CN108779559A - 制备氢气的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水解水相制备氢气的设备，所述设备包括：所述水相的第一区、电子捕获装置、减少质子的装置和能源，所述设备的特征在于所述减少质子的装置为带有前面和后面的质子交换界面，所述前面面对所述质子捕获装置，仅有所述质子交换界面的背面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种分解水相制备氢气的设备，所述设备包括：
包括所述水相的第一区，
电子捕获装置，
减少质子的装置，和
能源，用于在所述电子捕获装置和所述减少质子的装置之间应用势能(如电势)以在所述水相制备氧气、电子和质子，所述氧化反应发生在所述电子捕获装置，
所述减少质子的装置用于通过所述电子对所述质子进行还原反应，以制备氢气。
背景技术
本发明中，术语“水相”指仅含有水的相，或含有水和至少一种添加剂的任意相，如电解质(缓冲剂)、电子传输媒介或电子受体。
发明这种设备的第一目的是可提供来自能源的可储存的能量流向(energyvector)，尤其是来自电能源的，同时试图减少使设备工作所需的能量输入总量(尤其是电能的输入)。
背景技术已知这样一种设备，其用于采用电能源和水获得氢气(H2气体)。特别地，这种设备通过(1)在水相(溶液)进行氧化反应及(2)还原反应制备氢气，氧化反应释放氧气(O2气体)、电子(e-)和质子(H+)，在还原反应中，所述质子(H+)通过所述电子(e-)而减少，这种反应制备气态形式(H2气体)的氢。
在这种电池或设备中，水相(溶液)的氧化通常在阳极发生，阳极包括电化学界面(如由碳制成)，其在电能输入到设备的情况下，即：在所述电子捕获装置及所述减少质子的装置之间应用电势作用的情况下，通过电能源调节水分子的分解。
水分子根据下述反应进行分解：
其中，E对应输入设备的电能，H2O是水，H+代表质子，e-代表电子。
在该第一反应中，足够多的能量可通过水分子的分解产生氧气(O2气体)、质子(H+)和电子(e-)。可能地，在水相通过水分子分解制备的电子可以最终被电子媒介(受体)(如2,5-二氯-1,4-苯醌或二氯代苯醌(DCBQ))接纳，其将质子转移至电子捕获装置，即阳极。当阳极电性连接至阴极(即减少质子的装置)时，电子被转移至阴极，阴极包括电化学界面(如由铂和/或带有氢化酶类似的酶构成)。同时，质子也通过水相扩散至阴极。在应用电势的作用下，水分子分解制备的电子和质子最后根据如下的第二反应进行质子减少的反应合成制备氢气：
因此最终获得氢气(H2气体)，氢气可从设备中提取出来，用以(诸如)储存。
这种设备通常都由两个电极(如用铂或碳制得的栅格形式)构成，其淹没在相同的水溶液中，并相互连接(如通过稳压器)。采用这种用于分解水分子的已知设备，这种稳压器(或其它合适的设备)必须经常提供大量的势能以制备氢气(H2气体)，在这种已知设备中，电极例如为栅格形式，通常用铂或碳制成。在实践中，似乎采用背景技术已知的设备，这种额外的势能对制备氢气必不可少。更特别地，这种额外的势能对将阳极制备电子转移至阴极必不可少，从而使得通过电子e-减少质子H+，以在阴极制备氢气。
结果是，来自水的电子在到达阳极而后是阴极之前，会遇到传输级联(transmission cascade)和各种界面，每一个传输和每一个界面都会消耗部分电子能量。
所有的，不幸的是，在现有的设备中，必须提供大量额外的势能来给电子足够的能量以克服所有这些传输和所有这些界面以到达阴极(减少质子的装置)，并在这减少质子制备氢气。由此可见，在这种设备中，整体的能量平衡和整体的能量产量并没有得到优化。
