一种电解水装置的制作方法

1.本实用新型涉及光伏电解水制氢技术领域，具体涉及一种电解水装置。


背景技术：

2.化石能源是温室气体的主要来源，实现碳中和需要以可再生能源代替传统的化石能源，比如利用光伏发电、风电等。然而光伏发电、风电均具有不稳定的特点，为了与电网适配，储能将发挥重要的作用。氢能是一种理想的能源载体，产物只有水，具有绿色、清洁、无污染的特点，光伏发电用于电解水，这样产生的氢气称为绿氢，将光伏发电与储氢结合可以有效解决与电网的匹配问题。
3.现有的电解水装置如图1所示，电解水装置包括电解池100、阴极200、阳极300和隔膜400。电解池100内容置有电解液，阴极200和阳极300分别浸入电解池100两边的电解液中，中间用隔膜400分隔开。
4.但是，这种电解水装置需要采用隔膜，氢离子或氢氧根离子会通过隔膜在电解池的两边流通，同时阻挡氢气和氧气的混合。但隔膜的制作工艺复杂，具有一定的寿命，增加生产成本，同时影响反应速度和生产效率。


技术实现要素：

5.因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中电解制氢装置需要设置隔膜而影响电解制氢效率的缺陷，从而提供一种电解水装置。
6.为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：
7.一种电解水装置，包括：
8.电解槽，用于盛放并保持电解液；
9.阴极和阳极，设置于所述电解槽的侧壁上，且与所述电解槽内的所述电解液接触；
10.第一集气容器和第二集气容器，均为一面具有开口的箱体结构，所述开口能浸没于所述电解液的液面以下；所述第一集气容器由第一支撑结构支撑在所述电解槽靠近所述阴极一侧的上方，用于收集所述阴极电解出的气体；所述第二集气容器由第二支撑结构支撑在所述电解槽靠近所述阳极一侧的上方，用于收集所述阳极电解出的气体。
11.进一步地，所述阴极和所述阳极布置在所述电解槽的的相对两侧壁上。
12.进一步地，所述第一集气容器贴靠在所述电解槽设有所述阴极的一侧壁上，所述第二集气容器贴靠在所述电解槽设有所述阳极的另一侧壁上。
13.进一步地，所述电解槽的一侧壁上开设有第一安装通孔、另一侧壁上开设有第二安装通孔，所述阴极自所述电解槽的外侧壁密封安装在所述第一安装通孔上且与所述电解槽内的空间相接触，所述阳极自所述电解槽的外侧壁密封安装在所述第二安装通孔上且与所述电解槽内的空间相接触。
14.进一步地，所述第一安装通孔和所述第二安装通孔均为台阶孔，且所述台阶孔靠近所述电解槽外侧壁一侧的孔的口径大于所述台阶孔靠近所述电解槽内侧壁一侧的孔的
口径；所述台阶孔口径大的孔内密封垫设有密封圈。
15.进一步地，所述阴极和所述阳极与所述电解液接触的部分为呈板状的电极板；或，所述阴极和所述阳极与所述电解液接触的部分为呈棒状的电极棒。
16.进一步地，所述电源为光伏阵列，所述阴极连接电源的负极，所述阳极连接所述电源的正极。
17.进一步地，所述第一支撑结构包括浸没于所述电解槽内所述电解液的液面以下的第一支撑架，与所述第一支撑架固定连接且漏出所述电解槽内所述电解液的液面以上的第一连接支架，所述第一支撑架支撑在所述第一集气容器的正下方，所述第一连接支架固定连接有用于驱动所述第一连接支架做竖向升降运动的第一驱动件；所述第二支撑结构包括浸没于所述电解槽内所述电解液的液面以下的第二支撑架，与所述第二支撑架固定连接且漏出所述电解槽内所述电解液的液面以上的第二连接支架，所述第二支撑架支撑在所述第二集气容器的正下方，所述第二连接支架固定连接有用于驱动所述第二连接支架做竖向升降运动的第二驱动件；所述第一支撑架和所述第二支撑架均包括沿水平方向延伸且间隔布置的至少两条支撑臂。
18.进一步地，所述支撑臂采用耐腐蚀、耐碱材料制成。
