CN104164679B

CN104164679B - 电解水制氢的系统、合成甲醇系统及其所用的极板

Info

Publication number: CN104164679B
Application number: CN201410431792.8A
Authority: CN
Inventors: 谭延泰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: CN104164679A

Abstract

本发明提供一种电解水制氢系统，包括：具有第一极板的第一反应室；具有第二极板的第二反应室；用于向所述第一极板和所述第二极板供电的电源模块；用于从所述第一反应室和所述第二反应室分别抽取氢气和氧气的气体收集装置；其中，所述第一极板和所述第二极板分别具有比表面积大的导电材料。本发明还提供了一种电解水制氢的方法、一种用于电解水的极板、一种用于电解水的极板制备方法、一种用电解水所制得的氢气合成甲醇的系统、一种用电解水所制得的氢气合成甲醇的方法、一种用于合成甲醇系统的极板、一种用于合成甲醇系统的极板制备方法、一种用于共电解的极板和一种用于共电解的极板制备方法。

Description

电解水制氢的系统、合成甲醇系统及其所用的极板

技术领域：

本发明涉及一种电解水制氢的系统、用电解水所制得的氢气合成甲醇的系统以及用于电解水制氢的系统、合成甲醇系统的极板。

背景技术：

在传统电解水制造氢气的工艺中，当外加电解电压必须不小于分解电压时，才能持续地电解电解液中的水而获取氢气。但是，由于电解水制造氢气其耗能巨大，因而在传统制氢工业中一直未被大规模推广使用。

比如公开号为CN102758212A中国专利申请所记述的电解水制氢的装置及其方法，其解决了在传统的最小电解电压之下就能电解水而制取氢气。然而，在公开号为CN102758212A中国专利申请中，存在高电解液电阻和电解液压降的问题。

此外，现代社会碳排放超标、能源枯竭，而人类生存又时时刻刻离不开能源，热机的能源转化效率低下，浪费大量能源，排出大量废热及污染物。虽然，SPE电解水及燃料电池技术具有效率高、结构紧凑、无污染的优点有着广泛的发展前景，过高的成本，质子交换膜不能承受高温、高压力的缺点成为该技术发展的瓶颈。

发明内容：

本发明的范围只由后附的权利要求书所规定，在任何程度上都不受这一节发明内容的陈述所限。

本发明提供一种电解水制氢系统，包括：具有第一极板的第一反应室；具有第二极板的第二反应室；用于向所述第一极板和所述第二极板供电的电源模块；用于从所述第一反应室和所述第二反应室分别抽取氢气和氧气的气体收集装置；其中，所述第一极板和所述第二极板分别具有比表面积大的导电材料。

优选地，所述第一极板具有第一极板构件和第二极板构件，所述第一极板构件上具有比表面积大的导电材料，所述第二极板构件的外部具有绝缘层，其中所述第一极板构件和所述第二极板构件分别接在所述电源模块的两极；所述第二极板具有第三极板构件和第四极板构件，所述第三极板构件的外部具有绝缘层，所述第四极板构件上具有比表面积大的导电材料，其中所述第三极板构件和所述第四极板构件分别接在所述电源模块的两极。

优选地，所述第一极板和所述第二极板的结构相同，两者均包括导电框架、子极板、与所述导电框架连接的第一电极和与所述子极板电连接的第二电极，其中所述子极板放置在所述导电框架上，并且所述第一电极和所述第二电极分别接在所述电源模块的两极。

优选地，所述子极板包括外层绝缘导电板、导电下底板和所述比表面积大的导电材料。

优选地，所述导电下底板具有凹槽，在所述凹槽中放置有所述比表面积大的导电材料，所述述凹槽的上面的开口由所述外层绝缘导电板封盖，而所述凹槽的两侧面的开口不封盖。

优选地，所述第一反应室和所述第二反应室之间具有液体调换装置，所述液体调换装置能够调换所述第一反应室和所述第二反应室之中的液体。

优选地，所述电源模块具有极性调换装置，通过所述极性调换装置调换所述电源模块的输出极性，从而改变所述第一～四极板构件各自的极性。

优选地，所述电源模块具有极性调换装置，通过所述极性调换装置调换所述电源模块的输出极性，从而改变所述第一电极和所述第二电极各自的极性。

优选地，还包括控制单元，用于控制所述液体调换装置和所述极性调换装置的运行。

优选地，还包括用于补充电解液在反应中失去的水补充水注入装置、用于使所述第一反应室和所述第二反应室中的液体各自循环流动的自循环装置、用于对所述第一反应室和所述第二反应室中的液体进行加热的加热装置。

优选地，还包括溶液暂储室，所述溶液暂储室在调换所述第一反应室和所述第二反应室之中的液体时用于存储液体。

本发明还提供一种电解水制氢的方法，包括以下步骤：向具有第一极板的第一反应室和具有第二极板的第二反应室中注入水；电源模块向所述第一极板和所述第二极板供电使得所述第一反应室和第二反应室中的水被电解成氢气和氧气；启动气体收集装置，分别从所述第一反应室和第二反应室中抽取电解生成的氢气和氧气；其中，当所述电源模块内的电流小于一预定值时，启动液体调换装置调换所述第一反应室和所述第二反应室之中的液体，或者调换所述电源模块的输出极性从而改变所述第一极板和所述第二极板各自相应的极性。

优选地，还包括向电解液补充在反应中失去的水。

优选地，还包括对所述第一反应室和所述第二反应室中的液体进行加热。

优选地，在调换所述第一反应室和所述第二反应室之中的液体时，先将所述第一反应室存储于溶液暂储室，在将所述第二反应室中的液体输入到所述第一反应室后在将所述溶液暂储室中的液体输入所述第二反应室。

本发明还提供一种用于电解水的极板，该极板具有第一极板构件和第二极板构件；其中，所述第一极板构件具有比表面积大的导电材料，所述第二极板构件的外部具有绝缘层，使得将所述第一极板构件和所述第二极板构件分别接到电源的两极时，所述第一极板构件和所述第二极板构件不会构成回路，但能够产生一电场。

优选地，所述第一极板构件具有第一金属底板、第一导槽和所述比表面积大的材料粉末；所述第二极板构件具有第二金属底板和第二导槽。

优选地，所述第一导槽形成在所述第一金属底板的一侧；所述第二导槽形成在所述第二金属底板的一侧。

本发明还进一步提供一种用于电解水的极板，该极板包括导电框架、子极板、与所述导电框架连接的第一电极和与所述子极板连接的第二电极，其中所述子极板放置在所述导电框架上。

优选地，所述子极板包括外层绝缘导电板、导电下底板和比表面积大的导电材料。

本发明还提供一种用于电解水的极板制备方法，包括以下步骤：对比表面积大的导电材料进行预处理；将经过所述预处理的所述比表面积大的导电材料放到第一金属底板在其一侧形成有第一导槽的一面上制成第一极板构件；在所述第一极板构件上放上外部具有绝缘层的一侧带有第二导槽的第二极板构件；将所述第一极板构件和第二极板构件的组合在不活泼气体的保护下以一定的速度升温到预定温度，并保持一预定时间后降至室温。

优选地，在所述比表面积大的导电材料中加入粘结剂和固化剂，并进行充分地研磨搅拌均匀。

优选地，对所述第一金属底板进行加工在其一侧刻出所述第一导槽；对所述第二极板构件的所述第二金属底板进行加工在其一侧刻出第二导槽，并在所述第二极板构件的外部形成所述绝缘层。

优选地，在不活泼气体的保护下，对所述粘结剂和所述固化剂进行碳化。

本发明还进一步提供一种用于电解水的极板制备方法，包括以下步骤：对比表面积大的导电材料进行预处理；将经所述预处理的所述表面积大的导电材料放置到底板上；在所述底板上放上外层绝缘导电板以制成子极板；将所述子极板放置到具有第一电极的导电框架中，将所述子极板电连接到第二电极上。