因此，真正需要一种能将需要输入的能量(例如电能的输入)降到最低或至少可以大大降低制备氢气所需的势能的设备来制备氢气。
发明内容
为了解决这个问题，本发明提供了一种如前所述的设备，其用于分解水相并制备氢气，所述设备的特征在于所述减少质子的装置是质子交换界面，其带有前面和后面，前面面对所述电子捕获装置，仅有所述质子交换界面的所述背面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统。
本发明中，术语“催化剂”和“催化系统”代表任何可以催化氧化和/或还原反应的试剂或一套试剂。
本发明中，语句“仅有所述质子交换界面的所述背面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统”意味着仅有质子交换界面的背面掺杂有至少一种催化剂和/或至少一种催化系统。
根据本发明，质子交换界面(如膜)，也被称为聚合物电解质膜(PEM)，是一种允许质子传导，而不允许类似双分子的氧或氢的气体通过的界面。
令人惊奇的是，在本发明中，已表明这种带有减少质子的装置的设备使得大幅度降低势能(如电势)成为可能，这已应用到了本设备中，减少质子的装置为质子交换界面的形式，仅其背面承载至少一种催化剂和/或催化系统。在实践中，发现根据本发明的设备减少了必须应用在设备上以制备氢气的势能，至少一伏。
更特别地，在本发明中，已断定当到达质子交换界面的质子在质子交换界面的前面被接纳，然后穿过质子交换界面到达其背面时，需要应用的势能更少，在背面质子直接减少，只要仅有这种质子交换界面的背面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统即可。
优选地，根据本发明，所述质子捕获装置可或可不包括至少一种催化剂和/或至少一种催化系统。
优选地，根据本发明，所述质子捕获装置为质子交换界面或碳栅格。
优选地，根据本发明，所述质子一种催化剂和/或所述至少一种催化系统包括氢化酶类似酶和/或铂粒子。已确定，氢化酶类似酶每单位时间(每秒)不仅处理更多的电子，而且一定程度减少了制备氢气的设备所需的势能，此外其比铂便宜。上述氢化酶类似酶可通过合成制得，而不是从自然制备的生物中提取。
优选地，根据本发明，所述质子交换界面在所述含有水相的第一区和第二非水相之间构成了隔板。
本发明中，术语“第二非水相”代表例如含有固相或非水液相的区或没有液相的区。
优选地，根据本发明，所述隔板既不允许所述液相通过也不允许气体(尤其是O2)通过，但可使质子通过。在一个实施例中，根据本发明的这种隔板保证了还原反应仅在非水相区进行。在这种情况下，根据本发明，有计划地，隔板(比如，同时有前面和后面的膜形式的界面)的前面与水相接触，或直接与阳极接触，因此位于第一水相区侧。因此，有计划地，掺杂催化剂(如碳或铂)的背面位于第二非水相区侧。质子受电子作用减少以制备氢气的反应仅在界面(膜)的背面进行，因此仅在第二非水相区侧。如前所述，如果隔板(膜)不允许水相通过，但允许质子穿过至第二非水相区，质子仅在这种隔板(界面)的背面减少因而第二非水相区，这是可能的。本发明中，已确定，当给定势能应用至该系统时，在非水相区减少质子可优化强度(电流量/电流振幅)。
优选地，根据本发明，所述电子捕获装置和/或所述减少质子的装置包括接触装置。例如，碳栅格计划用于在所述电子捕获装置和所述减少质子的装置之间提供更好的电接触，如通过稳压器。
优选地，根据本发明，所述水相为仅含有水的相，或含有水和至少一种添加剂的任意相，该添加剂比如电解质、电子传输媒介或电子受体。
优选地，根据本发明，所述水相也包括电子传输媒介或电子受体。可能地，所述电子传输媒介或电子受体为碳纳米管或铁氰化物的形式。
