一种电极交错式碱性电解水制氢装置的制作方法

本发明涉及电解水制氢，具体为一种电极交错式碱性电解水制氢装置。

背景技术：

1、电解水制氢是获得高纯氢气的重要技术路线，碱性电解水装置因电解液成本较低、系统结构相对成熟、适合规模化运行而被广泛研究和应用；现有碱性电解水制氢装置会在阴极与阳极之间设置隔膜，利用隔膜传导离子并阻隔阴极析出的氢气和阳极析出的氧气，从而降低两种气体混合的风险；但隔膜需要同时承担离子传导、气体阻隔和机械支撑等作用，为降低离子传输阻力而减小隔膜厚度或提高孔隙率时，会削弱隔膜的阻气能力和机械强度；为提高阻气效果而采用更致密的隔膜时，又会增加离子迁移阻力，导致槽电压升高和能耗增加。

2、在实际运行过程中，电解水装置常接入风电、光伏等波动性电源，电流密度、温度、压力和电解液流速会随工况变化而波动，隔膜两侧的压差也会发生变化；压差长期作用于隔膜时，会造成隔膜局部变形、孔隙堵塞、润湿状态变化或结构老化，进而增加氢氧气体互串风险，影响装置的运行安全性和使用寿命；同时，电解反应过程中，阴极和阳极表面持续生成气泡，若气泡不能及时脱离电极表面，会遮挡催化活性位点，减小有效反应面积，并增加局部传质阻力和气泡电阻，在高电流密度运行条件下更为明显。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种电极交错式碱性电解水制氢装置，解决了现有电解水装置在动态压差下气体会互串以及电极表面气泡脱附困难的技术问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种电极交错式碱性电解水制氢装置，包括左极板和右极板，所述左极板内侧固定有两个阳极接线柱，两个所述阳极接线柱的端部均连接阳极；所述右极板内侧固定有两个阴极接线柱，两个所述阴极接线柱的端部均连接阴极；所述阳极与所述阴极交错布置，所述阳极与所述阴极之间夹设第二绝缘层；第一绝缘层位于所述左极板与所述阴极之间、所述阳极与所述右极板之间，并形成气液流道；所述左极板和所述右极板为设有进液通道的基板，相邻所述阳极与所述阴极之间通过所述进液通道形成离子通路；绝缘网位于所述第一绝缘层与相邻电极之间；所述阳极、所述阴极、所述第一绝缘层、所述第二绝缘层和所述绝缘网均开设有绝缘孔，所述阳极接线柱和所述阴极接线柱穿设于对应的所述绝缘孔内。

3、本发明采用交错布置方式，电解液分成两股分别进入第一绝缘层形成的气液流道，并以流动电解液作为液相离子导通介质；阳极与阴极之间夹设第二绝缘层，所述第二绝缘层为无流道实心结构，第二绝缘层本体不形成液体通道和离子通道，以阻隔氢气与氧气扩散；绝缘网位于第一绝缘层与相邻电极之间，用于绝缘隔离。

4、进一步的，所述绝缘网的内部开设有多个网孔，相邻所述网孔之间设置有扰流板；扰流板对流经的电解液产生物理分流，形成局部扰动，利用流体剪切作用冲刷电极表面，加速气泡脱离。

5、进一步的，所述第一绝缘层的内部开设有蛇形流道或叉指流道，所述蛇形流道或所述叉指流道的一端延伸至所述第一绝缘层的外部边缘形成进液口，另一端延伸至所述第一绝缘层的外部边缘形成出液口；蛇形流道或叉指流道用于延长电解液的流通路径，使电解液在电极附近均匀分布。

6、进一步的，所述左极板和所述右极板均采用不锈钢板、镍板或镀镍钢板，所述左极板和所述右极板的厚度均为0.5mm至3mm；上述材质与厚度能够兼顾导电性能和结构支撑强度。

7、进一步的，所述第一绝缘层采用聚四氟乙烯层或聚醚醚酮层，所述第一绝缘层的厚度为50μm至1mm；所述蛇形流道或所述叉指流道的深度小于所述第一绝缘层的厚度，宽度为0.5mm至5mm；上述结构能够避免流道切穿第一绝缘层而影响绝缘隔离效果。

8、进一步的，所述阳极和所述阴极均采用泡沫镍件或镍铁合金泡沫件，所述阳极和所述阴极的厚度均为0.1mm至2mm；多孔泡沫结构能够增大电解液与电极的接触面积。

9、进一步的，所述阳极和所述阴极均具有梯度孔隙结构，靠近所述绝缘网一侧的表层孔隙率大于90%，远离所述绝缘网一侧的底层孔隙率为60%至80%；孔隙率差异有利于气泡向大孔隙表层移动，减少气泡在电极内部滞留。

10、进一步的，所述阳极和所述阴极的表面均负载有催化层，所述催化层的负载量为0.5mg/cm2至5mg/cm2；催化层用于降低电解反应过电位，上述负载量范围能够兼顾催化活性和涂层附着稳定性。

