一種電解水制氫氣的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及制氫技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用隔膜電解技術(shù)制備氫氣的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]作為一種常見的工業(yè)原料和特種氣體，氫氣已在石油化工、電子工業(yè)、冶金工業(yè)、食品加工、精細(xì)有機(jī)合成等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。此外，由于氫燃燒時(shí)單位質(zhì)量的熱值高居各種燃料之首，為石油燃料熱值的3倍多，且其燃燒產(chǎn)物僅為水;與此同時(shí)，電解水還可產(chǎn)生氫氣和氧氣，從而實(shí)現(xiàn)了水與氫氣之間的循環(huán)利用，并且在該循環(huán)過程中不產(chǎn)生任何環(huán)境污染，使得氫氣逐漸成為一種理想的二次能源，近年來受到了越來越多的關(guān)注，特別是隨著質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的快速發(fā)展，氫燃料電池被視為提升電動(dòng)汽車動(dòng)力性能的重要技術(shù)途徑，逐步走向商品化。
[0003]然而，傳統(tǒng)的制氫工藝需要消耗大量的常規(guī)能源，極大地限制了氫能的推廣應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的“氫氣-7K”循環(huán)，開發(fā)以水為原料且不消耗常規(guī)化石燃料的高效制氫技術(shù)是本領(lǐng)域的重要研究方向。在現(xiàn)有技術(shù)中，通過電解水制氫氣的技術(shù)主要有三種，分別為堿性水溶液電解法、質(zhì)子交換膜電解法及高溫電解法。其中，堿性水溶液電解法因具有設(shè)備簡單、運(yùn)行可靠、且制得的氫氣純度高等優(yōu)勢而成為迄今最為常用的電解水制氫工藝。該工藝使用含量為30wt%左右的氫氧化鉀水溶液作為電解液，并在一對惰性電極之間設(shè)置防止氫氣通過的隔膜，在8 0 °C下進(jìn)行電解，電解液中的水分子則被電解為氫氣和氧氣；當(dāng)輸出氫氣的壓強(qiáng)為0.2?0.5MPa時(shí)，電解反應(yīng)的效率可達(dá)65 %。但上述工藝對電能的消耗量較大，每生產(chǎn)1立方米(標(biāo)準(zhǔn)條件下)氫氣的平均耗電量約為5.3kWh，導(dǎo)致該工藝的能量轉(zhuǎn)換效率較低，制氫成本較高。
[0004]因此，如何對現(xiàn)有的電解水制氫工藝進(jìn)行改進(jìn)以提高其能量轉(zhuǎn)換效率、減少耗電量、進(jìn)而降低制氫成本，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言依舊是一個(gè)亟待解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有的電解水制氫工藝所存在的耗電量大、制氫成本高的缺陷，進(jìn)而提供一種能耗小、成本低的電解水制氫方法及裝置。
[0006]為此，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案為:
[0007]—種電解水制氫氣的方法，包括:
[0008]在直流電的作用下，氫離子在陰極發(fā)生還原反應(yīng)制得氫氣，同時(shí)氫氧根離子在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)析出氧氣；
[0009]所述氫離子和所述陰極均設(shè)置在陰極室內(nèi)，所述氫氧根離子和所述陽極均設(shè)置在陽極室內(nèi)，所述陰極室和所述陽極室由雙極膜分隔而成。
[0010]優(yōu)選地，所述氫離子的濃度為2?8mol/L;所述氫氧根離子的濃度為2?7mol/L。
[0011]優(yōu)選地，含所述氫離子的酸性水溶液的溫度為20?80°C;含所述氫氧根離子的堿性水溶液的溫度為20?80°C。
[0012]更優(yōu)選地，含所述氫離子的酸性水溶液的溫度為50?80°C;含所述氫氧根離子的堿性水溶液的溫度為50?80°C。
[0013]優(yōu)選地，所述直流電的電壓為0.8?2.2V。
[0014]優(yōu)選地，所述直流電的正極與所述陽極相連，所述直流電的負(fù)極與所述陰極相連接。
[0015]優(yōu)選地，所述雙極膜由陽離子交換膜和陰離子交換膜復(fù)合而成，其中，所述陽離子交換膜朝向所述陰極室設(shè)置，所述陰離子交換膜朝向所述陽極室設(shè)置。
[0016]優(yōu)選地，在所述陽極的表面設(shè)置析氧催化劑;所述陰極的表面設(shè)置有析氫催化劑。
[0017]一種電解水制氫氣的裝置，包括:
[0018]電解槽，設(shè)置有溫度調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)；
[0019]由陽離子交換膜和陰離子交換膜復(fù)合而成的雙極膜，所述雙極膜垂直于所述電解槽的內(nèi)底面設(shè)置并與所述內(nèi)底面密封連接，以將所述電解槽分隔成陽極室和陰極室;所述陽離子交換膜朝向所述陰極室設(shè)置，所述陰離子交換膜朝向所述陽極室設(shè)置；
[0020]在所述陽極室內(nèi)設(shè)置陽極，所述陽極與直流電的正極相連；
[0021]在所述陰極室中設(shè)置陰極，所述陰極與所述直流電的負(fù)極連接。
[0022]優(yōu)選地，所述陰極為鉑片;所述陽極為鈦鍍釕的金屬網(wǎng)。
[0023]本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0024]1、本發(fā)明提供的電解水制氫氣的方法，首創(chuàng)性地采用雙極膜將電解槽分隔成互不連通的陽極室和陰極室，并在陽極室內(nèi)設(shè)置陽極和含氫氧根的堿性水溶液，同時(shí)在陰極室內(nèi)設(shè)置陰極和含氫離子的酸性水溶液;這樣在外加直流電的條件下，雙極膜外的水分子滲透至雙極膜內(nèi)，在雙極膜的陽離子交換膜與陰離子交換膜的交界面上水分子被解離成氫離子和氫氧根離子，其中，氫離子能夠穿過陽離子交換膜而進(jìn)入陰極室內(nèi)，并在陰極表面發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣；而氫氧根離子則通過陰離子交換膜進(jìn)入陽極室內(nèi)，并在陽極表面發(fā)生氧化反應(yīng)而析出氧氣。上述電極反應(yīng)的反應(yīng)式如下:
[0025]陰極:2H++2e_=H2TΕ° = 0
[0026]陽極:40Η~= 02?+4θ_+2Η20 Ε° = 0.401V
[0027]由此可見，本發(fā)明的電解反應(yīng)所需的理論分解電壓僅為0.401V，而在實(shí)際的電解操作過程中，由于電極過電位及雙極膜的跨膜電壓差的存在，使得采用本發(fā)明所述的方法制備氫氣時(shí)的最小電解電壓為0.8V，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有技術(shù)中的堿性水溶液電解法制氫時(shí)所使用的電壓(1.8?2.4V)，這說明本發(fā)明所述的方法能夠大幅提高電解過程中的電能利用率，顯著降低能耗，采用本發(fā)明的制氫方法每制得一標(biāo)方氫氣的耗電量可低至1.7KWh，極大地降低了制氫成本。
[0028]并且，本發(fā)明所述的電解水制氫氣的方法，其電解時(shí)所需的酸性和堿性環(huán)境可由雙極膜解離水的過程連續(xù)供給，而無需額外補(bǔ)充酸和堿，只需適當(dāng)補(bǔ)入水便能夠確保電解過程的連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)電能向氫氣所儲存的化學(xué)能持續(xù)轉(zhuǎn)變。本發(fā)明所述的方法既不消耗酸、堿，也不產(chǎn)生污染物，具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)勢，完全能夠滿足工業(yè)化大規(guī)模制氫的要求。
[0029]2、本發(fā)明提供的電解水制氫氣的方法，優(yōu)選氫離子的濃度為2?8mol/L，以更好地促進(jìn)還原析氫反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)又可避免酸度過高而對電解設(shè)備造成的腐蝕。與此類似的是，本發(fā)明所述的方法優(yōu)選氫氧根離子的濃度為2?7mol/L，以更好地促進(jìn)氧化析氧反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)又可避免堿度過高而對電解設(shè)備造成的腐蝕。
[0030]3、本發(fā)明提供的電解水制氫氣的裝置，通過將雙極膜密封設(shè)置于電解槽的陽極室和陰極室之間，實(shí)現(xiàn)了可在電解槽中同時(shí)盛放酸性和堿性電解液的目的，以保證酸性環(huán)境下的析氫反應(yīng)與堿性環(huán)境下的析氧反應(yīng)能夠同步進(jìn)行，有利于降低電解槽的電解電壓，從而減小制氫能耗。此外，本發(fā)明所述的制氫裝置還具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，非常適宜于工業(yè)化應(yīng)用。
【附圖說明】
[0031]為了更清楚地說明本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中的技術(shù)方案，下面將對【具體實(shí)施方式】描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0032]圖1為本發(fā)明的電解水制氫氣裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖2為實(shí)施例8和對比例1的制氫方法所產(chǎn)生的電流隨電壓變化的示意圖。
[0034]其中，附圖標(biāo)記如下所示:
[0035]1-電解槽;2-雙極膜;3-陽離子交換膜;4-陰離子交換膜;5-陽極室;6-陰極室;7-陽極;8-陰極。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0037]在本發(fā)明的描述中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可以是機(jī)械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。
[0038]此外，下面所描述的本發(fā)明不同實(shí)施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互結(jié)合。
[0039]實(shí)施例1
[0040]本實(shí)施例所述的電解水制氫氣的裝置，包括:
[0041]電解槽1，設(shè)置有溫度調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng);優(yōu)選地，所述溫度調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)為設(shè)置于所述電解槽1的槽體外部的恒溫水浴夾層；
[0042]由陽離子交換膜3和陰離子交換膜4復(fù)合而成的雙極膜2，所述雙極膜2垂直于所述電解槽1的內(nèi)底面設(shè)置并與所述內(nèi)底面密封連接，在本實(shí)施例中，所述雙極膜通過夾持在固定于電解槽內(nèi)壁面上的橡膠墊片之間而實(shí)現(xiàn)密封;所述雙極膜2將所述電解槽1分隔成互不連通的陽極室5和陰極室6，其中所述陽離子交換膜3朝向所述陰極室6設(shè)置，所述陰離子交換膜4朝向所述陽極室5設(shè)置；
[0043]在所述陽極室5中設(shè)置陽極7，所述陽極7與直流電的正極相連；
[0044]在所述陰極室6內(nèi)設(shè)置陰極8，所述陰極8與所述直流電的負(fù)極連接。
[0045]作為優(yōu)選的實(shí)施方式，本實(shí)施例中的所述陰極8為鉑片，所述陽極7為鈦鍍釕的金屬網(wǎng)，所述直流電由VERSASTAT3-500型電化學(xué)工作站提供。
[0046]本實(shí)施例所述的電解水制氫裝置通過利用雙極膜將電解槽分隔成互不連通的陽極室和陰極室，從而實(shí)現(xiàn)了可在電解槽中同時(shí)盛放酸性和堿性電解液的目的，以保證酸性環(huán)境下的析氫反應(yīng)與