[發(fā)明專利]一種基于液流氧化還原媒介分步電解水制氫的裝置和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811441037.2
• 申請日: 2018-11-29
• 公開（公告）號(hào): CN109321936B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭明森;董全峰;范鏡敏;雷杰
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號(hào): C25B1/10
• 分類號(hào): C25B1/10;C25B9/08;C25B11/06;C25B11/12;C25B13/02;C25B15/02
• 代理公司: 廈門市精誠新創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 35218
• 代理人: 賴秀華

本發(fā)明屬于電化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于液流氧化還原媒介分步電解水制氫的裝置和方法。所述基于液流氧化還原媒介分步電解水制氫的裝置包括：隔膜電解槽?a，所述隔膜電解槽?a中陽極室的電解液為酸性電解液且陰極室的電解液為活性介質(zhì)電解液，活性介質(zhì)電解液在電解過程中被還原并引入以下析氫單元；析氫單元，源自所述隔膜電解槽?a中陰極室的活性介質(zhì)電解液在所述析氫單元中被氧化，同時(shí)產(chǎn)生氫氣，且經(jīng)氧化的活性介質(zhì)電解液循環(huán)回所述隔膜電解槽?a的陰極室。本發(fā)明采用液流氧化還原媒介將析氫和析氧反應(yīng)相耦合，以實(shí)現(xiàn)氫氣和氧氣在不同時(shí)間和不同空間下析出，從而制備高純的氫氣，可完全避免電解水過程中氫氣和氧氣交叉污染。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于液流氧化還原媒介分步電解水制氫的裝置和方法。

背景技術(shù)

隨著世界人口的不斷增漲和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對能源的需求越來越大。能源是為人類生產(chǎn)和生活提供各種能力和動(dòng)力的物質(zhì)資源，是國民經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，能源的掌控能夠決定國家未來的發(fā)展命運(yùn)。面對目前的能源短缺和環(huán)境污染日益加劇等問題，開發(fā)清潔高效、可持續(xù)發(fā)展的新能源動(dòng)力技術(shù)迫在眉睫。氫能作為一種清潔、高效的二次能源，已經(jīng)備受世界的廣泛關(guān)注。而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、廉價(jià)地生產(chǎn)氫氣將為開發(fā)和利用氫能奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

目前工業(yè)供應(yīng)的95％氫氣均是通過化石燃料(天然氣、甲醇等)高溫蒸汽重整制取，這些方法存在著能耗高、設(shè)備要求高、危險(xiǎn)程度高以及制備的氫氣純度偏低等劣勢，而電解水制氫技術(shù)因其設(shè)備要求低、無高氣壓危險(xiǎn)以及制取氫氣純度高而備受關(guān)注。電解水制氫主要有三種：堿性電解水、質(zhì)子交換膜電解水以及固態(tài)氧化物電解水。最先產(chǎn)業(yè)化的是堿性電解水，因?yàn)槠涑杀据^低，技術(shù)也已相對成熟；但質(zhì)子交換膜酸性電解水有著更加突出的優(yōu)勢，首先酸性體系的歐姆降更低，能耗較低，制得氫氣純度更高，能較適于在高電流密度和高氣壓下工作。固態(tài)氧化物電解水的條件較為苛刻，需要在高溫高壓條件下進(jìn)行。目前大量的研究工作集中于開發(fā)更加高效的析氫(HER)和析氧(OER)催化劑，但更值得注意的是，電解水過程中陰陽極同時(shí)產(chǎn)出氫氣和氧氣，這極易導(dǎo)致兩者氣體的交叉污染(特別是在高電流密度高氣壓下)，致使產(chǎn)出的氫氣不純，加大后續(xù)提純的壓力。盡管離子選擇性交換膜能夠減緩氣體的交叉污染問題，但由于析氧和析氫的動(dòng)力學(xué)存在明顯差異，致使隔膜兩邊壓力不同，同時(shí)混合氣體與催化劑間生成的活性氧物種也將進(jìn)一步增強(qiáng)膜的降解，大大增大了成本。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服采用現(xiàn)有的電解水制氫方法存在的以上問題，而提供一種新的基于液流氧化還原媒介分步電解水制氫的裝置和方法。

具體地，本發(fā)明提供的基于液流氧化還原媒介分步電解水制氫的裝置包括：

隔膜電解槽-a，所述隔膜電解槽-a中陽極室的電解液為酸性電解液且陰極室的電解液為活性介質(zhì)電解液，活性介質(zhì)電解液在電解過程中被還原并引入以下析氫單元；

析氫單元，源自所述隔膜電解槽-a中陰極室的活性介質(zhì)電解液在所述析氫單元中被氧化，同時(shí)產(chǎn)生氫氣，且經(jīng)氧化的活性介質(zhì)電解液循環(huán)回所述隔膜電解槽-a的陰極室。

進(jìn)一步地，所述析氫單元為隔膜電解槽-b，所述隔膜電解槽-b中陽極室的電解液為源自所述隔膜電解槽-a中陰極室的活性介質(zhì)電解液且陰極室的電解液為酸性電解液，活性介質(zhì)電解液在電解過程中被氧化，陰極則產(chǎn)生氫氣，經(jīng)氧化的活性介質(zhì)電解液循環(huán)回所述隔膜電解槽-a的陰極室；或者，

所述析氫單元為化學(xué)催化反應(yīng)槽，源自所述隔膜電解槽-a中陰極室的活性介質(zhì)電解液在化學(xué)催化反應(yīng)槽中通過化學(xué)催化反應(yīng)生成氫氣，經(jīng)氧化的活性介質(zhì)電解液循環(huán)回所述隔膜電解槽-a的陰極室。

當(dāng)所述活性介質(zhì)電解液的氧化還原電位介于電解水理論析氧和析氫電位之間，或者略低于電解水理論析氫電位時(shí)，則還原后的媒介能夠直接化學(xué)催化產(chǎn)氫，而無需額外的電化學(xué)過程，即，所述析氫單元為化學(xué)催化反應(yīng)槽。