优选地，根据本发明，所述水相的pH为0.1至10之间，优选为6至7之间。
优选地，根据本发明，分解水相制备氢气的设备还包括用于获得和去除气体的其它装置。例如可采用能保证氮气通过所述第二非水相区流量的装置的形式，以获得和去除在所述第二非水相区的气体，尤其是在该第二非水相区通过质子减少制备的氢气。
优选地，根据本发明，分解水相制备氢气的设备还包括检测氢气的其它装置。
根据本发明的设备的其它实施例在所附权利要求书中有描述。
本发明的另一个目的是提供一种采用根据本发明的设备从水相和势能制备氢气的方法，所述方法包括如下步骤：
在电子捕获装置和质子交换界面之间应用势能，以在所述水相发生氧化反应，在所述电子捕获装置处制备氧气、电子和质子，所述质子交换界面带有面向所述电子捕获装置的前面和承载有至少一种催化剂和/或至少一种催化系统的后面，及
在所述质子交换界面捕获所述质子，从而在所述质子交换界面的所述背面，所述质子在所述质子的还原反应中被所述电子减少成气态氢，其中，所述质子交换界面带有面向所述电子捕获装置的前面，和带有至少一种催化剂和/或催化系统的背面。
根据本发明的方法的其它实施例在所附权利要求书中有描述。
本发明同样涉及根据本发明的从水相和能源制备氢气的设备的使用。
根据本发明的设备的使用在所附权利要求中有描述。
附图说明
本发明的其它特征、细节及优点将参考附图从以下描述中显现，其不是对本发明的限制。
图1为根据本发明的从水相和能源制备氢气的设备的分解视图，在该实施例中，从水相和电能源制备氢气。
图2为根据本发明的从水相和能源制备氢气的另一设备的分解视图，在该实施例中，从水相和电能源制备氢气。
图3所示为记录在如图1和图2所示的根据本发明的设备(包括被掺杂的质子交换界面---实线)与背景技术的设备(包括未被掺杂的质子交换界面和铂栅---虚线)相比的安培多电压(ampero-multivoltage)测量(从0.1V至0.9V)的结果图。
图4所示为记录在根据本发明的如图1(虚线)和图2(虚线)所示的带有被掺杂的质子交换界面的两个不同设备的安培多电压测量(0.1V至0.9V)的对比结果图。
图5为根据本发明的从水相和能源制备氢气的另一个设备的分解视图，在该实施例中，从水相和电能源制备氢气。
相同组件在不同的图中以相同的方式标记。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的从水相2和电能源7制备氢气(H2气体)的设备1。该设备1包括前壁4和后壁5，如壁4、壁5由合适的聚合物制成。当然，设备1还包括与前壁和后壁一起的顶部、底部和侧壁，形成防水设备(发生器)。
水相2浸泡通过稳压器7(电能源)与界面相连的阳极6(如碳阳极6)，界面为带有面向所述质子捕获装置6的前面8a和包括至少一种催化剂和/或至少一种催化系统的后面8b的质子交换膜8的形式，膜(界面)8也浸没在相同的水相2中。当势能应用在阳极6和膜(界面)8之间时，在水相2发生氧化反应在阳极6进行以产生氧气(O2气体)、电子(4e-)和自由质子(4H+)。更特别地，膜(界面)8包括与水相2接触的前面8a和背面8b(也与水相2接触)，背面8b掺杂有铂，如此其能作为阴极。质子(H+)被电子(e-)减少以制备氢气(H2气体)的反应仅发生在膜(界面)8的背面(8b)。
优选地，水相2包括电子传输媒介或电子受体(如DCBQ)，其以这种方式将电子运送至阳极6，由于阳极通过稳压器7与阴极8电性连接，电子能到达膜(界面)8，与同样通过水相2到达膜(界面)8的质子结合。在膜(界面)8的背面发生还原反应，其中，质子H+被电子e-减少产生氢气(H2气体)。可能地，碳纤维织物(气体扩散层---GDL)可设置在膜(界面)8(被掺杂并作为阴极)的背面8b(面向壁5)以在膜(界面)8和稳压器7之间产生电接触层。
