CN109487292B - 一种使用膜电极产生氢气和氧气的方法和装置 - Google Patents

一种使用膜电极产生氢气和氧气的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种使用膜电极产生氢气和氧气的装置和方法，其装置由电解池、恒流电源和连接管路组成，所述的电解池由上到下分别设有阴极室、阴极板、第一导电过水透气网、CCM膜电极、第二导电过水透气网、阳电极和阳极室，所述的阴极室与连接管路相连，所述的恒流电源阴极与阴极板连接，所述的恒流电源阳极与阳极板连接，所述的阳极室内设有透气不透水膜。本发明改变了固体聚合物电解质电解槽的供水方式，降低了堆固体聚合物电解质电解槽的供水要求，提供了一种低成本、简单、适合多场合使用和多使用方式的产氢方案。

Description

一种使用膜电极产生氢气和氧气的方法和装置
技术领域
本发明涉及电解水产生氢气和氧气的技术，是一种使用CCM膜电极使用普通水稳定产生氢气和氧气的方法和装置。
背景技术
水电解制氢氧是目前应用广泛且较成熟的方法之一。目前市场上的电解池可分为三种：(1)碱性电解池；(2)固体氧化物电解池；(3)固体聚合物电解质电解池。碱性电解池的缺点是效率较低，且使用了具有强烈腐蚀性的KOH溶液作为电解质，KOH的渗漏和用后的处理会造成环境的污染。固体氧化物电解池是另一种电解池技术，缺点是工作在高温，对电解池材料的选择带来了很多限制。而固体聚合物电解质电解池具有很高的电流密度及电流效率，很好的机械强度和化学稳定性，并且欧姆损失小，气体纯度高，安全可靠无污染。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对现有技术的缺点，提供一种一体化集成气液分离器罐、水箱、电解池等部件的氢气的装置，该方法集成了传统固体聚合物产氢装置的电解槽、气液分离罐、水箱。传统的固体聚合物产氢装置部件较多，对电解用水要求非常高(需使用电阻率1MΩ以上的纯水)，装置本身成本较高，本发明改变了固体聚合物电解质电解槽的供水方式，降低了对固体聚合物电解质电解槽的供水要求，提供了一种低成本、简单、适合多使用场景和多使用方式的产氢方案，和使用膜电极纯水制氢制氧、阴极过水、高度集成(集成水箱及气液分离罐)的装置。
为了达到上述目的，提供一种使用膜电极产生氢气和氧气的装置，由电解池、恒流电源和连接管路组成，所述的电解池由上到下分别设有阴极室、阴极板、第一导电过水透气网、CCM膜电极、第二导电过水透气网、阳电极和阳极室，所述的阴极室与连接管路相连，所述的恒流电源阴极与阴极板连接，所述的恒流电源阳极与阳极板连接，所述的阳极室内设有透气不透水膜。
本发明阴极板连接电源负极，阳极板连接电源正极。阴极室与连接管路连接，连接管路包括注水管路，也就是说，在本发明中仅有阴极室设有注水管路，即在阴极室内注入用于电解的水，而阳极室中不设置水流道结构，仅通过透气不透水膜排出气体，因此本发明采用的是阴极接触电解用水的方式，开启电源后，阴极室的水从CCM膜电极的阴极穿过，通过不锈钢网渗透扩散至CCM膜电极的阳极，在CCM膜电极阳极产生氧气，CCM膜电极的阴极产生氢气，氢气聚集成气泡穿过不锈钢网和阴极板后通过阴极室的水体被收集，而阳极产生的氧气通过透气不透水膜被排出，未排出的水封闭在阳极室供电解使用。
之前的氢氧电解槽都是由独立的电解槽、水箱、气液混合器部件组成的一个系统，要获得99％纯度以上的氢气或者氧气以上三个组件缺一不可，并且无法集成，本发明中能够集成各组件的关键在于改变了传统阳极过水的方式，改为了阴极过水，使氢气能够无需进行气液分离可以自然收集，同时样机室设置的透气不透水的膜也使阳极能收集到无需再次气液分离的高纯度氧气。
本发明之所以可以集成电解槽、水箱、阴极室，以及阳极室可以不设置出水管路，是由于阴极室氢气与水自然分离以及阳极室内设有透气不透水膜，通过这种方式，可以省略现用技术的分离罐和水箱，也可以理解为将分离罐、水箱和阴极室集成为一体。另一方面，去除了阳极的水流道结构也节省了电解槽的加工成本，简化了安装工艺。
