权利要求11所述的电解水制氢的方法，其特征在于，还包括对被输入所述氢气分离装置之前的所述电解液进行加热。
19.根据权利要求15所述的电解水制氢的方法，其特征在于，还包括对被输入所述氧气分离装置之前的所述电解液进行加热。
20.根据权利要求11 19任意一项所述的电解水制氢的方法，其特征在于保持电解液循环流动。
21.根据权利要求20所述的电解水制氢的方法，其特征在于所述电解液的成分为OH'H2O。
22.根据权利要求20所述的电解水制氢的方法，其特征在于所述电解液的成分为H+、H2O。
全文摘要
本发明提供一种电解水制氢系统，包括用于电解电解液中的水的电解单元；用于向所述电解单元供电的电源模块；用于从含有氢气的电解液中分离出氢气的氢气分离装置；其中，所述电解单元具有第一极板和第二极板，所述第一极板和第二极板分别由比表面积大的导电材料制成并具有粉末间隙结构。同时，本发明还提供一种电解水制氢的方法。
文档编号C25B1/06GK102758212SQ20111025788
公开日2012年10月31日 申请日期2011年9月2日 优先权日2011年4月29日
发明者谭延泰 申请人:谭延泰