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技术背景

电解水制氢技术主要包括碱性电解水(AWEs)、聚合物质子交换膜电解水(PEMWEs)和高温氧化物电解水(SOEC)等技术。PEMWEs技术的优点是工作电流密度高，电解槽启动快，负载范围宽，灵活性好。缺点是对水质要求极高，内部呈强酸性环境，对催化剂及组件的耐腐蚀性要求高，质子交换膜和电极投资成本较高但稳定性较差(不但降低电流效率，还带来极大的安全隐患)。SOEC制氢技术具有电解效率高，电流密度高，生产速度快等优点，但是技术成熟度低，需要在高温下运行，对关键材料要求高，因此成本最高，还处于研究阶段，近年难以大规模应用。AWEs是已经商业化的电解水制氢技术，性能稳定，成本低，适合大规模应用。电解槽是AWEs的核心装备，主要由槽体、阳极、阴极、隔膜等组成。电解槽对纯水的依赖性较强，导致生产成本较高，采用普通水源可大大降低原料成本，但普通水源中的钙镁等硬度离子杂质易在阴极表面结垢沉积，导致电极寿命缩短、氢气生产效率下降、电解槽堵塞等风险，严重时不得不对制氢系统进行停车处理，大大增加了系统运行成本

。

实验装置

电极的SEM观察情况

现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.使用由泡沫镍板涂敷钛氧化物后，在其表面上通过磁力吸引镍锌铁氧磁性颗粒制得的阴阳双功能电极，此双极性电极不含贵金属元素，成本低，且具有良好的阴阳极循环稳定性，能够在频繁倒极的前提下保证电极的寿命，在保证产氢效率的下，通过阴阳极反接可以溶解电极表面的积垢，实现电极的电化学自清洁。

2.通过设置机械除垢装置，驱动装置驱动传动杆转动，滑块在传动杆上作直线往复运动，刮刀与主要作为阴极的阴阳双功能电极表面接触，将其表面的沉积的污垢刮除，污垢随电解液流动从壳体内流出，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成设备所需的电能，通过控制电路提供稳定电压，充分利用新能源。

4.通过上述具有自清洁功能的光伏电解水制氢设备和方法，定期清理电解水过程中在电极表面的积垢，使其长期保持稳定运行。

技术要点：

阴阳双功能电极由泡沫镍板涂敷钛氧化物后，在其表面上通过磁力吸引镍锌铁氧磁性颗粒制得。制备方法包括如下步骤：

S1 .泡沫镍板预处理：按所需大小裁剪泡沫镍板，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；然后依次放在丙酮、酒精、超纯水中进行超声震荡2～15分钟去除残留的酸和表面有机污染物，最后将泡沫镍板放入真空干燥箱中烘干1～2小时；

S2 .钛氧化物涂敷：按体积份数分别称取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，室温下搅拌至形成均一溶液；将清洗烘干后的泡沫镍板置入装有均一溶液的聚四氟乙烯内胆中，随后将聚四氟乙烯内胆封入不锈钢反应釜中，在50～90°C的温度环境中进行2～6h的水热反应；待反应结束，取出样品，用水和乙醇各洗涤3次，最后将其烘干待用；

S3 .磁性颗粒制备：采用共沉淀法制备金属氧化物NiZnFeOx；具体的，将NiCl2、ZnCl2和FeCl3按摩尔比1:1:4溶解于蒸馏水中，然后以NaOH诱导沉淀，反应液在50～90°C保持0.5～2h，沉淀物用蒸馏水彻底洗涤除去多余的钠和氯；洗涤后的沉淀物在100～150°C下干燥过夜，然后在管式烘箱中300～650°C下热斜坡退火1～2h后，在800～1100°C下热斜坡退火1～2h；研磨后得到直径小于500nm的磁性颗粒；

S4.电极的磁组装：通过材料间的直接磁作用，在含有钛氧化物涂层的泡沫镍板表面沉积NiZnFeOx；将一定量的NiZnFeOx颗粒加入1000倍蒸馏水并超声5～30分钟获得均匀的悬浮液；将步骤S2中处理后的泡沫镍板浸在悬浮液中超声处理2～20min，将组装好的电极室温下风干；

S5.电极的活化：将步骤S3中组装好的电极在40～80°C下的0.1～0.5mol/L硫酸钠溶液中交替进行5次阳极极化处理和5次阴极极化处理，电流密度5～50mA/cm2，单次极化处理时间1～5分钟，得到阴阳双功能电极。此阴阳双功能电极为非贵金属电极，成本较低。且其表面为多孔基体负载微纳米尺度颗粒后真实表面积更大，便于传质。

使用效果：

光照参数及其他环境条件如下：

大气质量AM1.5，温度20°C，风速0m/s，光照强度600W/m2，使用太阳能光伏组件同步发电。

在该条件下，测试20分钟，电压(12V)、电流(2A)平稳，可视为无变化。分别于第5分钟，第10分钟，第20分钟对收集的H2体积进行测量，并计算平均阴极电流效率