膜电极是由固体聚合物电解质与电催化剂组成的，膜的两侧分为阴阳极，均附着有电催化剂。
优选的，所述的第一导电过水透气网为不锈钢网、碳毡网、烧结不锈钢网或不锈钢烧结毡。
烧结不锈钢网为多片单层不锈钢网烧结而成。
优选的，所述的第二导电过水透气网为钛网、碳毡网或烧结钛网。
钛网为单层钛网或多层钛网叠加而成，作用为导电、透气。
透气不透水膜为气体可穿过但阻止水穿过的材料。
优选的，所述的透气不透水膜为膨化聚四氟乙烯膜或硅胶膜。
优选的，所述的膜电极的阴极向上与第一导电过水透气网贴合，膜电极的阳极向下与第二导电过水透气网贴合。
优选的，所述的阴极板为带孔不锈钢板，表面电镀或烧结铂金属。
优选的，所述的阳极板为带孔钛板，表面电镀或烧结铂金属。
优选的，所述的连接管路上设有增压装置。
优选的，连接管路包括注水管路和排水管路，所述增压装置包括注水管路上的泵和排水管路的节流阀。
增加压力有助于氢气的溶解。
一种使用膜电极产生氢气和氧气的方法，包括以下步骤：
a.在所述的阴极室内注入用于电解的水；
b.开启电源，所述阴极室的水从所述CCM膜电极的阴极穿过，通过第一导电过水透气网渗透扩散至所述CCM膜电极的阳极，在所述CCM膜电极的阳极产生氧气，CCM膜电极的阴极产生氢气；
c.所述CCM膜电极阴极产生的氢气积聚成气泡后穿过第一导电过水透气网和阴极板后通过所述阴极室的水被收集；
d.所述CCM膜电极阳极产生的氧气穿过第二导电过水透气网和阳极板后，在阳极室内被收集或排出。
透气不透水膜将氧气排出后，将多余的水积聚在阳极室，供电解时使用。
优选的，所述的恒流电源的单位电流范围为0～1A/cm2。
氢气与氧气的出气量与电流成正比，1A电流每分钟对应产生7ml氢气和3.5ml的氧气。
根据膜电极电解水反应区的大小，可以在0～1A/cm2的范围内调整电流强度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明使用的是基于CCM膜电极的纯水电解技术，但又不等同于现有的SPE纯水电解技术。现有的SPE纯水电解技术仅能使用电阻率大于1MΩ的纯净水，如果水电阻率小于1MΩ，则会让接触电解用水的膜电极阳极使用寿命迅速缩短，但本方法采用阴极接触电解用水的方式，水的电阻率大小不会影响阳极寿命。做过多次实验，使用TDS值为50的水，分别用阴极过水和阳极过水两种方式对比测试电解槽寿命，测试使用的是恒电流7A(氢气产气量50ml/min)的电源，实验结果是阳极过水的电解槽工作2小时后电流降低至2A以下(产气量14ml/min以下)，而本案中的阴极过水电解槽恒定在7A电流工作时间持续1000小时以上。
(2)本发明将电解槽、水箱、气液分离罐集成为一体，即本发明中不必额外增加电解槽和水箱，将原来比较复杂的产氢系统得到了简化，降低了产氢的成本，提高了效率。
(3)本发明的方法和装置，当阴极采用钛基镀铂时，氢气以大量的纳米气泡方式产生，由于微小气泡有着较大气泡超高的比表面积，常温常压下即能迅速的与水相溶，是一种高效的制备含氢水(富氢水)的设备，如果配合施加一定压力，则氢气的溶解速度和溶解量更优，是一种低成本高效率的富氢水制备的方法和装置。
(4)本发明较传统SPE膜电极电解槽简化了结构，利用膜电极中质子交换膜透水的特性，采用了阴极过水的方式，去除阳极的水流道结构，节省了电解槽的加工成本，简化了安装工艺。
(5)本发明的处理方法操作简单、环保、经济、高效、无菌，具有广阔的商业应用前景。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施方式)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是50ml/min的产氢电解槽(吸氢机)的结构示意图；
图3是饱和富氢水制备装置的结构示意图；
其中：
1-CCM膜电极 2-阳极板 3-阴极板
