CN105492658B - 隔膜式电解槽和用于由水的单级电解生产氢气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种隔膜式电解槽和由水电解生产商业量的氢气的方法。在所述电解槽中采用碱性电解质溶液和酸性电解质溶液有助于增加氢气和氧气的生产。此外，由于消除了不需要的副反应，所述电解槽的效率得以增加。

Description

隔膜式电解槽和用于由水的单级电解生产氢气的方法
技术领域
本发明涉及一种隔膜式电解槽和由水电解生产商业量的氢气的方法。
背景技术
对清洁和可再生的能源存在增加的需求，以消除利用碳氢燃料的负面影响和进入大气的碳释放。氢气生产是这样的建议解决方案之一，因为它是清洁燃料，消耗时仅产生水。
然而，目前大多数氢气，约90％，是工业化产自诸如天然气、石油(oil)和煤等矿物燃料的气化。然而，这些方法仍然导致二氧化碳的排放。因此，由于氢气通常不是从无氧化碳源(carbon oxide free source)得到，它不是碳中性能源。
因此，对于通过水电解生产氢气存在增长和更新的兴趣与需求。使用隔膜槽(diaphragm cells)通过水电解来生产氢气是公知的。使用隔膜槽用于氢气和氧气的商业生产，例如Knowles和Stuart槽是公认的。然而，这些常规隔膜槽的缺点在于生产的低能量效率和低容量，其中Knowles槽中的能量效率约为65％，Stuart槽中的能量效率约为55％。
图1示出了水电解中的常规隔膜槽，其中标准电极电位E0＝1.229伏并且电解质在阳极槽和阴极槽中是相同的。然而，这种常规槽中的隔膜仍然是特别有问题的，其中，它增加了阻抗，并且使为减少过电压的电解质搅动变得困难。该隔膜必须使电子能够以最小的阻力通过，但必须防止分别在阳极和阴极产生的氧气和氢气的混合。
在美国专利7326329和相关的英国专利GB2409865和澳大利亚专利2004237840的名称为“由水制氢气的商业生产”中，提出了从水的单极电解生产氢气的方法，其中，由与水电解生产1mol氢气相同的能量生产了更多的氢气。
美国专利6475653的名称为“非扩散燃料电池和使用燃料电池的方法”试图解决关于电解槽中隔膜的已认识到的棘手问题，其中，披露了一种操作时不需隔膜或膜的更高效的氢燃料电池。这使得清洁电能和交通能量能够得自可再生能量，例如太阳能和风能。
因此，本发明的目的之一是提供一种改进的隔膜电解槽和一种改进的由水电解生产氢气的方法。
本发明提供了使用常规隔膜式电解槽的结构由水电解生产氢气的更高速率，其中隔膜位于阳极和阴极之间或者电解质膜或盐桥或半导体或导体位于阳极和阴极之间。然而，没有采用如美国专利7326329所披露的阳极槽和阴极槽中相同的电解质，在阴极槽中通过酸性电解质，而在阳极槽中通过碱性电解质。利用拉蒂默方程，与常规隔膜槽的用于由水电解生产氢气和氧气的标准电极电位E0＝1.229伏相比，标准电极电位E0变为-0.401伏。
值得注意的是，本发明的电解槽的效率得以改进，因为该槽的电极中的仅一个连接电源。有利的是，这消除了阴极和阳极处的任何不希望的副反应，例如分别产生氧气和氢气。因此，电解槽的效率得以改进。
本发明的进一步优点在于利用槽的酸性和碱性的电解质以生产氢气和氧气。酸性电解质离开阴极槽，其含有过量的OH-离子，使该酸性电解质的电荷为负。此外，碱性电解质离开阳极槽，其含有过量的H+离子，使该碱性电解质呈正电性。这两种电解质通过另一组具有隔膜式结构的电解槽，其中所述电解质趋向于彼此中和而产生电流。根据法拉第定律，这会导致氢气和氧气的生产。
