本發(fā)明涉及電解水制氫，具體涉及一種自吸式電解水制氫毛細(xì)電解槽。

背景技術(shù)：

1、氫能作為一種清潔、高效的能源，被視為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的主要方式之一。其具有以下特點(diǎn)：能量密度高、無污染、來源廣泛以及可存儲(chǔ)和運(yùn)輸。隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣鲩L(zhǎng)以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益關(guān)注，氫能已經(jīng)成為一種理想的清潔能源，受到了廣泛關(guān)注。在制氫環(huán)節(jié)中，電解水制氫被視為“綠氫”，在電解過程中，陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣，陰極產(chǎn)生氫氣，具有零碳排放量，被認(rèn)為是最為清潔的能源，正逐漸成為備受矚目的制氫技術(shù)。

2、目前，電解水制氫技術(shù)主要分為堿性電解水（alk）制氫技術(shù)、質(zhì)子交換膜（pem）電解水制氫技術(shù)、陰離子交換膜（aem）電解水制氫技術(shù)和固體氧化物（soe）電解水制氫技術(shù)。其中，堿性電解水制氫技術(shù)是最為成熟的電解水制氫技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，其以氫氧化鉀（koh）或氫氧化鈉（naoh）等堿性溶液為電解液，制氫成本較低，但傳統(tǒng)的堿性電解水制氫電解槽制氫效率最高為75%，這主要是由于在電解水的過程中，生成的氫氣和氧氣氣泡會(huì)附著在陰陽(yáng)電極的周圍，進(jìn)而阻礙了電極與電解液的有效接觸，同時(shí)氣泡需要通過電解液排出，降低了電解效率。因此aaron?hodges等開發(fā)了一種毛細(xì)電解槽[aaron?hodges,anhlinh?hoang,george?tsekouras,klaudia?wagner,chong-yong?lee,gerhard?f.swiegers&gordon?g.wallace，nature?communications2022，13：1304]，在這種毛細(xì)電解槽結(jié)構(gòu)中，電解液（氫氧化鉀或氫氧化鈉溶液）通過多孔隔膜的毛細(xì)作用供應(yīng)給電極，在電解水過程中，電解液通過毛細(xì)作用不斷地從儲(chǔ)液器傳輸?shù)礁裟みM(jìn)行補(bǔ)充，電極從隔膜橫向吸入液體，在陰極和陽(yáng)極電解生成氫氣和氧氣直接排出，不與電解液接觸，不產(chǎn)生氣泡，提供了無氣泡的電解方法，其電解水制氫效率提高至98%。cn202410907957.8提出一種毛細(xì)管自吸式電解海水制氫裝置及方法，結(jié)合海水取熱淡化組件，通過多孔隔膜的毛細(xì)作用將淡化后的海水傳輸給電極，電解產(chǎn)生氫氣和氧氣，該方法集成了海水原位淡化與電解水過程，實(shí)現(xiàn)了海水直接引入電解槽進(jìn)行電解制氫，產(chǎn)生的氣體直接排出，不產(chǎn)生氣泡，提供了無氣泡的電解海水的方法，提升了制氫效率。

3、質(zhì)子交換膜（pem）電解水制氫技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，其具有啟停時(shí)間短，氫氣純度高，環(huán)境友好，結(jié)構(gòu)緊湊，容易響應(yīng)可再生能源的波動(dòng)性的優(yōu)勢(shì)。pem電解槽主要部件從內(nèi)到外依次由質(zhì)子交換膜、催化劑層、氣體擴(kuò)散層、雙極板組成。在電解水的過程中，電解液水通過外部壓力流入至陽(yáng)極腔室，通過陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層傳輸?shù)疥?yáng)極催化劑層，并發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氫離子和氧氣，產(chǎn)生的氧氣通過陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層傳輸至水中，并生成氣泡排出，而生成的氫離子通過質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)至陰極，并在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，生成氫氣，并通過陰極氣體擴(kuò)散層排出，不產(chǎn)生氫氣氣泡。pem電解水制氫過程中，電解液僅接觸陽(yáng)極側(cè)，并在電解液中產(chǎn)生氧氣氣泡，導(dǎo)致氧氣氣泡堵塞陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層多孔通道的問題。并且，在pem電解槽結(jié)構(gòu)中陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層同時(shí)起到液-氣傳輸?shù)淖饔?，在?yáng)極氣體擴(kuò)散層中電解液的傳輸方向與產(chǎn)生氣體氧氣的方向是相反的，阻礙了氧氣的排出，降低了制氫效率。陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層由于其處在酸性環(huán)境下，主要采用多孔鈦和鈦氈的材質(zhì)。

