一种引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的装置及方法

本发明涉及电解制氢，尤其涉及一种引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的装置及方法。

背景技术：

1、电解水制氢是将可再生电能转化为氢能的重要途径。碱性电解槽由于结构简单、利于规模化放大等优势，在实际工业中应用广泛。电解过程中，阴阳两极生成的氢气和氧气以气泡形式在电极表面成核、生长和脱离。然而，气泡在电极表面的滞留和不及时排出会显著影响电解槽性能，造成反应活性位点遮蔽、界面电阻增加、电解液传质受阻以及局部电流分布不均等问题。随着电流密度升高，气泡覆盖和遮蔽问题进一步加剧，相关能耗损失可达总能耗的30%。因此，产物气泡的快速脱离是降低电解制氢能耗的关键。

2、现有促进气泡脱除的技术方案主要包括主动调控和被动调控方法。主动调控方法通常借助外加流动、超声、磁场、电场或超重力等方式强化气泡脱离，但该类方法往往需要额外能量输入，并会增加系统结构、控制单元和工程成本。被动调控方法多通过改变电极表面润湿性、构建微纳结构、设置沟槽或导流结构等方式降低气泡附着强度并促进气泡迁移，虽然具有低能耗的优势，但电极结构的制备工艺较复杂，长期运行稳定性、放大一致性和适配不同电解体系的通用性仍有待提高。此外，现有调控策略大多忽略了气泡相互作用可能带来的有利影响，不仅限制了对相关机制的深入认识，也制约了电解性能的进一步提升。

3、因此，亟需发展一种引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的装置及方法来解决上述的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的装置及方法，针对现有气泡脱除策略在能耗、结构复杂性及长期稳定性等方面存在的不足，旨在不依赖输入额外能量和复杂电极界面的条件下，实现气泡的高效脱除。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的装置，包括层叠布置的阴极电极材料层、中心隔膜和阳极电极材料层，还包括排气膜，所述排气膜包括两层，所述阴极电极材料层和所述阳极电极材料层的流道板的外侧，远离所述中心隔膜；

3、所述排气膜与所述阴极电极材料层以及所述排气膜与所述阳极电极材料层的反应区域表面之间形成受限空间；

4、所述排气膜为具有开放孔道结构的片状多孔膜，所述排气膜的低表面能界面用于捕获电极表面生成的气泡并使被捕获的气泡与后续气泡发生聚并，所述排气膜的开放孔道用于将聚并后的气泡沿侧向排出所述受限空间。

5、优选的，所述装置还包括阴极流道模块和阳极流道模块，所述阴极流道模块将所述排气膜固定在所述阴极电极材料层远离所述中心隔膜的一侧，所述阳极流道模块将所述排气膜固定在所述阳极电极材料层远离所述中心隔膜的一侧。

6、优选的，所述阴极流道模块包括第一外侧密封垫片和阴极流道板，阴极侧所述排气膜设置于所述第一外侧密封垫片与所述阴极流道板之间；所述阳极流道模块包括阳极流道板和第二外侧密封垫片，阳极侧所述排气膜设置于所述阳极流道板与所述第二外侧密封垫片之间。

7、优选的，还包括第一内侧密封垫片和第二内侧密封垫片，所述第一内侧密封垫片设置于所述阴极流道模块与所述阴极电极材料层之间，所述第二内侧密封垫片设置于所述阳极流道模块与所述阳极电极材料层之间，用于限定中心电极反应区。