本发明的其他目的和优点将通过以下描述以及联系附图而变得显而易见，其中，通过阐释和举例的方式，本发明的实施方式被公开。
发明概述
根据本发明，尽管不应视为以任何方式限制本发明，提出了一种电解槽，其包括：
至少一个阳极隔室(compartment)，其容纳(housing)有阳极电极和碱性电解质；
至少一个阴极隔室，其容纳有阴极电极和酸性电解质；
至少一个分隔部件，其分离所述阳极隔室和阴极隔室；
与所述阳极电极或阴极电极连接的电源；以及
与所述电源连接的调制器；
其中，所述电源被激活，脉冲电流通过调制器被施加到所述阳极电极或阴极电极，以使得调制器以至少一个电流脉冲的形式生成并向所述阳极电极或阴极电极传送电流，从而最小化极化的发生并增加电解槽的效率。
优选地，基座部件连接于所述阳极电极。
优选地，所述基座部件由与所述阳极电极相同的材料或涂层组成。
优选地，基座部件连接于所述阴极电极。
优选地，所述基座部件由与所述阴极电极相同的材料或涂层组成。
优选地，导电部件在所述阳极隔室和阴极隔室之间延伸并连接所述阳极隔室和阴极隔室。
优选地，所述导电部件选自盐桥、半导体或导体部件。
优选地，分离所述阳极隔室和阴极隔室的所述分隔物(partition)为多孔隔膜。
优选地，分离所述阳极隔室和阴极隔室的所述分隔物为电解部件(electrolyticmember)。
优选地，所述电流脉冲以1000Hz至20000Hz的范围被施加。
优选地，所述阳极电极和阴极电极由多孔材料组成。
优选地，所述阳极电极和阴极电极由钛网组成。
优选地，所述阳极电极和阴极电极涂覆有催化剂以分别促进氧化和还原。
优选地，所述催化剂选自铂、铂氧化物、钌、铱、镍、钴、钼或这些贵金属和碱金属的合金或氧化物。
优选地，所述阳极隔室和阴极隔室进一步容纳有多个非导电部件以促进碱性电解质通过所述阳极电极和阴极电极的多孔网状结构的移动和流动。
优选地，所述多个非导电部件由塑料挡板组成。
优选地，所述调制器以系列电流脉冲的形式生成并向所述阳极电极或阴极电极传送电流。
优选地，所述电源是DC电源并向调制器施加DC电流。
在本发明的另一种形式中，提出了使用电解槽由水电解生产氢气的方法，该方法包括以下步骤：
a.传递碱性电解质通过容纳有阳极电极的阳极隔室以生产氧气，其中所述阳极电极连接于电源；
b.传递酸性电解质通过容纳有阴极电极的阴极隔室以生产氢气，其中所述阴极连接于所述电源；
c.基座部件连接于所述阳极电极和阴极电极；
d.所述阳极隔室和阴极隔室连接有半导体或导体部件，所述半导体或导体部件在所述阳极隔室和阴极隔室之间延伸并连接所述阳极隔室和阴极隔室；
e.将调制器连接于电源；以及
f.激活所述电源以通过所述调制器向所述阳极电极或阴极电极施加电流，以使得所述调制器以至少一个电流脉冲的形式生成并向所述阳极电极或阴极电极传送电流，从而最小化极化的发生并增加电解槽的效率。
附图的简要说明
为了更好地理解本发明及相关使用方法，现在将就优选的实施方式加以描述，这将在本文中参考附图来描述，其中：
图1示出了水电解中使用的常规隔膜槽，其中标准电极电位E0＝1.229伏并且阳极隔室和阴极隔室中的电解质是相同的；
图2示出了美国专利7326329中公开的碱性电解槽；
图3A示出了本发明的电解槽一种实施方式，其利用了常规隔膜以分离所述阳极隔室和阴极隔室；
图3B示出了本发明的电解槽的进一步实施方式，其利用了电解质膜替代隔膜以分离阳极隔室和阴极隔室；
图3C示出了本发明的电解槽的进一步实施方式，其利用了与图3A相同结构的隔膜槽，但其中阳极隔室和阴极隔室通过不导电分隔物而分离；