11、进一步的，所述阳极与相邻极板之间的间距为0.5mm至5mm，所述阴极与相邻极板之间的间距为0.5mm至5mm；所述第二绝缘层采用氟橡胶垫片或陶瓷垫片，所述第二绝缘层的厚度为1mm至5mm；上述间距用于保证电解液流通空间，第二绝缘层用于填补装配间隙并阻隔氢气与氧气扩散。

12、进一步的，所述绝缘网采用聚丙烯网或聚四氟乙烯网，所述网孔为菱形网孔或六边形网孔，所述绝缘网的开口率大于70%；所述绝缘网的表面设有亲水区域和疏水区域交替排列的图案化处理层；开口率用于保证流体通过量，亲水区域和疏水区域交替排列能够改变局部表面张力，降低气泡在网面的黏附力。

13、本发明提供了一种电极交错式碱性电解水制氢装置。具备以下有益效果：

14、1、本发明采用阴极与阳极交错布置结构，在异极组件间设置绝缘件取代物理隔膜；第二绝缘层夹设在阳极与阴极之间，用于阻隔氢气与氧气扩散；配合第一绝缘层内部的独立流道，将电极表面析出的气体限制在各自流道内排出；上述结构在无隔膜状态下实现氢氧气体的空间隔离，降低气体混合风险，并减少传统隔膜老化导致的气体互串问题。

15、2、第一绝缘层的流道与绝缘网相互连通，扰流板对相邻电极侧的流体形成局部扰动，利用流体剪切力冲刷电极表面；结合绝缘网表面的亲疏水图案化分布及电极材料的梯度孔隙结构，改变气泡附着区的表面张力；流体剪切力与表面张力共同作用，加速电极表面滞留气泡的脱附，减少气泡对反应面积的遮蔽，降低气泡电阻。

16、3、本发明去除传统微孔隔膜后，电解液分成两股进入第一绝缘层形成的气液流道，并依靠流动电解液完成液相离子传导；第二绝缘层夹设于阳极与阴极之间，且不形成液体流道，使阳极与阴极之间不存在直接液体流动通道；由此，装置在保持离子导通的同时实现氢气与氧气的物理隔离，减少传统隔膜老化、孔隙堵塞或压差变形引起的气体互串问题，提高连续运行时的安全性和稳定性。

1.一种电极交错式碱性电解水制氢装置，包括左极板（1）和右极板（10），其特征在于：

2.根据权利要求1所述的电极交错式碱性电解水制氢装置，其特征在于：所述绝缘网（8）的内部开设有多个网孔（12），相邻所述网孔（12）之间设置有扰流板（13）。

3.根据权利要求1所述的电极交错式碱性电解水制氢装置，其特征在于：所述第一绝缘层（9）的内部开设有蛇形流道或叉指流道，所述蛇形流道或所述叉指流道的一端延伸至所述第一绝缘层（9）的外部边缘形成进液口，另一端延伸至所述第一绝缘层（9）的外部边缘形成出液口。

4.根据权利要求1所述的电极交错式碱性电解水制氢装置，其特征在于：所述左极板（1）和所述右极板（10）均采用不锈钢板、镍板或镀镍钢板，所述左极板（1）和所述右极板（10）的厚度均为0.5mm至3mm。

5.根据权利要求3所述的电极交错式碱性电解水制氢装置，其特征在于：所述第一绝缘层（9）采用聚四氟乙烯层或聚醚醚酮层，所述第一绝缘层（9）的厚度为50μm至1mm；所述蛇形流道或所述叉指流道的深度小于所述第一绝缘层（9）的厚度，宽度为0.5mm至5mm。

6.根据权利要求1所述的电极交错式碱性电解水制氢装置，其特征在于：所述阳极（3）和所述阴极（5）均采用泡沫镍件或镍铁合金泡沫件，所述阳极（3）和所述阴极（5）的厚度均为0.1mm至2mm。

7.根据权利要求6所述的电极交错式碱性电解水制氢装置，其特征在于：所述阳极（3）和所述阴极（5）均具有梯度孔隙结构，靠近所述绝缘网（8）一侧的表层孔隙率大于90%，远离所述绝缘网（8）一侧的底层孔隙率为60%至80%。

8.根据权利要求6所述的电极交错式碱性电解水制氢装置，其特征在于：所述阳极（3）和所述阴极（5）的表面均负载有催化层，所述催化层的负载量为0.5mg/cm2至5mg/cm2。

9.根据权利要求1所述的电极交错式碱性电解水制氢装置，其特征在于：所述阳极（3）与相邻极板之间的间距为0.5mm至5mm，所述阴极（5）与相邻极板之间的间距为0.5mm至5mm；所述第二绝缘层（4）采用氟橡胶垫片或陶瓷垫片，所述第二绝缘层（4）的厚度为1mm至5mm。

10.根据权利要求2所述的电极交错式碱性电解水制氢装置，其特征在于：所述绝缘网（8）采用聚丙烯网或聚四氟乙烯网，所述网孔（12）为菱形网孔或六边形网孔，所述绝缘网（8）的开口率大于70%；所述绝缘网（8）的表面设有亲水区域和疏水区域交替排列的图案化处理层。