一种电解槽系统及氢气和氧气的生产方法技术方案

本发明专利技术公开了一种电解槽系统及氢气和氧气的生产方法。该电解槽系统包括：一阳极室，阳极室设有一出口和一入口；一阴极室，阴极室设有一出口和一入口；一复合膜电极，复合膜电极位于阳极室和阴极室之间；复合膜电极包括阳极催化剂、碱性阳离子交换膜和阴极催化剂，阳极催化剂和阴极催化剂分别涂覆在碱性阳离子交换膜的两侧；含水碱性电解液连续或间歇流过阳极室和阴极室。本发明专利技术的电解槽系统的材料廉价，膜寿命长，工作温度高，操作要求低，安全性高；采用其生产氢气和氧气，可得到纯度较高的气体。气体。气体。

【技术实现步骤摘要】
一种电解槽系统及氢气和氧气的生产方法


[0001]本专利技术涉及一种电解槽系统及氢气和氧气的生产方法。

技术介绍

[0002]采用PEM电解法，会使用H
+
形式的酸性阳离子交换膜，其缺点在于：需要极其昂贵的含铱催化剂；另外，发生氧化反应的阳极的板材料必须由钛制成，并带有昂贵的铱涂层。
[0003]使用阴离子交换膜的碱性电解，其缺点在于：这类膜的寿命短，且工作温度低。
[0004]在使用多孔隔膜进行碱性电解时，必须非常小心地控制氢气和氧气室之间的压差，以避免气体混合。此外，电解液中产生的气泡会降低电极和多孔隔膜之间间隙的电导率。
[0005]美国专利US8936704B1公开了操作容量可调的电解制氢技术，该技术涉及液态碱性电解质在低负荷时的低气体纯度，存在爆炸的隐患。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是为了克服现有技术中使用贵金属材料、膜寿命短、工作温度低以及操作要求高和安全性低的缺陷，而提供了一种电解槽系统及氢气和氧气的生产方法。本专利技术的电解槽系统的材料廉价，膜寿命长，工作温度高，操作要求低，安全性高；采用其生产氢气和氧气，可得到纯度较高的气体。
[0007]本专利技术通过下述技术方案来解决上述技术问题：
[0008]本专利技术提供了一种电解槽系统，其特征在于，所述电解槽系统包括：
[0009]一阳极室，所述阳极室设有一出口和一入口；
[0010]一阴极室，所述阴极室设有一出口和一入口；
[0011]一复合膜电极，所述复合膜电极位于所述阳极室和所述阴极室之间；所述复合膜电极包括阳极催化剂、碱性阳离子交换膜和阴极催化剂，所述阳极催化剂和所述阴极催化剂分别涂覆在所述碱性阳离子交换膜的两侧；
[0012]含水碱性电解液，所述含水碱性电解液连续或间歇流过所述阳极室和所述阴极室。
[0013]本专利技术中，所述碱性阳离子交换膜优选为碱离子形式全氟磺酸膜，进一步优选为钠离子全氟磺酸膜或钾离子全氟磺酸膜，例如钠离子全氟磺酸膜(PFSA
‑
Na)。全氟磺酸膜是一种以聚四氟乙烯为主链和以磺酸基团为端基的全氟乙烯醚为侧链的共聚物。
[0014]本专利技术中，所述碱性阳离子交换膜的厚度优选为8～170μm，进一步优选为15～60μm，例如50μm。
[0015]本专利技术中，所述碱性阳离子交换膜的当量重量(EW)优选为700～1500，进一步优选为900～1100。其中，所述当量重量的定义为含1mol吸附有碱离子的磺酸基团的碱性阳离子交换膜的重量，单位为g/mol。
[0016]本专利技术中，所述阳极催化剂包括本领域常规的过渡金属，较佳地包括Mn、Fe、Co、Ni
和Cu中的一种或多种，例如不锈钢或镍粉。
[0017]本专利技术中，所述阴极催化剂较佳地为镍催化剂，所述镍催化剂更佳地为高表面积镍；较佳地，所述镍催化剂的用量为10mg/cm2。
[0018]本专利技术中，所述阴极催化剂还可为Pt/C催化剂；较佳地，所述Pt/C催化剂的负载量为0～0.25mg/cm2，但不为0，更佳地为0.09mg/cm2或0.2mg/cm2。
[0019]本专利技术中，所述含水碱性电解液优选为碱金属氢氧化物水溶液，进一步优选为NaOH水溶液或KOH水溶液，例如NaOH水溶液。
[0020]其中，所述NaOH水溶液的入口浓度可为1～15mol/L，较佳地为2.5～4mol/L。在低电流密度下，NaOH水溶液的浓度通过膜的反向扩散保持稳定；而在高电流密度下，必须控制NaOH水溶液的入口浓度，以平衡电池外部的浓度差，防止NaOH水溶液浓度在电解的过程中发生较大变化，从而引起电压增加。
[0021]本专利技术还提供了一种氢气和氧气的生产方法，其采用上述的电解槽系统电解生产氢气和氧气，其中，所述氢气从所述阴极室的出口排出，所述氧气从所述阳极室的出口排出。