图4A为本发明的电解系统的俯视图，其具有电解部分和中和部分；
图4B为图4A的电解部分的剖面图；
图4C为图4A的中和部分的剖面图；
图5A示出了本发明的电解槽的进一步实施方式的剖面图，其中，多个电解槽被构造在一起以产生更高容量系统；以及
图5B示出了所述多个电解槽的俯视图。
实施方式的描述
图1示出了水电解中使用的常规隔膜槽1，其中标准电极电位E0＝1.229伏。槽1包括阳极隔室3和阴极隔室5。隔膜7分离所述阳极隔室3和阴极隔室5。
所述阳极隔室3包含并容纳阳极电极9，并且所述阴极隔室5包含并容纳阴极电极11。在所述阳极隔室3和阴极隔室5中的电解质溶液13是相同的。
阳极电极9和阴极电极11均连接于电源15，该电源15为DC电源。
然而，如上文所概括的，这种类型的常规隔膜槽1的缺点在于隔膜7，其中，它增加了阻抗，并且使为减小阳极电极9和阴极电极11的过电压的电解质溶液11的搅动变得困难。隔膜7必须允许电子通过，如箭头A和B所指示的并具有最小的阻力，但要防止阳极电极9处产生的氧气与阴极电极11处产生的氢气的混合。
图2示出了为美国专利7,326,329公开的水的单级电解而设置的碱性电解槽17。这里形成了两个分离的回路，一个是主回路，其包括主阳极槽19a和主阴极槽19b，以及副回路，其包括副阳极槽21a和副阴极槽21b。主回路由碱性电解质23组成，并且副回路由酸性电解质25组成。用于产生氢气和氧气的主阳极槽19a中的标准电极电位E0为-0.401伏。在副阴极槽21b中有更大的氢气生产量。
DC电源15的正极端子连接于所述主阳极槽19a的阳极电极27，并且负极端子连接于所述主阴极槽19b的阴极电极29。溶液电极电连接所述主阳极槽19a的碱性电解质23至主阴极槽19b的酸性电解质25。在主阳极槽19a处，发生如下反应：
|2OH--2e-→H2O+1/2O2
从所述主阳极槽19a离开的碱性电解质29含有过量的氢离子，使得该电解质29带正电。在含有酸性电解质25的主阴极槽19b处，发生如下反应：
2H++2e-→H2
从所述主阴极槽19b离开的酸性电解质31具有过量的氢氧根离子，使得该电解质31带负电。
当所述碱性电解质29和酸性电解质31通过包括副阳极槽21a和副阴极槽21b的副回路时，电解质29、31放电，使得电流从副阳极槽21a通过导体33流向副阴极槽21b。这导致从副阳极槽21a进一步产生氧气并从副阴极槽12b进一步产生氢气。中和的电解质35和37分别再循环至主阳极槽19a和主阴极槽19b。
图3A至3C示出了本发明的电解槽39的不同实施方式。
图3A示出了电解槽39的一种实施方式，其利用了由阳极隔室41和阴极隔室43形成并由隔膜45分离的常规隔膜槽。所述阳极隔室41容纳有阳极电极47并且碱性电解质溶液49流过所述阳极隔室41。阴极隔室43容纳有阴极电极51并且酸性电解质溶液53流过所述阴极隔室43。阳极电极47和阴极电极51连接于电源55。电源55为DC供电。
调制器57连接于所述DC电源55并用于以至少一个电流脉冲的形式生成并向所述阳极电极47或阴极电极51传送电流。所述调制器57适合于以系列电流脉冲的形式生成并向所述阳极电极47或阴极电极51传送电流。
调制器57是本发明的主要且有利的特征。在向阳极电极47或阴极电极51施加电流脉冲或系列电流脉冲时，其有利地最小化电解槽39中的极化的发生并因此最小化对电解槽39的效率的负面影响。
施加于阳极电极47或阴极电极51的电流脉冲为1000至20000赫兹的范围，并且标准电极电位为E0＝-0.401伏。
