CN109355672A - 一种有机物电解制氢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有机物电解制氢的方法，在有机物催化反应系统内，有机物首先被杂多酸氧化，反应后的杂多酸与有机物混合溶液经阳极液体循环系统进入电解槽，氢质子通过电解槽的质子交换膜，在质子交换膜阴极侧得到电子析出氢气，氢气随着阴极液体循环系统进入氢气检测收集系统并被收集。本发明提供的一种有机物电解制氢方法，主要采用电化学技术有效地通过催化剂对有机物进行氧化降解，能够大规模、高效、低能耗地利用有机物制备氢气。

Description

一种有机物电解制氢的方法
技术领域
本发明涉及制氢技术领域，具体涉及一种有机物电解制氢方法，能够将有机物原料催化氧化后直接电解得到氢气，具有效率高、能耗低的优点，具有极大的应用价值。
技术背景
随着煤、石油、天然气等化石燃料的枯竭和环境污染日益加剧，人们迫切需要寻找清洁可再生的新能源。近年来清洁能源的开发和利用已得到国内外普遍重视，我国于2005年颁布和施行了《可再生能源法》，以立法的形式促进可再生能源的开发利用。氢能源是新能源中极其重要的一种，具有来源广泛、能量密度高、清洁无污染的优点，用途十分广泛，在航天、军事、化工、能源、冶金、交通等领域有着重要应用。氢能的开发和利用已经成为科研及产业领域的热点，我国在《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》中明确将氢能作为能源科技创新战略方向和重点。
目前，大约48％的氢气是由天然气通过蒸汽甲烷重整工艺生产，即在高温、催化剂的作用下，甲烷和水蒸气发生反应生成氢气的过程。然而随着煤、石油、天然气等化石燃料的枯竭和环境污染日益加剧，以化石燃料为来源的氢能源制备方法终究难以长久持续，在未来会被可持续、更清洁的制氢方法所取代。
随着现代工业的发展，电解水制氢技术的应用越来越广泛。电解水制氢的过程是由浸没在电解液中的一对电极，中间插入隔离氢、氧气体的隔膜构成电解池，通以一定电压的直流电时，水分解成氢气和氧气。目前电解水制氢技术主要有三种方式，分别是碱性水电解制氢、固体聚合物水电解制氢和固体氧化物水电解制氢。电解水制氢技术具有产品纯度高和操作简单的特点。电解水制氢的效率一般在75％～85％，每立方米氢气电耗为4.5～5.5kWh左右；在电解水制氢的生产费用中，电费占整个电解水制氢生产费用的80％左右。由于电解水制氢的电能消耗较高，所以目前利用电解水制备氢气的产量仅占氢气总产量的约4％，严重制约了其商业化进程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种有机物电解制氢方法，可以有效地利用催化剂对有机物进行氧化降解，并结合电化学技术，实现大规模、高效、低能耗地利用有机物制备氢气。该制氢方法的原理是采用杂多酸作为催化剂，将阳极液体循环系统的有机物原料在加热或光照条件下氧化降解，在外部直流电源的作用下，被还原的杂多酸作为电荷载体，氢质子穿过电解槽的质子交换膜到达电解槽的阴极，与电子结合生成氢气。
本发明涉及一种有机物电解制氢方法，原理为在该有机物电解制氢方法中采用杂多酸作为催化剂和电荷载体，将有机物原料在加热或光照条件下、通过弱电流电解得到氢气。本发明由于采用杂多酸作为催化剂，其性能稳定，对有机物中的杂质如硫元素、氮元素等不敏感，因此有机物原料不需要进行任何预处理。而且，本发明出氢电压可低至0.6V，远小于电解水的出氢电压1.23V，因此制氢电耗较低；另外，本发明集氢气制备、检测、测量、纯化与收集为一体，可实现大规模、高效制取氢气的目的。
该有机物电解制氢方法的制氢过程可以分为四个步骤：
第一步，在有机物催化反应系统中，杂多酸从持续供给的有机物中不断获取电子，使得有机物不断被氧化降解；
第二步，通过阳极液体循环系统，反应后的杂多酸及有机物混合溶液进入电解槽的阳极侧。
第三步，在外电路的作用下，还原态的杂多酸在电解槽的阳极侧逐渐被氧化而失去电子，氢离子通过质子交换膜由阳极扩散到阴极，并在阴极上获得电子转化为氢气。