优选地，在所述底板上形成凹槽，并在所述凹槽中放入经所述预处理的所述表面积大的导电材料，用所述外层绝缘导电板封盖所述凹槽，以制成子极板。

优选地，在不活泼气体的保护下加温所述子极板中下底板，使得所述粘结剂和所述固化剂碳化、并将子极板中下底板放入石墨炉中进行石墨化。

优选地，在所述下底板与所述外层绝缘导电板的结合处涂上绝缘粘结剂后，在所述下底板上盖上所述外层绝缘导电板。

优选地，将所述导电框架加热至一定温度后，将所述子极板放入所述导电框架中。

优选地，所述导电框架与所述子极板采取过盈配合，形成所述极板。

优选地，在所述子极板的开口露出所述表面积大的导电材料的部分涂上可溶性材料，然后将整个所述极板除所述第一电极和所述第二电极外涂上防酸绝缘涂料，之后除去所述可溶性材料。

采用上述技术方案电解水具有以下技术效果：通过调换第一反应室和第二反应室之中的溶液或调换电源模块输出极性保持第一反应室与第二反应室中溶液离子平衡，把传统电解水过程中增加电耗的极化电势与电解电压正向叠加降低电解电耗，并且使得电解过程中溶液电阻降低为零。

另一方面，本发明还提供一种用电解水所制得的氢气合成甲醇的系统，包括：具有第一极板和第一浓缩极板的第一反应室；具有第二极板和第二浓缩极板的第二反应室；用于向所述第一极板、所述第二极板、所述第一浓缩极板和所述第二浓缩极板供电的电源模块；其中，所述第一反应室还具有二氧化碳进气管和甲醇收集管，所述第一极板具有第一极板构件和第二极板构件，所述第一极板构件上具有比表面积大的导电材料和用于氢气和二氧化碳反应的催化剂（优选纳米铜粉），所述第二极板构件的外部具有绝缘层，其中所述第一极板构件和所述第二极板构件分别接在所述电源模块的两极，所述第二极板具有第三极板构件和第四极板构件，所述第三极板构件的外部具有绝缘层，所述第四极板构件上具有比表面积大的导电材料，其中所述第三极板构件和所述第四极板构件分别接在所述电源模块的两极。

优选地，所述第一浓缩极板具有第一浓缩电极和第二浓缩电极，所述第二浓缩极板具有第三浓缩电极和第四浓缩电极，所述第一～四浓缩电极的外部具有绝缘层。

优选地，所述电源模块具有极性调换装置，通过所述极性调换装置调换所述第一浓缩电极和第二浓缩电极的极性以及所述第三浓缩电极和第四浓缩电极的极性。

本发明还提供一种用电解水所制得的氢气合成甲醇的方法，包括以下步骤：向具有第一极板的第一反应室注入氢离子溶液和具有第二极板的第二反应室中注入水；电源模块向所述第一极板和所述第二极板供电使得所述第一反应室和第二反应室中的水被电解成氢气和氧气；向所述第一反应室中输入二氧化碳气体，使得所述第一极板上生成的氢气与所述二氧化碳在合适的温度、压力下，经过事先被配置在所述第一极板的催化剂（优选纳米铜粉）的作用下发生反应生成甲醇，所生成的甲醇随后被浓缩极板所吸附；启动气体收集装置，从所述第二反应室中抽取电解生成的氧气；其中，所述浓缩极板具有第一浓缩电极和第二浓缩电极，当所述浓缩极板中的甲醇浓度达到一预定值时，调换所述第一浓缩电极和所述第二浓缩电极的极性，使得由所述第一浓缩电极或所述第二浓缩电极所吸附的甲醇被释放并被排出第一反应室。

本发明还进一步提供一种用于合成甲醇(共电解)系统的极板，该极板具有第一极板构件和第二极板构件；其中，所述第一极板构件具有比表面积大的导电材料和用于氢气和二氧化碳反应的催化剂，所述第二极板构件的外部具有绝缘层，使得将所述第一极板构件和所述第二极板构件分别接到电源的两极时，所述第一极板构件和所述第二极板构件不会构成回路，但能够产生一电场。

本发明还进一步提供一种用于合成甲醇系统的极板制备方法，包括以下步骤：对比表面积大的导电材料进行预处理；将经过所述预处理的所述比表面积大的导电材料和用于氢气和二氧化碳反应的催化剂混合物放到金属底板在其一侧形成有第一导槽的一面制成第一极板构件；

在所述第一极板构件上放上外部具有绝缘层的一侧带有第二导槽的第二极板构件；将所述第一极板构件和第二极板构件的组合在不活泼气体的保护下以一定的速度升温到预定温度，并保持一预定时间后降至室温。

本发明还进一步提供一种用电解水所制得的氢气合成甲醇的系统，包括：具有第一极板的第一反应室；具有第二极板和浓缩极板的第二反应室；用于向所述第一极板、所述第二极板和所述浓缩极板供电的电源模块；用于分离甲醇与水的甲醇分离装置；其中，所述第一反应室还具有二氧化碳进气管和甲醇收集管，所述第一极板具有金属板、水流导槽和第一电极，所述金属板具有纳米孔，所述第一电极接在所述电源模块的阴极，所述第二极板具有包括导电框架、子极板和第二电极，所述第二极板具有比表面积大的导电材料，所述第二电极接在所述电源模块的阳极。

优选地，所述浓缩极板具有第一浓缩电极和第二浓缩电极，所述第一浓缩电极和所述第二浓缩电极的外部均具有绝缘层。

本发明还提供一种用于电解水的极板，包括：金属板、水流导槽和第一电极，所述金属板具有纳米孔。

本发明还提供一种用于电解水的极板，该极板包括导电框架、子极板和与所述导电框架连接的电极，其中所述子极板放置在所述导电框架上。

优选地，所述子极板包括导电盖板、导电下底板和比表面积大的导电材料。

优选地，所述导电下底板具有凹槽，在所述凹槽中放置有所述比表面积大的导电材料，所述述凹槽的上面的开口由所述导电盖板封盖，而所述凹槽的两侧面的开口不封盖。

采用上述技术方案具有以下技术效果：第一反应室、第二反应室的工作在不同的温度、压力环境下进行，利用甲醇比氢气氧化速度慢，在第一反应室中加入二氧化碳与电解生成的氢气合成甲醇降低电解水反应的逆反应程度；利用相同浓度的H+溶液H+产生的电势随着溶液温度升高而升高，第一反应室的工作温度高于第二反应室的温度，第一反应室、第二反应室两者的H+产生的电势差与外加电解电压正向叠加，达到降低电解电耗的目的。

本发明还进一步提供一种用于电解水的极板制备方法，包括以下步骤：在含有不易溶于酸的金属和易溶于酸的金属的金属板上刻蚀水流导槽，将刻蚀了所述水流导槽后的所述金属板放入酸中溶去所述金属板中的所述易溶于酸的金属，从而在所述金属板上形成纳米孔，之后将所述金属板制成所述极板。

本发明还进一步提供一种用于共电解（水和二氧化碳）的极板制备方法，包括以下步骤：对比表面积大的导电材料进行预处理；将经所述预处理的所述表面积大的导电材料放置到底板上；在所述底板上放上导电盖板以制成子极板；将所述子极板放置到具有电极的导电框架中。

优选地，在所述底板上形成凹槽，并在所述凹槽中放入经所述预处理的所述表面积大的导电材料，用所述导电盖板封盖所述凹槽，以制成子极板。

优选地，在不活泼气体的保护下加温所述子极板，使得所述粘结剂和所述固化剂碳化、并将子极板放入石墨炉中进行石墨化。

优选地，在所述子极板的开口露出所述表面积大的导电材料的部分涂上可溶性材料，然后将整个所述极板除所述电极外涂上防酸绝缘涂料，之后除去所述可溶性材料。

本发明通过改变传统电极板结构，具有SPE技术电极间隙小，低电解液电阻和电解液压降、无氢离子和氢氧根离子中和反应的优点，同时克服SPE技术中质子交换膜价格昂贵、对环境要求高的缺点，新型极板能适应各种恶劣环境同时降低成本，本发明电解的氧化、还原两个反应可以在不同环境下进行，作为电解方面应用电解反应产生的氢气继续与二氧化碳化合一次生成甲醇，解决氢气存储、运输的难题，进一步降低电解电压并吸收废热达到节约电能的目的。

