一种利用甲酸电解制取氢气的方法技术

本发明专利技术提供一种利用甲酸电解制取氢气的方法：以甲酸水溶液为燃料，以聚合物电解质膜电解器来电解制取氢气。将阳极、电解质膜和阴极依次叠放在一起，经热压后，构成电解电极，并将其夹紧于双极板之间构成聚合物电解质膜电解器。在电解器的阳极侧通入甲酸水溶液，于阴、阳两极间施加电压，使甲酸在阳极发生电催化氧化反应，在阴极侧产生氢气。本发明专利技术是一种便捷、快速及灵活的小规模现场制氢方法，具有电解电压低、能耗小、制氢效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于固体聚合物电解质膜电解器的制取氢气方法。以甲酸水溶液为阳极电解燃料，在阴、阳极两侧施加一定电压，使甲酸发生电催化氧化反应；阳极侧产生的质子通过膜传导至阴极侧，并于电子重新结合生成氢气。
技术介绍
氢能具有来源丰富，清洁高效的特点，是有可能在21世纪世界能源舞台上发挥举足轻重作用的二次能源。而以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术在近年来得到了长足的发展。燃料电池将有可能解决“能源”与“环保”这两大世界难题，对于人类社会可持续发展有重要意义。然而，如何实现经济、高效的制取氢气对氢能经济的发展至关重要。目前，常用的小规模制氢的方法主要有甲醇/天然气重整制氢和水电解制氢两种方式。其中，重整制氢的反应过程复杂，系统庞大，对设备要求高且可移动性差；而电解制氢具有装置简单、设备成型、易于应用的特点，非常适用于小规模现场制氢和应用。用于电解制氢的电解装置主要有两种类型。一种是碱性电解器，即在电解池中加入一定量的碱或盐类以增强导电性，在阴阳极分别得到氢气和氧气，利用这种电解装置电解水制取氢气仍然存在能耗高、经济性差的问题；另一种就是基于固体电解质膜型的电解器(Solid-PEM electrolyzer)。这种装置具有操作简单，阴阳极分开并能维持一定气体分压，避免使用碱液等优点在工业上得到广泛应用。由于电解水制氢，其理论电解电压为1.23V，而实际电解制氢过程中，由于存在一定损耗，其电解电压高达1.4-1.5V以上；而高能耗是实现大规模水电解制氢的极大障碍。甲酸作为液体燃料和氢源，具有便于携带，含氢量高(4.3％)，环境友好等优点，而最重要的是其理论电解电压低(只有-0.02V)。这一特点使得甲酸电解制氢所需电压大大低于水电解制氢所需电压，大大节省电能的消耗，也为小规模现场制氢提供一条新思路。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种节能、高效、便捷的现场制取氢气的方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：以甲酸水溶液为燃料，采用固体聚合物电解质膜的电解器制取氢气；具体包括以下步骤：于电解电极阳极和阴极间施加电解电压，并于电解电极的阳极侧通入≥2M的甲酸水溶液，使甲酸在阳极发生电催化氧化反应，产生电解电流，电流密度为50-350mA/cm2，在阴极侧产生氢气；电解器温度控制在20-70℃之间。固体聚合物电解质膜电解器包括阳极极板、阴极极板、和置于极板间的电解电极；将电解电极夹紧于两块极板之间构成聚合物电解质膜电解器，极板靠近电解电极一侧设有流场。电解电极的制备：电解电极由阴极扩散层、阴极催化层、电解质膜、阳极催化层、阳极扩散层依次叠合在一起后，在1000-2000磅压力下热压1-5min，形成电解电极。于阴极扩散层上涂有Pt/C或Pd/C催化剂，形成阴极催化层，并与阴极扩散层一起构成电解电极的阴极；阴极催化层贵金属载量为1-2mg/cm2；于阳极扩散层上涂有Pd/C，PdAu/C，PdSn/C，PdIr/C中的一种催化剂或两种以上的催化剂组合，形成阳极催化层，并与阳极扩散层一起构成电解电极的阳极。阳极催化层贵金属载量为2-5mg/cm2；电解质膜为系列膜或改性膜中的一种。电极的阴、阳极扩散层均为采用PTFE憎水处理的碳纸、碳布或碳毡，其中PTFE质量百分含量为10-30％。电解时，阴极可通入20-40sccm的N2，将氢气带出，或不通入气体(氢气自扩散出阴极)。电解液甲酸的进料流速为1-5ml/min。电解液甲酸的浓度最优为6-10M。电解电极的阳极和阴极间施加的电解电压通常为0.3-1V。