4、陰離子交換膜（aem）電解水制氫技術(shù)是一種新興的電解水制氫技術(shù)，其結(jié)合了堿性電解水（alk）制氫技術(shù)和質(zhì)子交換膜（pem）電解水制氫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：在堿性的工作環(huán)境中使用非貴金屬催化劑，電解槽組件成本低；具有類似于pem電解槽的結(jié)構(gòu)，可匹配可再生能源的波動(dòng)性，結(jié)構(gòu)緊湊，制氫純度高。aem電解槽主要部件從內(nèi)到外依次由陰離子交換膜、催化劑層、氣體擴(kuò)散層、雙極板組成。aem電解槽結(jié)構(gòu)與pem電解槽的結(jié)構(gòu)相同，不同的是其采用陰離子交換膜，并且aem電解槽電解液可以采用氫氧化鉀、氫氧化鈉溶液或純水。在電解的過程中，電解液被輸送至陽(yáng)極腔室，通過陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層傳輸?shù)疥?yáng)極催化劑層，再傳輸?shù)疥庪x子交換膜，最終傳輸至陰極催化劑層，在陰極催化劑的作用下，電解液分解成氫氣和氫氧根離子，產(chǎn)生的氫氣通過陰極氣體擴(kuò)散層排出，不產(chǎn)生氫氣氣泡，而生成的氫氧根離子通過陰離子交換膜傳導(dǎo)至陽(yáng)極，并在陽(yáng)極側(cè)發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧氣，并通過陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層傳輸至電解液中，并生成氧氣氣泡排出。與pem電解水制氫相同，aem電解水制氫電解液僅接觸陽(yáng)極側(cè)，并在電解液中產(chǎn)生氧氣氣泡，也存在氧氣氣泡堵塞陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層多孔通道的問題。在aem電解槽結(jié)構(gòu)中陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層同時(shí)也起到液-氣傳輸?shù)淖饔?，并且在?yáng)極氣體擴(kuò)散層中電解液的傳輸方向與產(chǎn)生氣體氧氣的方向是相反的，阻礙了氧氣的排出，降低了制氫效率。aem電解水制氫陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層由于其處在堿性環(huán)境下，主要采用多孔鎳，多孔鈦等材質(zhì)。

5、因此，當(dāng)前pem電解水制氫和aem電解水制氫，在電解水過程中，生成的氧氣都需要通過在電解液中形成氣泡排出，進(jìn)而容易堵塞陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的多孔通道，并且在陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層中電解液的傳輸方向與產(chǎn)生氣體氧氣的排出方向是相反的，阻礙了陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層液-氣傳輸效率，進(jìn)而降低了電解效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)的目的在于提供一種自吸式電解水制氫毛細(xì)電解槽，應(yīng)用于pem電解水制氫和aem電解水制氫。通過具有毛細(xì)現(xiàn)象的毛細(xì)傳輸層，將電解液從電解液腔室輸送至電解陽(yáng)極腔室或陰極腔室，產(chǎn)生的氧氣和氫氣可直接無阻力排出，不產(chǎn)生氣泡，解決現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生氣體氣泡堵塞多孔通道的問題。

2、本發(fā)明提供了一種自吸式電解水制氫毛細(xì)電解槽，毛細(xì)電解槽包括通過毛細(xì)傳輸層連接的電解組件與電解液腔室，所述電解組件包括隔膜、設(shè)置在隔膜一側(cè)的陽(yáng)極單元以及設(shè)置在隔膜一側(cè)的陰極單元，電解液腔室存儲(chǔ)有電解液，所述毛細(xì)傳輸層伸入電解液腔室的電解液中，連接電解液腔室以及電解組件的電解腔室。

3、優(yōu)選的，應(yīng)用于pem電解水制氫時(shí)，隔膜為質(zhì)子交換膜，電解液為純水；應(yīng)用于aem電解水制氫時(shí)，隔膜為陰離子交換膜，電解液為氫氧化鉀溶液、氫氧化鈉溶液、純水中的一種；

4、陽(yáng)極單元包括陽(yáng)極板、設(shè)置在陽(yáng)極板內(nèi)側(cè)的毛細(xì)傳輸層、設(shè)置在毛細(xì)傳輸層內(nèi)側(cè)的陽(yáng)極催化劑層，陰極單元包括陰極板、設(shè)置在陰極板內(nèi)側(cè)的陰極氣體擴(kuò)散層、設(shè)置在陰極氣體擴(kuò)散層內(nèi)側(cè)的陰極催化劑層；陽(yáng)極板與毛細(xì)傳輸層通過毛細(xì)傳輸層密封墊片密封連接；陰極板與陰極氣體擴(kuò)散層通過密封墊片密封連接；

