一种溶液法制备电解水电极的系统装置及方法

1.本发明属于电极制备技术领域，涉及一种溶液法制备电解水电极的系统装置及方法。


背景技术：

2.面对化石能源日渐枯竭和环境污染越来越严重的问题，发展清洁能源、绿色能源等新能源技术具有十分重要的战略意义。氢气质量热值高，是一种比其它燃料更适合的储能介质。氢气的能量密度是140mj/kg，是典型固体燃料(50mj/kg)的两倍多。氢气燃烧仅产生水，这一特点使氢气成为一种环境友好的能源载体。传统的制氢技术，包括化石燃料的重整、分解和水解。然而，这些传统的制氢过程往往会产生大量的温室气体，从而对环境造成危害。在众多化合物分解制氢技术中，电解水制氢是一种重要的氢气制取工艺，仅仅使用水作为原料，利用电极上的氧化还原反应，将水电解为氢气和氧气，其原料来源广泛，产物清洁环保。随着可再生能源产业发展，利用电解水过程，将风电、光伏输出的间断性、不稳定的电力，转化氢气进行储存与远距离输运，对新能源产业具有支撑作用。
3.为了降低电解水制氢过程能耗，需要高性能的催化电极，其催化性能与组成电极的原料和表面结构密切相关，特别是通过电极表面纳米化，能够大幅度增加电极表面积，有利于提高催化活性。例如，cn110846609a公开了一种碱式电解水电极的制备方法，对电极基体进行喷砂和去油预处理，再通过大气等离子喷涂在电极基体上喷涂电极材料形成电极功能层，即得所述碱式电解水电极。
4.cn110965076a公开了一种双功能三维分层核壳结构电解水电极的制备方法，主要步骤包括清洗泡沫镍、制备ni(oh)2微米片阵列/nf前驱体、制备ni3n/nf微米片阵列电极、制备三维分层核壳结构nifeldh@ni3n/nf电极。
5.cn108588755a公开了一种基于电沉积技术的三维硫化钴氧析出电极制备方法及其制备的电极，采用金属硫化物和电沉积技术，能够形成三维硫化钴氧析出电极，电极制备过程包括将钴盐和硫氰酸盐溶于水中，配制成混合溶液；通过电沉积技术在导电基底上生长硫化钴材料，冲洗、干燥后得到成品电极，可用于电解水析氧过程。
6.cn112877728a公开了一种新型含铂碳层负载泡沫镍电解水电极及其制备方法，为了提高电催化活性，将含有纳米pt的碳层颗粒，通过喷雾和煅烧的方式均匀负载在泡沫镍表面，形成均匀的纳米阵列，可有效提高电解水产氢性能。
7.cn112921351a公开了一种自支撑型催化电极的制备方法和应用，使用泡沫镍铁同时作为集流体和纳米催化活性位点的原料，利用酸反应和空气中同源生长，形成表面纳米结构。既具有高比表面积，又保证表面纳米结构与基体的良好连接特性，形成良好的导电性与高稳定性。
8.上述公开文献所制备的电极，在电解水过程均表现出良好的电催化性能。尽管如此，对于实现工业化生产的装置尚未给出明确解决方案，本发明在分析归纳溶液法制备电解水过程电极特征的基础上，针对电极放大过程所需的工业装置，提供一种制备电解水过
程电极的工艺流程与自动化实施装置。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种溶液法制备电解水电极的系统装置及方法，本发明提供的系统装置包含活化单元和反应单元，分别实现了活化液循环和反应液循环两个过程，利用循环过程补充物料，控制活化液和反应液的组成、浓度和液位，不仅能提高电极质量，还有利于资源循环使用，有效减少污染物排放，本发明提供的系统装置的关键核心部件紧密衔接、占地面积小、自动化程度高且操作简单。
10.第一方面，本发明提供了一种溶液法制备电解水电极的系统装置，所述系统装置包括活化单元、清洗槽和反应单元，电极基材依次经过活化、清洗和反应后得到电解水电极；
11.所述活化单元包括循环连接的活化液配料装置和活化槽，活化液在活化液配料装置和活化槽之间循环流动；所述反应单元包括循环连接的反应液配料装置和反应槽，反应液在反应液配料装置和反应槽之间循环流动。
