CN105463497B - 一种可以电解水制取氢气的电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属电解水与储能技术领域，具体为一种可以电解水制取氢气的电池装置。本发明的电池装置包含三个电极：对电解水生成氢气具有催化作用的析氢催化电极、氢氧化镍(Ni(OH)2)电极、金属锌电极，电解液采用碱性电解质溶液。其在充电步骤，水分子在析氢催化电极表面被电化学还原成氢气，同时Ni(OH)2电极被电化学氧化为NiOOH电极，在此过程中电子由Ni(OH)2电极通过外电路流向析氢催化电极；在放电步骤，正极为NiOOH电极，负极为金属锌电极，NiOOH电极被电化学还原成为Ni(OH)2电极，同时锌电极被氧化。本发明将电解水制氢与电能储存高效地结合在一起：在充电步骤中制取高纯度的氢气，在放电步骤中实现能量稳定的输出。

Description

一种可以电解水制取氢气的电池装置
技术领域
本发明属电解水与储能技术领域，具体涉及一种可以电解水制取氢气的电池装置。
背景技术
能源是发展国民经济、提高人民生活质量的重要物质基础，是直接影响经济发展的重要制约因素，同时也是国家战略安全保障的基础之一。新世纪的到来，人类社会对能源数量、质量的需要会越来越多、越来越高，但是由于无止境的开采、挖掘，使人类赖以生存的能源资源正在日益减少，而作为主要能源的石油、煤的贮量也正日益枯竭。同时，传统的能源结构和大量能源消耗，对人类生存环境造成了严重污染，人类呼唤着替代传统能源的清洁能源。为解决经济发展与能源短缺及环境污染之间日益加剧的矛盾，开发清洁、高效、可持续发展的新能源动力技术已成为十分紧迫的任务。发展可再生能源和能源的清洁高效利用将是当今国际社会所面临的重要现实问题，对整个世界经济的可持续发展具有重要意义。氢能源作为高效、洁净和理想的二次能源已经受到了全世界的广泛重视。大规模、廉价地生产氢气是开发和利用氢能的重要环节之一。
电解水制备氢气操作相对简单，技术相对成熟，而且制氢过程没有污染，是实现大规模生产氢气的重要手段。在当前的制氢工业生产中，碱性水电解技术工业化早、技术成熟、设备成本低，因此碱性水电解在水电解行业中占主导地位。但因为其能耗较高，限制了它的广泛应用。更为重要的是，常规的电解水技术在电解过程中阴阳极同时电解生成氢气和氧气，这将很容易导致氢气和氧气的混合，致使所制备的气体不纯，后续的提纯则将大大增大制备成本。但是其实电解水主要的目标产物是氢气，因为氧气在大气中就大量存在。
同时储存可再生能源例如风能、太阳能、水力发电的能量也是目前全球人类的迫切需求。如果从长远的角度来看这个问题，电池储能可能是可再生能源发电能量储存的最有效经济方案。电池储能的好处在于，可大可小，容易与各种规模的可再生能源发电相结合；充电放电快速，直接电与电转化，转换效率高。但是目前还不能在同一个体系里可以同时兼顾制氢与储能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可以电解水制取氢气的电池装置。
本发明提出的可以电解水制取氢气的电池装置，其电解槽包含三个电极：对电解水生成氢气具有催化作用的析氢催化电极、氢氧化镍(Ni(OH)2)电极和金属锌电极。与常规电池不同，本发明电池装置的充电步骤与放电步骤连接的电极并不一样[见图1]：具体的充电步骤与放电步骤电极反应如下：
充电制氢步骤：
正极：Ni(OH)2 + OH- - e-→ NiOOH + H2O
负极：H2O + e- → 1/2H2 + OH-
可见，在充电制氢步骤，水分子在析氢催化电极（即负极）表面被电化学还原成氢气，同时Ni(OH)2电极（即正极）被电化学氧化为NiOOH电极，在此过程中电子由Ni(OH)2电极通过外电路流向析氢催化电极。
