本实用新型涉及到煤制氢领域，具体指一种含碳浆料氧化液直接制氢用电解器。
背景技术：
世界煤炭存储丰富，煤炭被认为是地球上可获得的最廉价能源，长期以来在能源消费中占有重要地位，但是由此也带来了对环境和生态造成极大损害的空气污染和二氧化碳排放问题。同样，煤炭在我国一次能源的消耗中占比例高达75％，且存在着利用效率低，浪费严重等问题。基于环境保护及未来能源安全的考虑，研究新型的煤炭利用方式以及提高煤炭利用效率有着极大的积极意义。
CN201310096085.3公开了《一种从煤生产纯净氢气和二氧化碳的工艺方法》，采用氧化剂化学氧化煤粉浆液，生成二氧化碳，然后生成的还原态氧化剂再通过电化学氧化而恢复再生，并产生氢气。在本发明的工艺方法中，煤粉浆液的化学氧化和氧化剂电化学氧化再生分别在密闭的反应釜和电化学反应池中进行：煤粉在硫酸水溶液中被三价铁离子氧化，三价铁离子则还原变成二价铁离子，二价铁离子再在电化学反应池中转化(再生)成三价铁离子，从而实现氧化剂循环利用。该技术避免了煤颗粒会磨损贵金属电极，导致产氢的成本高；电极与煤粉颗粒之间是固相-固相反应，反应速率极低，电流密度一般不超过10mA/cm2，无法工业化生产。但是，该申请所使用的电解器由阳极室、阴极室和夹在两室之间的质子交换膜构成，工作时，阳极室和阴极室都要有电解液，随着反应的进行，电解液中反应物浓度下降，反应速率随之下降；阳极和阴极距离较大，增大了离子传导的阻力，降低了电能利用效率和产氢速率。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种高效且能避免阳极催化剂磨损、易于工业化生产的含碳浆料氧化液制氢用电解器。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：该含碳浆料氧化液制氢用电解器，包括制氢单元，其特征在于所述制氢单元沿反应液的流向包括依次密封连接的阳极板、流场板、膜电极、疏水碳纸和集气板；
其中，所述流场板上设有反应液流道，所述反应液流道的入口连接反应液进液总管道，所述反应液流道的出口连接出液总管道，并且所述反应液总管道贯通所述流场板；
所述集气板上设有气体流道，所述气体流道连通集气总管道；
所述集气板、半膜电极、流场板和阳极板依次电连接；
所述集气板通过负极集电板连接电源负极，所述阳极板通过正极集电板连接电源正极。
所述反应液流道在所述流场板上蛇形布置；或者所述反应液流道有多条平行布置；
所述反应液流道的宽度为3～6mm、深度为3～8mm。
所述气体流道为细长的流道，沿所述集气板的表面蛇形设置，所述气体流道的宽度为1～3mm，深度为1～2mm。
所述制氢单元有多个，各制氢单元依次串联布置；
正极集电板连接位于上游的制氢单元的所述阳极板，负极集电板连接位于下游的制氢单元的所述集气板；所述负极集电板连接电源负极，所述正极集电板连接电源正极；并且所述正极集电板的外侧连接第一绝缘端板，所述负极集电板的外侧连接第二绝缘端板。
所述集气板为石墨板，流场板为钛板。
所述反应液流道的入口位于所述流场板的下部，所述反应液流道的出口位于所述流场板的上部；所述集气管位于所述气体流道的上部。
所述气体流道的下部还连接有排液管。
所述半膜电极的制备方法如下：
将Pt/C催化剂、质子导体树脂粘结剂和聚四氟乙烯分散乳液按75-85：10-20：3-10重量比加入到分散剂中，混合均匀，配制成浆料；
所述分散剂为水、乙醇和异丙醇的混合物；
将所述浆料涂覆在电解质膜上形成厚度为5-15微米的电极层，即得到所述的半膜电极；
或者，将所述浆料涂覆在聚四氟乙烯膜上，形成膜层状电极，然后再转印到电解质膜上，形成厚度为5-15微米的电极层，即得到所述的半膜电极。
所述电解质膜优选自全氟磺酸质子交换膜或聚苯并咪唑膜。
与现有技术相比，本实用新型所提供的电解器，能够直接对含碳浆料氧化液进行电解制氢，在电解器中仅循环氧化剂溶液，从而避免了煤颗粒对催化剂电极的磨损，反应器使用寿命长，生产效率高，是现有技术的5-12倍，且运行成本降低，环境友好，清洁无污染。
