阅读说明：本技术 电催化放电反应器、制氢系统及制氢方法 (Electro-catalysis discharge reactor, hydrogen generating system and hydrogen production process ) 是由 洪昆喨 于 2018-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电催化放电反应器、制氢系统及制氢方法。本发明的电催化放电反应器基于高电压电催化原理设计,应用其的制氢系统及方法采用一个或多个电催化放电反应器间联合的工作方案,能够在常温常压下高效稳定地产生高纯度的氢气与氧气而不需额外添加电解质材料,非常适合于大规模制氢生产以及氢氧联合生产,且操作费用、耗电费超低,制氢成本低廉；经实践证明,同样产生每立方米的氢气,本发明电能消耗成本只有传统电解制氢方式的10-20％。(The invention discloses a kind of electro-catalysis discharge reactor, hydrogen generating system and hydrogen production process.Electro-catalysis discharge reactor of the invention is designed based on high voltage electro-catalysis principle, using its hydrogen generating system and method using united programme of work between one or more electro-catalysis discharge reactors, the hydrogen and oxygen that high-purity can be efficiently and stably generated at normal temperatures and pressures are without additionally adding electrolyte, it is very suitable for extensive hydrogen manufacturing production and hydrogen-oxygen Joint Production, and operating cost, power consumption expense are ultralow, hydrogen manufacturing is low in cost；It has been proved by practice that equally generating every cubic metre of hydrogen, power consumption cost of the present invention only has the 10-20% of traditional electrolyte hydrogen manufacturing mode.)

电催化放电反应器、制氢系统及制氢方法

技术领域

本发明涉及一种电催化放电反应器、制氢系统及制氢方法。

背景技术

随着现代经济的高速发展以及世界人口的迅猛增长，人类对能源的需求越来越大。虽然煤、石油等化石燃料在当前的能源结构中仍占很大比例，但是，一方面，化石燃料的使用带来了严重的环境污染，严重威胁了人类的健康和生存；另一方面，由于化石燃料是一种有限、不可再生的资源，日益增长的能源需求带来了严重的能源危机。因此，开发和利用清洁、高效的可再生能源是当前全球急待解决的任务。而氢能作为21世纪的绿色能源，由于具备电能和热能所没有的可储存性，使它成为最好的可再生能源的载体，也得到世界各国的关注。

氢能的实用化有以下几项技术难题尚待解决：廉价的制氢技术、安全可靠的贮氢和输氢方法、高效率的氢能转换技术、广泛深度的氢能应用方向。当前主要采用的制氢工艺有很多，但同时存在许多问题，例如：天然气重整和煤气化制氢工艺，得到的产品中CO需分离或进一步转化，且后者可能含尘和硫；烃水蒸气重整和烃部分氧化制氢工艺，其缺点是转化温度高，催化剂易失活；烃自热重整、醇水蒸气重整、醇分解和醇自热重整制氢工艺均需高活性和高稳定性的催化剂；氨分解制氢工艺转化温度要求高，原料具毒性；肼分解制氢工艺原料有毒反应易爆等。

电解水制氢是一种较为成熟的制氢技术，其在消除对天然气的依赖性同时具有设备简单、运行可靠、管理方便、不产生污染、所制氢气纯度高、杂质含量少等优点，适用于各种应用场合，但它唯一缺点是耗能大，制氢成本高。

发明内容

本发明要解决的是现有技术中传统制氢装置及方法制氢效率较低、成本较高、生产安全性不稳定，以及电解水制氢成本较高等问题，提供了一种电催化放电反应器、制氢系统及制氢方法。

本发明通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供了一种电催化放电反应器，其包括一绝缘壳体、两块电极板、两片离子交换膜、两块触媒挡板、一端盖和外接电源；

所述绝缘壳体形成一顶端开口的密闭空腔，由所述密闭空腔的中心至所述密闭空腔的两相对侧壁依次对称地设有所述触媒挡板、所述离子交换膜和所述电极板，两块所述触媒挡板之间设有触媒，所述触媒挡板和所述电极板上均设有若干通孔，同侧的所述离子交换膜和所述电极板之间形成两条电解通道；所述绝缘壳体的两侧壁各设有至少一个补水口，所述绝缘壳体的顶端与所述端盖密封连接，所述端盖上设有与两条所述电解通道连通的两个气动接口；

