[發明專利]一種電解過氧化氫制氫氣的裝置及方法

有效

• 申請號: 202110721698.6
• 申請日: 2021-06-28
• 公開（公告）號: CN113416971B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 尹熙;丁瑞敏;劉暢;劉珊珊;楊潔
• 申請（專利權）人: 中國科學院山西煤炭化學研究所
• 主分類號: C25B9/19
• 分類號: C25B9/19;C25B1/02;C25B1/50;C25B11/032;C25B11/091;C25B11/075
• 代理公司: 西安銘澤知識產權代理事務所(普通合伙) 61223
• 代理人: 梁靜

本發明提供一種電解過氧化氫制氫氣的裝置及方法，該裝置包括由隔膜阻隔形成的陽極室和陰極室，陽極室內配置有陽極電極，陰極室內配置有陰極電極，陽極電極與陰極電極分別通過導線與外部電源連接；陽極室內配置有含過氧化氫的溶液A，且通過隔膜將過氧化氫阻隔在陽極室內；陽極電極的表面配置有陽極催化劑層，陽極催化劑層是將陽極催化劑材料噴涂于陽極擴散層的表面及內部。通過隔膜裝置，以及合適陽極催化劑的選用可以在低槽電壓下實現高效、長壽命制氫。該方法是將含有過氧化氫的溶液泵入陽極室，并施加電壓，陽極發生過氧化氫電化學氧化生成氧氣，陰極發生電化學析氫反應生成氫氣，并對所得氣體進行收集利用。

技術領域

本發明涉及氫能技術領域，具體涉及一種電解過氧化氫制氫氣的裝置及方法。

背景技術

電解水制氫是將電能轉化為化學能的有效手段之一。目前電解水制氫裝置主要有質子交換膜電解水制氫裝置，堿性氫氧根離子交換膜電解水制氫裝置，以及石棉網隔膜堿性電解水制氫裝置等。這類電解水制氫裝置都是以水分子作為富氫載體，對水分子進行電解反應，單個電解槽的理論電壓都需要在1.23V以上，實際工作時單個槽電壓往往在1.4V至1.8V甚至更高，以便電解水反應得以快速進行。現有電解水制氫技術使用的高槽電壓會導致極高的電解制氫能耗。高槽電壓也會對陽極上的催化劑、催化劑載體、粘結劑、聚電解質、氣體擴散層材料、極板材料等產生強烈的電化學氧化與破壞作用，導致電解水制氫裝置難以長期穩定運行。為了實現電能到氫能的高效轉化，解決現有電解水制氫方法的高能耗、低系統穩定性問題，需要從原理上尋找一種可以利用低槽電壓實現高效、穩定的電制氫方法。

過氧化氫作為液態富氫材料，其生產、運輸、存儲和使用都非常便利。理論上過氧化氫的電化學氧化反應(H₂O₂→2H⁺+2e^-+O₂，或H₂O₂+2OH^-→2H₂O+2e^-+O₂，或HO₂^-+OH^-→O₂+H₂O+2e^-)可以在低電勢(相對于可逆氫參比電極電勢0.7V)下發生。通過將過氧化氫電化學氧化反應與電化學析氫反應(2H⁺+2e^-→H₂，或2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-，理論電勢相對于可逆氫參比電極電勢為0V)耦合構成電化學裝置，可以在低槽電壓(即大于理論槽電壓0.7V時)制備氫氣，且槽電壓遠低于電解水制氫的理論槽電壓(1.23V)。這一低槽電壓的特征可以大幅度降低制氫的能耗，有效地延緩或避免催化劑、粘結劑、聚電解質、雙極板、氣體擴散層材料的電化學氧化，保證該電化學制氫裝置穩定運行。

目前，現有技術中尚無利用過氧化氫實現電化學制氫的案例。這一方面是因為在無隔膜裝置中直接電解過氧化氫無法有效制得氫氣。過氧化氫會在陰極發生電化學還原反應(H₂O₂+2H⁺+2e^-→2H₂O或HO₂^-+H₂O+2e^-→3OH^-)，與陰極上需要的電化學析氫反應進行競爭，導致無法有效獲得氫氣。所以，要利用過氧化氫實現高效電能制氫，必須使用隔膜將電解池進行分割，將過氧化氫限制在電解槽的陽極室內，從而阻止過氧化氫在陰極上發生電化學還原反應，實現陽極過氧化氫氧化反應與陰極電化學析氫反應的高效耦合。