4-第一导电过水透气网 5-第二导电过水透气网 6-阴极室
7-阳极室 8-透气不透水膜 9-出气口
10-密封盖 11-泵 12-节流阀
13-进水管路 14-出水管路
具体实施方式
通常的固体聚合物电解质电解池产氢氧系统由电解池、恒流电源、气液分离罐、水箱、连接管路等组件组成，而其中的核心部件电解池由CCM膜电极、阴极室、阳极室、阴极导电板、阳极导电板组成，用于分解制氢气和氧气的水通过电解池的阳极室，被分解成H+和OH-后，H+穿透CCM膜电极到达阴极侧得到电子后还原成为氢气，OH-则在阳极室被氧化后产生氧气。传统的固体聚合物产氢装置部件较多，对电解用水要求非常高(需使用电阻率1MΩ以上的纯水)，装置本身成本较高，本发明改变了固体聚合物电解质电解槽的原有的阳极过水模式，改为阴极过水，降低了堆固体聚合物电解质电解槽的供水要求，提供了一种低成本、简单、适合多场合使用和多使用方式的产氢方案。
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
术语解释：
SPE：固态聚合物电解质。
CCM：燃料电池芯片(catalyst coated membrane)，将燃料电池催化剂涂敷在质子交换膜两则制备的催化剂/质子交换膜组件。
如图1所示的一种使用膜电极产生氢气和氧气的装置，由电解池、恒流电源和连接管路组成，电解池由上到下分别设有阴极室6、阴极板3、第一导电过水透气网4、CCM膜电极1、第二导电过水透气网5、阳电极2和阳极室7，所述的阴极室6与连接管路相连，恒流电源阴极与阴极板3连接，恒流电源阳极与阳极2板连接，阳极室7内设有透气不透水膜8。膜电极1是由固体聚合物电解质与电催化剂组成的，膜的两侧分为阴阳极，均附着有电催化剂。所述的膜电极1的阴极向上与第一导电过水透气网4贴合，阳极向下与第二导电过水透气网5贴合。第一导电过水透气网4为不锈钢网、碳毡网、烧结不锈钢网或不锈钢烧结毡。不锈钢网4为多片单层不锈钢网烧结而成。第二导电过水透气网5为钛网、碳毡网或烧结钛网。钛网为单层钛网或多层钛网叠加而成，作用为导电、透气。透气不透水膜为气体可穿过但阻止水穿过的材料，透气不透水膜8为膨化聚四氟乙烯膜或硅胶膜。阴极板3为带孔不锈钢板，表面电镀或烧结铂金属。阳极板为带孔钛板，表面电镀或烧结铂金属。
实施例1 50ml/min的产氢电解槽(吸氢机)
选用直径45mm的圆形CCM膜电极，恒流7A电源，CCM膜电极反应区电流强度为0.44A/cm3，阴极板3选用不锈钢材质，阳极板2选用拉伸钛网，选用一个带管路接口9的密封盖10能密封阴极室6，按如下步骤操作：
A.在阴极室6内注入用于电解的水；
B.将带管路接口9的盖子10盖在阴极室6上旋紧密封；
C.阴极板3连接电源负极，阳极板2连接电源正极；
D.开启电源，维持电流强度7A，阴极室的水从CCM膜电极1的阴极穿过，通过第一导电过水透气网4，即烧结不锈钢网渗透扩散至CCM膜电极1的阳极，在CCM膜电极1的阳极产生氧气，CCM膜电极1的阴极产生氢气；
E.CCM膜电极1阳极产生的氧气穿过第二导电过水透气网5，即钛网和阳极板2后，可在阳极室7被排出装置；
F.透气不透水膜8将氧气排出后，将多余的水积聚封闭在阳极室7，继续供电解时使用；
G.CCM膜电极1阴极产生的氢气积聚成气泡后穿过第一导电过水透气网4和阴极板3后，通过阴极室6的水体，通过阴极室密封盖上的管路被收集；
实施例2饱和富氢水的制备装置
选用直径45mm的圆形CCM膜电极1，恒流7A电源，CCM膜电极反应区电流强度为0.44A/cm3，阴极板3选用钛镀铂材质，阳极板2选用编织钛网，阴极室6使用一个带进出水口的密闭腔体，按如下步骤操作：
A.在阴极室6内注入用于电解的水；
B.使用盖子10将阴极室上密封；
C.将进水管路13和出水管路14连接在阴极室6上，打开泵电源，将水注入阴极室6，并调节出水侧的节流阀12，使阴极室6腔内积聚两公斤压力；
C.阴极板3连接电源负极，阳极板2连接电源正极；