其由阴极产生的氢气采用排水法收集或直接作为燃料使用；直接作为燃料使用时，以甲酸为燃料，聚合物电解质膜电解器制取的氢气与质子交换膜燃料电池联用，制得的氢气通过自扩散收集并直接通入质子交换膜燃料电池(PEMFC)的阳极，用作阳极反应燃料，产生电能。本专利技术所述利用甲酸为电解燃料，以聚合物电解质膜电解器来电解制取氢气的方法。与传统的重整制氢相比是一种简单、便捷、快速和灵活的制氢方法；与利用水或者甲醇等其他电解燃料电解制氢相比，具有电解电压低、能耗小、制氢效率高的优点。该制取氢气的方法可以与太阳能、风能等一次能源相结合，利用廉价易得的一次能源提供电力，以甲酸为燃料，现场电解制取氢气，供给燃料电池汽车等小型可移动电源设备使用或储存起来。本专利技术在降低电解制氢能耗的同时，还为小规模现场制氢提供一条新思路和途径，有利于进一步促进氢能经济的发展和最终实现。附图说明图1甲酸电解制氢装置示意图。其中，a为电解器的阳极侧；b为电解器的阴极侧；c为电解质膜；d为直流电源。图2为60℃，1V电解电压下，不同甲酸水溶液浓度进料时，电解电流和产氢速率的变化关系。图3为60℃，6M甲酸水溶液进料时，不同电解电压下的电解电流的变化趋势。图4为以甲酸为燃料电解制取氢气与质子交换膜燃料电池(PEMFC)联用示意图。其中，1为一节5号电池，额定电压1.5V；2为电解器的阳极；3为电解器的阴极；4为电解质膜；5为质子交换膜燃料电池的阳极；6为质子交换膜燃料电池的阴极；7为小风扇；8为氢气管路；电路连线用单实线表示。具体实施方式实施例1按图1组装聚合物电解质膜电解器，其阴、阳极扩散层采用PTFE憎水处理的碳纸(Toray-060)，其中阳极PTFE质量百分含量为15％，阴极PTFE质量百分含量为30％。阳极催化剂为Pd/C，喷涂于阳极扩散层上，担载量为2mg/cm2；阴极催化剂为Pt/C，喷涂于阴极扩散层上，载量为1mg/cm2。电解质膜为-115膜，电极有效面积为4cm2。将2-10M的甲酸溶液以1ml/min的流速通入电解器的阳极，阴极通入氮气，其流速为20sccm。使用PAR273A电化学工作站(恒电位仪/恒电流仪，美国普林斯顿应用研究)作为直流电源，在电解池两端施加0.3-1V电压，将电解池温度控制在60℃下使甲酸发生电催化氧化反应，阴极采用排水法收集氢气，并计算产氢速率。图2为60℃，1V电解电压下，不同甲酸水溶液浓度进料时，电解电流和产氢速率的变化关系。可以看出电解电流和产氢速率随甲酸浓度呈先升高再降低的趋势；其中当甲酸水溶液浓度为8M时，电流密度达到314mA/cm2，产氢速率为9.5ml/min。图3为60℃，6M甲酸进料时，不同电解电压下的电解电流的变化趋势本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用甲酸电解制取氢气的方法，其特征在于，以甲酸水溶液为燃料，
采用固体聚合物电解质膜的电解器制取氢气；
具体包括以下步骤：于电解电极阳极和阴极间施加电解电压，并于电解电极
的阳极侧通入≥2M的甲酸水溶液，使甲酸在阳极发生电催化氧化反应，产生电
解电流，在阴极侧产生氢气；电解器温度控制在20-70℃之间。
2.如权利要求1所述利用甲酸电解制取氢气的方法，其特征在于：
固体聚合物电解质膜电解器包括阳极极板、阴极极板、和置于极板间的电
解电极；将电解电极夹紧于两块极板之间构成聚合物电解质膜电解器，极板靠
近电解电极一侧设有流场。
3.如权利要求2所述利用甲酸电解制取氢气的方法，其特征在于：
电解电极的制备：电解电极由阴极扩散层、阴极催化层、电解质膜、阳极
催化层、阳极扩散层依次叠合在一起后，在1000-2000磅压力下热压1-5min，
形成电解电极。
4.如权利要求3所述利用甲酸电解制取氢气的方法，其特征在于：于阴极
扩散层上涂有Pt/C或Pd/C催化剂，形成阴极催化层，并与阴极扩散层一起构
成电解电极的阴极；阴极催化层贵金属载量为1-2mg/cm2；于阳极扩散层上涂
有Pd/C，PdAu/C，PdSn/C，PdIr/C中的一种催化剂或两种以上的催化...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙公权，姜黔，杨少华，赵钢，陈利康，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：