一种基于析氢催化剂的电解水制氢装置的制作方法

本发明涉及电解制氢设备技术领域，具体涉及一种基于析氢催化剂的电解水制氢装置。

背景技术：

随着人类社会的发展，工业化的进程越来越快，对能源的需求量日益增加，但是煤、石油、天然气等传统化石能源的大量使用既造成了能源紧缺，又造成了比较严重的污染问题，所以寻找存储丰富的清洁能源势在必行。其中氢能源以其燃烧无污染、发热量高等优点引起大家的关注。

目前工业化水电解制氢设备大多采用碱性水电解槽，其工作原理为：在水电解过程中，直流电通过koh水溶液，离子作定向运动。h⁺向阴极移动，在阴极得到电子，被还原，生成氢气；oh-向阳极移动，在阳极失去电子，被氧化，生成氧气；但是传统的电解装置在使用过程中存在以下缺陷：1、电解效率低，氢气产量小；2、电解产生的氢气纯度不高，影响后续使用效果；3、耗电量大。

技术实现要素：

针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种氢气产量、纯度高的基于析氢催化剂的电解水制氢装置。

本发明的技术方案为：一种基于析氢催化剂的电解水制氢装置,包括电解组件、混液组件、气体处理组件和plc控制器；电解组件包括电解箱、阴极电解电极、阳极电解电极和直流电源装置，电解箱底部设置有底板，电解箱侧壁上设置有排液口，电解箱内部设置有液位传感器，阴极电解电极为多孔筒状结构，阴极电解电极内外两侧均匀设置有若干柱状凸起，阴极电解电极上设置有接线柱一，阳极电解电极为棒状电极,阳极电解电极活动插接在阴极电解电极内部，阳极电解电极上设置有接线柱二，阳极电解电极和阴极电解电极之间设置有离子交换膜，阴极电解电极上端设置有排气管，排气管与外部收集装置导通，排气管位于离子交换膜内侧，直流电源装置固定设置在底板上，直流电源装置的正极和负极通过导线分别与接线柱二和接线柱一电性连接；混液组件包括混液箱和搅拌组件，混液箱通过支架固定设置在电解箱上端，混液箱与电解箱之间通过导管导通，导管上设置有电控阀，混液箱上端设置有电解液投加口和析氢催化剂投加口，搅拌组件包括搅拌电机和搅拌杆，搅拌电机固定设置在混液箱外部底端，搅拌电机的输出轴贯穿混液箱，搅拌电机的输出轴上设置有动力齿轮，搅拌杆通过拉杆水平设置在混液箱内部，搅拌杆端部设置有连接齿轮，搅拌杆通过连接齿轮与动力齿轮啮合连接，搅拌杆上下两侧竖直设置有搅拌齿；气体处理组件固定设置在底板上，气体处理组件与电解箱上部导通，气体处理组件用于对电解产生的氢气干燥净化处理；plc控制器与液位传感器、电控阀和搅拌电机电性连接。

进一步地，气体处理组件包括壳体、活性炭过滤块和电加热棒，壳体与电解箱的外壁固定连接，壳体顶部与电解箱上部导通，壳体底部设置有抽风机，活性炭过滤块设置在壳体内部顶端，活性炭过滤块下端设置有匀气板，匀气板下端设置有匀气管，电加热棒设置在壳体内部底端，电加热棒内部竖直设置有加热管，加热管顶端与匀气管导通，加热管底部与抽风机导通，通过在壳体内部设置活性炭过滤块和电加热棒，不仅能够将氢气中的杂质进行过滤去除，同时还能够对氢气进行干燥处理，使得到的氢气纯度更高，提高经济效益。

进一步地，搅拌杆设置有3-5个，3-5个搅拌杆沿输出轴周向均匀排列，通过设置4个搅拌杆，使得电解液和析氢催化剂混合更加均匀，提高电解制氢效率。

进一步地，输出轴上设置有多孔转盘，多孔转盘位于混液箱底部，多孔转盘边沿处竖直设置有混液板，通过在多孔转盘上设置混液板，当搅拌电机的输出轴转动时，带动多孔转盘和混液板一起转动，提高混合效果。

进一步地，阴极电解电极和阳极电解电极均设置有4-8个，4-8个阴极电解电极和阳极电解电极在电解箱内部均匀排列，通过设置4-8个阴极电解电极和阳极电解电极，且阴极电解电极为多孔筒状结构，大大提高了阴极电解电极与电解液的接触面积，提高电解效率。