图3B示出了电解槽39的进一步实施方式，然而代替图3A中的隔膜45，电解质膜59分离了阳极隔室41和阴极隔室43。
图3C示出了电解槽39的进一步实施方式。非导体墙61分离阳极隔室41和阴极隔室43。
显然，为了任何电解槽能正常工作，必须有完整的电路。在图3C示出的实施方式中，通过使用包括盐桥、半导体板或导体板的导电部件63使回路完整。容易理解的是，导电部件63可以包括本领域已知的任何适合的部件或构件，该部件或构件能够使阳极隔室41和阴极隔室43之间充分接触并维持该充分接触。
此外，阳极电极47和阴极电极51均连接于基座部件65。在示出的实施方式中，基座部件65是附着于阳极电极47和阴极电极51的底部的平板。所述基座部件65包括与其分别附着的阳极电极47和阴极电极51相同的材料或涂层。
电流流过图3C的电解槽39，以使得电流从DC电源55流向调制器57，流向阴极电极51，流向附着于阴极电极51的基座部件65，通过包括盐桥、半导体或导体板的导电部件63，流向附着于阳极电极47的基座部件65，流向阳极电极47，返回到DC电源55。
图3C中示出的电解槽39是本发明的优选实施方式，因为它提供了多个优点，包括：
a.最小的电阻或阻抗；
b.暴露于碱性和酸性电解质的材料可以被选择为承受各电解质的高和低pH；以及
c.其提供了用于氢气的商业操作和生产的可能的最高容量。
容易理解的是，任意数量的阳极电极47和阴极电极51可以附着于图3C中示出的电解槽39中的基座部件63上，以增加电解槽39和系统的容量。
图4A是本发明的电解槽的俯视图，其利用了两个电解槽，第一电解槽67和第二电解槽71，分别具有由隔膜45分离的阳极隔室41、73和阴极隔室43、75。第一电解槽67用作电解部分，其中施加有电功率。所述第一电解槽67包括阳极电极47和阴极电极51。所述阳极电极47和阴极电极51由诸如扩张网(expanded mesh)或类似构造等的多孔材料而形成。
阳极隔室41、73和阴极隔室43、75各自进一步包括和容纳有数个非导电部件69。所述非导电部件69为数个塑料挡板。
所述非导电部件69有助于促进碱性电解质溶液49、83和酸性电解质溶液53、81遍及所述阳极隔室41、73和阴极隔室43、75的移动和流动。所述非导电部件69迫使碱性电解质溶液49、83和酸性电解质溶液53、81在阳极电极47、77和阴极电极51、79的多孔网状结构中进出。
阳极电极47、77和阴极电极51、79例如可以由钛网形成。此外，阳极电极47、77和阴极电极51、79可以被涂覆有适合的催化剂以有助于分别在阳极电极47、77和阴极电极51、79处所期望的反应。
例如，产生氧气的阳极电极47、77可以被涂覆有由钌的氧化物和铱或铂或混合物制得的催化剂。类似地，阴极电极51、79可以被涂覆有具有不同比例的铂族氧化物的催化剂。
第二电解槽71用作中和部分，其包括阳极隔室73和阴极隔室75并且分别容纳有阳极电极77和阴极电极79。第二电解槽71允许从所述第一电解槽67离开的带负电的酸性电解质溶液81和带正电的碱性电解质溶液83的中和。结果是，电流在阳极电极77和阴极电极79之间流动，并且根据法拉第定律，化学反应发生于阳极电极77和阴极电极79处。
图4A的第一电解槽67中的电流流动示出于图4B，它是第一电解槽67的剖面图。电流从DC源55流向阳极电极47，通过隔膜45并然后流向阴极电极51，流向DC电源55。
图4C是第二电解槽71的剖面图，其为中和槽，并且根据所示的化学式描绘了氢气在阴极电极79处的形成和氧气在阳极电极77处的产生。