附图说明：

图1为第一实施方式涉及的电解水制氢系统的结构示意图；

图2为第一实施方式涉及的一极板的整体结构斜视图；

图3A为第一实施方式涉及的一极板构件的俯视图，图3B为一极板构件的侧视图；

图4A为第一实施方式涉及的一极板构件的俯视图，图4B为一极板构件的侧视图；

图5为第一实施方式涉及的两个极板构件后的剖面图；

图6为第一实施方式涉及的另一极板的整体结构斜视图；

图7A为第一实施方式涉及的另一极板构件的俯视图，图7B为另一极板构件的侧视图；

图8A为第一实施方式涉及的两个另一极板构件组合后的示意图，图8B为两个另一极板构件组合后的剖面图；

图9为第二实施方式所涉及的电解水制氢系统结构示意图；

图10为第三实施方式涉及的用电解水所制得的氢气合成甲醇的系统的结构示意图；

图11为第三实施方式涉及的一极板的整体结构斜视图；

图12A为第三实施方式涉及的一极板构件的俯视图，图12B为一极板构件的侧视图；

图13A为第三实施方式涉及的一极板构件的俯视图，图13B为一极板构件的侧视图；

图14为第三实施方式涉及的两个极板构件组合的剖面图；

图15为第三实施方式涉及的另一极板的整体结构斜视图；

图16A为第三实施方式涉及的另一极板的极板构件的俯视图，图16B为另一极板的极板构件的侧视图；

图17A为第三实施方式涉及的另一极板的两个极板构件组合后的示意图，图17B为另一极板的两个极板构件组合后的剖面图；

图18为第三实施方式涉及的一浓缩极板的结构示意图；

图19为第三实施方式涉及的另一浓缩极板的结构示意图；

图20为第三实施方式涉及的交流电源输出的电解电压示意图；

图21为第三实施方式涉及的氢离子溶液制取示意图；

图22为第一实施方式涉及的一极板另一实施例的结构示意图；

图23为第一实施方式涉及的一极板另一实施例的结构示意图；

图24为第一实施方式涉及的一极板另一实施例中子极板的结构示意图；

图25为第一实施方式涉及的一极板另一实施例中子极板的结构示意图；

图26为第三实施方式涉及的用电解水所制得的氢气合成甲醇的系统另一实施例的结构示意图；

图27为第三实施方式涉及的一极板另一实施例的整体结构斜视图；

图28为第三实施方式涉及的一极板另一实施例的结构示意图；

图29为第三实施方式涉及的另一极板另一实施例的整体结构示意图；

图30为第三实施方式涉及的另一极板的子极板结构示意图；

图31为第三实施方式涉及的另一极板的子极板结构示意图；

图32为第三实施方式涉及的另一极板的子极板结构示意图。

具体实施方式：

本发明的效果及意义通过以下所示实施方式的说明将会更加明晰。但是，以下所示实施方式归根到底只是将本发明具体实施时的一例，本发明绝不受以下实施方式的任何限制。

（第一实施方式）

下面参照附图1～8B，就本实施方式涉及的电解水制氢系统进行说明。

图1为本实施方式涉及的电解水制氢系统的结构图。如图1所示，该电解水制氢系统包括反应室1、反应室2、控制单元3、电源模块4、泵5、泵6、泵202、溶液暂储室201和细管7。其中，上述控制单元3控制上述电源模块4、泵5、泵6、泵202、加热单元12和加热单元22的工作和运行，上述细管7连接上述反应室1和反应室2，上述泵5、泵6、泵202和溶液暂储室201能够使上述反应室1和反应室2中的水调换。上述反应室1包括极板11、加热单元12、泵13、气泵14和补充水注入装置17，其中上述极板11具有电极15和电极16，上述电极15连接上述电源模块4的负极，上述电极16连接上述电源模块4的正极。上述反应室2包括极板21、加热单元22、泵23、气泵24和补充水注入装置27，其中上述极板21具有电极25和电极26，上述电极25连接上述电源模块4的负极，上述电极26连接上述电源模块4的正极。

上述补充水注入装置17和27、加热单元12和22均采用与公开号为CN102758212A中国专利申请所记述的补充水注入装置和加热单元相同的装置。上述控制单元3可以由人工或电脑控制并根据各类传感器信号对各个单元、阀和泵等部件发出动作命令，以协调系统的运行。

图2为极板11的整体结构斜视图。如图2所示，上述极板11包括第一极板构件18、第二极板构件19（参见图5）、水流导槽20、电极15和电极16，其中上述电极15与上述第一极板构件18连接，上述电极16与上述第二极板构件19连接。上述反应室1中的水流通过上述水流导槽20穿过上述极板11。

图3A为极板11中第一极板构件18的俯视图，图3B为第一极板构件18从X方向的侧视图。

如图3A和图3B所示，上述第一极板构件18具有金属底板181、导槽182和比表面积大的材料粉末（例如活性炭粉末、石墨粉）10。上述金属底板181经过加工在其一侧形成上述导槽182，同时上述金属底板181还覆盖有上述活性炭粉末10，使得上述反应室1中的水流能够通过上述导槽182和上述活性炭粉末10而穿过上述第一极板构件18。

图4A为极板11中第二极板构件19的俯视图，图4B为第二极板构件19从Y方向的侧视图。

如图4A和图4B所示，上述第二极板构件19具有金属底板191和导槽192。上述金属底板191经过加工在其一侧形成上述导槽192，使得上述反应室1中的水流能够通过上述导槽192而穿过上述第一极板构件18。

同时，在用上述第一极板构件18和上述第二极板构件19制成上述极板11后，上述导槽182和上述导槽192形成了上述极板11上的水流导槽20。

图5为第一极板构件18和第二极板构件19组合在一起后的剖面图。如图5所示，在上述第二极板构件19的外部具有绝缘层111，使得上述第一极板构件18和上述第二极板构件19之间由上述绝缘层111隔开。

以下对上述极板11的制作工艺作详细说明。

首先，将上述活性炭粉末10进行预处理，即：将上述活性炭粉末10中加入粘结剂（例如酚醛树脂）和固化剂（例如乌洛托品），用研钵充分研磨搅拌均匀，将上述金属底板181进行加工在其一侧刻出上述导槽182。同时，在上述第二极板构件19的金属底板191一侧刻蚀出导槽190，并在上述第二极板构件19的外部形成上述绝缘层111。然后，将经过上述预处理的上述活性炭粉末10铺放在上述金属底板181形成上述导槽182的一面上，形成第一极板构件18，并在上述活性炭粉末10上放上外部具有绝缘层111的第二极板构件19，将其卷成如图2所示的具有多个同心圆的圆柱形框架，使得各同心圆柱之间的空隙分别被经过上述预处理的活性炭粉末10所填充。接着，在不活泼气体（例如惰性气体、氮气）的保护下，将上述圆柱形框架以每分钟4℃的速度升温至850℃，并保温2小时后，在不活泼气体保护下将温度降至室温，制成成品极板11。

通过上述工艺的处理，在使上述极板11的形状定型的同时，还将阻塞上述活性炭粉末10间的间隙的粘结剂和固化剂进行碳化，从而重现上述活性炭粉末10间的间隙。在上述极板11中，还可以使用石墨构件代替金属底板181，使用石墨纤维代替活性炭，密封石墨构件、石墨纤维两侧，构成石墨导电层-石墨纤维极板-绝缘金属板的结构，使溶液从极板11一侧流入经过石墨纤维从另一侧流出。从而增加上述极板11的耐腐蚀性能。

图6为极板21的整体结构斜视图。如图6所示，上述极板21包括第三极板构件28、第四极板构件29（参见图8A、8B）、水流导槽30、电极25和电极26，其中上述电极25与上述第三极板构件28连接，上述电极26与上述第四极板构件29连接。上述反应室2中的水流通过上述水流导槽30穿过上述极板21。

