一种新型质子交换膜光电解水制氢电解槽的制作方法

1.本发明属于氢能源领域，具体涉及一种固体聚合物(pem)光伏电解水制氢技术，涉及一种光伏电解水制氢装置的设计。


背景技术：

2.随着全球能源体系向低碳能源体系的转变，氢气，以其来源广泛、清洁无污染等优点，成为全球可再生能源大规模发展的理想目标。
3.pem电解水制氢技术以其环境友好、安全性高、系统操作简便等优势，成为大规模制氢的理想候选技术之一。pem电解槽设计是整个pem电解水制氢系统的核心部分。在电极上施加一定电压时，水分子会在阳极发生氧化反应析出氧气，在阴极发生还原反应析出氢气。pem水电解槽一般采用全氟磺酸质子交换膜作为质子导体，使得阳极析氧反应和阴极析氢反应分隔开来，从而获得纯度较高的氢气。因此，开发光伏电解水制氢电解槽意义显著。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：为了解决现有的电解水制氢催化剂成本较高等问题而提供一种光伏电解水制氢技术，本发明采用具有光催化活性的电极作为阳极替代贵金属催化层阳极，以推动光伏电解水制氢的工业化和规模化发展。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型质子交换膜光电解水制氢电解槽，包括电解槽体，所述电解槽体安装在水平基座上，电解槽体侧面设有对称的开口，开口处配合安装有透明石英窗与石英窗框，电解槽体内部设有卡槽，卡槽上配合安装有质子交换膜，所述水平基座上电解槽体两侧安装有相对称的光学反射镜，电解槽体顶部设有盖子，所述盖子底部对称安装有对电极和碳纳米管垂直阵列光电极。
6.更进一步，电解槽体材料采用亚克力透明防腐蚀塑料。
7.更进一步，所述透明石英窗与电解槽体开口处配合安装，石英窗框为金属材质，其中部设有圆形观察窗，透明石英窗通过石英窗框固定安装在电解槽体开口处。
8.更进一步，所述圆形观察窗直径小于透明石英窗短边长度。
9.更进一步，所述卡槽与质子交换膜配合安装，质子交换膜顶部与盖子配合安装，质子交换膜为隔膜，使得产生的氢气与氧气分隔开。
10.更进一步，所述光学反射镜与水平基座的夹角为45
°
。
11.更进一步，所述盖子与电解槽体配合安装，使电解槽体内部呈密封结构，盖子采用多层设计，中间层为特氟龙薄膜层，氢气和氧气小分子可以通过薄膜，盖子下侧部设有碳纳米管垂直阵列光电极和对电极与外部电路相接触的插孔，电解槽体上设有供氢气与氧气通过的出口。
12.更进一步，所述出口为管道结构，出口经内部特氟龙薄膜层分成上下两部分，下部出口与电解槽体相连通，上部出口外界氢气或氧气承放装置。
13.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
14.(1)所选的制氢技术融合了太阳能制氢技术和电解水制氢技术，实现了清洁无污染的可再生能源制氢；
15.(2)所选半导体材料或碳纳米管垂直阵列作为阳极催化层，可显著降低电解槽成本；
16.(3)本发明可实现户外制氢，丰富了氢气的应用场景，具有一定新颖性。
附图说明
17.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
18.图1为本发明整体示意图。
19.图2为本发明各部件组成示意图。
20.图3为本发明采用碳纳米管电极和普通不锈钢基底电极的电解水曲线，
21.图4为本发明采用碳纳米管电极的电解水长周期稳定性曲线。
22.图中，1、电解槽体，2、光学反射镜基座，3、透明石英窗，4、石英窗框，5、对电极，6、质子交换膜，7、盖子，8、碳纳米管垂直阵列光电极。
具体实施方式
23.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
24.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
25.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
26.实施例1
27.一种新型质子交换膜光电解水制氢电解槽，如图1-2所示，包括电解槽体1，电解槽体材料采用亚克力透明防腐蚀塑料，所述电解槽体1安装在水平基座上，电解槽体1侧面设有对称的开口，开口处配合安装有透明石英窗3与石英窗框4，电解槽体内部设有卡槽，卡槽上配合安装有质子交换膜6，所述水平基座上电解槽体1两侧安装有相对称的光学反射镜2，两面光学反射镜2对称放置于水平基座之上，构成一个整体。光学反射镜2与水平面的夹角为45
°
，透明防腐蚀的亚克力电解槽体1竖直放置于两面光学反射镜2中央，底端固定在平台之上。电解槽体1的一个作用为盛放电解液，另一个作用为为析氧反应和析氢反应提供场所。质子交换膜组件竖直地放置于电解槽体中央，与两个石英窗相平行。质子交换膜将电解
槽体分为析氧反应区与析氢反应区两个区域，两个区域完全隔离开。
28.所述透明石英窗3与电解槽体2开口处配合安装，石英窗框4为金属材质，其中部设有圆形观察窗，透明石英窗3通过石英窗框4固定安装在电解槽体开口处。
29.所述卡槽与质子交换膜6配合安装，质子交换膜6顶部与盖子配合安装，质子交换膜6为隔膜，使得产生的氢气与氧气分隔开。
30.实施例2
31.电解槽体1顶部设有盖子7，所述盖子7底部对称安装有对电极5和碳纳米管垂直阵列光电极8，所述盖子7与电解槽体1配合安装，使电解槽体内部呈密封结构，盖子7采用多层设计，中间层为特氟龙薄膜层，氢气和氧气小分子可以通过薄膜，盖子7下侧部设有碳纳米管垂直阵列光电极8和对电极5与外部电路相接触的插孔，电解槽体上设有供氢气与氧气通过的出口，所述出口为管道结构，出口经内部特氟龙薄膜层分成上下两部分，下部出口与电解槽体1相连通，上部出口外界氢气或氧气承放装置。
32.盖子7的一个功能为为电解槽体提供一个相对密封的环境，盖子7的上部的另一个功能为氢气和氧气收集的腔室。盖子7的中间层为特氟龙薄膜，氢气和氧气小分子可以通过薄膜。盖子7的下部有光电极8和对电极5与外部电路相接触的插孔。部件6的一个功能为安放和固定nafion质子交换膜，另一个功能为阻止氧气和氢气相混合。两组透明石英窗3和窗框4对称安置在电解槽体左右两侧。如图3所示，该装置采用碳纳米管电极和普通不锈钢基底电极的电解水曲线对比效果明显，如图4所示，该装置采用碳纳米管电极的电解水长周期稳定性曲线，稳定性强。
33.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
34.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。