[發明專利]一種光電解池分解水產氫并在線分離裝置

有效

• 申請號: 201110413781.3
• 申請日: 2011-12-13
• 公開（公告）號: CN103159297A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 俞紅梅;李永坤;張長昆;付麗;邵志剛;衣寶廉
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C02F1/461
• 分類號: C02F1/461;C02F1/30;C25B1/04
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及一種新型的光電解水制氫用膜電極組件，具體的說是將陰陽極與中間膜層通過熱壓并靠機械壓力組裝成MEA，在光照條件下并外加一定偏壓將水分解為氫氣、氧氣并在線分離的一種結構裝置。

背景技術

煤、石油、天然氣等化石資源的不可再生性及其大量使用所造成的環境污染問題，使得發展可再生能源成為必然。在眾多的可再生能源中，太陽能是唯一能替代化石燃料并能滿足人類大規模應用的能源。然而，由于存在地區差異性，以及晝夜特性，太陽能必須轉化為其它能源，才能解決存儲運輸問題。如果直接把能量密度低的太陽能轉換成具有高能量密度、高效率的化學能儲存起來，類似于植物的光合作用，就能一步完成太陽能的轉換和儲存難題。

1972年，日本科學家Fujishima和Honda發現在外加電壓下用紫外線照射TiO₂電極可將水分解產生氫氣，首次揭示了利用太陽能分解水制氫的可能性。這種光電化學轉換過程利用太陽能通過光催化分解水產生氫氣，將能量密度低的太陽能轉換為具有高能量密度、高效率的化學能，是一種理想的綠色制氫途徑，有望同時解決能源供給和環境污染問題，因此該項技術是最具理論研究意義和實際應用前景的太陽能利用技術之一，得到了世界各國、特別是發達國家的高度重視，被視為一項長期的戰略性研究課題。

目前光電解水產氫尚處于基礎研究階段，國內外正致力于高效催化劑的研制，然而，在實驗和未來的應用過程中會面臨這樣一個問題：光電解池在連續運行過程中怎樣將產生的氣體進行在線分離。當前常用的光電解池結構是三電極結構，即：光電陽極、陰極、對電極。三電極處于密閉的同一溶液體系中，陰陽極產生的氣體在溶液上部易發生混合，難以收集，需要后處理步驟進行分離、分析。另外，當前結構體積較大，電極距離相對較遠，電解過程中增加了額外的歐姆損失。因此，開發一種新型的光電解池結構，以減小操作過程中存在的各種功耗損失，將生成的氣體直接分離，顯得尤為重要。

但是目前關于光電解池結構優化設計的研究還比較少。這主要是由于光電解水產氫尚處于基礎研究階段，到目前為止還未找到一種可行的半導體材料，使光電轉化效率達到可工業化的水平。據美國能源部的估算，只有太陽能的轉化效率超過10％，才能夠實現大規模的應用，而光電轉化效率的提高依賴于新材料的出現，因此，目前國際科研人員正致力于新材料的開發研制工作。但是，光電解池的結構也是影響光電轉化效率以及總轉化率的一個重要因素，一種好的結構對于未來太陽能的大規模應用起著不可替代的作用，所以開發一種新型的光電解池結構就顯得很有必要。

發明內容

本發明的目的是提供一種新型的光電解水制氫用膜電極組件的制備方法。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種光電解池分解水產氫裝置，其依次由金屬端板、陰極、固體聚合物堿性膜、導電金屬網，剛性透光端板疊合而成；

金屬端板靠近陰極側設置有水流場、且金屬端板上設有進水口和出水口，進水口和出水口與水流場相連通；陰極為碳紙電極，碳紙電極靠近堿性膜一側擔載有析氫催化劑；堿性膜為固體聚合物膜；

陰極碳紙電極與堿性膜壓制膜電極組件，壓制條件為：0.5-5atm，40-140℃，1-20min。

陽極為金屬網狀電極，金屬網表面擔載有析氧光催化劑，剛性透光端板上設有貫穿端板的進水口和出水口；

金屬端板和金屬網狀電極分別通過導線與直流電源的負極和正極相連接；于剛性透光端板外側設有照射剛性透光端板的光源。

進水口和出水口分別通過管路與裝有質量濃度為2-40％的氫氧化鉀或氫氧化鈉溶液或純水，含輔助電解質的水溶液或其它有機溶液的儲罐相連，在進水口和/或出水口的管路上設有液體循環裝置。

所述析氫催化劑為Pt/C，Ni/C，Co/C，Pt-Ni/C或Pt-Pd/C及各種過渡金屬合金催化劑；

光催化劑為TiO₂，ZnO，Fe₂O₃或WO₃及各種復合氧化物催化劑。

所述金屬端板為鎳板、鈦板或不銹鋼板；導電金屬網為鎳網、鈦網，鐵網或不銹鋼網及各種合金網；剛性透光端板為石英玻璃板或為中部鑲嵌有石英玻璃板的環狀金屬板。所述光源為模擬太陽光輻射的氙燈或其它連續可調光源。

操作過程如下：

1)陽極端板處留有透光區，外界光源可透過石英玻璃照射到陽極表面。

2)在兩塊不銹鋼端板中間加入膜電極組件，靠機械力壓緊組裝光電解池。