放电能量输出步骤：
正极：NiOOH + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH-
负极：Zn + 4OH- - 2e-→ ZnO2 2- + 2H2O
可见，在放电能量输出过程，NiOOH电极（即正极）被电化学还原成为Ni(OH)2电极，同时锌电极（即负极）被氧化。在此过程中电子由锌电极通过外电路流向NiOOH电极。
上述充电与放电步骤交替循环进行，实现了Ni(OH)2的循环利用，同时在充电步骤制取了高纯度的氢气（因为并没有电解生成氧气），在放电步骤实现了能量的稳定输出。
本发明中，所述的析氢催化电极，其电极材料包括：基于金属铂（Pt）等贵金属以及其与碳的复合物；基于Ni、Co、Fe等过渡金属的单质或化合物，如Ni、Ni-Mo合金、 Ni-Cr-Fe合金、CoO、Co2O3、CoSe2、FeP；基于Cu的化合物；基于W的化合物例如WC、W2C、 WS2；基于Mo的化合物如MoS2、MoB、Mo2S；C3N4等化合物。
本发明中，所述的氢氧化镍电极(Ni(OH)2)为常规镍氢电池使用的氢氧化镍电极，其由活性物质Ni(OH)2和其他添加成分组成，添加成分包括：镍粉、Co(OH)2、碳粉及粘结剂如聚四氟乙烯等中的一种或者几种。上述Ni(OH)2活性物质和添加成分通过混合成膜或者成浆料的方式，压制或者涂覆在金属集流体上构成Ni(OH)2电极。这里金属集流体包括：镍网、泡沫镍、不锈钢网、钛网等。
本发明中，所述的金属锌电极，可以是金属锌片或由锌粉构成的膜电极。
本发明中，电解液必须是碱性水溶液，包括氢氧化钾、氢氧化钠以及其他碱性水溶液。
为了验证本发明设计的电池的性能，我们进行了实际组装并进行了测试。经恒流充电与放电测试，充放电曲线如图2所示。充电过程中，展示出了优异的电解水制氢的性能，放电步骤中实现了能量稳定的输出。重复了5次充电制氢步骤以及放电能量输出步骤，当200毫安恒流充放电时，充电制氢的平均电压在1.65V，放电的平均电压在1.6V。而且测试了制取的氢气的纯度，发现为高纯度氢气。
综上所述，本发明提出了一种可以制取氢气的电池装置，其在充电过程中可以电解水制取高纯度的氢气，放电过程中可以实现能量的稳定输出。氢氧化镍(Ni(OH)2)电极在充电过程中，被电化学氧化成为NiOOH电极；在放电过程中，又被电化学还原成为Ni(OH)2。该氢氧化镍电极的循环电化学氧化还原过程，将电解水制氢与能量储存高效的结合在一起。
附图说明
图1 可以制取氢气的电池工作示意图。
图2制氢电池的充电与放电曲线循环示意图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1:
可以制氢电池装置中，电解生成氢气的催化电极采用铂电极，锌电极为商业化锌板电极，氢氧化镍电极采用市场可以购买的商业化氢氧化镍电极。三个电极面积均为20平方厘米。电解液使用1摩尔每升的氢氧化钾溶液，采用200毫安恒定电流充放电。首先负极连接铂电极，正极连接氢氧化镍电极，200毫安电流充电600秒，平均电压约为1.65V，铂电极上生成氢气。然后将氢氧化镍作为正极，锌板电极作为负极，同样200毫安恒流进行放电，直至电压降为0.5V，放电时长为600秒，电压约为1.6V。以此循环5次，曲线如图2循环稳定。
实施例2：
可以制氢电池装置中，电解生成氢气的催化电极采用MoS2/石墨烯电极，锌电极为商业化锌板电极，氢氧化镍电极采用市场可以购买的商业化氢氧化镍电极。三个电极面积均为20平方厘米。电解液使用1摩尔每升的氢氧化钾溶液，采用200毫安恒定电流充放电。首先负极连接铂电极，正极连接氢氧化镍电极，200毫安电流充电600秒，平均电压约为1.68V，铂电极上生成氢气。然后将氢氧化镍作为正极，锌板电极作为负极，同样200毫安恒流进行放电，直至电压降为0.5V，放电时长为600秒，电压约为1.6V。以此循环5次，循环稳定。