从第一电解槽67的阴极隔室43离开的酸性电解质溶液81被馈送到第二电解槽71的阳极隔室73的入口85。从第一电解槽67的阳极隔室41离开的碱性电解质溶液83被馈送到第二电解槽71的阴极隔室75的入口87。
该设置将允许第二电解槽71的更佳操作，因为碱性电解质溶液83和酸性电解质溶液81的电位差被拉平，而不是最强的电解质溶液中和彼此，并且导致具有降低电位的弱化的电解质溶液朝着第二电解槽71的端部以中和彼此。
图4A至4C示出了用于增加氢气生产的电解水的方法。电力通过DC电源55并通过调制器57被施加至容纳于第一电解槽67的阳极隔室41中的阳极电极47，其含有碱性电解质溶液49，并流向容纳于阴极隔室43中的阴极电极51，其含有酸性电解质溶液53，并且膜或隔膜45分离阳极电极47和阴极电极51。阳极电极47和阴极电极51例如由钛网制成，并涂覆有催化剂，例如铂、铂族氧化物或者诸如镍、钴、钼等金属或这些贵金属或碱金属的合金或氧化物。
阳极隔室41、73和阴极隔室43、75各自包括数个非导电部件69，其为数个塑料挡板。这些非导电部件69用于引导碱性电解质溶液49、83和酸性电解质溶液53、81进出所述阳极电极47、77和阴极电极51、79，因为电解质溶液分别在阳极隔室41、73和阴极隔室43、75中从一端移动到另一端。
容易理解的是，可以有超过1组的阳极电极47、77和阴极电极51、79被用在本发明的第一电解槽67和第二电解槽71中。电解质膜59可商购并且隔膜45可由耐酸和碱的材料，例如特氟龙(Teflon)或聚氨酯制成。
第一电解槽67和第二电解槽71中的压力可以为大气压至20个大气压，并且温度可以为15℃至200℃。第一电解槽67和第二电解槽71中利用的电解质溶液可以包括无机酸和碱，或诸如硼酸等较弱的酸和诸如氨等较弱的碱。
离开第一电解槽67的电解质溶液49、53带正电和负电并且这些带电的电解质溶液49、53通过第二电解槽71，其中电解质49、53被短路，促使如图4中所示的电流流动。法拉第定律规定，当电流流动时，在阳极电极77和阴极电极79处产生物质。在这种情况下，氢气在阳极电极77处产生并且氧气在阴极电极79处产生。
这增加了氢气的生产，以使得从理论上讲，基于第一电解槽67的0.4012伏的电压，通过对主电解槽67施加仅0.401伏产生2摩尔的氢气。通过理论上的计算，在碱性电解质或酸性电解质中，与使用常规电解槽生产1摩尔氢气相同的能量生产了6.13倍多的氢气。
图5A示出了本发明的电解槽的进一步实施方式的剖面图，其中多个电解槽67被构造在一起以产生更高容量系统。图5B示出了多个电解槽67的俯视图。
电解槽67可以在大气压力或不高于20巴的中压下以及不高于200℃的温度下操作。
本发明的优选实施方式示于图3C中，其中，该配置提供了高容量。在该实施方式中，通过连接于阳极电极47和阴极电极51的基座部件65和位于电解槽67的阳极隔室41和阴极隔室43底部的盐桥、半导体板或导体板形式的导电部件63使完整的电路成为可能。

Claims (12)

1.一种电解槽系统，包括：
至少一个第一电解槽，其具有至少一个容纳有阳极电极和产生氧气的碱性电解质的阳极隔室和至少一个容纳有阴极电极和产生氢气的酸性电解质的阴极隔室，具有将阳极隔室与阴极隔室分开的分隔部件和施加到阳极电极和阴极电极的DC电源；
至少一个第二电解槽，其具有至少一个容纳有阴极电极的阴极隔室，所述阴极接收来自第一电解槽的阳极隔室的带正电荷的碱性电解质并产生氢气，并且具有至少一个容纳有阳极电极的阳极隔室，所述阳极隔室接受来自第一电解槽的阴极隔室的带负电荷的酸性电解质并产生氧气，所述第二电解槽具有分隔阳极隔室和阴极隔室的分隔部件，当阳极电极和阴极电极短路连接时，其中至少一个分隔部件，其分离所述第一电解槽和第二电解槽各自中的阳极隔室和阴极隔室，和
