本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种电解水制氢装置，包括槽体、阳极电解室、阴极电解室和隔膜，阳极电解室内设置有基座、阳极侧压电陶瓷片和阳极电极片，阴极电解室内设置有基座、阴极侧压电陶瓷片和阴极电极片。本发明利用压电陶瓷片的逆压电效应带动电极片振动，降低电解水过程中气泡聚集区传递过电压，提高电解水制氢效率。

  (19)国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 117026267 A (43)申请公布日 2023.11.10 (21)申请号 8.3 C25B 9/19 (2021.01) C25B 15/08 (2006.01) (22)申请日 2023.09.22 C25B 1/04 (2021.01) (71)申请人 河北科技大学 地址 050018 河北省石家庄市裕华区裕翔 街26号 申请人 河北省地质矿产勘查开发局国土资 源勘查中心 （河北省矿山和地质灾 害应急救援中心） (72)发明人 曹雪普芦岩赵宁周理龙 韩继龙李正杰 (74)专利代理机构 淄博启智达知识产权代理事 务所(特殊普通合伙) 37280 专利代理师 任永哲 (51)Int.Cl. C25B 9/60 (2021.01) 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 (54)发明名称 电解水制氢装置 (57)摘要 本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种 电解水制氢装置，包括槽体、阳极电解室、阴极电 解室和隔膜，阳极电解室内设置有基座、阳极侧 压电陶瓷片和阳极电极片，阴极电解室内设置有 基座、阴极侧压电陶瓷片和阴极电极片。本发明 利用压电陶瓷片的逆压电效应带动电极片振动， 降低电解水过程中气泡聚集区传递过电压，提高 电解水制氢效率。 A 7 6 2 6 2 0 7 1 1 N C CN 117026267 A 权利要求书 1/1页 1.一种电解水制氢装置，包括槽体、阳极电解室、阴极电解室和隔膜，其特征是阳极 电解室内设置有基座、阳极侧压电陶瓷片和阳极电极片，阴极电解室内设置有基座、阴极侧 压电陶瓷片和阴极电极片； 阳极电解室中基座设置在阳极电解室的底部，基座上设置有阳极侧压电陶瓷片，阳极 电极片通过阳极侧压电陶瓷片与基座相连； 阴极电解室中基座设置在阴极电解室的底部，基座上设置有阴极侧压电陶瓷片，阴极 电极片通过阴极侧压电陶瓷片与基座相连。 2.依据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征是所述的阳极侧压电陶瓷片设置 在靠近槽体的一侧，阳极电极片设置在靠近隔膜的一侧。 3.依据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征是所述的阳极电解室中基座为L型 基座，阳极电极片设置在L型基座的顶部上方，阳极电极片和阳极侧压电陶瓷片错位连接。 4.依据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征是所述的阴极侧压电陶瓷片设置 在靠近槽体的一侧，阴极电极片设置在靠近隔膜的一侧。 5.依据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征是所述的阴极电解室中基座为L型 基座，阴极电极片设置在L型基座的顶部上方，阴极电极片和阴极侧压电陶瓷片错位连接。 6.依据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征是所述的槽体内部中心线位置设 置有隔膜，隔膜将槽体内部空间分隔为阳极电解室和阴极电解室。 