12.本发明提供的系统装置包含活化单元和反应单元，分别实现了活化液循环和反应液循环两个过程，利用循环过程补充物料，控制活化液和反应液的组成、浓度和液位，不仅能提高电极质量，还有利于资源循环使用，有效减少污染物排放，本发明提供的系统装置的关键核心部件紧密衔接、占地面积小、自动化程度高且操作简单。
13.作为本发明一种优选的技术方案，所述活化液配料装置的出料口与活化槽进料口之间通过活化液进料管路连接，所述活化液进料管路上设置有活化液给料泵。
14.优选地，所述活化液配料装置的进料口与活化槽的回料口之间通过活化液回料管路连接，所述活化液回料管路上沿物料流向依次设置有活化液过滤装置和活化液回料泵。
15.作为本发明一种优选的技术方案，所述反应液配料装置的出料口与反应槽进料口之间通过反应液进料管路连接，所述反应液进料管路上设置有反应液给料泵。
16.优选地，所述反应液配料装置的进料口与反应槽的回料口之间通过反应液回料管路连接，所述反应液回料管路上沿物料流向依次设置有反应液过滤装置和反应液回料泵。
17.作为本发明一种优选的技术方案，所述活化槽、清洗槽和反应槽依次固定于壳体内，所述壳体内部顶面设置有传送机构，所述传送机构上挂设有笼式结构的电极筐，所述电极筐内放置若干电极基材，按照电解水电极的制备工艺顺序，所述传送机构带动电极筐移动至活化槽、清洗槽或反应槽。
18.优选地，相邻两片电极基材之间设置有塑料垫片。
19.作为本发明一种优选的技术方案，所述传送机构包括铺设于壳体顶面的导轨，所述导轨上滑动设置有滑块，所述滑块电性连接第一驱动件，所述第一驱动件用于驱动滑块沿导轨移动，从而带动电极筐在水平方向上移动。
20.优选地，所述滑块通过伸缩杆连接电极筐，所述伸缩杆电性连接第二驱动件，所述第二驱动件通过伸缩杆带动电极筐在竖直方向上移动。
21.优选地，所述滑块包括旋转电机，所述旋转电机用于带动电极筐旋转。
22.本发明提供的系统装置使用电极筐安装固定电极基材，在清洗过程中通过旋转电机带动电极筐旋转实现了离心式清洗和甩干，较传统的喷淋或震荡清洗效果更优，缩短了
操作时间，提高了生产效率；此外，将电极基材放置于电极筐内，电极外形大小可调整，符合电解水工业应用要求。
23.需要说明的是，本发明中的电极筐可做水平移动、竖直移动和旋转，本领域技术人员可以根据需要在特定的工艺阶段操控电极筐进行其中一种运动。
24.优选地，所述壳体顶部设置有盖板。
25.本发明提供的系统装置在主体设备上设计了全封闭滑动式密封盖板，电极筐安装完成后，盖上盖板，电解水电极的制备反应过程全程在封闭环境下进行，防止雾化气体溢出，保持了生产车间的洁净环保。
26.作为本发明一种优选的技术方案，所述活化槽内设置有第一浓度检测模块和第一液位控制模块，所述第一浓度检测模块用于检测并调控活化槽内的活化液浓度，所述第一液位控制模块用于监测并调整活化槽内的活化液液位。
27.作为本发明一种优选的技术方案，所述清洗槽内设置有第二浓度检测模块和第二液位控制模块，所述第二浓度检测模块用于检测并调控清洗槽内的清洗液浓度，所述第二液位控制模块用于监测并调整清洗槽内的清洗液液位。
28.作为本发明一种优选的技术方案，所述反应槽内设置有第三浓度检测模块和第三液位控制模块，所述第三浓度检测模块用于检测并调控反应槽内的反应液浓度，所述第三液位控制模块用于监测并调整反应槽内的反应液液位。
29.本发明在活化槽、反应槽和清洗槽内均设置有浓度检测模块和液位控制模块，采用自动化控制反应物浓度，电极板厚薄均匀，精度可控、活性高、性能稳定。
30.第二方面，本发明提供了一种采用第一方面所述的系统装置制备电解水电极的方法，所述方法包括：