图2示出了根据本发明的设备1，其从水相2和电能源7制备氢气(H2气体)。图2所示的根据本发明的设备1包括第一水相区I和第二非水相区II。根据本实施例，掺杂有铂和碳的PEM类型膜8的形式的膜(界面)8在第一水相区I和第二非水相区II之间构成隔板。掺杂碳和铂的膜(界面)8将其转换为阴极。这种膜(界面)8形式的隔板同时阻止水相2和气体通过，但允许质子(H+)从所述水相I进入所述非水相II。更特别地，这种膜(隔板)8包括与水相2接触的前面8a，前面8a朝向第一水相区的一面。这种膜(隔板)8也包括掺杂有铂的背面8b，从而其可作为阴极，所述背面8b面对第二非水相区II的侧面。根据本实施例，质子(H+)被电子(e-)减少以制备氢气(H2气体)的反应仅发生在隔板(界面)的背面8b，从而仅在非水相II侧。可能地，碳纤维织物(气体扩散层---GDL)可设置在膜(界面)8(被掺杂并作为阴极)的背面8b(面向壁5)以在膜(界面)8和稳压器7之间产生电接触层。
图3示出了如图1和图2所示的根据本发明的设备(实线---根据本发明带有掺杂铂的膜/界面的设备)的安培多电压测量(从0.1V至0.9V)的结果，其与背景技术中包括未掺杂的膜和铂栅格的设备(虚线---背景技术)在相同条件下获得的测量值进行了比较。可以看出，根据本发明的设备，当应用0.6V的电压时，在阳极和膜(界面/阴极)之间，测得电流。相对地，即使当应用更高的电压(如0.9V)时，在背景技术设备的阳极和阴极之间没有电流通过。此外，根据本发明的设备，应用0.7V、0.8V和0.9V电压时，测得的电流显著升高。这些对比试验表明根据本发明的带有质子捕获装置的设备比背景技术已知的设备提供了更高的能量产量，本发明的质子捕获装置为仅在其背面承载有至少一种催化剂和/或至少一种催化系统的质子交换界面。
对于这些对比试验，水相2包括DCBQ(0.75mM)和缓冲器(NaCl 50mM、MES 20mM、MgCl 2mM)。此外，对于图2所示的实施例，添加了其它设备以从非水相区获得和去除气体。
图4示出了记录在根据本发明的如图1(虚线)和图2(实线)所示的设备的安培多电压测量(0.1V至0.9V)的对比结果图。对于如图1和图2所示的每个实施例，掺杂有铂的质子交换膜(PEM界面)作为阴极。如图所示，当系统包括掺杂有铂的质子交换界面并将第一水相区从第二非水相区(图2所示的实施例)分离出来时，应用给定电压至系统，电流(μA)更高。在这个图中，根据图2的实施例与根据图1的不包括非水相区的设备进行了对比。这表明在图2所示的带有非水相区的发明实施例中，在非水相区发生质子还原反应，电流强度被优化了。这意味着，与根据本发明的不带有任何非水相区的设备相比，对于给定的、预设的应用势能产生了更多H2气体。
图5为根据本发明的从水相2和电能源7中制备氢气(H2气体)的另一设备的视图。该设备1除了膜(界面)8与阳极6的背面并列外，其它与如图2所示的设备相同。膜(界面)8在第一水相区I和第二非水相区II之间构成了隔板，且其掺杂有碳和铂，从而其可作为阴极。膜8形式的隔板同时阻止水相2和气体(尤其是O2)通过，但允许质子(H+)通过。更特别地，这种膜(界面)8包括直接与阳极6接触的前面8a(因为其与阳极6的背面并列)，所述前面面对第一水相区I侧。膜(界面)8还包括掺杂有铂的背面8b，从而其可作为阴极，所述背面8b面向第二非水相区II侧。质子(H+)被电子(e-)减少以制备氢气(H2气体)的反应仅在膜8的背面的这种非水相区进行。可能地，碳纤维织物(气体扩散层---GDL)可设置在膜(界面或隔板)8(掺杂并作为阴极)的背面(面向壁5)以在膜(阴极)8和稳压器7之间产生电接触层。