7.依据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征是所述的阳极电解室的顶部设置 有阳极侧电解液出口，阳极电解室的底端设置有阳极侧电解液进口，阳极侧电解液进口和 阳极侧电解液出口均设置在阳极电极片和隔膜之间。 8.依据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征是所述的阴极电解室的顶部设置 有阴极侧电解液出口，阴极电解室的底端设置有阴极侧电解液进口，阴极侧电解液进口和 阴极侧电解液出口均设置在阴极电极片和隔膜之间。 9.依据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征是所述的阳极电解室底端设置有 压电陶瓷导线接口和阳极电极导线接口，阴极电解室底端设置有压电陶瓷导线接口和阴极 电极导线所述的电解水制氢装置，其特征是所述的阳极侧压电陶瓷片和阴 极侧压电陶瓷片的材质均为锆钛酸铅材料，阳极电极片的材质为Ir基材料或Ru基材料，阴 极电极片的材质为Pt系贵金属、Pt系贵金属基材料、Ni或Ni基金属中的一种。 2 2 CN 117026267 A 说明书 1/6页 电解水制氢装置 技术领域 [0001] 本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种电解水制氢装置。 背景技术 [0002] 目前，电解水过程所需的实际电压远大于其所需要的理论电压，由此产生过电压， 过电压过高是导致电解效率低的重要的因素，降低过电压能够最终靠降低反应过电压和传递过 电压实现，现有大部分研究关注于开发活性更高的催化剂或电极材料来降低反应过电压， 但是工业规模、高电流密度条件下传递过电压可占总过电压的45％左右，所以通过降低传 递过电压提高电解效率也成为实现制氢规模化生产的关键，现有研究通过设置外力场的方 法，例如在电解槽外设置磁场、超重力场、超声波等，促进气泡幕的扩散来降低传递过电压， 但是考虑到此类设置外力场的方法是整体作用于电解槽，引发外力场所需的能耗会比较 高。而事实上，气泡对传递过电压的影响大多分布在在气泡聚集区，即气泡幕形成区域，气泡 幕的存在是阻碍电极与电解液的接触，并导致电解液表观电导率降低的根本原因。 [0003] 中国专利CN  113549942 A公开一种提高电解水制氢效率的方法及装置，提高电解 水制氢效率的装置由电解槽以及数个电解水制氢基本单元组成，所述电解水制氢基本单元 包括：膜电极、扩散层以及双极板，所述膜电极由作为水的解离层的双极膜及负载在其两侧 表面的阴极催化剂层和阳极催化剂层构成；所述的扩散层包括阳极扩散层和阴极扩散层， 设置在膜电极的两侧，所述阳极扩散层设置在阳极催化剂层一侧，所述阴极扩散层设置在 阴极催化剂层一侧；所述的双极板设置在阳极扩散层和阴极扩散层的外侧，靠近阳极扩散 层的一面为双极板氧板，靠近阴极扩散层的一面为双极板的氢板，在双极板的外侧还设置 有密封圈；所述的电解水制氢基本单元为依次顺序连接的双极板氧板，密封圈，阳极扩散 层，膜电极，阴极扩散层，密封圈，双极板氢板连接组装而成。此专利仍不能解决电解反应生 成的气体(氢气/氧气)对电极表面的覆盖导致反应面积降低的问题，由于气泡幕的存在引 发的传递过电压依然比较高。 发明内容 [0004] 本发明的目的是提供一种电解水制氢装置，利用压电陶瓷片的逆压电效应带动电 极片振动，降低电解水过程中气泡聚集区传递过电压，提高电解水制氢效率。 [0005] 本发明所述的电解水制氢装置，包括槽体、阳极电解室、阴极电解室和隔膜，阳极 电解室内设置有基座、阳极侧压电陶瓷片和阳极电极片，阴极电解室内设置有基座、阴极侧 压电陶瓷片和阴极电极片； [0006] 阳极电解室中基座设置在阳极电解室的底部，基座上设置有阳极侧压电陶瓷片， 阳极电极片通过阳极侧压电陶瓷片与基座相连； [0007] 阴极电解室中基座设置在阴极电解室的底部，基座上设置有阴极侧压电陶瓷片， 阴极电极片通过阴极侧压电陶瓷片与基座相连。 [0008] 所述的阳极侧压电陶瓷片设置在靠近槽体的一侧，阳极电极片设置在靠近隔膜的 3 3 CN 117026267 A 说明书 2/6页 一侧。 [0009] 所述的阳极电解室中基座为L型基座，阳极电极片设置在L型基座的顶部上方，阳 极电极片和阳极侧压电陶瓷片错位连接。 [0010] 所述的阴极侧压电陶瓷片设置在靠近槽体的一侧，阴极电极片设置在靠近隔膜的 一侧。 [0011] 所述的阴极电解室中基座为L型基座，阴极电极片设置在L型基座的顶部上方，阴 极电极片和阴极侧压电陶瓷片错位连接。 [0012] 所述的槽体内部中心线位置设置有隔膜，隔膜将槽体内部空间分隔为阳极电解室 和阴极电解室。 [0013] 所述的阳极电解室的顶部设置有阳极侧电解液出口，阳极电解室的底端设置有阳 极侧电解液进口。 [0014] 所述的阳极侧电解液进口和阳极侧电解液出口均设置在阳极电极片和隔膜之间。 [0015] 所述的阴极电解室的顶部设置有阴极侧电解液出口，阴极电解室的底端设置有阴 极侧电解液进口。 [0016] 所述的阴极侧电解液进口和阴极侧电解液出口均设置在阴极电极片和隔膜之间。 [0017] 所述的阳极电解室底端设置有压电陶瓷导线接口和阳极电极导线接口，压电陶瓷 导线] 所述的阴极电解室底端设置有压电陶瓷导线接口和阴极电极导线接口，压电陶瓷 导线] 所述的阳极侧压电陶瓷片和阴极侧压电陶瓷片的材质均为锆钛酸铅材料，锆钛酸 铅材料优选为PZT‑5H或PZT‑5A。 [0020] 所述的阳极电极片的材质为Ir基材料或Ru基材料。 [0021] 所述的阴极电极片的材质为Pt系贵金属(Pt、Ru、Ir或Pd)、Pt系贵金属基材料、Ni 或Ni基金属中的一种。 [0022] 本发明中压电陶瓷片和电极片分别供电，供电导线被绝缘防腐材料包覆。 [0023] 所述的阳极电极片和阴极电极片均与对应的压电陶瓷片固定在一起，阳极电极片 和阴极电极片可同时作为位移放大元件。 [0024] 所述的阳极电极片是固定在阳极侧压电陶瓷片的谐振方向上。 [0025] 所述的阴极电极片是固定在阴极侧压电陶瓷片的谐振方向上。 [0026] 所述的阳极电极片和阴极电极片均与对应的基座不直接相连。 [0027] 本发明利用压电陶瓷驱动器驱动压电陶瓷片，使其在压电陶瓷片和电极片组合后 的固有频率附近工作，使得阳极电极片和阴极电极片获得最大的振动位移；其中，压电陶瓷 驱动器是由信号发生器和升压变压器组合而成。 [0028] 采用本发明的装置进行电解水制氢的步骤如下： [0029] 电解开始前，使用蠕动泵或离心泵将电解液分别经由阴极侧电解液进口和阳极侧 电解液进口通入装置中，待电解液充满整个装置内部后，电解液分别从阴极侧电解液出口 和阳极侧电解液出口流出，保持装置内电解液稳态流动。启动直流电源和压电陶瓷驱动器 电源，通过直流电源给阴极电极片和阳极电极片供电，控制压电陶瓷驱动器使压电陶瓷片 工作。电解液分别从阴极侧电解液出口和阳极侧电解液出口流出时会带走电解产生的氢气 4 4 CN 117026267 A 说明书 3/6页 和氧气。 [0030] 电解液可使用中性、酸性或碱性电解液。 [0031] 本发明的有益效果如下： [0032] 1、本发明装置是利用压电材料的逆压电效应主动激励流体流动，具有独立的可控 性，通过调整操作参数(激励电压大小、频率)或结构参数(压电陶瓷片和电极片的长度、宽 度或厚度)能改变电极片的振幅和频率，主动控制装置内的气液两相流动。 [0033] 2、本发明装置所采用的电极材料无严格限制，例如析氢反应中活性高的Pt或Pt合 金等材料都可与压电材料组合使用。 [0034] 3、本发明装置中电极片可同时作为位移放大元件，将压电材料的位移由μm级放大 到mm级，而且如果采用柔性电极材料会产生更大的位移，在高电流密度下气泡幕的厚度基 本在mm级，所以振动位移足够破坏电极表面气泡幕的结构。 [0035] 4、本发明装置工作时，压电陶瓷片会产生伸缩形变带动电极片振动使其周围电解 液产生一系列的涡结构，促进其表面生成的气泡快速脱离，减小气体生成对电极表面的覆 盖率，从而有效缩短气泡生长时间和临界脱离直径，并暴露出被气泡覆盖的活性位点；同时 涡结构的发展和运动会形成自电极片尾端向下游输运的连续射流，促使气泡快速排出，降 低由于气泡效应导致的传递过电压，提高电解效率。 附图说明 [0036] 图1是本发明的结构示意图； [0037] 图2是本发明的剖视图； [0038] 图3是阴极电极片、阴极侧压电陶瓷片和基座组合在一起的结构示意图； [0039] 图4是本发明的仰视图； [0040] 图5是电极片振动和电极片静止时的槽电压和电流密度的曲线、阴极电极片；5、阴极侧压电陶瓷 片；6、基座；7、阴极侧电解液进口；8、阳极侧电解液进口；9、阳极侧压电陶瓷片；10、阳极电 极片；11、阳极侧电解液出口；12、压电陶瓷导线、阳极电极导线、阴极电极 导线接口。 具体实施方式 [0042] 以下结合实施例对本发明做进一步描述。 [0043] 实施例1 [0044] 如图1和图2所示，电解水制氢装置包含槽体、阳极电解室、阴极电解室和隔膜，阳 极电解室内设置有基座、阳极侧压电陶瓷片和阳极电极片，阴极电解室内设置有基座、阴极 侧压电陶瓷片和阴极电极片； [0045] 阳极电解室中基座设置在阳极电解室的底部，基座上设置有阳极侧压电陶瓷片， 阳极电极片通过阳极侧压电陶瓷片与基座相连； [0046] 阴极电解室中基座设置在阴极电解室的底部，基座上设置有阴极侧压电陶瓷片， 阴极电极片通过阴极侧压电陶瓷片与基座相连。 [0047] 阳极侧压电陶瓷片设置在靠近槽体的一侧，阳极电极片设置在靠近隔膜的一侧。 5 5 CN 117026267 A 说明书 4/6页 [0048] 阳极电解室中基座为L型基座，阳极电极片设置在L型基座的顶部上方，阳极电极 片和阳极侧压电陶瓷片错位连接。 [0049] 阴极侧压电陶瓷片设置在靠近槽体的一侧，阴极电极片设置在靠近隔膜的一侧。 [0050] 如图3所示，阴极电解室中基座为L型基座，阴极电极片设置在L型基座的顶部上 方，阴极电极片和阴极侧压电陶瓷片错位连接。 [0051] 槽体内部中心线位置设置有隔膜，隔膜将槽体内部空间分隔为阳极电解室和阴极 电解室。 [0052] 阳极电解室的顶部设置有阳极侧电解液出口，阳极电解室的底端设置有阳极侧电 解液进口。 [0053] 阳极侧电解液进口和阳极侧电解液出口均设置在阳极电极片和隔膜之间。 [0054] 阴极电解室的顶部设置有阴极侧电解液出口，阴极电解室的底端设置有阴极侧电 解液进口。 [0055] 阴极侧电解液进口和阴极侧电解液出口均设置在阴极电极片和隔膜之间。 [0056] 如图4所示，阳极电解室底端设置有压电陶瓷导线接口和阳极电极导线接口，压电 陶瓷导线] 阴极电解室底端设置有压电陶瓷导线接口和阴极电极导线接口，压电陶瓷导线] 阳极侧压电陶瓷片和阴极侧压电陶瓷片的材质均为PZT‑5A。 [0059] 阳极电极片的材质为RuO 。 2 [0060] 阴极电极片为铂片电极。 [0061] 阴极电解室和阳极电解室分别设计为完全对称的尺寸和结构。 [0062] 所用各类导线表面涂有绝缘涂料，各类导线接口处使用环氧树脂胶进行密封处 理。 [0063] 电解水制氢装置的操作步骤如下： [0064] (1)压电陶瓷片的处理：压电陶瓷片在液体中工作有必要进行封装处理，能够正常的使用包 括环氧树脂在内的多种绝缘涂料，以环氧树脂为例，将压电陶瓷水平置于其中3s左右取出， 使涂料均匀覆盖在压电陶瓷片表面，在室温(25℃)下静置1h，等待涂料自然风干。 [0065] (2)装置组装：装置内部隔膜两侧结构完全对称，下面以阴极侧为例进行说明，如 图3所示，使用AB胶将阴极侧压电陶瓷片和阴极电极片交错固定在一起，再将阴极侧压电陶 瓷片与L型基座固定在一起；阴极电极片和L型基座之间并不直接相连，而是通过阴极侧压 电陶瓷片相连接。导线通过压电陶瓷导线接口与阴极侧压电陶瓷片相连，导线通过阴极电 极导线接口与阴极电极片相连。 [0066] (3)电解水制氢：电解开始前，使用蠕动泵或离心泵将电解液10wt.％KOH溶液以 0.05m/s的流速分别经由阴极侧电解液进口和阳极侧电解液进口通入装置中，30s后电解液 充满整个装置内部，然后电解液分别从阴极侧电解液出口和阳极侧电解液出口流出，保持 装置内电解液稳态流动。启动直流电源和压电陶瓷驱动器电源，通过直流电源给阴极电极 片和阳极电极片供电，控制信号发生器使压电陶瓷片在压电陶瓷片和电极片组合后的固有 频率50Hz下工作，控制升压变压器调整其驱动电压为220V。电解液分别从阴极侧电解液出 口和阳极侧电解液出口流出时会带走电解产生的氢气和氧气。 6 6 CN 117026267 A 说明书 5/6页 [0067] 测试施加不同的槽电压，压电陶瓷驱动器在工作和非工作状态时电流密度变化情 况及阴极侧电解效率变动情况。测试结果见图5和表1。 [0068] 图5为电极片振动(压电陶瓷驱动器工作状态)和电极片静止(压电陶瓷驱动器非 工作状态)时的槽电压和电流密度的曲线图。根据结果得出，电流密度较小时，在相同电流密度 的条件下，相对于电极片静止，电极片振动对槽电压的影响很小；当电流密度继续增大时， 在相同电流密度的条件下，相对于电极片静止，电极片振动时所需的槽电压更小，说明在高 电流密度情况下，电极片振动显著减小了电解水的传递过电压，提高了电解效率。 [0069] 表1施加不同的槽电压，压电陶瓷驱动器在工作和非工作状态时的阴极侧测试结 果 [0070] [0071] 采用实际产气量和理论产气量的比值来表示电解水过程的电解效率，表1中电解 效率计算公式如下： [0072] [0073] 其中，V 为实际产气量(实验值)，mL，采用排水集气法获得。V 为理论产气 real theory 量，mL，根据Faraday定律计算： [0074] [0075] ‑2 其中，V (H)为氢气的理论生成量，mL；J为电流密度，mA ·cm ；F为法拉第常数 theory 2 ‑1 96485C·mol ，n(H)为电子转移数，R为气体常数，T为操作温度，P为环境压力；本实施例中 2 采用的电极片尺寸为A＝2cm*2cm，每次调节电压稳定后反应时间为t＝5min。 [0076] 表1为施加不同槽电压，压电陶瓷驱动器在工作(电极片振动)和非工作状态(电极 片静止)时的阴极侧测试结果。表中电解效率增加值是指相对于电极片静止，电极片振动情 况下阴极侧电解效率增加值。根据结果得出，在上述槽电压变化的范围内，相较于电极片静止， 电极片振动能大大的提升电解效率，在较高电流密度时，电解效率增加值显而易见。在电极片的 7 7 CN 117026267 A 说明书 6/6页 尺寸为A＝2cm*2cm，槽电压为2.52‑3.12V时，阴极侧电解效率提高了0.9‑2.1％。 8 8 CN 117026267 A 说明书附图 1/3页 图1 图2 9 9 CN 117026267 A 说明书附图 2/3页 图3 图4 10 10 CN 117026267 A 说明书附图 3/3页 图5 11 11

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