31.电极基材依次经过活化、一次清洗、反应和二次清洗，晾干后得到电解水电极。
32.作为本发明一种优选的技术方案，所述方法具体包括：
33.(ⅰ)滑块带动电极筐沿导轨移动至活化槽上方，伸缩杆延长使得电极筐下移浸入活化液，进行活化处理；
34.(ⅱ)伸缩杆缩短提升电极筐使得电极筐脱离活化槽，随后滑块带动电极筐移动至清洗槽上方，伸缩杆延长将电极筐浸入清洗液，完成一次清洗；
35.(ⅲ)伸缩杆缩短提升电极筐使得电极筐脱离清洗槽，随后滑块带动电极筐移动至反应槽上方，伸缩杆延长将电极筐浸入反应液，完成反应；
36.(ⅳ)伸缩杆缩短提升电极筐使得电极筐脱离反应槽，随后滑块带动电极筐移动至清洗槽上方，伸缩杆延长将电极筐浸入清洗液，完成二次清洗；
37.(
ⅴ
)二次清洗结束后，伸缩杆缩短提升电极筐使得电极筐脱离清洗槽，滑块带动电极筐旋转甩干，得到电解水电极；
38.优选地，步骤(ⅰ)中，所述活化的浸泡时间为1～120min，例如，可以是1min、10min、20min、30min、40min、50min、60min、70min、80min、90min、100min、110min或120min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
39.优选地，步骤(ⅲ)中，所述反应的浸泡时间为0.5～10h，例如可以是1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h或10h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
40.优选地，所述反应的浸泡温度为20～100℃，例如可以是20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃或100℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
41.优选地，所述一次清洗或二次清洗的浸泡时间为1～60min，例如可以是1min、5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
42.所述系统是指设备系统、装置系统或生产装置。
43.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
44.本发明提供的系统装置包含活化单元和反应单元，分别实现了活化液循环和反应液循环两个过程，利用循环过程补充物料，控制活化液和反应液的组成、浓度和液位，不仅能提高电极质量，还有利于资源循环使用，有效减少污染物排放，本发明提供的系统装置的关键核心部件紧密衔接、占地面积小、自动化程度高且操作简单。
附图说明
45.图1为本发明一个具体实施方式提供的系统装置的结构示意图；
46.图2为本发明一个具体实施方式提供的系统装置的俯视图；
47.图3为本发明一个具体实施方式提供的导轨的俯视图；
48.图4为本发明一个具体实施方式提供的电极筐的三维示意图；
49.其中，1-活化液配料装置；2-活化槽；3-清洗槽；4-反应槽；5-电极筐；6-盖板；7-反应液配料装置；8-壳体；9-活化液给料泵；10-活化液回料泵；11-活化液过滤装置；12-反应液过滤装置；13-反应液回料泵；14-反应液给料泵；15-导轨；16-旋转电机；17-伸缩杆；18-电极基材。
具体实施方式
50.需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
51.需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
52.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