进一步地，析氢催化剂的投加比例为0.5-1.2％(wt)，降低阴极电解电解在电解液中的电势，减少阴极电解电极的损耗，延长其使用寿命。

进一步地，析氢催化剂的制备方法为：将氯化镍和硫酸铜按照质量比6:1混合均匀，然后向混合物中加入去离子水混合均匀，并进行超声处理8-13min，其中去离子水与上述混合物的比值为100ml:5g；将上述混合溶液置于烘干箱加热处理30-50min，烘干箱温度控制为110-130℃，烘干处理后即得析氢催化剂，通过向电解液中投加由氯化镍和硫酸铜混合制备的析氢催化剂，使得析氢催化剂的电化学性能大大提高；同时由氯化镍和硫酸铜水热反应生产的析氢催化剂在电解液中具有优异的催化析氢活性，同时具有较低的析氢过电位。

本发明的工作原理为：使用时，将电解液和析氢催化剂分别从析氢催化剂投加口和电解液投加口加入混液箱中，通过plc控制器控制搅拌电机启动，带动搅拌杆和混液板旋转，对电解液和析氢催化剂进行充分搅拌；搅拌完成后，plc控制器控制电控阀开启，电解液和析氢催化剂的混合溶液通过导管进入电解箱中，通过液位传感器感测电解箱液面高度，当液面到达设定高度时，plc控制器控制电控阀关闭；阴极电解电极和阳极电解电极分别与直流电源装置连接，开始电解；电解产生的氧气通过排气管排出收集，电解产生的氢气在抽风机的作用下进入壳体中，氢气首先经过活性炭过滤块吸附过滤，然后通过电加热棒内部的加热管进行干燥处理，干燥处理后的氢气排出收集即可。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构设计合理，通过设置多孔筒状结构的阴极电解电极，同时在阴极电解电极上均匀设置多个柱状凸起，大大提高了阴极电解电极的比表面积，提高了电解效率，进而提高了氢气的产量，通过在阴极电解电极和阳极电解电极之间设置离子交换膜，在不影响电解液中离子运动的情况下，使得电解产生的氢气和氧气能够单独进行收集，省去后续气体分离工序，提高了工作效率；通过设置气体处理组件，不仅能够对氢气中的杂质进行过滤清理，同时还能够对氢气进行干燥处理，提高氢气的品质，进而提高利用效果；通过设置水平的搅拌杆和竖直的混液板，使得电解液与析氢催化剂的混合更加均匀，提高了电解反应的速率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的阴极电解电极的结构示意图；

图3是本发明的阴极电解电极和阳极电解电极的连接示意图；

图4是本发明的阴极电解电极和阳极电解电极在电解箱内的分布图；

图5是本发明的混液箱的内部结构示意图；

图6是本发明的气体处理组件的结构示意图；

其中，1-电解组件、10-电解箱、100-底板、11-阴极电解电极、110-柱状凸起、111-接线柱一、112-排气管、12-阳极电解电极、120-接线柱二、13-直流电源装置、14-离子交换膜、2-混液组件、20-混液箱、200-支架、201-导管、202-电解液投加口、203-析氢催化剂投加口、21-搅拌组件、210-搅拌电机、2100-动力齿轮、211-搅拌杆、2110-连接齿轮、2111-搅拌齿、212-拉杆、213-多孔转盘、2130-混液板、3-气体处理组件、30-壳体、31-活性炭过滤块、310-匀气板、311-匀气管、32-电加热棒、320-加热管、33-抽风机。

具体实施方式

实施例1：如图1、2、3、4所示的一种基于析氢催化剂的电解水制氢装置,包括电解组件1、混液组件2、气体处理组件3和plc控制器；电解组件1包括电解箱10、阴极电解电极11、阳极电解电极12和直流电源装置13，电解箱10底部设置有底板100，电解箱10侧壁上设置有排液口，电解箱10内部设置有液位传感器，阴极电解电极11为多孔筒状结构，阴极电解电极11内外两侧均匀设置有若干柱状凸起110，阴极电解电极11上设置有接线柱一111，阳极电解电极12为棒状电极,阳极电解电极12活动插接在阴极电解电极11内部，阳极电解电极12上设置有接线柱二120，阳极电解电极12和阴极电解电极11之间设置有离子交换膜14，阴极电解电极11上端设置有排气管112，排气管112与外部收集装置导通，排气管112位于离子交换膜14内侧，直流电源装置13固定设置在底板100上，直流电源装置13的正极和负极通过导线分别与接线柱二120和接线柱一111电性连接，直流电源装置13选用济南能华电源设备厂生产的48v500a直流电解电源；阴极电解电极11和阳极电解电极12均设置有5个，5个阴极电解电极11和阳极电解电极12在电解箱10内部均匀排列，通过设置5个阴极电解电极11和阳极电解电极12，且阴极电解电极11为多孔筒状结构，大大提高了阴极电解电极11与电解液的接触面积，提高电解效率；析氢催化剂的投加比例为0.5％(wt)，降低阴极电解电解在电解液中的电势，减少阴极电解电极的损耗，延长其使用寿命；析氢催化剂的制备方法为：将氯化镍和硫酸铜按照质量比6:1混合均匀，然后向混合物中加入去离子水混合均匀，并进行超声处理13min，其中去离子水与上述混合物的比值为100ml:5g；将上述混合溶液置于烘干箱加热处理50min，烘干箱温度控制为130℃，烘干处理后即得析氢催化剂，通过向电解液中投加由氯化镍和硫酸铜混合制备的析氢催化剂，使得析氢催化剂的电化学性能大大提高，同时由氯化镍和硫酸铜水热反应生产的析氢催化剂在电解液中具有优异的催化析氢活性，同时具有较低的析氢过电位；