根据本发明的如图5所示的该实施例，还原反应在该非水相区II进行，但此外，在水相氧化反应产生的质子在膜(界面)8被直接接纳，而不像根据本发明的如图2所示的实施例，不是须穿过水相。在这种情况下，质子不会再次返回至水相，它们在膜(界面)8被直接接纳，其在非水相区II作为阴极8。
本领域技术人员完全理解，本发明绝不仅限于上述实施例，可以在不超出权利要求范围的情况下进行修改。
Claims (14)
1.分解水相制备氢气的设备，所述设备包括：
包括所述水相的第一区，
电子捕获装置，
减少质子的装置，和
为应用势能而设置的能源，所述势能例如为电势，该能源在所述电子捕获装置和所述减少质子的装置之间，以在所述水相发生氧化反应制备氧气、电子和质子，所述氧化反应发生在所述电子捕获装置，
所述减少质子的装置用于通过所述电子对所述质子进行还原反应，以制备氢气，
所述设备的特征在于，所述减少质子的装置为带有前面和后面的质子交换界面，所述前面面向所述质子捕获装置，仅有所述质子交换界面的所述背面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统。
2.根据权利要求1所述的分解水相制备氢气的设备，其特征在于，所述电子捕获装置可包括或不包括至少一种催化剂和/或至少一种催化系统。
3.根据权利要求2所述的分解水相制备氢气的设备，其特征在于，所述电子捕获装置为质子交换界面或碳栅格。
4.根据权利要求1-3任一所述的分解水相制备氢气的设备，其特征在于，所述至少一种催化剂和/或所述至少一种催化系统包括氢化酶类似酶和/或铂粒子。
5.根据权利要求1-4任一所述的分解水相制备氢气的设备，其特征在于，所述质子交换界面在包括所述水相的所述第一区和第二非水相区之间构成隔板。
6.根据权利要求5所述的分解水相制备氢气的设备，其特征在于，所述隔板同时阻止所述水相和气体通过，但允许质子通过。
7.根据权利要求1-6任一所述的分解水相制备氢气的设备，其特征在于，所述电子捕获装置和/或所述减少质子的装置包括接触装置。
8.根据权利要求1-7任一所述的分解水相制备氢气的设备，其特征在于，所述水相为仅包括水的相或包括水和至少一种添加剂的任意相，例如，所述添加剂为电解质、电子传输媒介或电子受体。
9.根据权利要求1-8任一所述的分解水相制备氢气的设备，其特征在于，所述水相还包括电子传输媒介或电子受体。
10.根据权利要求1-9任一所述的分解水相制备氢气的设备，其特征在于，所述水相的pH为0.1至10之间，优选6至7之间。
11.根据权利要求1-10任一所述的分解水相制备氢气的设备，其特征在于，所述设备还包括用于获得和去除任何存在于所述设备中的气体的其它装置。
12.根据权利要求1-11任一所述的分解水相制备氢气的设备，其特征在于，所述设备还包括用于检测氢气的其它装置。
13.采用权利要求1-12中任一所述的从水相和能源制备氢气的方法，所述方法包括如下步骤：
在电子捕获装置和质子交换界面之间应用势能，以在所述水相发生氧化反应，在所述电子捕获装置处制备氧气、电子和质子，所述质子交换界面带有面向所述电子捕获装置的前面和承载有至少一种催化剂和/或至少一种催化系统的后面，及
在所述质子交换界面捕获所述质子，从而在所述质子交换界面的所述背面，所述质子在所述质子的还原反应中被所述电子减少成气态氢，其中，所述质子交换界面带有面向所述电子捕获装置的前面，和至少一种催化剂和/或催化系统的背面。
14.使用根据权利要求1-12任一所述的设备从水相和能源制备氢气。
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