图7A为极板21中第三极板构件28的俯视图，图7B为第三极板构件28从Z方向的侧视图。

如图7A和图7B所示，上述第三极板构件28具有金属底板281和导槽282。上述金属底板281经过加工在其一侧形成上述导槽282，使得上述反应室2中的水流能够通过上述导槽282而穿过上述第三极板构件28。

图8A为第三极板构件28和第四极板构件29组合在一起后的示意图。如图8A所示，上述第四极板构件29为由多根条形导体构成，并放置在上述第三极板构件28上。每两根上述条形导体之间存有间隙，使得上述反应室2中的水流能够通过上述第三极板构件28上的导槽282而穿过上述第三极板构件28。同时，在用上述第三极板构件28和上述第四极板构件29制成上述极板21后，上述导槽282和作为上述第四极板构件29的条形导体之间的间隙形成了上述极板21上的水流导槽30。

图8B为第三极板构件28和第四极板构件29组合在一起后的剖面图。如图8B所示，在上述第三极板构件28的外部具有绝缘层211，使得上述第三极板构件28和上述第四极板构件29之间由上述绝缘层211隔开。

以下结合图1～图8B来说明本实施方式中电解水制氢气的工作过程。

如图1所示，向反应室1和2中充满水，并接通电源模块4，启动自循环泵13、泵23和气泵14、气泵24。当将上述反应室1中的极板11和上述反应室2中的极板21与上述电源模块4之间的电路接通时，在上述反应室1中的上述极板11的第一极板构件18（参见图2）上的H⁺得到上述反应室2中的上述极板21的第四极板构件29上的电子生成H₂，使得上述反应室1经电解后的水中存有H₂和OH^-。然而，如图5所示，由于上述极板11具有上述第一极板构件18和第二极板构件19，并且上述第一极板构件18和第二极板构件19之间是绝缘的，因此当上述电路接通时，上述第一极板构件18和第二极板构件19之间就形成一个电场，并在该电场的作用下，把上述反应室1中电解生成的OH^-拉离上述第一极板构件18，从而降低了在电解过程的溶液极化电势。此外，由于上述第一极板构件18上具有活性炭粉末10，使得上述第一极板构件18与水之间存在巨大的接触面积，从而极大地降低了上述第一极板构件18与水接触的电阻。

同时，当将上述反应室1中的极板11和上述反应室2中的极板21与上述电源模块4之间的电路接通时，在上述反应室2中的上述极板21的第四极板构件29（参见图8A）上的OH^-因失去电子生成O₂，使得上述反应室2经电解后的水中存有O₂和H⁺。然而，如图8A～图8B所示，由于上述极板21具有上述第三极板构件28和第四极板构件29，并且上述第三极板构件28和第四极板构件29之间是绝缘的，因此当上述电路接通时，上述第三极板构件28和第四极板构件29之间就形成一个电场，并在该电场的作用下，把上述反应室2中电解生成的H⁺拉离上述第四极板构件29，从而降低了在电解过程的极化电势。此外，由于上述第四极板构件29包括多根条形表面沾有析氧催化剂粗糙的导体（优选钛），使得上述第四极板构件29与水之间存在巨大的接触面积，从而极大地降低了上述第四极板构件29与水接触的电阻。

在上述反应室1中，通过自循环泵13的作用，使得上述反应室1中的水能进行自循环流通，并通过气泵14的作用，从上述反应室1中收集氢气。在上述反应室2中，通过自循环泵23的作用，使得上述反应室2中的水能进行自循环流通，并通过气泵24的作用，从上述反应室2中收集氧气。

当上述电源模块4内的电流小于一预定值时，控制单元3先启动泵5把反应室1溶液排入溶液暂储室201，再启动泵6把反应室2溶液排入反应室1，最后启动泵202把溶液暂储室201中溶液排入反应室2，让上述反应室1和上述反应室2中的经电解后的水进行对调，使得上述反应室1中溶液成分为H⁺，上述反应室2中溶液成分为OH^-。上述反应室1在酸性环境发生电解直至溶液变成碱性，上述反应室2在碱性环境下发生电解直至溶液呈酸性。当上述电源模块4内的电流再次小于一预定值时，上述控制单元3重新启动泵5、泵202和泵6再次交换反应室1和反应室2中的溶液。其中，上述预定值的设定必须保证上述反应室1和上述反应室2中的电解反应能持续进行，即必须满足以下条件：反应室1（碱性环境）在上述第一极板构件18和第二极板构件19上外加的电解电压E1大于由OH^-产生的电势U1与上述第一极板构件18和上述第四极板构件29之间的原电池电势U3之和（E1>U1+U3），反应室1（酸性环境）在上述第一极板构件18和第二极板构件19上外加的电解电压E1大于由H⁺产生的电势U1与上述第一极板构件18和上述第四极板构件29（反应室2中）之间的原电池电势U3之差（E1> U3-U1），在上述反应室2（酸性环境）第三极板构件28和第四极板构件29上外加的电解电压E2大于由H⁺产生的电势U2与上述第一极板构件18和上述第四极板构件29之间的原电池电势U3之和（E2>U2+U3），述反应室2（碱性环境）第三极板构件28和第四极板构件29上外加的电解电压E2大于由OH^-产生的电势U2与上述第一极板构件18和上述第四极板构件29之间的原电池电势U3之差（E2> U3- U2）。

由于氢离子溶液氢离子产生的电势随温度升高而升高，氢氧根离子溶液氢氧根离子产生的电势随温度升高而升高。

其中当反应室1在酸性环境、反应室2在碱性环境，控制单元3（电源模块输出电压为最小值时）控制加热单元12和22加热溶液，当反应室1在碱性环境、反应室2在酸性环境，控制单元3（电源模块输出电压达到设定为值时）控制加热单元12和22停止加热溶液。

在本实施方式中，当上述反应室1在酸性环境和上述反应室2碱性环境中，所需外加的电解电压较低，随着电解反应的进行上述反应室1变成碱性环境和上述反应室2变成酸性环境中上述控制单元3可以控制上述电源模块4随着电解反应的进行而升高输出的电解电压确保电解电流恒定，并直至上述电源模块4的最高输出电压，即：此时，上述电源模块4不再随着电解反应的进行而升高输出的电解电压，使得上述电源模块4内的电流小于上述预定值。然后，上述控制单元3再控制启动泵5、泵202和泵6的运行，交换上述反应室1和上述反应室2中的溶液。

在本实施方式中，当上述反应室1和上述反应室2中发生电解反应时，由于自循环泵13的作用使得其所产生的水流冲刷上述第一极板构件18上所生成的氢气，并通过上述气泵14从上述反应室1中不断地抽取，由于自循环泵23的作用使得其所产生的水流冲刷上述第四极板构件29上所生成的氧气，并通过上述气泵24从上述反应室2中不断地抽取，如此使得上述反应室1的上述第一极板构件18上的氢气浓度和上述反应室2的上述第四极板构件29上的氧气浓度均很低，使得上述反应室1的第一极板构件18和上述反应室2的第四极板构件29上的原电池反应保持很低的程度，同时上述第一极板构件18和第二极板构件19之间的间距以及上述第三极板构件28和第四极板构件29之间的间距均很小，从而使得溶液极化电势很小。调换反应室1和反应室2之中的溶液保持反应室1与反应室2中溶液离子平衡，把传统电解水过程中增加电耗的极化电势与电解电压正向叠加降低电解电耗，并且使得电解过程中溶液电阻降低为零。因此，在整个电解过程中使用平均电解电压只要大于该原电池反应的电势就可以使得电解反应持续进行，从而达到使用电解电压低于传统的水的分解电压电解水的目的。

此外，在本实施方式中，由于所使用的电解电压低于传统的水分解电压，原电池反应所放出的热量小于电解反应吸收的热量，因此通过上述反应室1中的加热单元12和上述反应室2中的加热单元22来保持上述反应室1和反应室2中的溶液的温度在零摄氏度以上，使得电解反应持续进行。同时，在电解反应中失去的水通过补充水注入装置17和补充水注入装置27分别补充到上述反应室1和反应室2中。