19.进一步地，所述电解槽的底部通过管道连通有平衡箱体。
20.本实用新型技术方案，具有如下优点：
21.1.本实用新型提供的电解水装置，将阴极和阳极均设置在电解槽的侧壁上，在电解水的过程中，先将电解槽内注入电解液，并使电解液的液位浸没阴极和阳极，然后将装满有电解液的第一集气容器倒扣在第一支撑结构上，将装满有电解液的第二集气容器倒扣在第二支撑结构上，此时第一集气容器和第二支撑结构的开口均浸没在电解液的液面以下；然后接通电源，阴极产生的气体进入第一集气容器内并将第一集气容器内的电解液向外排出，阴极产生的气体进入第二集气容器内并将第二集气容器内的电解液向外排出；这种电解水装置，采用排水法分别收集阴极和阳极在电解过程产生的气体，电解槽内无需设置隔膜也可以避免气体的混合，不仅降低了隔膜成本，还减少了隔膜对电解质溶液离子传输速率的影响，有利于提高电化学反应速率和产气效率。
22.2.本实用新型提供的电解水装置，阴极和阳极布置在电解槽的相对的两侧壁上，可使阴极和阳极尽可能的远离，避免发生混气现象。
23.3.本实用新型提供的电解水装置，第一集气容器贴靠在电解槽设有阴极的一侧壁上，第二集气容器贴靠在电解槽设有阳极的另一侧壁上；如此设置，可以减少阴极产生的气体在第一集气容器和电解槽侧壁之间的狭缝向外溢出，阳极产生的气体在第二集气容器和电解槽侧壁之间的狭缝向外溢出，提高气体收集效率。
24.4.本实用新型提供的电解水装置，阴极自电解槽的外侧壁密封安装在第一安装通孔上，阳极自电解槽的外侧壁密封安装在第二安装通孔上；如此设置，便于连接电极的导线在电解槽的外部连接在电极上。
25.5.本实用新型提供的电解水装置，密封圈的设置可以防止电极和电解槽之间的接缝出现漏液现象，密封性更好。
26.6.本实用新型提供的电解水装置，阴极和阳极与电解液接触的部分采用呈板状的电极板，可以增大与电解液的接触面积，提高产气效率。
27.7.本实用新型提供的电解水装置，太阳能是一种绿色能源，采用光伏阵列作为电解水装置的电源，更加环保；而且太阳能先通过光伏阵列转化电能后、再通过电化学反应转化氢能(化学能)存储在氢气中，最后氢气通过燃烧将氢能(化学能)转化为电能，可以提高发电的稳定性，解决光伏发电与电网的匹配问题。
28.8.本实用新型提供的电解水装置，当第一集气容器内的液面低于电解槽内的液面时，第一驱动件可驱动第一连接支架和第一支撑架上升，进而抬高第一集气容器，有利于气体装满第一集气容器；当第二集气容器内的液面低于电解槽内的液面时，第二驱动件可驱动第二连接支架和第二支撑架上升，进而抬高第二集气容器，有利于气体装满第二集气容器；此外，由两条支撑臂组成的第一支撑架和第二支撑架具有结构简单，易于实现，制作成本低的优点。
29.9.本实用新型提供的电解水装置，采用耐腐蚀、耐碱性能好的材料制成的支撑臂，稳定性高，可以减小支撑臂出现电腐蚀的问题。
30.10.本实用新型提供的电解水装置，电解槽的底部通过管道连通有平衡箱体，此时平衡箱体和电解槽形成连通器，平衡箱体内的电解液可使电解槽内的液位保持稳定。
附图说明
31.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为现有技术中电解水装置的结构示意图；
33.图2为本实用新型实施例中电解水装置的结构示意图；
34.图3为本实用新型实施例中电解水装置的的侧视图；
35.图4为本实用新型实施例中阴极产生的气体被第一集气容器收集的状态示意图；
36.图5为本实用新型实施例中阴极在电解槽侧壁上的安装结构示意图。
37.附图标记说明：100、电解池；200、阴极；300、阳极；400、隔膜；
38.1、电解槽；2、阴极；3、阳极；4、第一集气容器；5、第二集气容器；6、第一支撑架；7、第二支撑架；8、密封圈；9、光伏阵列；10、平衡箱体。
具体实施方式