5、或者，陽(yáng)極單元包括陽(yáng)極板、設(shè)置在陽(yáng)極板內(nèi)側(cè)的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層、設(shè)置在陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層內(nèi)側(cè)的毛細(xì)傳輸層、設(shè)置在毛細(xì)傳輸層內(nèi)側(cè)的陽(yáng)極催化劑層，陰極單元包括陰極板、設(shè)置在陰極板內(nèi)側(cè)的陰極氣體擴(kuò)散層、設(shè)置在陰極氣體擴(kuò)散層內(nèi)側(cè)的陰極催化劑層；陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層與陽(yáng)極板通過密封墊片密封連接，毛細(xì)傳輸層與陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層通過毛細(xì)傳輸層密封墊片連接；陰極板與陰極氣體擴(kuò)散層通過密封墊片密封連接。

6、優(yōu)選的，應(yīng)用于aem電解水制氫時(shí)，隔膜為陰離子交換膜，電解液為氫氧化鉀溶液、氫氧化鈉溶液、純水中的一種；陽(yáng)極單元包括包括陽(yáng)極板、設(shè)置在陽(yáng)極板內(nèi)側(cè)的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層、設(shè)置在陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層內(nèi)側(cè)的陽(yáng)極催化劑層，陰極單元包括陰極板、設(shè)置在陰極板內(nèi)側(cè)的毛細(xì)氣體傳輸層、設(shè)置在毛細(xì)氣體傳輸層內(nèi)側(cè)的陰極催化劑層；陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層與陽(yáng)極板通過密封墊片連接，毛細(xì)傳輸層與陰極板通過毛細(xì)傳輸層墊片連接。

7、優(yōu)選的，陰極板上設(shè)置有氫氣出口，陽(yáng)極上設(shè)置有氧氣出口。

8、優(yōu)選的，陽(yáng)極板以及陰極板上均設(shè)置有氣體流道。

9、優(yōu)選的，當(dāng)毛細(xì)電解槽單獨(dú)使用時(shí)，陽(yáng)極板的外側(cè)設(shè)置有絕緣墊片，絕緣墊片的外側(cè)設(shè)置有陽(yáng)極端板，陰極板的外側(cè)設(shè)置有絕緣墊片，絕緣墊片的外側(cè)設(shè)置有陰極端板；

10、多個(gè)毛細(xì)電解槽單元相連時(shí)，一端的毛細(xì)電解槽的陽(yáng)極板的外側(cè)設(shè)置有絕緣墊片，絕緣墊片的外側(cè)設(shè)置有陽(yáng)極端板，另一端的毛細(xì)電解槽的陰極板的外側(cè)設(shè)置有絕緣墊片，絕緣墊片的外側(cè)設(shè)置有陰極端板。

11、優(yōu)選的，電解液腔室位于電解組件的頂部或底部；氧氣出氣口貫穿絕緣墊片以及陽(yáng)極端板；氫氣出氣口貫穿絕緣墊片以及陰極端板；

12、陰極板和陽(yáng)極板材質(zhì)為鈦、不銹鋼、石墨中的一種或多種；陰極氣體擴(kuò)散層為碳紙，多孔鈦、多孔鎳、多孔不銹鋼中的一種或多種；陰極催化劑層催化劑為鉑、鎳、nimo、nip中的一種；隔膜為質(zhì)子交換膜或陰離子交換膜；陽(yáng)極催化劑層催化劑為二氧化銥、鎳鐵合金中的一種；毛細(xì)傳輸層為毛細(xì)泡沫鈦、毛細(xì)泡沫鎳、毛細(xì)泡沫不銹鋼中的一種或多種。

13、優(yōu)選的，毛細(xì)傳輸層的制備方法如下，

14、步驟一、將金屬粉末、粘結(jié)劑，加熱攪拌制成粉漿；

15、步驟二、將有機(jī)泡沫浸澤在步驟一得到的粉漿中，重復(fù)浸澤至有機(jī)泡沫包裹粉漿，置于空氣中固化；

16、步驟三、將步驟二中得到的固化且包裹粉漿的有機(jī)泡沫，放置于脫脂爐中，真空條件下或惰性氣體保護(hù)條件下脫脂處理去除有機(jī)泡沫和粘結(jié)劑，制得粉體；