第四步，通过阴极液体循环系统，氢气进入氢气检测收集系统，经氢气检测器检测后进入纯化柱，最后高纯度的氢气进入集气瓶被收集储存。
为了解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案。
(1)一种有机物电解制氢的方法，在有机物催化反应系统内，有机物通过有机物给料机被持续供给，以保证足够的有机物可以被杂多酸氧化成CO2和小分子有机物，反应后的有机物和杂多酸混合溶液携带氢质子经阳极液体循环系统进入电解槽，氢质子通过电解槽的质子交换膜，并在外电路的作用下，氢质子在质子交换膜阴极侧得到电子析出氢气，氢气随着阴极液体循环系统进入氢气检测收集系统，经氢气检测器检测后进入纯化柱，最后高纯度的氢气进入集气瓶被收集储存。
(2)根据(1)所述有机物电解制氢的方法，所述有机物的催化氧化反应在有机物催化反应系统中进行，所述有机物催化反应系统由搅拌器、保温储液罐、加热器和有机物给料机组成，保温储液罐与阳极液体循环系统连接。
(3)根据(1)或(2)所述有机物电解制氢的方法，所述反应后的有机物和杂多酸混合溶液携带氢质子经阳极液体循环系统进入电解槽，所述阳极液体循环系统由管道、阀门和隔膜泵组成，通过阀门调整阳极电解液的循环速度。
(4)根据(1)-(3)任一项所述的有机物电解制氢的方法，在所述电解槽中，氢质子通过质子交换膜，并在外电路的作用下，氢质子在质子交换膜阴极侧得到电子析出氢气，所述电解槽由端板、集电板、电极板和质子交换膜组成。
(5)根据(1)-(4)任一项所述的有机物电解制氢的方法，所述氢气随着阴极液体循环系统进入氢气检测收集系统，所述阴极液体循环系统由管道、阀门、隔膜泵和储液罐组成，通过阀门调整阴极液体的循环速度。
(6)根据(1)-(5)任一项所述的有机物电解制氢的方法，所述氢气经氢气检测器检测后进入纯化柱，最后高纯度的氢气进入集气瓶被收集储存，所述氢气检测收集系统由气液分离罐、安全阀、氢气检测器、气体流量计、纯化柱、液位开关和集气瓶组成，气液分离罐与阴极液体循环系统连接。
(7)根据(1)-(6)任一项所述的有机物电解制氢的方法，所述制氢方法所采用装置的材料均采用防腐蚀材料或内衬防腐蚀材料。
(8)根据(1)-(7)任一项所述的有机物电解制氢的方法，所述有机物可以持续供给以保证催化反应连续进行。
(9)根据(1)-(8)任一项所述的有机物电解制氢的方法，所述有机物的催化氧化反应由光照或加热或者光照和加热同时作用引发。
(10)根据(1)-(9)任一项所述的有机物电解制氢的方法，所述保温储液罐温度保持在50-120℃，所述保温储液罐的容积为0.5-10m3。
(11)根据(1)-(10)任一项所述的有机物电解制氢的方法，所述催化反应使用的催化剂包括以下一项或至少两项的任意组合：磷钼酸、磷钨酸、钒取代的磷钼酸、多金属氧酸盐的组合物。
(12)根据(1)-(11)任一项所述的有机物电解制氢的方法，所述电极板材料采用耐腐蚀的导电材料。
(13)根据(1)-(12)任一项所述的有机物电解制氢的方法，所述阴极液体采用水或磷酸作为载氢溶液，也可采用以下一项或至少两项的任意组合：乙醇、甲醇、丙酮等其它有机溶剂作为载氢溶液。
(14)根据(1)-(13)任一项所述的有机物电解制氢的方法，所述储液罐的容积为0.1-10m3。
与现有制氢技术相比，本发明采用生物质作为制氢原料，制氢原料来源广泛，不局限于天然生物质原料，同时也可以利用城市日常生活、食品行业、餐饮垃圾和生物医学废弃物，利用这些废弃物来制备氢气，不仅能够解决能源短缺、废物资源化利用问题，更重要的是可以解决环境污染，制氢方式具有清洁、可再生、可循环的特点，且不会产生对环境有害的副产物；其次，本发明由于采用杂多酸作为催化剂，其性能稳定，对有机物中的杂质如硫元素、氮元素等不敏感，因此有机物原料不需要进行任何预处理；再次，本发明出氢电压可低至0.6V，远小于电解水的出氢电压1.23V，因此制氢电耗较低；另外，本发明集氢气制备、检测、测量、纯化与收集为一体，可以通过一定的物理组合来增大制氢容量，可实现大规模、高效、低能耗制取氢气的目的，具有极大的节能优势。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明有机物电解制氢方法的系统流程图；