39.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
40.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
41.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体地连接；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，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
42.如图2－5所示的一种电解水装置，包括电解槽1、阴极2、阳极3、电源、第一集气容器4、第二集气容器5、第一支撑结构和第二支撑结构。其中，电解槽1内盛放有电解液，电解液保持在一定的液位高度。阴极2和阳极3均设置在电解槽1的外侧壁上，且均分别连入电解槽1内并与电解槽1内的电解液接触；阴极2连接电源的负极，阳极3连接电源的正极。第一集气容器4和第二集气容器5均为一面具有开口的箱体结构，且开口朝向电解槽1的槽底并浸没于电解槽1内电解液的液面以下位置。第一集气容器4由第一支撑结构支撑在电解槽1靠近阴极2一侧的上方，用于收集阴极2电解出的气体；第二集气容器5由第二支撑结构支撑在电解槽1靠近阳极3一侧的上方，用于收集阳极3电解出的气体。
43.具体的，电解槽1的上部不封闭，电解槽1采用pvdf(聚偏氟乙烯)、ptfe(聚四氟乙烯)等耐电化学腐蚀、耐碱材料制成。电解液采用碱性电解液，例如采用5％－30％的氢氧化钠或氢氧化钾溶液、温度为25℃－60℃的电解质溶液作为电解液。优选的，采用30％的氢氧化钾溶液、温度为60℃的电解质溶液作为电解液。
44.阴极2和阳极3的材料包括石墨，铜，铂，铝等，以及其中一种或多种材料的组合。第一集气容器4和第二集气容器5的材料包括玻璃瓶或塑料瓶。电解过程中，阴极2电解产生的气体为氢气，阳极3电解产生的气体为氧气。
45.这种电解水装置，将阴极2和阳极3均设置在电解槽1的侧壁上，在电解水的过程中，先将电解槽1内注入电解液，并使电解液的液位浸没阴极2和阳极3，然后将装满有电解液的第一集气容器4倒扣在第一支撑结构上，将装满有电解液的第二集气容器5倒扣在第二支撑结构上，此时第一集气容器4和第二集气容器5的开口均浸没在电解液的液面以下；然后接通电源，阴极2产生的氢气进入第一集气容器4内并将第一集气容器4内的电解液向外排出，阴极2产生的氧气进入第二集气容器5内并将第二集气容器5内的电解液向外排出。如此设置，采用排水法分别收集阴极2产生的氢气和阳极3产生的氧气，收集得到气体的纯度比较高；且电解槽1的阴极2和阳极3两边均与大气连通，没有压强差，在阴极2和阳极3保持一定距离的条件下，氢气和氧气没有混气和爆炸的风险，因此电解槽1内可以无需设置隔膜，不仅降低了隔膜成本，还减少了隔膜对电解液离子传输速率的影响，有利于提高电化学反应速率和产气效率。
46.在本实施例的一种具体实施方式中，电解槽1呈长方体型，阴极2和阳极3分别设置在电解槽1长度方向上相对的两个侧壁上，且阴极2和阳极3的连线与电解槽1内的液位面平行，也即是阴极2和阳极3在同一高度位置上。如此设置，阴极2和阳极3可以尽可能地相互远离，避免发生混气现象。在可替代的实施方式中，电解槽1还可以呈圆筒形或圆环形等任意形状，只要阴极2和阳极3之间的间距大于安全距离即可。
47.在本实施例的一种具体实施方式中，第一集气容器4贴靠在电解槽1设有阴极2的一侧壁上，第二集气容器5贴靠在电解槽1设有阳极3的另一侧壁上。在电解槽1设有阴极2的侧壁的长度方向上，第一集气容器4上开口的长度大于阴极2与电解液接触面的长度，第二