所述电极板穿过所述端盖并与所述外接电源连接，与所述外接电源的正极连接的所述电极板为阳极电极板，所述阳极电极板侧的所述离子交换膜为阳离子交换膜，所述阳极电极板侧的所述电解通道用于产生氧气；与所述外接电源的负极连接的所述电极板为阴极电极板，所述阴极电极板侧的所述离子交换膜为阴离子交换膜，所述阴极电极板侧的所述电解通道用于产生氢气。

本发明中，所述绝缘壳体的材质为本领域常规的耐高温绝缘材料，一般为PPO(聚苯醚)、FRP(纤维增强复合材料)和PTFE(聚四氟乙烯)中的一种。

本发明中，所述电极板采用本领域常规的电极材料制得，所述电极板较佳地为钛合金电极板；更佳地，所述电极板的表面通过涂覆或电镀的方式设有一涂层，所述涂层的材质为贵金属材料或所述贵金属材料的氧化物；所述贵金属材料较佳地为钌、铱、钽、铂和钯中的一种。

本发明中，所述阳离子交换膜为本领域常规的阳离子交换膜，较佳地为均相阳离子交换膜、半均相阳离子交换膜和异相阳离子交换膜中的一种，更佳地为聚合物基均相阳离子交换膜。

本发明中，所述阴离子交换膜为本领域常规的阴离子交换膜，较佳地为均相阴离子交换膜、半均相阴离子交换膜和异相阴离子交换膜中的一种，更佳地为聚合物基均相阴离子交换膜。

本发明中，所述密闭空腔的内壁上较佳地设有用于固定所述触媒挡板、所述离子交换膜和所述电极板的沟槽；更佳地，所述密闭空腔的内壁上对应所述电极板设有若干并列等间距的所述沟槽，用于调节所述电解通道的宽度。

本发明中，所述触媒为本领域常规的用于分解水的触媒材料，所述触媒的材质较佳地为氧化钛和/或五氧化二钒，所述触媒的形状较佳地为球状、立方体状或椭球状，所述触媒较佳地致密排布于两块所述触媒挡板之间。

本发明还提供了一种制氢系统，所述制氢系统包括N组如上所述的电催化放电反应器、至少一组补水缸和一组用于分别收集氢气和氧气的气体分离装置；其中，所述N为1-200的整数；所述电催化放电反应器的两侧壁上部设有排水管，所述补水缸通过补水管与所述电催化放电反应器的补水口相连通，所述气体分离装置通过气管与所述电催化放电反应器的气动接口相连通。

本发明中，所述排水管上较佳地设有温度传感器和水流电动球阀，所述温度传感器和所述水流电动球阀电气连接；所述温度传感器为本领域常规，用于监测电解通道上部水的温度；所述水流电动球阀为本领域常规，用于配合所述温度传感器实现自动排水。

本发明中，所述补水缸较佳地包括一进水阀；所述进水阀为本领域常规的进水阀，较佳地为浮球阀，以自动控制补水缸水位。

本发明中，所述补水缸较佳地包括独立设置的阴极补水缸和阳极补水缸；所述阴极电极板侧的所述补水口为阴极补水口，所述阴极补水缸较佳地通过阴极补水管与所述阴极补水口相连通，所述阳极电极板侧的所述补水口为阳极补水口，所述阳极补水缸较佳地通过阳极补水管与所述阳极补水口相连通；独立补水缸的设计保证阳极供水与阴极供水不互混，以提高电能效率。

本发明中，所述排水管较佳地包括阴极排水管和阳极排水管，所述阴极排水管较佳地与所述阴极补水缸相连通，所述阳极排水管较佳地与所述阳极补水缸相连通。

本发明中，所述气体分离装置较佳地包括氢气分离装置和氧气分离装置；所述阴极电极板侧的所述气动接口为阴极气动接口，所述氢气分离装置较佳地通过气管与所述阴极气动接口相连通，所述阳极电极板侧的所述气动接口为阳极气动接口，所述氧气分离装置较佳地通过气管与所述阳极气动接口相连通。