D.开启电源，维持电流强度7A，阴极室的水从CCM膜电极1的阴极穿过，通过第一导电过水透气网4，即烧结不锈钢网渗透扩散至CCM膜电极1的阳极，在CCM膜电极1的阳极产生氧气，CCM膜电极1的阴极产生大量微小气泡状的氢气；
E.CCM膜电极1阳极产生的氧气穿过导电过水透气网，即钛网和阳极板后，可在阳极室7被排出装置；
F.透气不透水膜8将氧气排出后，将多余的水积聚封闭在阳极室7，继续供电解时使用；
G.CCM膜电极1阴极产生的氢气积聚成气泡后穿过第一导电过水透气网4和阴极板3后，与进水口进入的水混合，在阴极室压力(2KG)区内，通过不规则的湍流运动后，从出水口流出恢复到常压状态，此时出水的氢浓度可以达到饱和值1.6ppm。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了解本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种使用膜电极产生氢气和氧气的持续制备饱和富氢水的装置，其特征在于，由电解池、恒流电源和连接管路组成，所述的电解池由上到下分别设有阴极室、阴极板、第一导电过水透气网、CCM膜电极、第二导电过水透气网、阳电极和阳极室，所述的阴极室与连接管路相连，所述的恒流电源阴极与阴极板连接，所述的恒流电源阳极与阳极板连接，所述的阳极室内设有透气不透水膜，所述的阳极室不设置出水管路，也不设置水流道结构，在制备饱和富氢水时，所述透气不透水膜将氧气排出后，将多余的水积聚封闭在阳极室，继续供电解时使用；所述连接管路包括进水管路和出水管路，所述进水管路和出水管路分别连接在所述阴极室的两侧，所述进水管路被配置为将水注入所述阴极室，所述出水管路被配置为输出富氢水；在所述连接管路上设有增压装置，所述增压装置包括进水管路上的泵和出水管路的节流阀，所述的恒流电源的单位电流范围为0～1A/cm2，所述装置可恒定在7A电流工作时间持续1000小时以上；所述阴极板采用钛基镀铂制成。
2.根据权利要求1所述的使用膜电极产生氢气和氧气的持续制备饱和富氢水的装置，其特征在于，所述的第一导电过水透气网为不锈钢网、碳毡网、烧结不锈钢网或不锈钢烧结毡。
3.根据权利要求1所述的使用膜电极产生氢气和氧气的持续制备饱和富氢水的装置，其特征在于，所述的第二导电过水透气网为钛网、碳毡网或烧结钛网。
4.根据权利要求1所述的使用膜电极产生氢气和氧气的持续制备饱和富氢水的装置，其特征在于，所述的透气不透水膜为膨化聚四氟乙烯膜或硅胶膜。
5.根据权利要求1所述的使用膜电极产生氢气和氧气的持续制备饱和富氢水的装置，其特征在于，所述的膜电极的阴极向上与第一导电过水透气网贴合，膜电极的阳极向下与第二导电过水透气网贴合。
6.根据权利要求1所述的使用膜电极产生氢气和氧气的持续制备饱和富氢水的装置，其特征在于，所述的阴极板为带孔不锈钢板，表面电镀或烧结铂金属。
7.根据权利要求1所述的使用膜电极产生氢气和氧气的持续制备饱和富氢水的装置，其特征在于，所述的阳极板为带孔钛板，表面电镀或烧结铂金属。
8.根据权利要求1所述的使用膜电极产生氢气和氧气的持续制备饱和富氢水的装置，其特征在于，所述的连接管路上设有增压装置。
9.一种利用如权利要求1-8任一项所述装置产生氢气和氧气的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.在所述的阴极室内注入用于电解的水；
b.开启电源，所述阴极室的水从所述CCM膜电极的阴极穿过，通过第一导电过水透气网渗透扩散至所述CCM膜电极的阳极，在所述CCM膜电极的阳极产生氧气，CCM膜电极的阴极产生氢气；
c.所述CCM膜电极阴极产生的氢气积聚成气泡后穿过第一导电过水透气网和阴极板后通过所述阴极室的水被收集；
d.所述CCM膜电极阳极产生的氧气穿过第二导电过水透气网和阳极板后，在阳极室内被收集或排出。
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