图2为本发明有机物电解制氢方法的整体工艺流程图；
图3为本发明有机物电解制氢方法优选实施例的产氢速率与电流密度的关系图；
图4为本发明有机物电解制氢方法优选实施例的电化学性能测试数据图；
图1中标号含义如下：
1为搅拌器，2为管道，3为电解槽，4为开关，5为电源，6为气液分离罐，7为安全阀，8为气体流量计，9为纯化柱，10为液位开关，11为管道，12为保温储液罐，13为加热器，14为阀门，15为隔膜泵，16为压力表，17为温度计，18为隔膜泵，19为流量计，20为阀门，21为储液罐，22为有机物给料机，23为氢气检测器，24为集气瓶。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明：
实施例1：
如图1所示，一种有机物电解制氢系统，包括有机物催化反应系统、阳极液体循环系统、电解槽3、阴极液体循环系统和氢气检测收集系统；所述有机物催化反应系统由搅拌器1、保温储液罐12、加热器13和有机物给料机22组成，保温储液罐12与阳极液体循环系统连接；所述阳极液体循环系统由管道2、阀门14和隔膜泵15组成，通过阀门14调整阳极电解液的循环速度；所述电解槽3由端板、集电板、电极板和质子交换膜组成；所述电解槽3与阴极液体循环系统连接；所述阴极液体循环系统由管道11、阀门20、隔膜泵18和储液罐21组成，通过阀门20调整阴极液体的循环速度；所述阴极液体循环系统与氢气检测收集系统连接；所述氢气检测收集系统由气液分离罐6、安全阀7、氢气检测器23、气体流量计8、纯化柱9、液位开关10和集气瓶24组成，气液分离罐6与阴极液体循环系统连接。
如图2所示，使用图1中系统进行有机物电解制氢方法，在有机物催化反应系统内，有机物通过有机物给料机被持续供给，以保证足够的有机物可以被杂多酸氧化成CO2和小分子有机物，反应后的有机物和杂多酸混合溶液携带氢质子经阳极液体循环系统进入电解槽，氢质子通过电解槽的质子交换膜，并在外电路的作用下，氢质子在质子交换膜阴极侧得到电子析出氢气，氢气随着阴极液体循环系统进入氢气检测收集系统，经氢气检测器检测后进入纯化柱，最后高纯度的氢气进入集气瓶被收集储存。
实施例2：
具体工作流程如图1、2所示，将配制好的杂多酸溶液送至有机物催化反应系统中，由有机物给料机22向有机物催化反应系统中送入研磨好的有机物原料，杂多酸与有机物在有机物催化反应系统中持续加热反应。将配制好的磷酸溶液送至阴极储液罐21中。在两个隔膜泵15、18的作用下，电解槽3的两侧分别形成阳极液体循环系统和阴极液体循环系统。待两端液体循环稳定后，接通外接电源，合上开关，测量外加电压及电流。阴极产生的气体在气液分离罐6中被分离，经氢气检测器检测合格后进入气体流量计8，再经纯化柱9纯化后进入集气瓶24被收集储存。
实施例3：
1.配制阳极杂多酸溶液
杂多酸以磷钼酸为例，取一定量的磷钼酸配制成0.3mol/L溶液。
2.杂多酸与有机物氧化还原反应
有机物以葡萄糖为例，将葡萄糖(20g)加入配制好的杂多酸溶液(0.3mol/L,500mL)中，并置于有机物催化反应系统中，在120℃条件下持续加热反应24h，可发现混合溶液的颜色由黄色变为深蓝色。
3.配制阴极溶液
取磷酸作为阴极电解液，溶液浓度为1mol/L，阴极溶液的体积500mL，阳极和阴极溶液体积比为1：1。
4.电解制氢
在两个隔膜泵的作用下，电解槽的两侧分别形成阳极液体循环系统和阴极液体循环系统。待两端液体循环稳定后，接通外接电源，合上开关，测量外加电压及电流，同时在氢气检测收集系统中测量氢气体积并收集氢气。该实施例的产氢速率与电流密度的关系如图3所示。
实施例4：
1.配制阳极杂多酸溶液
本实施例的阳极杂多酸溶液的配制与实施例3相同。
2.杂多酸与有机物氧化还原反应
本实施例的有机物的选取、有机物催化反应系统的反应时间及反应温度与实施例3相同，仅有机物的浓度不同。本实施例中葡萄糖的浓度为15g/L。
3.配制阴极溶液
本实施例的阴极溶液的配制与实施例3相同。
4.电化学性能测试