其中分隔部件是具有在第一电解槽和第二电解槽内将阳极电解质连接到阴极电解质的盐桥的多孔非导电分隔物。
2.根据权利要求1所述的电解槽系统，其特征在于，其中直流(DC)电源与所述第一阴极电极和第一阳极电极的调制器相连。
3.根据权利要求1所述的电解槽系统，其特征在于，其中与所述DC电源连接的调制器向所述第一电解槽和所述第二电解槽的阳极电极和阴极电极提供脉冲电流，所述脉冲电流以100至20，000赫兹脉冲。
4.根据权利要求1所述的电解槽系统，其特征在于，其中调制器和所述第二电解槽的阳极电极和阴极电极形成短路以允许电流从所述酸性电解质流向所述碱性电解质，以实现第二电解槽的阴极电极处的氢气生产和阳极电极处的氧气生产，从而使得极化的发生最小化并增加所述电解槽系统的氧气和氢气的产生。
5.根据权利要求1所述的电解槽系统，其特征在于，所述第一电解槽的阴极电极涂覆有有利于产生氢气的材料，阳极电极涂覆有有利于产生氧气的材料。
6.根据权利要求1所述的电解槽系统，其特征在于，第二电解池的阴极电极涂覆有至少一种有利于产生氢气的材料，阳极电极涂覆有有利于产生氧气的材料。
7.根据权利要求6所述的电解槽系统，其特征在于，所述涂覆阳极电极或阴极电极的至少一种材料选自包括钌、铱、铑、镍、钴、钼、铜、锌、铂、钯、金、银或稀土元素的金属、合金或其氧化物。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电解槽系统，其特征在于，所述第一电解槽和第二电解槽各自中的阳极电极和阴极电极由包括钛网的多孔材料组成。
9.根据权利要求8所述的电解槽系统，其特征在于，所述第一电解槽和第二电解槽各自中的阳极隔室和阴极隔室进一步容纳有多个非导电部件以促进电解质通过所述第一电解槽和第二电解槽各自中的阳极电极和阴极电极的多孔钛网的移动和流动。
10.根据权利要求9所述的电解槽系统，其特征在于，所述多个非导电部件由塑料挡板组成。
11.根据权利要求1所述的电解槽系统，其特征在于，其中所述槽在高达20大气压和高达200摄氏度的温度下工作。
12.使用根据权利要求1至11中任一项的电解槽系统由水电解生产氢气的方法，该方法包括以下步骤：
a.将电源连接所述第一电解槽，所述第一电解槽具有容纳有阳极电极的阳极隔室和容纳有阴极电极的阴极隔室；
b.将调制器连接所述电源；
c.传递碱性电解质通过所述第一电解槽的阳极隔室以生产氧气，其中所述阳极电极连接于电源；
d.传递酸性电解质通过所述第一电解槽的阴极隔室以生产氢气，其中所述阴极连接于所述电源；
e.激活所述电源以通过所述调制器向所述第一电解槽的阳极电极或阴极电极施加脉冲电流，所述调制器以至少一个电流脉冲的形式生成并向所述第一电解槽的阳极电极或阴极电极传送电流；
f.引导并传递离开所述第一电解槽的阴极隔室的酸性电解质和离开所述第一电解槽的阳极隔室的碱性电解质通过所述第二电解槽，所述第二电解槽具有至少一个容纳有阴极电极和碱性电解质的阴极隔室和至少一个容纳阳极和酸性电解质的阳极隔室，所述第二电解槽的阳极电极和阳极电极与调制器形成短路；以及
g.激活所述第二电解槽的短路以允许电流从所述酸性电解质流向所述碱性电解质，以实现第二电解槽的阴极电极处的氢气生产和阳极电极处的氧气生产，从而使得极化的发生最小化并增加所述电解槽系统的效率。
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