17、步驟四、將粉體放置于真空爐中，真空燒結(jié)處理制得多孔材料；

18、步驟五、多孔材料經(jīng)過表面處理，制得多孔傳輸層。

19、優(yōu)選的，步驟一中，所述金屬粉末為鈦、鎳、不銹鋼中的一種，金屬粉末粒度小于300μm；所述粘結(jié)劑為石蠟；所述加熱溫度為50-70oc；金屬粉末及粘結(jié)劑的體積比為：1:3-3:1；

20、步驟二所述有機(jī)泡沫材質(zhì)為聚氨酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯中的一種，有機(jī)泡沫的孔隙率在50%-99%之間，孔徑小于1mm，通孔率為98%-100%；

21、步驟三所述脫脂條件為：真空度10-2~10-5pa或惰性氣體為氬氣，脫脂溫度為200~800oc，保溫1-8小時(shí)；

22、步驟四所述燒結(jié)條件為：真空度10-2~10-5pa，燒結(jié)溫度為800~1400oc，保溫1-4小時(shí)；

23、步驟五所述表面處理時(shí)，金屬粉末為鈦時(shí)，陽(yáng)極氧化多孔鈦，金屬粉末為鎳時(shí)，等離子體處理多孔鎳。陽(yáng)極氧化多孔鈦條件為：電解液含氟電解液，多孔鈦陽(yáng)極，鉑片陰極，通以恒定電壓，在恒溫0-50oc水浴中，陽(yáng)極氧化處理1-60分鐘；等離子體處理多孔鎳條件為：真空度10-2~10-5pa，功率10-1000瓦，處理1-30分鐘。

24、優(yōu)選的，細(xì)傳輸層的孔徑小于1mm，孔隙率在30%-99%之間，通孔率50%-100%。

25、因此，本技術(shù)提供了一種自吸式電解水制氫毛細(xì)電解槽，具有以下有益效果：

26、1)本發(fā)明所提供的自吸式電解水制氫毛細(xì)電解槽結(jié)構(gòu)，其毛細(xì)傳輸層的制備方法，選取具有毛細(xì)現(xiàn)象的有機(jī)泡沫為模板，將金屬粉漿包裹到有機(jī)泡沫上，經(jīng)過脫脂燒結(jié)，可復(fù)制出類似有機(jī)泡沫毛細(xì)通道的多孔金屬材料，并經(jīng)過表面處理改善多孔金屬材料的親水性，使得制備的多孔傳輸層具有毛細(xì)作用。

27、2)本發(fā)明所提供的自吸式電解水制氫毛細(xì)電解槽結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于pem電解水制氫和aem電解水制氫，通過毛細(xì)傳輸層的毛細(xì)作用傳輸電解液，產(chǎn)生的氣體可直接無阻力排出，不在電解液中形成氣泡，避免了電解水過程中氣泡堵塞氣體擴(kuò)散層的多孔通道的問題，提供了一種無氣泡的pem電解水制氫和aem電解水制氫方法，并且在電解過程中，電解液的傳輸方向與反應(yīng)產(chǎn)生氣體方向垂直，加速了液-氣傳輸效率，提升了電解槽的制氫效率。

28、3)本發(fā)明所提供的自吸式電解水制氫毛細(xì)電解槽結(jié)構(gòu)，相較于現(xiàn)有技術(shù)的pem電解槽和aem電解槽，自吸式電解水制氫毛細(xì)電解槽的電解單元不存在電解液腔室，電解液通過毛細(xì)傳輸層均勻地傳輸至電解反應(yīng)區(qū)，不存在電解反應(yīng)死區(qū)，不用設(shè)計(jì)加工陰陽(yáng)極板流道，降低了陰陽(yáng)極板加工成本，進(jìn)而降低了電解槽的成本，提供了一種無流道電解水制氫方法。

29、4）本發(fā)明所提供的自吸式電解水制氫毛細(xì)電解槽結(jié)構(gòu)，電解液通過毛細(xì)傳輸層的毛細(xì)作用傳輸至電解反應(yīng)區(qū)，不需要額外施加壓力傳輸電解液，相較于現(xiàn)有技術(shù)的pem電解槽和aem電解槽，節(jié)約能源傳輸電解液。并且本發(fā)明所提供的自吸式電解水制氫毛細(xì)電解槽結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成化程度高，占地面積小，適合工業(yè)化廣泛推廣。