集气容器5上开口的长度大于阳极3与电解液接触面的长度。如此设置，可以减少阴极2产生的氢气在第一集气容器4和电解槽1侧壁之间的狭缝向外溢出，阳极3产生的氧气在第二集气容器5和电解槽1侧壁之间的狭缝向外溢出，提高气体收集效率。
48.在本实施例的一种具体实施方式中，电解槽1的一侧壁上开设有第一安装通孔、另一侧壁上开设有第二安装通孔，为了便于将电源连接阴极2或阳极3的导线设置在电解槽1外，阴极2自电解槽1的外侧壁密封安装在第一安装通孔上，阳极3自电解槽1的外侧壁密封安装在第二安装通孔上。优选的，为了防止阴极2或阳极3和电解槽1之间的接缝出现漏液现象，第一安装通孔和第二安装通孔均设置为台阶孔，且台阶孔靠近电解槽1外侧壁一侧的孔的口径大于台阶孔靠近电解槽1内侧壁一侧的孔的口径；台阶孔口径大的孔内密封垫设有密封圈8，密封圈8具体可以为橡胶圈，台阶孔的周围涂抹固体润滑油，固体润滑油固化后可以对台阶孔、橡胶圈、阴极2或阳极3之间的缝隙进行密封。
49.在本实施例的一种具体实施方式中，阴极2和阳极3与电解液接触的部分为板状的电极板，电极板可以呈方形或圆形，电极板的尺寸大于第一安装通孔和第二安装通孔的尺寸。电极板表面产生的气体脱离电极板后被第一集气容器4或第二集气容器5所收集。采用板状的电极板作为阴极2和阳极3，不仅可以增大与电解液的接触面积，提高产气效率；而且电极板无需完全伸进电解液的中心，在电解槽1大小一定的情况下有利于尽可能地增大阴极2和阳极3之间的距离。在可替代的实施方式中，阴极2和阳极3与电解液接触的部分还可以为呈棒状的电极棒，电极棒伸进电解液内，电极棒表面产生的气体竖直向上冒出被被第一集气容器4或第二集气容器5所收集。
50.在本实施例的一种具体实施方式中，电源负极和阴极2之间设有开关，电源具体为光伏阵列9。太阳能发电是一种绿色能源，采用光伏阵列9作为电解水装置的电源，不仅更加环保；而且太阳能先通过光伏阵列转化电能后、再通过电化学反应转化氢能(化学能)存储在氢气中，最后氢气通过燃烧将氢能(化学能)转化为电能，可以提高发电的稳定性，解决光伏发电与电网的匹配问题。
51.在本实施例的一种具体实施方式中，第一支撑结构包括浸没于电解槽1内电解液的液面以下的第一支撑架6，与第一支撑架6固定连接且漏出电解槽内电解液的液面以上的第一连接支架(图未示出)，第一支撑架6支撑在第一集气容器4的正下方，第一连接支架固定连接有用于驱动第一连接支架做竖向升降运动的第一驱动件(图未示出)；第二支撑结构包括浸没于电解槽1内电解液的液面以下的第二支撑架7，与第二支撑架7固定连接且漏出电解槽1内电解液的液面以上的第二连接支架(图未示出)，第二支撑架7支撑在第二集气容器5的正下方，第二连接支架固定连接有用于驱动第二连接支架做竖向升降运动的第二驱动件(图未示出)。第一支撑架6和第二支撑架7均包括沿水平方向延伸且间隔布置的两条支撑臂；第一驱动件和第二驱动件具体为直线电机或气缸；第一连接支架和第二连接支架的固定部分固定在电解槽的上方或通过固定在地面的立柱上。具体的，支撑臂采用耐电化学腐蚀、耐碱的陶瓷材料制成。此处可以理解的是，第一支撑架6和第二支撑架7的结构可以是任意形状，第一支撑架6和第二支撑架7可以分开的，也可以是一体的，第一支撑架6和第二支撑架7可以全部浸没在电解液中或者部分浸没在电解液中，只要第一支撑架7和第二支撑架7浸没在电解液中的部分的耐电化学腐蚀性能强、耐碱性能好即可。第一支撑架6和第二支撑架7还可以在电解槽1内做升降运动，当第一集气容器4和第二集气容器5内的液面低于
电解槽1内的液面时，第一支撑架6和第二支撑架7向上升起，并抬高第一集气容器4和第二集气容器5，有利于气体装满第一集气容器4和第二集气容器5。在可替代的实施方式中，第一支撑结构和第二支撑结构还可以为位于第一集气容器4和第二集气容器5上方的机械夹爪和大吸力吸盘。