本发明中，所述气体分离装置较佳地为分子筛、中空纤维和超滤过滤膜中的一种。

本发明中，当所述N为大于或等于2的整数时，所述电催化放电反应器的两侧壁各设有至少两个补水口，若干所述电催化放电反应器之间并列紧贴设置，且若干所述电催化放电反应器的所述阳极电极板均位于同侧，形成一反应器阵列；所述反应器阵列与所述补水缸的连接方式包括串联和并联；

当所述反应器阵列与所述补水缸的连接方式为串联时，所述阳极补水缸通过所述阳极补水管与所述反应器阵列中一端的首个所述电催化放电反应器的下侧的所述阳极补水口相连通，所述阴极补水缸通过所述阴极补水管与所述反应器阵列中另一端的首个所述电催化放电反应器的下侧的所述阴极补水口相连通，所述反应器阵列中每两个相邻的所述电催化放电反应器同极侧的所述补水口之间通过一单通道的补水管连通，所述反应器阵列两端的所述电催化放电反应器的侧壁均设有所述排水管，所述阳极排水管与设于所述阴极补水管相对侧壁上的所述阳极补水口相连接，所述阴极排水管与设于所述阳极补水管相对侧壁上的所述阴极补水口相连接；

当所述反应器阵列与所述补水缸的连接方式为并联时，所述阳极补水管和所述阴极补水管均包括N条支管，所述阳极补水缸通过所述阳极补水管与所述反应器阵列中每个所述电催化放电反应器的下侧的所述阳极补水口相连通，所述阴极补水缸通过所述阴极补水管与所述反应器阵列中每个所述电催化放电反应器的下侧的所述阴极补水口相连通；所述阳极排水管和所述阴极排水管均包括N条支管，所述阳极排水管与所述反应器阵列中每个所述电催化放电反应器的上侧的所述阳极补水口相连接，所述阴极排水管与所述反应器阵列中每个所述电催化放电反应器的上侧的所述阴极补水口相连接。

本发明中，所述反应器阵列的外侧较佳地还包括一固定架，所述固定架用于固定所述电催化放电反应器。

本发明还提供了一种应用了如上所述的制氢系统的制氢方法，其包括如下步骤：

(1)通过补水缸将水通入电催化放电反应器中电解；

(2)通过气体分离装置分别收集H₂和O₂，即可。

本发明中，所述水的温度较佳地为5-100℃。

本发明中，所述电解的电源较佳地为高压直流电源，所述高压直流电源为本领域常规的高压直流电源，所述高压直流电源的电压为50-10000V。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：本发明的电催化放电反应器基于高电压电催化原理设计，应用其的制氢系统及方法在常温常压下操作，能够高效稳定地产生高纯度的氢气与氧气而不需额外添加电解质材料，非常适合于大规模制氢生产以及氢氧联合生产，且操作费用、耗电费超低，制氢成本低廉；经实践证明，同样产生每立方米的氢气，本发明电能消耗成本只有传统电解制氢方式的10-20％。