如图1、5所示，混液组件2包括混液箱20和搅拌组件21，混液箱20通过支架200固定设置在电解箱10上端，混液箱20与电解箱10之间通过导管201导通，导管201上设置有电控阀，混液箱20上端设置有电解液投加口202和析氢催化剂投加口203，搅拌组件21包括搅拌电机210和搅拌杆211，搅拌电机210固定设置在混液箱20外部底端，搅拌电机210的输出轴贯穿混液箱20，搅拌电机210的输出轴上设置有动力齿轮2100，搅拌杆211设置有4个，4个搅拌杆沿输出轴周向均匀排列，通过设置4个搅拌杆211，使得电解液和析氢催化剂混合更加均匀，提高电解制氢效率，搅拌杆211通过拉杆212水平设置在混液箱20内部，搅拌杆211端部设置有连接齿轮2110，搅拌杆211通过连接齿轮2110与动力齿轮2100啮合连接，搅拌杆211上下两侧竖直设置有搅拌齿2111；输出轴上设置有多孔转盘213，多孔转盘213位于混液箱20底部，多孔转盘213边沿处竖直设置有混液板2130，通过在多孔转盘213上设置混液板2130，当搅拌电机210的输出轴转动时，带动多孔转盘213和混液板2130一起转动，提高混合效果；

如图1、6所示，气体处理组件3包括壳体30、活性炭过滤块31和电加热棒32，壳体30与电解箱10的外壁固定连接，壳体30顶部与电解箱10上部导通，壳体30底部设置有抽风机33，活性炭过滤块31设置在壳体30内部顶端，活性炭过滤块31下端设置有匀气板310，匀气板310下端设置有匀气管311，电加热棒32设置在壳体30内部底端，电加热棒32内部竖直设置有加热管320，加热管320顶端与匀气管311导通，加热管320底部与抽风机33导通，通过在壳体30内部设置活性炭过滤块31和电加热棒32，不仅能够将氢气中的杂质进行过滤去除，同时还能够对氢气进行干燥处理，使得到的氢气纯度更高，提高经济效益；plc控制器与液位传感器、电控阀、搅拌电机210、电加热棒32和抽风机33电性连接；plc控制器选用北京昆仑海岸传感技术有限公司生产的6es7231-7pb22-0xa8型可编程控制器，液位传感器选用信为传感器厂家生产的sfms通用型磁致伸缩液位传感器，电控阀选用天津市兴飞达阀门科技有限公司生产的2w-200-20型直通式电磁阀，搅拌电机210选用济宁精锐电机有限公司生产的51型单相异步电动机，电加热棒32选用商水县广文商贸部销售的防腐蚀酸碱石英加热管，抽风机33选用浙江亚士霸电机有限公司生产的hg-120旋流式鼓风机。

实施例2：如图1、2、3、4所示的一种基于析氢催化剂的电解水制氢装置,包括电解组件1、混液组件2、气体处理组件3和plc控制器；电解组件1包括电解箱10、阴极电解电极11、阳极电解电极12和直流电源装置13，电解箱10底部设置有底板100，电解箱10侧壁上设置有排液口，电解箱10内部设置有液位传感器，阴极电解电极11为多孔筒状结构，阴极电解电极11内外两侧均匀设置有若干柱状凸起110，阴极电解电极11上设置有接线柱一111，阳极电解电极12为棒状电极,阳极电解电极12活动插接在阴极电解电极11内部，阳极电解电极12上设置有接线柱二120，阳极电解电极12和阴极电解电极11之间设置有离子交换膜14，阴极电解电极11上端设置有排气管112，排气管112与外部收集装置导通，排气管112位于离子交换膜14内侧，直流电源装置13固定设置在底板100上，直流电源装置13的正极和负极通过导线分别与接线柱二120和接线柱一111电性连接，直流电源装置13选用济南能华电源设备厂生产的48v500a直流电解电源；阴极电解电极11和阳极电解电极12均设置有5个，5个阴极电解电极11和阳极电解电极12在电解箱10内部均匀排列，通过设置5个阴极电解电极11和阳极电解电极12，且阴极电解电极11为多孔筒状结构，大大提高了阴极电解电极11与电解液的接触面积，提高电解效率；析氢催化剂为市售的nimo析氢电催化剂，投加比例为0.5％(wt)；