53.在一个具体实施方式中，本发明提供了一种溶液法制备电解水电极的系统装置，
所述系统装置如图1和图2所示，包括活化单元、清洗槽3和反应单元，电极基材18依次经过活化、清洗和反应后得到电解水电极；
54.所述活化单元包括循环连接的活化液配料装置1和活化槽2，活化液在活化液配料装置1和活化槽2之间循环流动；所述反应单元包括循环连接的反应液配料装置7和反应槽4，反应液在反应液配料装置7和反应槽4之间循环流动。
55.本发明提供的系统装置包含活化单元和反应单元，分别实现了活化液循环和反应液循环两个过程，利用循环过程补充物料，控制活化液和反应液的组成、浓度和液位，不仅能提高电极质量，还有利于资源循环使用，有效减少污染物排放，本发明提供的系统装置的关键核心部件紧密衔接、占地面积小、自动化程度高且操作简单。
56.进一步地，所述活化液配料装置1的出料口与活化槽2进料口之间通过活化液进料管路连接，所述活化液进料管路上设置有活化液给料泵9；所述活化液配料装置1的进料口与活化槽2的回料口之间通过活化液回料管路连接，所述活化液回料管路上沿物料流向依次设置有活化液过滤装置11和活化液回料泵10。
57.进一步地，所述反应液配料装置7的出料口与反应槽4进料口之间通过反应液进料管路连接，所述反应液进料管路上设置有反应液给料泵14；所述反应液配料装置7的进料口与反应槽4的回料口之间通过反应液回料管路连接，所述反应液回料管路上沿物料流向依次设置有反应液过滤装置12和反应液回料泵13。
58.进一步地，所述活化槽2、清洗槽3和反应槽4依次固定于壳体8内，所述壳体8内部顶面设置有传送机构，所述传送机构上挂设有笼式结构的电极筐5，如图4所示，所述电极筐5内放置若干电极基材18，相邻两片电极基材18之间设置有塑料垫片。按照电解水电极的制备工艺顺序，所述传送机构带动电极筐5移动至活化槽2、清洗槽3或反应槽4。
59.进一步地，如图3所示，所述传送机构包括铺设于壳体8顶面的导轨15，所述导轨15上滑动设置有滑块，所述滑块电性连接第一驱动件，所述第一驱动件用于驱动滑块沿导轨15移动，从而带动电极筐5在水平方向上移动；
60.进一步地，所述滑块通过伸缩杆17连接电极筐5，所述伸缩杆17电性连接第二驱动件，所述第二驱动件通过伸缩杆17带动电极筐5在竖直方向上移动；
61.进一步地，所述滑块包括旋转电机16，所述旋转电机16用于带动电极筐5旋转。
62.本发明提供的系统装置使用电极筐5安装固定电极基材18，在清洗过程中通过旋转电机16带动电极筐5旋转实现了离心式清洗和甩干，较传统的喷淋或震荡清洗效果更优，缩短了操作时间，提高了生产效率；此外，将电极基材18放置于电极筐5内，电极外形大小可调整，符合电解水工业应用要求。
63.需要说明的是，本发明中的电极筐5可做水平移动、竖直移动和旋转，本领域技术人员可以根据需要在特定的工艺阶段操控电极筐5进行其中一种运动。
64.进一步地，所述壳体8顶部设置有盖板6。
65.本发明提供的系统装置在主体设备上设计了全封闭滑动式密封盖板6，电极筐5安装完成后，盖上盖板6，电解水电极的制备反应过程全程在封闭环境下进行，防止雾化气体溢出，保持了生产车间的洁净环保。
66.进一步地，所述活化槽2内设置有第一浓度检测模块和第一液位控制模块，所述第一浓度检测模块用于检测并调控活化槽2内的活化液浓度，所述第一液位控制模块用于监
测并调整活化槽2内的活化液液位。
67.进一步地，所述清洗槽3内设置有第二浓度检测模块和第二液位控制模块，所述第二浓度检测模块用于检测并调控清洗槽3内的清洗液浓度，所述第二液位控制模块用于监测并调整清洗槽3内的清洗液液位。
68.进一步地，所述反应槽4内设置有第三浓度检测模块和第三液位控制模块，所述第三浓度检测模块用于检测并调控反应槽4内的反应液浓度，所述第三液位控制模块用于监测并调整反应槽4内的反应液液位。
