一种电解水制氢的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及电解水制氢领域，公开了一种电解水制氢的方法和装置，该方法包括：在直流电的作用下，使阴极侧发生还原反应制得氢气，阳极侧发生氧化反应产生氧气，阴极侧的电解液和阳极侧的电解液具有pH差；阴极侧与阳极侧由电极组件隔离，电极组件为两侧表面分别涂覆有阳极催化剂和阴极催化剂的离子交换膜。离子交换膜能够选择性地透过阴离子或者阳离子，阴极侧和阳极侧电解液之间pH差的存在能够加快离子传导速率，从而提高电解效率，降低能耗。

A method and device of hydrogen production by electrolyzing water

【技术实现步骤摘要】
一种电解水制氢的方法及装置
本专利技术涉及电解水制氢领域，具体涉及一种电解水制氢的方法及装置。
技术介绍
近年来，地球暖化、环境污染、地下资源减少等问题日益严重，国内外的可再生能源得到了大力发展。但是，可再生能源在地域上存在不均衡，其输出功率的变动也非常大，在将由自然能源所生产的电力输送到一般电力系统方面存在极限，此外，天气和季节的不同会导致发电量的大幅变化。因而，电解水制氢成为了一种新能源存储与调峰的手段。随着氢能的发展，电解水制氢也是一种便捷的氢气来源供应方式。目前，电解水制氢主要有三种，碱性电解水制氢、质子交换膜(PEM)电解水制氢和固体氧化物电解水制氢技术。固体氧化物电解技术因其工作温度过高，限制了电解材料的选择、密封和运行控制，始终无法得到应用和推广。碱性电解水制氢和PEM电解水制氢是发展较为成熟的技术，PEM电解水制氢规模在逐渐向MW级规模发展。但是，目前电解水制氢的成本仍然居高不下，如何进一步提高电解效率，降低单位质量/体积氢气的电能消耗成为亟待解决的问题。CN104364425A公开了一种双极式碱性水解单元和电解槽，以KOH溶液为电解质溶液，是传统的碱性电解水制氢技术，存在污染、效率低等问题。CN105483747A公开了一种阴极室为酸性溶液，阳极室为碱性溶液，中间采用阳离子交换膜与阴离子交换膜复合而成的双极性膜来提高电解效率的方法及装置。但双极性膜目前主要用于电渗析器中，主要特性是将水溶性(或其它溶剂)盐转化为相应的酸和碱的溶液，不发生氧化还原反应。双极性膜的价格高、寿命短，国内尚无大规模工业化应用的先例。再者，双极性膜电阻高，选择性有待进一步提高，目前在酸碱环境下容易发生酸碱中和反应。SPE电解水制氢技术，其全称为固体聚合物电解质电解水制氢技术。SPE膜电极是电催化剂直接附于膜上形成“金属+SPE”复合膜电极结构，以离子膜固体电解质取代液体电解质，具有产物容易分离，能抑制副反应等优点，目前为世界各国制氢行业所应用。SPE电解水制氢技术在电解纯水的过程中，由于质子交换膜的分隔，阳极在电氧化过程中因产生大量H+使得阳极pH降低，而阴极因大量产氢消耗H+使得阴极pH升高，带来浓差电位。为克服浓差电位并维持电流强度，必须将SPE电解槽槽压升高，由此导致能耗增加。目前，亟需提供一种电解效率高，生产的氢气纯度高，电能消耗低，易于工业化应用的电解水制氢技术，降低电解水制氢的成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有SPE电解水制氢技术中存在浓差电位，导致能耗增加的问题，提供一种利用阴极侧和阳极侧电解液pH差电解水制氢的方法和装置。该方法能够提高离子传导速率进而提高电解效率，降低能耗，并且装置简单，便于工业化应用。为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种电解水制氢的方法，该方法包括：在直流电的作用下，使阴极侧发生还原反应制得氢气，阳极侧发生氧化反应产生氧气，所述阴极侧的电解液和阳极侧的电解液具有pH差0.1-14；其中，所述阴极侧与阳极侧由电极组件隔离，所述电极组件为两侧表面分别涂覆有阳极催化剂和阴极催化剂的离子交换膜。本专利技术第二方面提供一种电解水制氢的装置，包括：电解槽，设置有温度调节与控制系统；设置于电解槽中的两个以上电极组件，所述电极组件为两侧表面分别涂覆有阳极催化剂和阴极催化剂的离子交换膜，所述电极组件按照阳极催化剂对应阳极室，阴极催化剂对应阴极室的顺序依次组装，从而使阳极室与阴极室在电解槽中交替排列且相邻阳极室与阴极室由电极组件隔开。通过上述技术方案，本专利技术能够提高电解效率，降低能耗。附图说明图1是根据本专利技术一种实施方式的电解水制氢装置的结构示意图。附图标记说明1-电解槽；2-电极组件；3-离子交换膜；4-阳极催化剂；5-阴极催化剂；6-双极板；7-阳极室；8-阴极室。具体实施方式在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术第一方面提供一种电解水制氢的方法，其特征在于，该方法包括：在直流电的作用下，使阴极侧发生还原反应制得氢气，阳极侧发生氧化反应产生氧气，所述阴极侧的电解液和阳极侧的电解液具有pH差0.1-14；其中，所述阴极侧与阳极侧由电极组件隔离，所述电极组件为两侧表面分别涂覆有阳极催化剂和阴极催化剂的离子交换膜。