如图1、5所示，混液组件2包括混液箱20和搅拌组件21，混液箱20通过支架200固定设置在电解箱10上端，混液箱20与电解箱10之间通过导管201导通，导管201上设置有电控阀，混液箱20上端设置有电解液投加口202和析氢催化剂投加口203，搅拌组件21包括搅拌电机210和搅拌杆211，搅拌电机210固定设置在混液箱20外部底端，搅拌电机210的输出轴贯穿混液箱20，搅拌电机210的输出轴上设置有动力齿轮2100，搅拌杆211设置有4个，4个搅拌杆沿输出轴周向均匀排列，通过设置4个搅拌杆211，使得电解液和析氢催化剂混合更加均匀，提高电解制氢效率，搅拌杆211通过拉杆212水平设置在混液箱20内部，搅拌杆211端部设置有连接齿轮2110，搅拌杆211通过连接齿轮2110与动力齿轮2100啮合连接，搅拌杆211上下两侧竖直设置有搅拌齿2111；输出轴上设置有多孔转盘213，多孔转盘213位于混液箱20底部，多孔转盘213边沿处竖直设置有混液板2130，通过在多孔转盘213上设置混液板2130，当搅拌电机210的输出轴转动时，带动多孔转盘213和混液板2130一起转动，提高混合效果；

如图1、6所示，气体处理组件3包括壳体30、活性炭过滤块31和电加热棒32，壳体30与电解箱10的外壁固定连接，壳体30顶部与电解箱10上部导通，壳体30底部设置有抽风机33，活性炭过滤块31设置在壳体30内部顶端，活性炭过滤块31下端设置有匀气板310，匀气板310下端设置有匀气管311，电加热棒32设置在壳体30内部底端，电加热棒32内部竖直设置有加热管320，加热管320顶端与匀气管311导通，加热管320底部与抽风机33导通，通过在壳体30内部设置活性炭过滤块31和电加热棒32，不仅能够将氢气中的杂质进行过滤去除，同时还能够对氢气进行干燥处理，使得到的氢气纯度更高，提高经济效益；plc控制器与液位传感器、电控阀、搅拌电机210、电加热棒32和抽风机33电性连接；plc控制器选用北京昆仑海岸传感技术有限公司生产的6es7231-7pb22-0xa8型可编程控制器，液位传感器选用信为传感器厂家生产的sfms通用型磁致伸缩液位传感器，电控阀选用天津市兴飞达阀门科技有限公司生产的2w-200-20型直通式电磁阀，搅拌电机210选用济宁精锐电机有限公司生产的51型单相异步电动机，电加热棒32选用商水县广文商贸部销售的防腐蚀酸碱石英加热管，抽风机33选用浙江亚士霸电机有限公司生产的hg-120旋流式鼓风机。

使用时，将电解液和析氢催化剂分别从析氢催化剂投加口203和电解液投加口202加入混液箱20中，通过plc控制器控制搅拌电机210启动，带动搅拌杆211和混液板2130旋转，对电解液和析氢催化剂进行充分搅拌；搅拌完成后，plc控制器控制电控阀开启，电解液和析氢催化剂的混合溶液通过导管201进入电解箱10中，通过液位传感器感测电解箱10液面高度，当液面到达设定高度时，plc控制器控制电控阀关闭；阴极电解电极11和阳极电解电极12分别与直流电源装置13连接，开始电解；电解产生的氧气通过排气管112排出收集，电解产生的氢气在抽风机33的作用下进入壳体30中，氢气首先经过活性炭过滤块31吸附过滤，然后通过电加热棒32内部的加热管320进行干燥处理，干燥处理后的氢气排出收集即可。

应用例：应用本发明的实施例1和实施例2分别进行电解水析氢反应，设定析氢催化剂的投加量均为0.5％(wt)，电流密度为3500a/m²,反应结果如表1所示：

表1：不同催化剂对电解水析氢反应的影响；

通过表1可知，应用本装置进行电解制氢，所得氢气较高，且相同电流密度下，应用本发明的析氢催化剂使得装置的单位制氢能耗大大降低，能效值较高。