52.在本实施例的一种具体实施方式中，电解槽1通过管道连通有平衡箱体10，管道的开口高度低于阴极2和阳极3所在位置的高度。此时平衡箱体10和电解槽1形成连通器，平衡箱体10和电解槽1内的电解液可以互通，有利于电解槽1内的液位保持稳定。
53.采用这种电解水装置制备和收集氢气和氧气的操作步骤如下：
54.步骤一：向电解槽1内注入电解液，直至电解液的液位高过电解槽1侧壁阴极2和阳极3的一定高度的液位高度。其中，电解液采用5％－30％的氢氧化钠或氢氧化钾溶液，电解液的温度为25℃－60℃。优选地，电解液采用30％的氢氧化钾溶液，电解液的温度为60℃；
55.步骤二：将用于收集氢气的第一集气容器4和用于收集氧气的第二集气容器5放入平衡箱体10内装满电解液；第一集气容器4和第二集气容器5为一面开口、内部为空的长方体；
56.步骤三：将装满电解液的第一集气容器4和第二集气容器5从平衡箱体10取出，用玻璃片盖住第一集气容器4和第二集气容器5的开口；玻璃片的大小大于第一集气容器4和第二集气容器5的开口，玻璃片的两条侧边的两端和中间位置分别固定有支架或绳子，提起时玻璃片处于水平位置；
57.步骤四：将装满电解液的第一集气容器4和第二集气容器5以倒置状态快速放入电解槽1，在第一集气容器4和第二集气容器5的开口完全浸入电解槽1液面以下之前，玻璃片始终盖在开口处保持不漏液或极少漏液；
58.步骤五：将用于收集氢气的第一集气容器4放在阴极2上方的支撑臂上，将用于收集氧气的第二集气容器5放在阳极3上方的支撑臂上，并使第一集气容器4和第二集气容器5的侧面紧贴电解槽1的侧壁；
59.步骤六：将光伏阵列放置在太阳光下，闭合阴极2、阳极3的供电回路上的开关，将光伏阵列9发的电来电解水，通过排水法收集在阴极2产生的氢气和阳极3产生的氧气；由于第一集气容器4和第二集气容器5有一定的深度，当第一集气容器4和第二集气容器5内的液面低于电解槽1液面时，由于水压气泡可能进不到第一集气容器4和第二集气容器5里，此时缓慢提升第一集气容器4和第二集气容器5，直到能够使气体装满第一集气容器4和第二集气容器5；
60.步骤七：当气体装满第一集气容器4和第二集气容器5时，断开供电回路上的开关，停止电解水；
61.步骤八：用绳子将玻璃片放入电解槽1，与第一集气容器4和第二集气容器5的开口贴合，将第一集气容器4和第二集气容器5提出液面，此时第一集气容器4和第二集气容器5均处于开口朝下的倒置状态。
62.步骤九：直接移出第一集气容器4的开口上的玻璃片，迅速用具有第一通气口且第一通气口被密封塞密封的第一盖体密封盖在开口上；当需要将第一集气容器4内的氢气导入氢气瓶内储存时，移出第一通气口上的密封塞，将氢气瓶连通的导气管与第一通气口连通，第一集气容器4内氢气转入氢气瓶内存放。由于氢气的密度比空气小，在第一集气容器4
处于倒置状态下进行移出玻璃片并加装第一盖体的操作，可以减少第一集气容器4在加装第一盖体时的泄漏量。
63.步骤十：翻转处于倒置状态的第二集气容器5，使第二集气容器5的开口朝上，迅速用具有第二通气口且第二通气口被密封塞密封的第二盖体密封盖在开口上；当需要将第二集气容器5内的氧气导入氧气瓶内储存时，移出第二通气口上的密封塞，将氧气瓶连通的导气管与第二通气口连通，第二集气容器4内氧气转入氧气瓶内存放。
64.这种电解水装置，采用光伏阵列9作为电解水的电源，电化学反应只有水的分解，通过补水电解液可以循环利用，绿色无污染；采用排水法分别收集阴极2产生的氢气和阳极3产生的氧气，收集得到气体的纯度比较高；且电解槽1的阴极2和阳极3两边均与大气连通，没有压强差，在阴极2和阳极3保持一定距离的条件下，氢气和氧气没有混气和爆炸的风险，因此电解槽1内可以无需设置隔膜，不仅降低了隔膜成本，还减少了隔膜对电解液离子传输速率的影响，有利于提高电化学反应速率和产气效率。
65.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。