在本实施方式中，还可以通过上述反应室1和反应室2之间的细管7上的减压阀（未图示）保持上述反应室1和反应室2之间的压力平衡。

（第二实施方式）

下面就第二实施方式所涉及的电解水制氢系统进行说明。第二实施方式所涉及的电解水制氢系统与第一实施方式所涉及的电解水制氢系统唯一不同的是：取消了用于交换上述反应室1和上述反应室2中液体的泵5、溶液暂储室201、泵202和泵6，增加阀8、9、81、91以及上述电源模块104的电极调换功能。对属于电解水制氢系统的其他点都一样。图9为第二实施方式所涉及的电解水制氢系统结构图。与第一实施方式相同的部件在此省略说明。

如图9所示，上述电源模块104具有开关K1～K2、触点a～d。在控制单元3控制上述电源模块104实现电极调换功能。也就是说，当上述控制单元3控制上述电源模块104的开关K1接通上述触点b时，同时控制上述电源模块104的开关K2接通上述触点c，并且控制阀8、91打开以及阀9、81闭合；当上述控制单元3控制上述电源模块104的开关K1接通上述触点a时，同时控制上述电源模块104的开关K2接通上述触点d，并且控制阀8、91闭合以及阀9、81打开。

以下结合图9来说明本实施方式中电解水制氢气的工作过程，其中与第一实施方式中相同的内容在此不再重复。

向反应室1和2中充满水，并使上述电源模块104的开关K1接通上述触点b以及开关K2接通上述触点c，打开阀8、91并关闭阀9、81，启动自循环泵13、泵23和气泵14、气泵24，进行水电解反应。当上述电源模块104内的电流小于一预定值时，控制单元3控制上述电源模块104，将开关K1与上述触点b断开并接通触点a，开关K2与上述触点c断开并接通触点d，从而调换了上述电源模块104的电极。同时，上述控制单元3控制关闭阀8、91并打开阀9、81。当上述电源模块104内的电流小于上述预定值时，上述控制单元3再次控制上述电源模块104调换其电极。如此不断进行上述电源模块104的电极转换，使得水电解反应持续地进行。

在本实施方式中，当上述反应室1和上述反应室2中的OH^-和H⁺积累到一定程度时，上述电源模块104内的电流会小于上述预定值。这时，上述控制单元3控制上述电源模块104随着电解反应的进行而升高输出的电解电压保持电解电流恒定并直至上述电源模块104的最高输出电压，即：此时，上述电源模块104不再随着电解反应的进行而升高输出的电解电压，使得上述电源模块104内的电流小于上述预定值。然后，上述控制单元3控制上述电源模块104调换电极。当上述控制单元3控制上述电源模块104刚调换完电极时，上述反应室1中的H⁺和上述反应室2中的OH^-所产生的电势最大并与电解电压正向叠加，此时上述电源模块104所需输出的电压最低。随着水电解反应的进行，反应室1中溶液由酸性变成碱性，反应室2中溶液由碱性变成酸性，控制单元3控制上述电源模块104的输出电压也随着升高，直至最大输出电压，此时上述反应室1中的OH^-和上述反应室2中的H⁺所产生的电势同样达到最大并与电解电压反向叠加，因此上述控制单元3需要控制上述电源模块104再次调换电极，以此循环进行。

（第三实施方式）

下面参照附图10～21，就本实施方式涉及的用电解水所制得的氢气合成甲醇的系统进行说明。

图10为本实施方式涉及的用电解水所制得的氢气合成甲醇的系统的结构图。如图10所示，该用电解水所制得的氢气合成甲醇的系统与上述第一实施方式中的电解水制氢系统的结构基本相同，其包括反应室1、反应室2、控制单元3、电源模块47、电磁阀45、电磁阀48、泵60和细管7。其中，上述控制单元3控制上述电源模块47、电磁阀45、电磁阀48、泵60等的工作和运行，上述细管7连接上述反应室1和反应室2。上述反应室1包括极板40、加热单元12、泵13、浓缩极板44、二氧化碳进气管43、排水管49和甲醇收集管46。其中，上述极板40具有电极41和电极42，上述电极41连接上述电源模块47具有二极管472的一端，上述电极42连接上述电源模块47的另一端。上述反应室2包括极板50、加热单元22、泵23、浓缩极板54、空气进气管53、空气排气管55和补充水注入装置27。其中，上述极板50具有电极51和电极52，上述电极51连接上述电源模块47的上述另一端，上述电极52连接上述电源模块47具有二极管472的上述一端。上述电源模块47具有交流电源471和二极管472。上述泵60通过管61将上述反应室2中的浓缩极板54中的含高浓度H⁺水输送至H⁺暂存室62中。上述泵13和23、加热单元12和22、补充水注入装置27、以及细管7的结构和功能同上述第一实施方式，故在此省略说明。

图11为极板40的整体结构斜视图。如图11所示，上述极板40包括第五极板构件401、第六极板构件402（参见图14）、水流导槽403、电极41和电极42，其中上述电极42与上述第五极板构件401连接，上述电极41与上述第六极板构件402连接。上述反应室1中的水流通过上述水流导槽403穿过上述极板40。

图12A为极板40中第五极板构件401的俯视图，图12B为第五极板构件401从A方向的侧视图。

如图12A和图12B所示，上述第五极板构件401具有金属底板4011、导槽4012和活性炭粉末4013。上述金属底板4011经过加工在其一侧形成上述导槽4012，同时上述金属底板4011还覆盖有上述活性炭粉末4013和催化剂4014的混合物，使得上述反应室1中的水流能够通过上述导槽4013和上述混合物而穿过上述第五极板构件401。其中，催化剂4014为能在氢气和二氧化碳合成甲醇的反应中起催化作用的催化剂，优选纳米铜粉。

图13A为极板40中第六极板构件402的俯视图，图13B为第六极板构件402从B方向的侧视图。

如图13A和图13B所示，上述第六极板构件402具有金属底板4021和导槽4022。上述金属底板4021经过加工在其一侧形成上述导槽4022，使得上述反应室1中的水流能够通过上述导槽4022而穿过上述第五极板构件401。

同时，在用上述第五极板构件401和上述第六极板构件402制成上述极板40后，上述导槽4012和上述导槽4022形成了上述极板40上的水流导槽403。

图14为第五极板构件401和第六极板构件402组合在一起后的剖面图。如图14所示，在上述第六极板构件402的外部具有绝缘层404，使得上述第五极板构件401和第六极板构件402之间由上述绝缘层404隔开。

以下对上述极板40的制作工艺作详细说明。

首先，将上述活性炭粉末4013进行预处理，即：将上述活性炭粉末4013中加入粘结剂（例如酚醛树脂）和固化剂（例如乌洛托品），用研钵充分研磨搅拌均匀，将上述金属底板4011进行加工在其一侧刻出上述导槽4012。同时，在上述第六极板构件402的外部形成上述绝缘层404。然后，用经过上述预处理的上述活性炭粉末4013在上述金属底板4011形成上述导槽4012的一面并靠近上述金属底板4011四边形成一个矩形，从而使得在上述金属底板4011形成上述导槽4012的一面上形成一个阻断层，用于防止中间反应层粉末随着水流而被冲走。在上述阻断层中间放入包括经过上述预处理的活性炭粉末4013和催化剂4014的混合物的反应层。然后，再在上述阻断层和反应层上面放上外面具有绝缘层404的第六极板构件402，并将其卷成如图11所示的具有多个同心圆的圆柱形框架，使得各同心圆柱之间的空隙分别被经过上述预处理的活性炭粉末4013所填充。接着，在不活泼气体（例如惰性气体、氮气）的保护下，将上述圆柱形框架以每分钟4℃的速度升温至850℃，并保温2小时后，在不活泼气体保护下将温度降至室温，制成成品极板40。

通过上述工艺的处理，在使上述极板40的形状定型的同时，还将阻塞上述活性炭粉末4013间的间隙的粘结剂进行碳化，从而重现上述活性炭粉末4013间的间隙。在上述极板40中，还可以使用石墨构件代替金属底板4011，使用石墨纤维代替活性炭并在石墨纤维中混合催化剂4014，密封石墨构件、石墨纤维两侧，构成石墨导电层-石墨纤维极板-绝缘金属板的结构。使溶液从极板40一侧流入经过石墨纤维从另一侧流出。从而增加上述极板40的耐腐蚀性能。

