CN107419290A - 一种电解盐水制备纯氢气、氧气的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种电解盐水制备纯氢气、氧气的系统及方法，所述装置包括储水装置、进水阀、进水泵、电解槽、阳极、阴极、脉冲电源、第一阀门、第一真空泵、第二阀门、第二真空泵、氢气收集装置、氧气收集装置；该方法采用脉冲电源供电操作模式，通电时仅产出氧气且在液相累积氢离子；随后断电仅产生氢气；通过阀门控制和真空泵收集两种气体分别进入气体收集装置；这种通电、断电操作连续进行，可制得大量纯的氢气和氧气；与常规电解水制氢设备及流程相比，本发明通过脉冲供电方式在省却气体分离设备的前提下实现了氢气、氧气两种气体的分离与纯化，也有效地减少了常规设备因膜污染、极化而引起的电压损失，大幅度降低了制氢电耗和设备成本。

Description

一种电解盐水制备纯氢气、氧气的系统及方法
技术领域
本发明属于电解盐水制备纯氢气、氧气技术领域，具体涉及一种电解盐水制备纯氢气、氧气的系统及方法。
背景技术
随着工业化进程的加快，能源的消耗日益增大，以化石燃料为主要能源的消耗带来严重的环境污染和能源短缺问题。氢气燃烧无污染，热值高，是一种环境友好的清洁能源，具有取代化石燃料广阔前景。但由于氢气能量密集甚至可能爆炸，因而全球只有4％的商用氢。因而寻找一种安全可靠、价格低廉、获得纯净氢气的方法是氢气能源应用的必然条件。
水作为一种地球含量丰富的可再生能源，是制取氢氧的重要原料之一。另外，电解水制氢氧具有高效的还原动力和清洁析氢的特点，成为一种有前景的方法。传统的电解水方法为了避免制出的氢气和氧气混合设计了各种设备，增加了安装和维修的成本；同时气体生成时大量的气泡扰动会造成部分电压的损耗。目前应用最普遍的是碱性电解槽，但存在污染、效率低、能耗成本高等问题。一些新型方法如SPE，采用特殊阳离子交换膜使氢离子迁移，但膜的制作较为复杂且成本较高，此外离子透过膜的过程也会损耗一部分电压。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种电解盐水制备纯氢气、氧气的装置及方法，本发明通过脉冲供电方式在省却气体分离设备的前提下实现了氢气、氧气两种气体的分离与纯化，也有效地减少了常规设备因膜污染、极化而引起的电压损失，大幅度降低了制氢电耗和设备成本。
为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：
一种电解盐水制备纯氢气、氧气的系统，包括储水装置、进水阀、进水泵、电解槽、脉冲电源、阳极、阴极、电容器、第一阀门、第一真空泵，氢气收集装置、第二阀门、第二真空泵、氧气收集装置；所述储水装置底部通过进水阀、进水泵与电解槽底部相连，电解槽的上部位与储水装置内相连，所述储水装置、进水阀、进水泵、电解槽形成回路；电解槽内设有电容器，电解槽上设有脉冲电源，脉冲电源正负极分别连接电解槽的阳极和阴极；且电解槽通过第一阀门、第一真空泵与氢气收集装置相连，通过第二阀门、第二真空泵与氧气收集装置相连。
优选地，所述储水装置内设有搅拌器，为了让进出溶液混合均匀。
优选地，所述阳极材料为IrO2/Ti、PbO2/Ti、SnO2/Ti、耐腐蚀贵金属或掺硼金刚石中的一种；所述阴极材料为钛、铜、银或铂中的一种。
一种电解盐水制备纯氢气、氧气的方法，包括以下步骤：
(1)将储水装置中的无机盐电解质溶液通过进水泵打入电解槽，经过布水板均匀布水进入反应区；
(2)打开第二阀门并开始通电计时，此时水分子在电极作用下氧化生成羟基自由基、氢离子和电子；羟基自由基氧化生成氢离子和电子并析出氧气，溶液中电荷平衡，pH显弱酸性；
H2O→·OH+H++e-
·OH→1/2O2↑+H++e-
由于电容器具有储存电子的能力无机盐电解质溶液水解产生的阳离子被电容器作为电子携带者储存，致使溶液中阳离子减少。水氧化产生的氢离子立即保留在溶液中来补偿钠离子的减少而不会与电子结合转化成氢气，所以阳离子储存的量和液相增加的氢离子的量相等，引起pH下降，此时溶液进行有效酸度积累，仅产生氧气，通过第二真空泵收集气体进入氧气收集装置；
(3)经过时间t，电容器吸附阳离子恰好达到饱和时，积累的酸度达到最大值，由于没有了电容效应，电容器上的阳离子携带电子回到溶液中，溶液中积累的氢离子则获得电子转变为氢气析出，pH上升，酸性水变为中性水；打开第一阀门，用第一真空泵收集气体进入氢气收集装置；断电，关闭第二阀门，打开第一阀门，用第一真空泵收集气体进入氢气收集装置；所述t＝U×C/I,U是供电电压，C是电容器电容，I是操作电流；
(4)再经过时间t，关闭第一阀门，补充电解槽中的无机盐电解质溶液，重复步骤(2)(3)，进行持续脉冲供电收集两种气体，所述补充电解槽中的无机盐电解质溶液为m，所述m＝18It/16nF，其中I为电流、t为反应时间，n为反应过程中的电荷转移数量，对于氧气n＝4，F为法拉第常量。
优选地，所述步骤(1)中无机盐电解质溶液为惰性硫酸盐溶液。
优选地，所述惰性硫酸盐溶液为硫酸钠溶液或硫酸钾溶液。
有益效果，本发明通过脉冲供电方式在省却气体分离设备的前提下实现了氢气、氧气两种气体的分离与纯化，也有效地减少了常规设备因膜污染、极化而引起的电压损失，大幅度降低了制氢电耗和设备成本。
附图说明
图1为本发明实施例1的实验装置图。
附图标记说明：储水装置1，进水阀2，进水泵3，电解槽4，阳极5，阴极6，脉冲电源7，第一阀门8，第一真空泵9，氢气收集装置10，第二阀门11，第二真空泵12，氧气收集装置13，搅拌器14。
具体实施例
实施例1
一种电解盐水制备纯氢气、氧气的系统，如图1所示，包括储水装置1、进水阀2、进水泵3、电解槽4、脉冲电源7、阳极5、阴极6、第一阀门8、第一真空泵9，氢气收集装置10、第二阀门11、第二真空泵12、氧气收集装置13，搅拌器14；所述储水装置1通过进水阀2、进水泵3与电解槽4相连，电解槽4上部位与储水装置1相连，储水装置1内溶液为3％浓度的硫酸钠溶液，储水装置1、进水阀2、进水泵3、电解槽4形成3％浓度的硫酸钠溶液的回路，储水装置1内设有搅拌器14；电解槽4内设有电容器，电容器电容C＝8F,电解槽4上设有脉冲电源7，脉冲电源的正负极分别连接电解槽的阳极5和阴极6；且电解槽4通过第一阀门8、第一真空泵9与氢气收集装置10相连，通过第二阀门11、第二真空泵12与氧气收集装置13相连。
所述阳极材料为IrO2/Ti、PbO2/Ti、SnO2/Ti、耐腐蚀贵金属或掺硼金刚石中的一种；所述阴极材料为钛、铜、银或铂中的一种。
一种电解盐水制备纯氢气、氧气的方法，包括以下步骤：
(1)将储水装置1中3％浓度的硫酸钠溶液由进水泵3打入电解槽4，经过布水板均匀布水进入反应区，流速为2L/h；
(2)打开第二阀门11并开始通电计时，电压为3V,电流为0.3A,通过第二真空泵12收集气体进入氧气收集装置13；
(3)经过时间80s，断电，关闭第二阀门11，打开第一阀门8，用第一真空泵9收集气体进入氢气收集装置10；
(4)再经过时间80s后，关闭第一阀门8，往电解槽4中补充3％浓度的硫酸钠溶液，重复步骤(2)(3)，进行持续脉冲供电直至收集满两种气体。
将收集得到的氢气和氧气进行纯度测试，所得氢气浓度为100％，氧气浓度为100％。