69.本发明在活化槽2、反应槽4和清洗槽3内均设置有浓度检测模块和液位控制模块，采用自动化控制反应物浓度，电极板厚薄均匀，精度可控、活性高、性能稳定。
70.在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种采用上述具体实施方式提供的系统装置制备电解水电极的方法，所述方法包括：
71.电极基材18依次经过活化、一次清洗、反应和二次清洗，晾干后得到电解水电极。
72.进一步地，所述方法具体包括：
73.(ⅰ)滑块带动电极筐5沿导轨15移动至活化槽2上方，伸缩杆17延长使得电极筐5下移浸入活化液，浸泡1～120min完成活化处理；
74.(ⅱ)伸缩杆17缩短提升电极筐5使得电极筐5脱离活化槽2，随后滑块带动电极筐5移动至清洗槽3上方，伸缩杆17延长将电极筐5浸入清洗液，浸泡1～60min完成一次清洗；
75.(ⅲ)伸缩杆17缩短提升电极筐5使得电极筐5脱离清洗槽3，随后滑块带动电极筐5移动至反应槽4上方，伸缩杆17延长将电极筐5浸入20～100℃的反应液，浸泡0.5～10h完成反应；
76.(ⅳ)伸缩杆17缩短提升电极筐5使得电极筐5脱离反应槽4，随后滑块带动电极筐5移动至清洗槽3上方，伸缩杆17延长将电极筐5浸入清洗液，浸泡1～60min完成二次清洗；
77.(
ⅴ
)二次清洗结束后，伸缩杆17缩短提升电极筐5使得电极筐5脱离清洗槽3，滑块带动电极筐5旋转甩干，得到电解水电极。
78.应用例
79.使用含有镍、铁或铜的金属，或者含有所述两种以上金属的合金作为电极基材18，电极基材18的形态包括金属板、金属网、泡沫金属，按照以下步骤制备电解水电极：
80.(1)在活化物料配料装置配制2m浓度的盐酸水溶液作为活化液，通过第一浓度检测模块检测并调控活化槽2内的活化液浓度，活化液经活化液给料泵9输送至活化槽2，通过第一液位控制模块用于监测并调整活化槽2内的活化液液位；
81.步骤2：通过清洗液给料泵向清洗槽3内注入适当清洗液，通过第二液位控制模块监测并调整清洗槽3内的清洗液液位；
82.步骤3：在反应液配料装置7内配制反应液，反应液组成为含有2m硫酸的98％的乙二醇水溶液，通过第三浓度检测模块检测并调控反应槽4内的反应液浓度，将反应液经反应液给料泵14输送至反应槽4，通过第三液位控制模块监测并调整反应槽4内的反应液液位；
83.步骤4：在电极筐5中放置电极基材18(片数、大小可调)，滑块带动电极筐5沿导轨15移动至活化槽2上方，伸缩杆17延长使得电极筐5下移浸入活化液，进行活化处理，活化时间为1～120分钟，通过plc系统设置并自动控制；
84.步骤5：活化完成后，伸缩杆17缩短提升电极筐5使得电极筐5脱离活化槽2，随后滑
块带动电极筐5移动至清洗槽3上方，伸缩杆17延长将电极筐5浸入清洗液，开启旋转电机16，采用旋转离心方式进行一次清洗，清洗时间1～60分钟；
85.步骤6：一次清洗完成后，伸缩杆17缩短提升电极筐5使得电极筐5脱离清洗槽3，随后滑块带动电极筐5移动至反应槽4上方，伸缩杆17延长将电极筐5浸入反应液，完成反应，反应温度范围为20～100℃，反应时间为0.5～10小时；
86.步骤7：伸缩杆17缩短提升电极筐5使得电极筐5脱离反应槽4，随后滑块带动电极筐5移动至清洗槽3上方，伸缩杆17延长将电极筐5浸入清洗液，开启旋转电机16，采用旋转离心方式进行二次清洗，清洗时间1～60分钟；
87.步骤8：二次清洗结束后，伸缩杆17缩短提升电极筐5使得电极筐5脱离清洗槽3，滑块带动电极筐5旋转甩干，晾干后得到成品电解水电极。
88.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。