图15为极板50的整体结构斜视图。如图15所示，上述极板50包括第七极板构件501、第八极板构件502（参见图17A、17B）、水流导槽503、电极51和电极52，其中上述电极51与上述第七极板构件501连接，上述电极52与上述第八极板构件502连接。上述反应室2中的水流通过上述水流导槽503穿过上述极板50。

图16A为极板50中第七极板构件501的俯视图，图16B为第七极板构件501从C方向的侧视图。

如图16A和图16B所示，上述第七极板构件501具有金属底板5011和导槽5012。上述金属底板5011经过加工在其一侧形成上述导槽5012，使得上述反应室2中的水流能够通过上述导槽5012而穿过上述第七极板构件501。

图17A为第七极板构件501和第八极板构件502组合在一起后的示意图。如图17A所示，上述第八极板构件502为由多根条形沾有析氧催化剂导体（优选钛）构成，并放置在上述第七极板构件501上。每两根上述条形导体之间存有间隙，使得上述反应室2中的水流能够通过上述第七极板构件501上的导槽5012而穿过上述第七极板构件501。同时，在用上述第七极板构件501和上述第八极板构件502制成上述极板50后，上述导槽5012和作为上述第八极板构件502的条形导体之间的间隙形成了上述极板50上的水流导槽503。

图17B为第七极板构件501和第八极板构件502组合在一起后的剖面图。如图17B所示，在上述第七极板构件501的外部具有绝缘层504，使得上述第七极板构件501和上述第八极板构件502之间由上述绝缘层504隔开。

以下对上述极板50的制作工艺作详细说明。

构成第八极板构件502的耐腐蚀条形金属导体在10%氢氧化钠溶液中煮沸30分钟，取出用离子水冲洗5～6次，然后在10%草酸溶液中加热至沸腾，并持续一段时间直到溶液颜色变为深褐色为止（约30分钟），取出用去离子水冲洗5～6次，自然晾干备用。然后，按照质量比1:0.007564称取粘合剂PVDF和催化剂IrO₂，将PVDF溶于二甲基甲酰胺（DMF）中，然后将IrO₂粉末放入溶液，超声振荡15分钟使其分散均匀。接着，把配置好的溶液刷涂在处理好的上述金属丝上，用吹风机吹干，干燥后重复上述过程，直至催化剂IrO₂的催化剂载量达到每平方厘米1mg。然后，将经处理过的上述金属丝放在经过加工外部具有绝缘层504的、形成有导槽5012的、涂有粘结剂的金属底板5011上，再将其卷成的具有多个同心圆柱的圆柱形框架上形成。

图18为位于反应室1中的浓缩极板44的结构示意图。如图18所示，上述浓缩极板44包括第一浓缩电极441和第二浓缩电极442。上述第一浓缩电极441由外层绝缘的金属网构成，其通过电接头441a与电源模块E的一端连接，上述第二浓缩电极442也由外层绝缘的金属网构成，其通过电接头442a与上述电源模块E的另一端连接。同时，上述浓缩极板44通过甲醇收集管46将其中所生成的甲醇排出上述反应室1。上述电源模块E的电极可以在上述控制单元3的控制下进行调换，从而使得上述浓缩极板44的第一浓缩电极441和第二浓缩电极442的极性可以进行调换。具体而言，当开关K1’接通触点b’时，开关K2’接通触点c’；然而，当上述浓缩极板44的第一浓缩电极441和第二浓缩电极442之间的甲醇浓度达到一预定值时，上述控制单元3控制上述电源模块E使得开关K1’接通触点a’和K2’接通触点d’，从而调换上述浓缩极板44的第一浓缩电极441和第二浓缩电极442的极性，或者断开电源实现解甲醇吸附，同时打开电磁阀45排出甲醇。

图19为位于反应室2中的浓缩极板54的结构示意图。如图19所示，上述浓缩极板54包括第三浓缩电极541和第四浓缩电极542。上述第三浓缩电极541由外层绝缘的金属网构成，其通过电接头541a与电源模块E’的一端连接，上述第四浓缩电极542也由外层绝缘的金属网构成，其通过电接头542a与上述电源模块E’的另一端连接。同时，上述浓缩极板54通过管61将上述反应室2中的浓缩极板54中的含高浓度H⁺水输送至上述反应室1中。上述电源模块E’的电极可以在上述控制单元3的控制下进行调换，从而使得上述浓缩极板54的第三浓缩电极541和第四浓缩电极542的极性可以进行调换。具体而言，当开关K3接通触点B时，开关K4接通触点C；然而，当上述浓缩极板54的第三浓缩电极541和第四浓缩电极542之间的H⁺浓度达到一预定值时，上述控制单元3控制上述电源模块E使得开关K3接通触点A和K4接通触点D，从而调换上述浓缩极板54的第三浓缩电极541和第四浓缩电极542的极性，同时启动泵60排出高浓度H⁺溶液。

图20为交流电源471输出的电解电压示意图。如图20所示，交流电源471输出的是正弦交流电压。

如图21所示， H⁺溶液的制备装置600包括反渗透膜601和由耐酸碱材料制成的容器602，其中容器602被渗透膜601分隔成两部分。在容器602中的反渗透膜601一侧加入稀硫酸溶液，然后向该侧的稀硫酸溶液加压，则在反渗透膜601另一侧的容器602中获得所需的H⁺溶液。一侧的残液成分H⁺、SO₄ ^2-、H₂O，而另一侧的H⁺溶液成分为H⁺、H₂O。

以下结合图10～图21来说明本实施方式中共电解水和二氧化碳制甲醇的工作过程。

如图10所示，向具有第一极板40的反应室1注入经过加热单元12加热后的H⁺溶液和具有第二极板50的反应室2中注入水，具有第一极板40的反应室1的温度、压力符合氢气与二氧化碳合成甲醇的要求，并向反应室1中通入二氧化碳气体，接通电源模块47，并启动自循环泵13和泵23。当接通电路电源模块47时，交流电源471输出正弦交流电。

一方面，在反应室1中，当交流电源471输出的电解电压在正半轴时（参见图20），反应室1中的极板40的第五极板构件401得到反应室2中极板50的第八极板构件502上的电子使上述反应室1和2中的水发生电解反应，即在上述反应室1中：4H⁺+4e=2H₂，生成氢气。上述反应室1中生成的氢气一部分溶解到水中另一部分吸附在第五极板构件401上。同时，水中的二氧化碳在第五极板构件401上与吸附在第五极板构件401上的氢气在催化剂4014作用下发生合成反应CO₂+3H₂=CH₃OH+H₂O（放热），从而生成甲醇。甲醇分子为一种弱极性分子，其在第五极板构件401和第六极板构件402之间的电场力作用下，吸附在反应室1的第五极板构件401上。当交流电源471输出的电解电压在负半轴时（参见图20），二极管472断开反应室1中的第五极板构件401与反应室2中的第八极板构件502之间的电路，使得原电池反应不能进行。同时，反应室2中堆积在第七极板构件501的上H⁺与反应室1中堆积第六极板构件402上的OH^-产生一个与电解电压方向相同的叠加电场，该电场力把反应室1中的第五极板构件401上的甲醇推离极板（解吸附）进入溶液中。当电解电压再次在正半轴时时，反应室1中的第五极板构件401再一次得到反应室2中第八极板构件502的电子并再次发生水电解反应生成氢气并与二氧化碳合成甲醇。如此不断重复，自循环泵13把溶液中的甲醇推出极板40，进入浓缩极板44。由于甲醇在电场力作用下甲醇分子之间形成氢键，所以浓缩极板44间的甲醇浓度很高，即甲醇聚集在一开始为阳极的第二浓缩电极442附近。当第二浓缩电极442附近的甲醇浓度达到预定值时，控制单元3通过控制电源模块E的输出电极来改变第二浓缩电极442的极性或断开电源，把吸附在第二浓缩电极442附近的甲醇解吸附，同时打开阀45排出甲醇。当反应室1中氢离子浓度下降到设定值时，控制单元3打开电磁阀48，排出反应室1中水，同时将H⁺暂存室62中H⁺溶液放入反应室1中。