本实用新型所提供的电解器尤其适合处理煤浆、生物质浆料和/或污泥浆。
附图说明
图1为本实用新型实施例装配结构的立体示意图；
图2为图1的分解示意图；
图3为本实用新型实施例中集气板的立体示意图；
图4为本实用新型实施例中流场板的立体示意图。
图5为图1中沿集气管轴线的纵向剖视图；
图6为图1中沿进液管轴线的纵向剖视图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
如图1至图6所示，该含碳浆料氧化液制氢用电解器包括：
制氢单元10，有多个，图中示出了三个制氢单元依次串接；各制氢单元沿反应液的流向均包括依次密封连接的阳极板5、流场板4、半膜电极3、疏水碳纸(图中未示出)和集气板1；并且集气板1、半膜电极3、流场板4和阳极板5依次电连接。本实施例中集气板1采用石墨板制备，流场板4采用钛板制备。
其中，流场板4上设有反应液流道41，反应液流道41在流场板4上蛇形盘绕设置，反应液流道41的下部端口为入口，通过入口接管42连接反应液源；反应液流道41的上部端口为出口，通过出口接管43连接界外下游；并且反应液流道41贯通流场板4，即反应液流道41使流场板4形成镂空结构。本实施例中反应液流道41的宽度为5mm、深度为5mm。
本实施例中的反应液流道41有多条，依次平行布置，其下端口44连通进液总流道，进液总流道连接入口接管42，其上端口45连通出液总流道，出液总流道连接出口接管43。
集气板1上设有气体流道11，气体流道11连通集气管6；气体流道11为细长的流道，沿集气板1的表面弯折设置，气体流道11的宽度为2mm，深度为1.5mm。气体流道11的上端口12连接集气管6，用于收集并引出气体流道11内的氢气；本实施例中的气体流道11有多条，依次平行布置；气体流道11的下端口13连接有排液管8，用于排出气体流道11内可能产生的残液。
用于连接电源负极的负极板71和用于连接电源正极的正极板72分别连接两端的制氢单元上集气板1和阳极板5；并且负极板71和正极板72的外侧分别连接绝缘端板。本实施例中的绝缘端板包括端板74和位于端板74内侧的绝缘板73。
阳极板5为钛金属板，其表面上采用物理或电化学方法沉积贵金属或贵金属合金；贵金属为金(Au)、铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)、鈀(Pd)和钌(Ru)中的至少一种。
本实施例中，半膜电极3的制备方法如下：
将Pt/C催化剂、质子导体树脂粘结剂和聚四氟乙烯分散乳液按80：15：5重量比加入到分散剂中，混合均匀，配制成浆料；质子导体树脂粘结剂选用Nafion分散液。
所述分散剂为水、乙醇和异丙醇的混合物；三者的配比为水1～5，乙醇10～30，其余为异丙醇。
将浆料喷涂在电解质膜的一侧表面上，形成厚度为10微米的电极层，即得到所述的半膜电极。电极层朝向疏水碳纸。
浆料还可以采用丝网印刷法直接印刷到电解质膜上；或者还可以将浆料涂覆在聚四氟乙烯膜上，形成膜层状电极，然后再转印到电解质膜上，形成厚度为5-15微米的电极层，即得到所述的半膜电极。
本实施例中的电解质膜选用全氟磺酸质子交换膜。
以煤浆氧化液为例说明使用该煤浆电解器的制氢工艺，具体如下：
煤浆氧化液被泵送入入口接管内，经由入口接管分配，进入各制氢单元的反应液流道内，在压力作用下沿着反应液流道流动。由于流场板镂空，反应液流道的一侧面紧挨着阳极板，另一侧面紧贴着半膜电极的电解质膜。煤浆氧化液中的Fe2+在阳极板上被氧化回Fe3+，氧化液中的H+则通过半膜电极进入电解器阴极室，在阴极上被还原为氢气。产生的氢气透过疏水碳纸，扩散进入气体流道内，再通过集气管排出电解器。
由于煤浆氧化液中不存在固体颗粒，故而阳极液体流道不存在堵塞问题，也不必担心阳极板上的贵金属催化剂被磨损，反应液流道根据实际需要尽可能做得宽而浅，一方面可以增大液体与电极的接触面积从而提高产氢速率，另一方面减小阳极与阴极的距离从而减小电能损失。