[0022]其中，所述的含水碱性电解液的进料方式可为：将从所述阳极室的出口流出的含水碱性电解液与从所述阴极室的出口流出的含水碱性电解液混合，得到混合液，再将所述混合液分别通入所述阳极室的入口和所述阴极室入口，进入所述阳极室和所述阴极室。
[0023]或者，所述的含水碱性电解液的进料方式可为：将从所述阳极室的出口流出的含水碱性电解液通入所述阴极室的入口，进入所述阴极室；将从所述阴极室的出口流出的含水碱性电解液通入所述阳极室的入口，进入所述阳极室。采用该进料方式，在给定的电流密度下，电解槽的电压相对较低。
[0024]其中，所述电解槽系统的工作温度优选为80～150℃，进一步优选为90～110℃。
[0025]在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本专利技术各较佳实例。
[0026]本专利技术所用试剂和原料均市售可得。
[0027]本专利技术的积极进步效果在于：
[0028]1、本专利技术的电解槽系统使用碱离子形式全氟磺酸膜，这种离子交换膜具有高温稳定性，并且全氟磺酸膜的寿命较长，该膜不会像燃料电池或PEM电解槽那样由于芬顿反应发生衰减。
[0029]2、本专利技术的电解槽系统使用廉价的阳极催化剂和阴极催化剂，材料廉价，成本较低。
[0030]3、采用本专利技术的电解槽系统，其工作温度较高，可为80～150℃，操作要求低，安全性较高。
[0031]4、本专利技术的氢气和氧气的生产方法能产出纯度较高的气体。
附图说明
[0032]图1为实施例1的电解槽系统的工作示意图。
[0033]图2为实施例1的电解槽系统的U/I曲线图。
[0034]图3为实施例4和实施例5的电解槽系统的U/I曲线图。
[0035]图4为实施例2～5的电解槽系统在不同电流密度(I)下的电压(U)与温度(T)的关系图。
[0036]图5为实施例6～9的电解槽系统在不同电流密度下的U与T的关系图。
[0037]图6为实施例10～13的电解槽系统在不同电流密度下的U与T的关系图。
[0038]图7为实施例4、实施例8和实施例12的电解槽系统在不同NaOH浓度下的U/I曲线图。
[0039]图8为实施例5、实施例9和实施例13的电解槽系统在不同NaOH浓度下的U/I曲线图。
[0040]图9为实施例5和对比例1的电解槽系统的U/I曲线图。
[0041]附图标记说明：
[0042]阳极室出口1；
[0043]阳极室2；
[0044]阳极室入口3；
[0045]阴极室出口4；
[0046]阴极室5；
[0047]阴极室入口6；
[0048]阳极催化剂7；
[0049]碱性阳离子交换膜8；
[0050]阴极催化剂9。
具体实施方式
[0051]下面通过实施例的方式进一步说明本专利技术，但并不因此将本专利技术限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电解槽系统，其特征在于，所述电解槽系统包括：一阳极室，所述阳极室设有一出口和一入口；一阴极室，所述阴极室设有一出口和一入口；一复合膜电极，所述复合膜电极位于所述阳极室和所述阴极室之间；所述复合膜电极包括阳极催化剂、碱性阳离子交换膜和阴极催化剂，所述阳极催化剂和所述阴极催化剂分别涂覆在所述碱性阳离子交换膜的两侧；含水碱性电解液，所述含水碱性电解液连续或间歇流过所述阳极室和所述阴极室。2.如权利要求1所述的电解槽系统，其特征在于，所述碱性阳离子交换膜为碱离子形式全氟磺酸膜，较佳地为钠离子全氟磺酸膜或钾离子全氟磺酸膜，更佳地为钠离子全氟磺酸膜。3.如权利要求1所述的电解槽系统，其特征在于，所述碱性阳离子交换膜的厚度为8～170μm，较佳地为15～60μm，例如50μm；和/或，所述碱性阳离子交换膜的当量重量为700～1500，较佳地为900～1100。4.如权利要求1所述的电解槽系统，其特征在于，所述阳极催化剂包括过渡金属，较佳地包括Mn、Fe、Co、Ni和Cu中的一种或多种，例如不锈钢或镍粉。5.如权利要求1所述的电解槽系统，其特征在于，所述阴极催化剂为镍催化剂，所述镍催化剂较佳地为高表面积镍；较佳地，所述镍催化剂的用量为10mg/cm2；或者，所述阴极催化剂为Pt/C催化剂；较佳地，所述Pt/C催化剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚瑟，
申请(专利权)人：广东清能睿龙新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：