另一方面，在反应室2中，交流电源471输出的电解电压在正半轴时（参见图20），水在反应室2中的极板50的第八极板构件502上失去电子，使得在第八极板构件502上发生水电解反应，即在反应室2中：4OH^--4e=2H₂O+O₂（吸热），生成氧气。当交流电源471输出的电解电压在负半轴时，二极管472断开反应室1中的第五极板构件401与反应室2中的第八极板构件502之间的电路，使得原电池反应不能进行。当交流电源471输出的电解电压再次在正半轴时时，反应室1中的第五极板构件401与反应室2中的第八极板构件502再次发生水电解反应生成氧气，如此不断重复。自循环泵23把电解反应生成的氧气、H⁺推出反应室2的极板50，含H⁺水溶液在浓缩极板54中浓缩并达到一定浓度后控制单元3打开泵60通过管61送入H⁺暂存室62，反应室2中缺少的水通过补充水注入装置27添加到反应室2中同时，通过空气进气管53向反应室2中不断地通入空气，反应室2中产生的氧气不断被空气从空气排气管55中排出，使得反应室2中的氧气浓度始终保持较低。在本实施方式中，通过上述反应室1和反应室2之间的细管7上的减压阀（未图示）保持上述反应室1和反应室2之间的压力平衡。

在本实施方式中，反应室1中的第五极板构件401中催化剂4014能够在酸性环境中稳定存在，催化剂4014成分优选为铜；反应室1中的第五极板构件401上有电解反应得到电子等离子态氢（氢原子），等离子氢具有强大还原活性，二氧化碳有良好的被还原性，反应室1中加入过量二氧化碳加速合成甲醇反应，生成甲醇后甲醇的还原活性（氧化速度）远小于等离子态氢，使得甲醇与氧气发生原电池反应程度大为降低，由于反应室1中的氢气浓度、甲醇浓度始终保持很低，而反应室2中的氧气浓度也始终保持较低，使得反应室1中的第五极板构件401与反应室2中的第八极板构件502之间的原电池始反应保持很低的程度。

同时，在相同浓度的H⁺溶液中，H⁺产生的电势随着溶液温度升高而升高，反应室1的工作温度高于反应室2的温度，两者的H⁺产生的电势差与外加电解电压正向叠加，使用电解电压只要大于该原电池反应（甲醇、氧气）的电势加上极板压降再减去反应室1与反应室2电势差的值，就可以使电解反应持续进行，从而达到使用电解电压低于水的分解电压电解水的目的。

另外，在本实施方式中，反应室1中的工作温度和压力没有特别限定，可以根据合成甲醇的催化剂类型和反应条件等来选择；反应室2中的工作压力没有特别限定，可以为常压，而且其工作温度高于零度均可。

在上述第一～三实施方式中，金属底板的材质可以选用耐腐蚀性较强的金属导体，例如金、银、铜、钛、铬、石墨，或它们的合金等；作为反应室2中阳极极板的条形导体可以选用耐腐蚀性较强的导体，例如金、银、铜、钛、铬、它们的合金、石墨或石墨纤维等。

在上述第一～三实施方式中，极板构件上设置有导电活性炭粉末或多根条状导体，本发明不限于此，也可以任何比表面积大的导电材料，上述比表面积大的导电材料为粉末状导电材料或多根较细条状导体，比如石墨粉、钛丝、石墨纤维等。

在上述第三实施方式中，根据反应室1使用催化剂、反应条件不同可以合成不同种类的小分子碳化合物如甲醇、甲酸、甲醛等。

在上述第一～二实施方式中，第四极板构件29可以采用与第八极板构件502相同的制备方法制备。

本发明的实施方式在专利权利要求范围所示的技术性思想的范围内可以适当有各种变更。

例如，图22～25为第一实施方式涉及的一极板另一实施例的结构。如图22（a）和（b）所示，上述反应室1的极板101包括导电框架102、子极板103、电极105和电极106。其中，上述电极105与上述导电框架102电连接，上述极板101可以包括数个子极板103，上述电极106通过导线107与各个子极板103连接。上述反应室1中的水流穿过上述子极板103的凹槽112中的比表面积大的导电材料110（参照图23～25）。优选地，上述导电框架102为金属框架，尤其为铜质框架，上述导线107为外层绝缘导线。

如图23～25所示，子极板103包括外层绝缘导电板108、导电下底板109和比表面积大的导电材料110。其中，上述导电下底板109具有凹槽112，在上述凹槽112中放置有比表面积大的导电材料110，上述凹槽112的上面的开口由上述外层绝缘导电板108封盖。上述凹槽112的两侧面的开口不封盖，从而使得上述反应室1中的水流通过上述子极板103的凹槽112的两侧面的开口而穿过比表面积大的导电材料110。上述外层绝缘导电板108通过上述导线107与上述电极106电连接，上述导电下底板109可以直接放置在上述导电框架102上以实现与上述电极105的电连接。优选地，上述外层绝缘导电板108为外层绝缘金属板，尤其为外层绝缘铜金属板，上述导电下底板109为石墨下底板，上述比表面积大的导电材料110为石墨粉末或电活性炭粉末或两者的混合物。

此外，可以通过改变子极板103的厚度d、面积a×b和子极板103并联的个数就可以得到需要的极板101面积和电阻。

以下对上述极板101的制作工艺作详细说明。

将导电材料（例如石墨）刻成凹形的下底板109，即在下底板109上形成凹槽112。在凹槽112中放入用研钵充分研磨搅拌均匀的作为粘结剂的酚醛树脂、作为固化剂的乌洛托品和石墨粉（或者导电活性炭粉末，或者石墨粉和导电活性炭粉末的混合物）的混合物，在惰性气体（例如氮气）的保护下加温子极板103使得作为粘结剂的酚醛树脂和作为固化剂的乌洛托品碳化，之后将子极板103放入石墨化炉使上述被碳化的部分石墨化，从而以达到惰性电极目的。冷却经石墨化处理后的子极板103，并在下底板109与外层绝缘导电板108的结合处涂上绝缘粘结剂，然后盖上外层绝缘导电板108，从而获得成品子极板103。

将上述导电框架102加热至一定温度后（优选500摄氏度）后，将所制得的子极板103放入上述导电框架102内，其中上述导电框架102与子极板103可以采取过盈配合，形成极板101。在上述极板101冷却后，在子极板103的开口露出石墨粉（或导电活性炭粉末，或者石墨粉和导电活性炭粉末的混合物）的部分涂上凡士林，防止涂刷绝缘涂料接触到子极板103中石墨粉末，将整个上述极板101除接电极105和电极106外涂上防酸绝缘涂料，以保证上述导电框架102在电解过程中不接触电解液。用煤油等有机溶剂除去凡士林，重新露出石墨粉末。

将每个子极板103的外层绝缘导线107汇聚到电极106并除去绝缘层，与电极106可靠电连接。其中，电极105和电极106分别接电源两端。

上述反应室2的极板210可以采用与上述反应室1的极板101相同的结构，并用相同的制作工艺制成。

例如，图26为上述第三实施方式涉及的涉及的用电解水所制得的氢气合成甲醇的系统的另一实施例的结构图。如图26所示，上述第三实施方式中也可以取消反应室1中浓缩极板44，在反应室1与泵13之间增加一个甲醇分离装置406，其中甲醇分离装置是利用膜蒸馏技术实现甲醇与水分离，也可以是一个减压装置利用甲醇与水在等温下，沸点压力不同，通过降低溶液压力的方法使甲醇逸出溶液并排出，达到分离甲醇的目的，进而使得反应室1中甲醇浓度维持在较低的水平。在上述第三实施方式中，也可以反应室1中增加氢离子浓度传感器109，反应室2中增加氢离子浓度传感209，当反应室2中氢离子浓度上升到设定值时，控制单元3把反应室2中的溶液清空至氢离子溶液储罐62，再开启补充水注入装置27向反应室2中重新注入水，当反应室1中氢离子浓度下降到设定值时，控制单元3开启电磁阀45排空反应室1中溶液后，启动泵60把储存在氢离子溶液储罐62中的氢离子溶液注入反应室1中，以确保电解反应的进行。