实施例3：
可以制氢电池装置中，电解生成氢气的催化电极采用C3N4/石墨烯，锌电极为商业化锌板电极，氢氧化镍电极采用市场可以购买的商业化氢氧化镍电极。三个电极面积均为20平方厘米。电解液使用1摩尔每升的氢氧化钾溶液，采用200毫安恒定电流充放电。首先负极连接铂电极，正极连接氢氧化镍电极，200毫安电流充电600秒，平均电压约为1.7V，铂电极上生成氢气。然后将氢氧化镍作为正极，锌板电极作为负极，同样200毫安恒流进行放电，直至电压降为0.5V，放电时长为600秒，电压约为1.6V。以此循环5次，循环稳定。
表1. 采用不同电极组装的电解槽200毫安恒电流电解水性能比较
。

Claims (7)

1.一种可以电解水制取氢气的电池装置，其特征在于，包含三个电极：对电解水生成氢气具有催化作用的析氢催化电极、氢氧化镍(Ni(OH)2)电极、金属锌电极；电解液为碱性电解质溶液 。
2.根据权利要求1所述的可以电解水制取氢气的电池装置，其特征在于所述的析氢催化电极，其电极材料选自：基于金属铂以及其与碳的复合物；基于Ni、Co、Fe过渡金属的单质或化合物；基于Cu的化合物；基于W的化合物；基于Mo的化合物；C3N4化合物。
3.根据权利要求2所述的可以电解水制取氢气的电池装置，其特征在于所述的基于Ni、Co、Fe过渡金属的单质或化合物，为Ni、Ni-Mo合金、 Ni-Cr-Fe合金、CoO、Co2O3、CoSe2、FeP；所述基于W的化合物，为WC、W2C、 WS2；所述基于Mo的化合物，为MoS2、MoB、Mo2S。
4.根据权利要求1、2或3所述的可以电解水制取氢气的电池装置，其特征在于所述的氢氧化镍电极，由活性物质Ni(OH)2和添加成分组成，所述添加成分包括：镍粉、Co(OH)2、碳粉及聚四氟乙烯中的一种或者几种；上述Ni(OH)2活性物质和添加成分通过混合成膜或者成浆料的方式，压制或者涂覆在金属集流体上构成Ni(OH)2电极；这里金属集流体包括：镍网、泡沫镍、不锈钢网或钛网。
5.根据权利要求4所述的可以电解水制取氢气的电池装置，其特征在于所述的金属锌电极，为金属锌片或由部分或全部锌粉构成膜电极。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的可以电解水制取氢气的电池装置，其特征在于所述的碱性电解质溶液选自氢氧化钾、氢氧化钠以及其他碱性水溶液。
7.根据权利要求1、2、3或5所述的可以电解水制取氢气的电池装置，其特征在于：
在充电步骤中可以电解水制取氢气，水分子在析氢催化电极表面被电化学还原成氢气，H2O + e- → 1/2H2 + OH-，同时Ni(OH)2电极被电化学氧化为NiOOH电极，Ni(OH)2 + OH-－ e-→ NiOOH + H2O，在此过程中电子由Ni(OH)2电极通过外电路流向析氢催化电极；
在放电步骤， NiOOH电极被电化学还原成为Ni(OH)2电极，NiOOH + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH-，同时锌电极被氧化，Zn + 4OH- - 2e-→ ZnO2 2- + 2H2O，在此过程中电子由锌电极电极通过外电路流向NiOOH电极；
上述充电制氢步骤和放电步骤交替进行。
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