8、优选的，所述排气膜包括经低表面能处理的多孔膜材料，其表面具有疏水性或超疏水性，所述排气膜上的孔道为贯通所述排气膜厚度方向的气体迁移通道。

9、优选的，所述排气膜包括聚四氟乙烯膜或聚丙烯膜。

10、一种采用引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的装置的方法，包括以下步骤：

11、将排气膜分别设置于阴极电极材料层以及阳极电极材料层远离中心隔膜的一侧，使排气膜与阴极电极材料层以及阳极电极材料层的反应区域表面之间形成受限空间；

12、在电解过程中，使阴极电极材料层以及阳极电极材料层表面生成的气泡进入受限空间，气泡在排气膜的低表面能界面处被捕获；

13、被捕获的气泡与后续进入受限空间的气泡发生聚并，使气泡尺寸增大；

14、聚并增大的气泡经排气膜的开放孔道沿侧向排出所述受限空间，减少气泡对阴极电极材料层以及阳极电极材料层表面的覆盖。

15、优选的，所述排气膜采用疏水改性处理，经疏水改性后的排气膜表面接触角大于90°，使气泡优先在排气膜界面处被捕获而非附着于阴极电极材料层以及所述阳极电极材料层的表面。

16、优选的，受限空间的间距配置为允许气泡在受限空间内运动聚并。

17、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明公开了一种引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的装置及方法，针对电极表面析氢过程中气泡易滞留、覆盖效应显著，进而限制界面传质的问题，本发明在电极外侧引入超疏水排气膜构建受限空间以促进电极表面气泡快速排出，无需外加声场、磁场、超重力场或额外强制扰动即可促进气泡的聚并与脱除，系统结构简单，附加能耗低；排气膜与电极所构建的受限空间显著增加了气泡之间的聚并概率，能够促进气泡聚并和快速排出，降低界面传质阻力和欧姆阻力，有利于电解槽在较高电流密度下稳定运行；同时电解槽中引入经疏水处理的排气膜，能显著提升电解性能。与无膜体系相比，装配排气膜电解槽的电流提升了30%以上，提升电解性能效果稳定，且不需要对电极本体进行复杂微纳加工，便于维护、更换和放大。

1.一种引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的装置，包括层叠布置的阴极电极材料层（5）、中心隔膜（6）和阳极电极材料层（7），其特征在于：还包括排气膜，所述排气膜包括两层，所述排气膜分别贴合在所述阴极电极材料层（5）和所述阳极电极材料层（7）的流道板的外侧，远离所述中心隔膜（6）；

2.根据权利要求1所述的引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的装置，其特征在于：所述装置还包括阴极流道模块和阳极流道模块，所述阴极流道模块将所述排气膜固定在所述阴极电极材料层（5）远离所述中心隔膜（6）的一侧，所述阳极流道模块将所述排气膜固定在所述阳极电极材料层（7）远离所述中心隔膜（6）的一侧。

3.根据权利要求2所述的引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的装置，其特征在于：所述阴极流道模块包括第一外侧密封垫片（2）和阴极流道板（3），阴极侧所述排气膜设置于所述第一外侧密封垫片（2）与所述阴极流道板（3）之间；所述阳极流道模块包括阳极流道板（9）和第二外侧密封垫片（10），阳极侧所述排气膜设置于所述阳极流道板（9）与所述第二外侧密封垫片（10）之间。

4.根据权利要求2所述的引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的装置，其特征在于：还包括第一内侧密封垫片（4）和第二内侧密封垫片（8），所述第一内侧密封垫片（4）设置于所述阴极流道模块与所述阴极电极材料层（5）之间，所述第二内侧密封垫片（8）设置于所述阳极流道模块与所述阳极电极材料层（7）之间，用于限定中心电极反应区。

5.根据权利要求1所述的引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的装置，其特征在于：所述排气膜包括经低表面能处理的多孔膜材料，其表面具有疏水性或超疏水性，所述排气膜上的孔道为贯通所述排气膜厚度方向的气体迁移通道。

6.根据权利要求5所述的引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的装置，其特征在于：所述排气膜包括聚四氟乙烯膜或聚丙烯膜。

7.一种引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的方法，采用权利要求1-6任意一项所述的引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的装置，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的方法，其特征在于：所述排气膜采用疏水改性处理，经疏水改性后的排气膜表面接触角大于90°，使气泡优先在排气膜界面处被捕获而非附着于阴极电极材料层（5）以及所述阳极电极材料层（7）的表面。

9.根据权利要求7所述的引入排气膜调控气泡聚并实现高效电解的方法，其特征在于：受限空间的间距配置为允许气泡在受限空间内运动聚并。