[發(fā)明專(zhuān)利]一種三電極體系雙電解槽兩步法電解水制氫的裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610164054.0
• 申請(qǐng)日: 2016-03-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105734600B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-07-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王永剛;夏永姚;陳龍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C25B1/06
• 分類(lèi)號(hào): C25B1/06;C25B11/04;C25B11/06;C25B9/18
• 代理公司: 上海正旦專(zhuān)利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

本發(fā)明屬于電解水技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三電極體系雙電解槽兩步法電解水制氫的裝置及方法。該電解裝置包含兩個(gè)獨(dú)立的電解槽(槽?1和槽?2)、析氫催化電極、析氧催化電極和氫氧化鎳電極以及堿性電解質(zhì)。該電解裝置把電解水過(guò)程分為產(chǎn)氫和產(chǎn)氧兩個(gè)步驟，并分別在兩個(gè)電解槽(槽?1和槽?2)中交替進(jìn)行。本發(fā)明有效地將常規(guī)電解水中同時(shí)發(fā)生的產(chǎn)氫和產(chǎn)氧步驟分割，使產(chǎn)氫和產(chǎn)氧分別在不同的電解槽中完成。本發(fā)明可在不采用任何隔膜的條件下，制備出高純的氫氣，并進(jìn)一步降低電解水制氫的成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電解水技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的基于三電極體系的雙電解槽兩步法電解水制氫的裝置及方法。

背景技術(shù)

能源是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)、提高人民生活質(zhì)量的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是直接影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要制約因素，同時(shí)也是國(guó)家戰(zhàn)略安全保障的基礎(chǔ)之一。為解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源短缺及環(huán)境污染之間日益加劇的矛盾，開(kāi)發(fā)清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的新能源動(dòng)力技術(shù)已成為十分緊迫的任務(wù)。發(fā)展可再生能源和能源的清潔高效利用將是當(dāng)今國(guó)際社會(huì)所面臨的重要現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，對(duì)整個(gè)世界經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。氫能源作為高效、潔凈和理想的二次能源已經(jīng)受到了全世界的廣泛重視。大規(guī)模、廉價(jià)地生產(chǎn)氫氣是開(kāi)發(fā)和利用氫能的重要環(huán)節(jié)之一。

電解水制備氫氣操作相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)相對(duì)成熟，而且制氫過(guò)程沒(méi)有污染，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)氫氣的重要手段。在當(dāng)前的制氫工業(yè)生產(chǎn)中，堿性水電解技術(shù)工業(yè)化早、技術(shù)成熟、設(shè)備成本低，因此堿性水電解在水電解行業(yè)中占主導(dǎo)地位。但因?yàn)槠淠芎妮^高，限制了它的廣泛應(yīng)用。更為重要的是，常規(guī)的電解水技術(shù)在電極過(guò)程中陰陽(yáng)極同時(shí)電極生成氫氣和氧氣，這將很容易導(dǎo)致氫氣和氧氣的混合，致使所制備的氣體不純，后續(xù)的提純則將大大增大制備成本。采用離子選擇性膜隔開(kāi)在析氫催化電極產(chǎn)生的氫氣和析氧催化電極產(chǎn)生的氧氣是一種有效的解決方案，但是離子選擇性膜的使用也大大增加了成本。此外，由于電化學(xué)析氫和析氧自身的動(dòng)力學(xué)過(guò)程不同，造成產(chǎn)氫和產(chǎn)氧速度有所差異，當(dāng)離子選擇性膜兩邊壓力不同時(shí)，膜的損耗也非常嚴(yán)重，這進(jìn)一步增大了成本。 此外，選擇性離子交換膜近一步增大了電解槽內(nèi)阻，增加了能耗。目前主流的工作在于改進(jìn)或者制備新型的隔膜，以期降低內(nèi)阻的同時(shí)，又兼顧親水性，離子透過(guò)性以及能夠完全隔開(kāi)氫氣和氧氣。雖然已經(jīng)有很多新型隔膜被研究探索，但是效果仍然并不是十分顯著。近期，我們（王永剛；夏永姚；陳龍）已經(jīng)發(fā)明了一種基于三電極體系的兩步法電解水制氫的方法及裝置(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枺?01510799110.3)，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)氫步驟和產(chǎn)氧步驟在同一電解槽中的分步完成，即沒(méi)有任何隔膜的情況下實(shí)現(xiàn)了純氫和純氧的分步制備，有效避免了氫氣和氧氣的混合。該方法的產(chǎn)氫和產(chǎn)氧步驟在同一電解槽中完成，而電解槽中的堿性電解液也會(huì)溶解少量的氫氣和氧氣，即在電解槽內(nèi)的電解液中仍有少量氫氣和氧氣混合的可能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種制備成本低、可避免電解液中氫氣和氧氣混合的基于三電極體系的兩步法電解水制氫的裝置及方法。

本發(fā)明所提供的基于三電極體系的兩步法電解水制氫的裝置，采用雙電解槽結(jié)構(gòu)，該裝置包括：兩個(gè)獨(dú)立的電解槽(電解槽-1和電解槽-2)；三個(gè)電極：對(duì)電解水生成氫氣具有催化作用的析氫催化電極、對(duì)電解水生成氧氣具有催化作用的析氧催化電極和氫氧化鎳(Ni(OH)₂)電極；堿性電解液。其中，電解槽-1用于產(chǎn)氫氣，電解槽-2用于產(chǎn)氧氣；

在電解槽-1中的產(chǎn)氫氣時(shí)，陰極連接析氫催化電極，陽(yáng)極連接氫氧化鎳電極；在電解槽-2中的產(chǎn)氧氣時(shí)，陰極連接氫氧化鎳電極，陽(yáng)極連接析氧催化電極。

本發(fā)明所提供的基于三電極體系的雙電解槽兩步法電解水制氫的方法，如圖1所示具體步驟如下:

（一）在電解槽-1中產(chǎn)氫氣（即電解水生成氫氣步驟）：