图27～28为第三实施方式涉及的一极板另一实施例的结构图。如图27所示，上述反应室1的极板420包括金属板421、水流导槽423和电极424，其中上述电极424与上述金属板421连接。上述反应室1中的水流通过上述水流导槽423穿过上述极板420。优选地，上述金属板421为铜锌合金的金属板。

如图28（a）和（b）所示，上述水流导槽423可以通过在上述金属板421上直接刻蚀而获得。上述金属板421上具有纳米孔422，使得上述极板420与水之间存在巨大的接触面积，从而极大地降低了上述极板420与水接触的电阻。

以下以铜锌合金的金属板为例对上述极板420的制作工艺作详细说明。在主要由铜锌合金薄片制成的上述金属板421上刻蚀上述水流导槽423，将刻蚀了上述水流导槽423后的上述金属板421放入盐酸中溶去合金中的锌，在上述金属板421上形成纳米孔422，使用清水冲去盐酸，之后将上述金属板421卷绕成圆柱形，并在上述金属板421上设置电极424，从而制成上述极板420。

例如，图29～32为第三实施方式涉及的另一极板另一实施例的结构示意图。如图29（a）和（b）所示，上述反应室2的极板520包括导电框架521、子极板522和电极523。其中，上述电极523与上述导电框架521电连接。上述反应室1中的水流穿过上述子极板522的凹槽5222中的比表面积大的导电材料5220（参照图30～32）。优选地，上述导电框架521为铜质框架。

如图30～32所示，子极板522包括导电盖板5221、导电下底板5223和比表面积大的导电材料5220。其中，上述导电下底板5223具有凹槽5222，在上述凹槽5222中放置有比表面积大的导电材料5220，上述凹槽5222的上面的开口由上述导电盖板5221封盖。上述凹槽5222的两侧面的开口不封盖，从而使得上述反应室2中的水流通过上述子极板522的凹槽5222的两侧面的开口而穿过比表面积大的导电材料5220。上述子极板522可以直接放置在上述导电框架521上以实现与上述电极523的电连接。优选地，上述导电下底板5223为石墨下底板，上述导电盖板5221为石墨盖板，上述比表面积大的导电材料5220为石墨粉末或电活性炭粉末或两者的混合物。

此外，可以通过改变子极板522的厚度d、面积a×b和子极板522并联的个数就可以得到需要的极板520面积和电阻。

以下对上述极板520的制作工艺作详细说明。

将导电材料（例如石墨）刻成凹形的下底板5223，即在下底板5223上形成凹槽5222。在凹槽5222中放入用研钵充分研磨搅拌均匀的作为粘结剂的酚醛树脂、作为固化剂的乌洛托品和石墨粉（或者导电活性炭粉末，或者石墨粉和导电活性炭粉末的混合物）的混合物，并在下底板5223上盖上并粘结导电盖板5221，在不活泼气体（例如氮气）的保护下加温子极板522使得作为粘结剂的酚醛树脂和作为固化剂的乌洛托品碳化，之后将子极板522放入石墨化炉使上述被碳化的部分石墨化，从而以达到惰性电极目的。冷却经石墨化处理后的子极板522，从而获得成品子极板522。

将上述导电框架521加热至一定温度后（优选500摄氏度）后，将所制得的子极板522放入上述导电框架521内，其中上述导电框架521与子极板522可以采取过盈配合，形成极板520。在上述极板520冷却后，在子极板522的开口露出石墨粉（或导电活性炭粉末，或者石墨粉和导电活性炭粉末的混合物）的部分涂上凡士林，防止涂刷绝缘涂料接触到子极板522中石墨粉末，将整个上述极板520除接电极523外涂上防酸绝缘涂料，以保证上述导电框架5221在电解过程中不接触电解液。用煤油等有机溶剂出去凡士林，重新露出石墨粉末。

该合成甲醇的系统其它部件及其工作原理与上述第三实施方式的内容一致，在此不再详述。

Claims

1.一种用电解水所制得的氢气合成甲醇的系统，包括：

具有第一极板和第一浓缩极板的第一反应室；

具有第二极板和第二浓缩极板的第二反应室；

用于向所述第一极板、所述第二极板、所述第一浓缩极板和所述第二浓缩极板供电的电源模块；其中，

所述第一反应室还具有二氧化碳进气管和甲醇收集管，所述第一极板具有第一极板构件和第二极板构件，

所述第一极板构件上具有比表面积大的导电材料和用于氢气和二氧化碳反应的催化剂，所述第二极板构件的外部具有绝缘层，其中所述第一极板构件和所述第二极板构件分别接在所述电源模块的两极，

所述第二极板具有第三极板构件和第四极板构件，所述第三极板构件的外部具有绝缘层，所述第四极板构件上具有比表面积大的导电材料，其中所述第三极板构件和所述第四极板构件分别接在所述电源模块的两极。

2.根据权利要求1所述的合成甲醇的系统，其特征在于：

所述第一浓缩极板具有第一浓缩电极和第二浓缩电极，所述第二浓缩极板具有第三浓缩电极和第四浓缩电极，所述第一～四浓缩电极的外部具有绝缘层。

3.根据权利要求2所述的合成甲醇的系统，其特征在于：所述电源模块具有极性调换装置，通过所述极性调换装置调换所述第一浓缩电极和第二浓缩电极的极性以及所述第三浓缩电极和第四浓缩电极的极性。

4.一种用电解水所制得的氢气合成甲醇的方法，包括以下步骤：

向具有第一极板的第一反应室注入氢离子溶液和具有第二极板的第二反应室中注入水；

电源模块向所述第一极板和所述第二极板供电使得所述第一反应室和第二反应室中的水被电解成氢气和氧气；

向所述第一反应室中输入二氧化碳气体、保持所述第一反应室中的温度、压力符合氢气与二氧化碳合成甲醇的要求使得所述第一极板上生成的氢气与所述二氧化碳在事先被配置在所述第一极板的催化剂的作用下发生反应生成甲醇，所生成的甲醇随后被浓缩极板所吸附；

其中，所述浓缩极板具有第一浓缩电极和第二浓缩电极，当所述浓缩极板中的甲醇浓度达到一预定值时，调换所述第一浓缩电极和所述第二浓缩电极的极性，使得由所述第一浓缩电极或所述第二浓缩电极所吸附的甲醇被释放并被排出第一反应室；

当所述第一反应室中氢离子浓度下降到设定值时，打开电磁阀，排出所述第一反应室中水，同时将H⁺暂存室中H⁺溶液放入所述第一反应室中；

启动气体收集装置，从所述第二反应室中抽取电解生成的氧气；

所述第二反应室中H⁺浓度达到设定值时，将所述第二反应室溶液排入H⁺暂存室，通过补充水注入装置将水注入所述第二反应室。

5.一种用电解水所制得的氢气合成甲醇的系统，包括：

具有第一极板的第一反应室；

具有第二极板和浓缩极板的第二反应室；

用于向所述第一极板、所述第二极板和所述浓缩极板供电的电源模块；

用于分离甲醇与水的甲醇分离装置；

其中，所述第一反应室还具有二氧化碳进气管和甲醇收集管，所述第一极板具有金属板、水流导槽和第一电极，所述金属板具有纳米孔，所述第一电极接在所述电源模块的阴极，

所述第二极板具有包括导电框架、子极板和第二电极，所述第二极板具有比表面积大的导电材料，所述第二电极接在所述电源模块的阳极。

6.根据权利要求5所述的合成甲醇的系统，其特征在于：

所述浓缩极板具有第一浓缩电极和第二浓缩电极，所述第一浓缩电极和所述第二浓缩电极的外部均具有绝缘层。