附图说明

图1为本发明实施例的电催化放电反应器正视结构示意图。

图2为本发明实施例的电催化放电反应器俯视结构示意图。

图3为本发明实施例的电催化放电反应器正中高度的水平剖面结构示意图。

图4为本发明实施例1的制氢系统等轴侧视结构示意图。

图5为本发明实施例1的制氢系统俯视结构示意图。

图6为本发明实施例1的反应器阵列等轴侧视结构示意图。

图7为本发明实施例2的制氢系统俯视结构示意图。

图8为本发明实施例2的反应器阵列等轴侧视结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

下述实施例中所使用的电催化放电反应器如图1-3所示，其包括一绝缘壳体1、两块电极板2、两片离子交换膜3、两块触媒挡板4和一端盖5；所述绝缘壳体2形成一顶端开口的密闭空腔，所述密闭空腔的中央设有致密排布的触媒6，由所述触媒6至所述密闭空腔的两侧壁之间与所述侧壁平行地依次设有所述触媒挡板4、所述离子交换膜3和所述电极板2，所述触媒挡板4和所述电极板2上均设有若干通孔，位于两侧的所述离子交换膜3和同侧的所述电极板2之间各形成一条电解通道；所述绝缘壳体的两侧壁下部各设有一下补水口7，所述绝缘壳体1的顶端与所述端盖5通过螺栓密封连接，所述电极板2穿过所述端盖5并与电路连接，所述端盖5上设有与两条所述电解通道连通的两个气动接口8。所述电极板为钛合金电极板；所述电极板的表面通过涂覆或电镀的方式设有一涂层，所述涂层的材质为贵金属材料或所述贵金属材料的氧化物。所述密闭空腔的内壁上设有用于固定所述触媒挡板4、所述离子交换膜3和所述电极板2的沟槽；每块所述电极板2对应设有若干并列等间距的所述沟槽。所述触媒6的材质为氧化钛和/或五氧化二钒，所述触媒6的形状为球状。

如图1所示，所述绝缘壳体的两侧壁上部设有上补水口9；上补水口9亦可只在单侧设置，或是不设置，根据实际情况进行，在此不另行给出图例说明。

如图2-3所示，当所述电催化放电反应器通过穿过所述端盖5的电极板2与外接电源连接时，与外接电源正极连接的所述电极板2为阳极电极板，所述阳极电极板侧的离子交换膜3为阳离子交换膜，与外接电源负极连接的所述电极板2为阴极电极板，所述阴极电极板侧的离子交换膜3为阴离子交换膜。

实施例1

如图4-6所示，本实施例提供了一种制氢系统，所述制氢系统包括置于试验箱101中的反应器阵列100、补水缸和气体分离装置；

其中，三组电催化放电反应器之间并列紧贴设置，形成一反应器阵列100；各电催化放电反应器的两块电极板分别与外接电源的电源正极和电源负极通过统一的电线连接，与所述电源正极连接的所述电极板为阳极电极板，与所述电源负极连接的所述电极板为阴极电极板；

所述补水缸包括一浮球阀201，所述补水缸包括独立设置的阴极补水缸210和阳极补水缸220；所述阴极电极板侧的所述下补水口为阴极下补水口，所述阴极补水缸210通过阴极补水管211与所述阴极下补水口相连通，所述阳极电极板侧的所述下补水口为阳极下补水口，所述阳极补水缸220通过阳极补水管221与所述阳极下补水口相连通；

所述气体分离装置包括氢气分离装置310和氧气分离装置320；所述阴极电极板侧的所述气动接口为阴极气动接口，所述氢气分离装置310通过气管与所述阴极气动接口相连通，所述阳极电极板侧的所述气动接口为阳极气动接口，所述氧气分离装置320通过气管与所述阳极气动接口相连通；

所述反应器阵列100两端的电催化放电反应器的侧壁上部设有排水管，所述排水管包括阴极排水管410和阳极排水管420，排水管上设有温度传感器430和水流电动球阀440，所述温度传感器430和所述水流电动球阀440电气连接；

所述反应器阵列100与所述补水缸的连接方式为串联：所述阳极补水缸220通过所述阳极补水管221与所述反应器阵列100中一端的首个所述电催化放电反应器的阳极下补水口相连通，所述阴极补水缸210通过所述阴极补水管211与所述反应器阵列中另一端的首个所述电催化放电反应器的阴极下补水口相连通，所述反应器阵列中每两个相邻的所述电催化放电反应器的下补水口之间或上补水口之间通过一单通道的补水管连通；所述反应器阵列100的外侧还包括一固定架102。

