一种具有自清洁功能的光伏电解水制氢设备
CN 云南云天化股份有限公司
技术背景
水电解制氢技术主要有碱性水电解（AWEs）、聚合物质子交换膜水电解（PEM）和高温氧化物水电解（SOEC）。该技术优点是工作电流密度高、电解槽启动快、负荷范围宽、灵活性好。缺点是对水质要求极高，内部为强酸性环境，对催化剂及元件的耐腐蚀性要求高，质子交换膜和电极的投资成本高但稳定性差（不仅降低电流效率，还带来很大的安全隐患）。SOEC制氢技术具有电解效率高、电流密度高、生产速度快的优点，但技术成熟度低，需在高温下操作，对关键材料要求高，因此成本最高，目前尚处于研究阶段，近年来难以大规模应用。AWEs是商业化的水电解制氢技术，性能稳定，成本低，适合大规模应用。 电解槽是AWE的核心设备，主要由槽体、阳极、阴极、隔膜等组成。电解槽对纯水依赖性强，生产成本高，使用普通水源可以大大降低原料成本，但普通水源中的钙、镁等硬度离子杂质容易在阴极表面结垢，导致电极寿命缩短、制氢效率降低、电解槽堵塞等风险，严重时甚至需要停产制氢系统，大大增加系统运行成本。
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实验装置
电极的 SEM 观察
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、采用在泡沫镍板上涂覆二氧化钛，再在其表面磁吸引镍锌铁氧化物磁性颗粒，制成双功能阴、阴极电极。此双极电极不含贵金属元素，成本低，阴、阴极循环稳定性好，在频繁极性反转的前提下，可保证电极的寿命。在保证产氢效率的同时，通过阴、阴极反转，可溶解电极表面的水垢，实现电极的电化学自清洁。
2、通过设置机械除垢装置，驱动装置带动传动杆旋转，滑块在传动杆上做直线往复运动，刮刀与主要起阴极作用的正、负双作用电极表面接触，将表面沉积的污垢刮除，污垢随电解液的流动流出壳体，实现电极的机械自清洁。
3、通过太阳能光伏组件将太阳能转化为设备所需的电能，并通过控制电路提供稳定的电压，充分利用新能源。
4、通过上述具有自清洁功能的光伏水电解制氢设备及方法，定期清洗水电解过程中电极表面的水垢，使其能够保持长时间稳定运行。
技术要点：
本发明公开了一种阴、阳极双功能电极，其特征在于：在泡沫镍板上涂覆二氧化钛，再将镍锌铁氧化物磁性颗粒磁吸在泡沫镍板上，制备方法包括如下步骤：
S1、泡沫镍板的预处理：将泡沫镍板按所需尺寸裁剪，将泡沫镍板放入0.1-3mol/L的HCl溶液中酸洗5-30分钟，去除表面氧化物；再放入丙酮、酒精、超纯水中超声波震荡2-15分钟，去除残留酸及表面有机污染物，最后将泡沫镍板放入真空干燥箱中干燥1-2小时；
S2、氧化钛涂层：按体积称取5份钛酸丁酯和3份浓HCl于高压反应釜中，加入70份去离子水，常温下搅拌至形成均匀溶液；将清洗干燥后的泡沫镍板放入盛有均匀溶液的聚四氟乙烯内衬中，再将聚四氟乙烯内衬密封于不锈钢反应釜中，在50~90℃温度下进行水热反应2~6小时；反应完成后取出样品，用水、乙醇各清洗三次，最后烘干备用；
S3、磁性粒子的制备：采用共沉淀法制备金属氧化物；具体为：将NiCl2、ZnCl2、FeCl3按照摩尔比1:1:4溶解于蒸馏水中，然后用NaOH诱导沉淀，反应液在50-90℃保温0.5-2h，用蒸馏水充分洗涤沉淀物，除去多余的钠和氯；将洗涤后的沉淀物在100-150℃下干燥过夜，然后在管式炉中在300-650℃下热升温退火1-2h，再在800-1100℃下热升温退火1-2h；研磨后得到直径小于500nm的磁性粒子；
S4、电极的磁性组装：通过材料间的直接磁作用，在含有氧化钛涂层的泡沫镍板表面沉积；将一定量的颗粒加入1000倍蒸馏水中，超声处理5～30分钟，得到均匀的悬浮液；将步骤S2处理过的泡沫镍板浸入悬浮液中超声处理2～20分钟，组装好的电极在室温下风干；
S5.电极的活化：将步骤S3中组装好的电极在40-80℃的0.1-0.5mol/L硫酸钠溶液中进行5次交替阳极极化处理和5次阴极极化处理，电流密度为5-50mA/cm2，单次极化处理时间为1-5分钟，即可得到阴阳双功能电极。该阴阳双功能电极为非贵金属电极，成本低廉。而且多孔基质表面负载有微纳米级粒子，因此真实表面积较大，便于传质。
影响：
照明参数及其他环境条件如下：
空气质量为AM1.5，气温为20℃，风速为0m/s，光照强度为600W/m2，采用太阳能光伏组件同步发电。
在此条件下，电压（12V）、电流（2A）稳定20分钟，可认为不变，分别在第5、10、20分钟测量收集到的H2体积，计算平均阴极电流效率。