在两个隔膜泵的作用下，电解槽的两侧分别形成阳极液体循环系统和阴极液体循环系统。待两端液体循环稳定后，接通外接电源，合上开关，在恒电压(1V)条件下测量电流，并记录时间。该实施例的电化学性能测试数据如图4所示。
以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改与变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
此专利说明书使用实例去展示本发明，其中包括最佳模式，并且使熟悉本领域的技术人员制造和使用此项发明。此发明可授权的范围包括权利要求书的内容和说明书内的具体实施方式和其它实施例的内容。这些其它实例也应该属于本发明专利权要求的范围，只要它们含有权利要求相同书面语言所描述的技术特征，或者它们包含有与权利要求无实质差异的类似字面语言所描述的技术特征。

Claims (14)

1.一种有机物电解制氢的方法，其特征在于：包括如下步骤：
在有机物催化反应系统内，有机物通过有机物给料机被持续供给，以保证足够的有机物被杂多酸氧化成CO2和小分子有机物；
在有机物催化反应系统内反应后的有机物和杂多酸混合溶液携带氢质子经阳极液体循环系统进入电解槽，氢质子通过电解槽的质子交换膜，并在外电路的作用下，氢质子在质子交换膜阴极侧得到电子析出氢气；
氢气随着阴极液体循环系统进入氢气检测收集系统，经氢气检测器检测后进入纯化柱，最后高纯度的氢气进入集气瓶被收集储存。
2.根据权利要求1所述有机物电解制氢的方法，其特征在于：所述有机物的催化氧化反应在有机物催化反应系统中进行，所述有机物催化反应系统由搅拌器、保温储液罐、加热器和有机物给料机组成，保温储液罐与阳极液体循环系统连接。
3.根据权利要求1所述有机物电解制氢的方法，其特征在于：所述反应后的有机物和杂多酸混合溶液携带氢质子经阳极液体循环系统进入电解槽，所述阳极液体循环系统由管道、阀门和隔膜泵组成，通过阀门调整阳极电解液的循环速度。
4.根据权利要求1所述有机物电解制氢的方法，其特征在于：在所述电解槽中，氢质子通过质子交换膜，并在外电路的作用下，氢质子在质子交换膜阴极侧得到电子析出氢气，所述电解槽由端板、集电板、电极板和质子交换膜组成。
5.根据权利要求1所述有机物电解制氢的方法，其特征在于：所述氢气随着阴极液体循环系统进入氢气检测收集系统，所述阴极液体循环系统由管道、阀门、隔膜泵和储液罐组成，通过阀门调整阴极液体的循环速度。
6.根据权利要求1所述有机物电解制氢的方法，其特征在于：所述氢气经氢气检测器检测后进入纯化柱，最后高纯度的氢气进入集气瓶被收集储存，所述氢气检测收集系统由气液分离罐、安全阀、氢气检测器、气体流量计、纯化柱、液位开关和集气瓶组成，气液分离罐与阴极液体循环系统连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的有机物电解制氢的方法，其特征在于：所采用装置的材料均采用防腐蚀材料或内衬防腐蚀材料。
8.根据权利要求1或2所述有机物电解制氢的方法，其特征在于：所述有机物持续供给以保证催化反应连续进行。
9.根据权利要求1或2所述有机物电解制氢的方法，其特征在于：所述有机物的催化氧化反应由光照或加热或者光照和加热同时作用引发。
10.根据权利要求1或2所述有机物电解制氢的方法，其特征在于：所述保温储液罐温度保持在50-120℃，所述保温储液罐的容积为0.5-10m3。
11.根据权利要求1或2所述有机物电解制氢的方法，其特征在于：所述催化反应使用的催化剂包括以下一项或至少两项的任意组合：磷钼酸、磷钨酸、钒取代的磷钼酸、多金属氧酸盐的组合物。
12.根据权利要求4所述的制氢方法，其特征在于：所述电极板材料采用耐腐蚀的导电材料。
13.根据权利要求5所述的制氢方法，其特征在于：所述阴极液体采用水或磷酸作为载氢溶液，也可采用以下一项或至少两项的任意组合：乙醇、甲醇、丙酮。
14.根据权利要求5所述的制氢方法，其特征在于：所述储液罐的容积为0.1-10m3。
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