本实施例的制氢系统在使用时，阳极水经反应器阵列中一端的首个所述电催化放电反应器的阳极下补水口通入该电催化放电反应器，并由连接各电催化放电反应器的补水管依次通入其余电催化放电反应器中电解反应；阴极水经反应器阵列中另一端的首个所述电催化放电反应器的阴极下补水口通入该电催化放电反应器，并由连接各电催化放电反应器的补水管依次通入其余电催化放电反应器中电解反应；阳极水与阴极水由致密排布的触媒隔开而不互混；阳极水和阴极水可选地由相应排水管排出后通入相应的补水缸实现原料水的回用。

应用实施例1的制氢方法步骤如下：

(1)通过补水缸将水通入电催化放电反应器中电解；

(2)通过气体分离装置分别收集H₂和O₂，即可。

其中，水的温度为5℃；电解的电源为高压直流电源，电压为50V。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，所述反应器阵列100与所述补水缸的连接方式为并联，其他均与实施例1相同。

如图7-8所示，所述制氢系统包括反应器阵列100、试验箱101、固定架102、浮球阀201、阴极补水缸210、阳极补水缸220、阴极补水管211、阳极补水管221、氢气分离装置310、氧气分离装置320、阴极排水管410、阳极排水管420、温度传感器430和水流电动球阀440；

所述阳极补水管221和所述阴极补水管211均包括3条支管，所述阳极补水缸220通过所述阳极补水管221与所述反应器阵列中每个所述电催化放电反应器的阳极下补水口相连通，所述阴极补水缸210通过所述阴极补水管211与所述反应器阵列中每个所述电催化放电反应器的阴极下补水口相连通。

本实施例的制氢系统在使用时，阳极水经反应器阵列中每个所述电催化放电反应器的阳极下补水口通入所述电催化放电反应器，并电解反应；阴极水经反应器阵列中每个所述电催化放电反应器的阴极下补水口通入所述电催化放电反应器，并电解反应；阳极水与阴极水由致密排布的触媒隔开而不互混；阳极水和阴极水可选地由相应排水管排出后通入相应的补水缸实现原料水的回用。

应用实施例2的制氢方法步骤如下：

(1)通过补水缸将水通入电催化放电反应器中电解；

(2)通过气体分离装置分别收集H₂和O₂，即可。

其中，水的温度为100℃；电解的电源为高压直流电源，电压为10000V。

效果实施例1

本实施例制氢系统与实施例1一致，区别在于，设备电源输出端即电极输入端使用电压为220VAC，实际电极电流输入端实测为16A，实际电极输出端使用电压经变压整流调整为1000VDC，工作中电流实测约为15.6A，电压实测为300VDC；12组电催化放电反应器之间并列紧贴设置，电催化放电反应器中两电极片间距为36mm，总共阳极电极板与阴极电极板的总长度各为12米，即总共有24支0.5米长、26mm宽的电极板，水中不加其他电解质。

本实施例制氢方法消耗功率为3.52kW/h，阳极产生氧气为1.85m³/h，阴极产生氢气为3.7m³/h，平均每立方米氢气电耗约为0.95kW·h。

本领域技术人员均知，在298.15K、101.325kPa的标准状态下，电解水制氢过程所需的总能量△H为285.8kJ/mol，Gibbs自由能即电解水所需的电能△G为237.2kJ/mol，可计算得到水分解为氢气和氧气的理论分解电压为1.23V，相应的平均每立方米制氢最小电耗为2.95kW·h。

现有技术中，工业上大规模的电解水制氢基本上都是采用碱性电解池水电解制氢技术，该方法电能消耗较大，平均每立方米制氢电耗约为4.5-5.5kW·h，电费占整个电解水制氢生产费用的80％左右。对于其他制氢技术例如SPE电解水制氢技术(固体聚合物电解质电解水制氢技术)，其实际电解电压一般为1.5-1.6V，相应的平均每立方米制氢电耗约为3.6-3.8kW·h。

由上述技术效果对比可见，本发明的电催化放电反应器基于高电压电催化原理设计，应用其的制氢系统及方法在常温常压下操作，操作费用、耗电费超低，制氢成本低廉，同样产生每立方米的氢气，本发明电能消耗成本只有传统电解制氢技术的约10-20％。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。