根据本专利技术，所述阴极侧与阳极侧的电解液可以为不同浓度的酸溶液或者碱溶液，只要使得阴极侧电解液的pH值低于阳极侧电解液即可。优选地，所述阴极侧的电解液的pH和阳极侧的电解液的pH之间的差的绝对值为4-14。本专利技术中，可以通过实时监测和调整的方式维持上述pH差，在此不再赘述。本专利技术的一种优选的实施方式为：所述阴极侧的电解液为水，所述阳极侧的电解液为碱性溶液。更优选地，所述碱性溶液以OH-计的浓度为10-40重量％。更优选地，所述碱性溶液中的溶质为碱金属的氢氧化物、碱金属的碳酸盐和碱金属的碳酸氢盐中的至少一种，进一步优选为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂、碳酸钾、碳酸钠、碳酸锂、碳酸氢钾、碳酸氢钠和碳酸氢锂中的至少一种。本专利技术的另一种优选的实施方式为：所述阴极侧的电解液为酸性溶液，所述阳极侧的电解液为水。更优选地，所述酸性溶液以H+计的浓度为5-40重量％。更优选地，所述酸性溶液中的溶质为无机强酸和/或杂多酸(如磷钨杂多酸、硅钨杂多酸、磷钼杂多酸等)，进一步优选为盐酸、硫酸和磷酸中的至少一种。根据本专利技术，在通入直流电的情况下，所述阴极侧电解液在阴极催化剂的作用下产生氢气，所述阳极侧的电解液在阳极催化剂的作用下产生氧气。其中，氢气与阴极侧电解液自阴极侧排出汇集后进行气液分离，氢气分离后压缩进瓶/罐内储存；氧气与阳极侧电解液自阳极侧排出汇集后进行气液分离，氧气分离后可以排空或压缩进瓶/罐内储存。优选地，分离后的阴极侧电解液重新循环至阴极侧，并补入消耗的水量，使阴极侧电解液浓度维持在所需浓度范围；分离后的阳极侧电解液重新循环至阳极侧，并补入消耗的水量，使阳极侧电解液浓度维持在所需浓度范围。本专利技术中，对阴极侧和阳极侧中电解液的温度没有特别的要求，优选地，所述阴极侧的电解液的温度为50-90℃。优选地，所述阳极侧的电解液的温度为50-90℃。本专利技术中，所述直流电的电压可以为常规选择，优选地，所述直流电的电压为1-3.5V。所述电极组件为SPE电解水制氢技术中常用的“金属+SPE”复合膜电极结构，纳米级阳极催化剂与阴极催化剂分别以热压或喷涂的方式附于离子交换膜两侧。所述离子交换膜可以为阴离子交换膜或阳离子交换膜。所述阴离子交换膜优选为氨基类；所述阳离子交换膜优选为磺酸、磷酸、羧酸基型。更优选地，所述阳极催化剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电解水制氢的方法，其特征在于，该方法包括：/n在直流电的作用下，使阴极侧发生还原反应制得氢气，阳极侧发生氧化反应产生氧气，所述阴极侧的电解液和阳极侧的电解液具有pH差0.1-14；/n其中，所述阴极侧与阳极侧由电极组件隔离，所述电极组件为两侧表面分别涂覆有阳极催化剂和阴极催化剂的离子交换膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种电解水制氢的方法，其特征在于，该方法包括：
在直流电的作用下，使阴极侧发生还原反应制得氢气，阳极侧发生氧化反应产生氧气，所述阴极侧的电解液和阳极侧的电解液具有pH差0.1-14；
其中，所述阴极侧与阳极侧由电极组件隔离，所述电极组件为两侧表面分别涂覆有阳极催化剂和阴极催化剂的离子交换膜。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极侧的电解液的pH和阳极侧的电解液的pH之间的差的绝对值为4-14。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述阴极侧的电解液为水，所述阳极侧的电解液为碱性溶液；或者，所述阴极侧的电解液为酸性溶液，所述阳极侧的电解液为水。


4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述碱性溶液以OH-计的浓度为10-40重量％，所述酸性溶液以H+计的浓度为5-40重量％。


5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述碱性溶液中的溶质为碱金属的氢氧化物、碱金属的碳酸盐和碱金属的碳酸氢盐中的至少一种，优选为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂、碳酸钾、碳酸钠、碳酸锂、碳酸氢钾、碳酸氢钠和碳酸氢锂中的至少一种；
和/或，所述酸性溶液中的溶质为无机强酸和/或杂多酸，优选为盐酸、硫酸和磷酸中的至少一种。


6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极侧的电解液与氢气自阴极侧排出汇集后进行气液分离，分离后电解液重...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭秀盈，许壮，何广利，李先明，缪平，
申请(专利权)人：国家能源投资集团有限责任公司，北京低碳清洁能源研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11