Claims (6)

1.一种电解盐水制备纯氢气、氧气的系统，其特征在于，包括储水装置、进水阀、进水泵、电解槽、脉冲电源、阳极、阴极、电容器、第一阀门、第一真空泵，氢气收集装置、第二阀门、第二真空泵、氧气收集装置；所述储水装置底部通过进水阀、进水泵与电解槽底部相连，电解槽的上部位与储水装置内相连；电解槽内设有电容器，电解槽上设有脉冲电源，脉冲电源分别连接电解槽的阳极和阴极；且电解槽通过第一阀门、第一真空泵与氢气收集装置相连，通过第二阀门、第二真空泵与氧气收集装置相连。
2.根据权利要求1所述的一种电解盐水制备纯氢气、氧气的系统，其特征在于，所述储水装置内设有搅拌器。
3.根据权利要求1所述的一种电解盐水制备纯氢气、氧气的系统，其特征在于，所述阳极材料为IrO2/Ti、PbO2/Ti、SnO2/Ti、耐腐蚀贵金属或掺硼金刚石中的一种；所述阴极材料为钛、铜、银或铂中的一种。
4.基于权利要求1所述的一种电解盐水制备纯氢气、氧气的系统的电解盐水制备纯氢气、氧气的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将储水装置中的无机盐电解质溶液通过进水泵打入电解槽，经过布水板均匀布水进入反应区；
(2)打开第二阀门并开始通电计时，通过第二真空泵收集气体进入氧气收集装置；
(3)经过时间t，断电，关闭第二阀门，打开第一阀门，用第一真空泵收集气体进入氢气收集装置；t＝U×C/I,U是供电电压，C是电容器电容，I是操作电流；
(4)再经过时间t，关闭第一阀门，补充电解槽中的无机盐电解质溶液，重复步骤(2)(3)，进行持续脉冲供电收集两种气体。
5.根据权利要求4所述的一种电解盐水制备纯氢气、氧气的方法，其特征在于，所述步骤(1)中无机盐电解质溶液为惰性硫酸盐溶液。
6.根据权利要求5所述的一种电解盐水制备纯氢气、氧气的方法，其特征在于，所述惰性硫酸盐溶液为硫酸钠溶液或硫酸钾溶液。
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