CN111108061B - 氢气发生器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于产生氢气的电解电池。电池包括电解质隔室和安置于其中的电解质。电解质包括碱性水溶液，所述碱性水溶液包括过渡金属离子或p区金属离子。电池还包括至少部分安置于电解质中的经间隔开的第一和第二电极。

Description

氢气发生器
技术领域
本发明涉及包括用于产生氢气的电解质的电化学电池。确切地说，本发明描述一种电解质，其包括碱性水溶液，其中过渡金属离子或p区金属离子溶解于其中。本发明延伸到一种用于产生和储存氢气的设备、电解质本身的用途和一种产生氢气的方法。
背景技术
氢气为重要的能量载体并且有可能替换烃类燃料以用于可持续的开发[1]。当前烃燃料的能量相关问题(例如空气污染、气温变化和资源稀少)对于探究氢气来说是重要的动机。作为替代燃料源，氢气具有所有燃料的最高特定能量含量，且可用于有限或没有纯的大气排放的燃料电池中的清洁电力产生，且方便高效储存能量[2]。氢气可直接用作产生更高能效的运输燃料，其作为技术和政治问题正受到非常有利的关注[3]。
目前，存在若干产生氢气的工业方法，其中包括重整、光转化和电解，这些方法已获得关注。已论述其优点和缺点[4]。水电解提供最清洁的氢气产生溶液。其优点为(i)其产生零碳排放；(ii)其产生纯氢气，影响由氢进料中的杂质严重影响的燃料电池技术；(iii)其独立于烃资源；(iv)其可在小型设备中操作；以及(v)可再生能源可用于产生氢气[5]。
水分解的电解工艺技术上简单，且存在许多关于水电解工艺的技术，例如碱性电解、聚合物电解质膜(PEM)和固体氧化物电解电池(SOEC)。关于电解工艺的发展问题是高能量要求、安装成本和低安全性、耐久性和能效[6]。一些电解槽尤其PEM对水的纯度高度敏感，必须在电解[6]之前施加额外的水处理。因此，大量的研究致力于改进操作条件，包含电极和电解质的电化学活性和减少电解电池的总电阻方面。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于产生氢气的电解电池，所述电池包括电解质隔室；安置于电解质隔室中的电解质，其中所述电解质包括碱性水溶液，所述碱性水溶液包括过渡金属离子或p区金属离子；以及至少部分安置于电解质中的经间隔开的第一和第二电极。
有利地，电解电池经配置以当在第一和第二电极上施加电压时有效地产生氢气。举例来说，如实例中所解释，与常规水电解系统相比，发明人能够在低电压下产生氢气并且每质量单位氢气产生的能量降低了2到4倍。
可了解过渡金属或p区金属离子可与碱性溶液平衡。举例来说，如实例中所解释，认为在碱性溶液中的氢氧化锌Zn(OH)2可平衡，使得以下物质可存在：Zn2+ (aq)、Zn(OH)+ (aq)、Zn(OH)2(aq)、Zn(OH)3-(aq)和Zn(OH)4 2-。因此，过渡金属离子的浓度可理解为指与过渡金属离子本身和与电解质的其它元素(如氢氧根离子)络合的过渡金属离子的浓度。
第一和第二电极可独立地包括基于碳的电极或基于金属的电极。所述基于碳的电极或每一基于碳的电极可包括石墨。所述基于金属的电极或每一基于金属的电极可包括铬、镍、锌、镉、铜、锡、铅、铑、铂、金、钯、铱、锇、铼、钌、锗、铍和/或银。替代地，所述基于金属的电极或每一基于金属的电极可包括合金，例如黄铜或青铜。最优选地，电极包括石墨或锌。在一个实施例中，第一和第二电极都包括石墨。在另一实施例中，第一和第二电极都包括锌。
在一个优选实施例中，电极中的至少一者包括至少一层过渡金属或p区金属，其与电解质中的过渡金属离子或p区金属离子是相同的金属。
电极可具有大体上平滑的表面。然而，在一个优选实施例中，电极具有大体上纹理化或多孔表面。有利地，纹理化或多孔表面增加电极的表面积。
优选地，碱性水溶液包括阿伦尼斯碱(Arrhenius base)、路易斯碱(Lewis base)，或布朗斯特-劳瑞碱(Bronsted-Lowry base)，更优选强阿伦尼斯碱或路易斯超强碱。阿伦尼斯碱可包括碱金属或碱土金属氢氧化物。阿伦尼斯碱可包括氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钡、氢氧化铯、氢氧化锶、氢氧化钙、氢氧化锂和/或氢氧化铷。
路易斯碱可包括丁基锂(n-BuLi)、二异丙氨基锂(LDA)、二乙氨基锂(LDEA)、氨化钠、氢化钠(NaH)或双(三甲基硅烷基)氨基锂。
布朗斯特-劳瑞碱可包括氢氧化铵、脂肪族胺或芳香族胺。脂肪族胺可包括甲胺、乙胺或二甲胺。芳香族胺可包括苯胺、苯二胺或邻甲苯胺。
在一个优选实施例中，碱性水溶液包括阿伦尼斯碱。优选地，氢氧化物浓度与过渡金属离子或p区金属离子浓度的比在2:1与50:1之间，更优选地在3:1与40:1之间，在4:1与30:1之间或在5:1与25:1之间，并且最优选地在10:1与20:1之间。
在一个实施例中，阿伦尼斯碱为氢氧化钠。氢氧化物浓度与过渡金属离子或p区金属离子浓度的比优选地在2:1与50:1之间，更优选地在3:1与40:1之间，在4:1与30:1之间或在5:1与20:1之间，并且最优选地在10:1与15:1之间。发明人已发现当通过将氧化锌添加到氢氧化钠溶液来制备电解质时，最优比为约10:1(NaOH:ZnO)。然而，如在实例中的等式1和2中所解释，将氧化锌添加到氢氧化钠溶液使得产生两个另外的氢氧根离子。因此，溶液中的最优比为约12:1(OH-:Zn2+)。
在一个实施例中，强阿伦尼斯碱为氢氧化钾。氢氧化物浓度与过渡金属离子或p区金属离子浓度的比优选地在2:1与50:1之间，更优选地在3:1与40:1之间，在4:1与30:1之间或在10:1与25:1之间，并且最优选地在15:1与20:1之间。发明人已发现当通过将氧化锌添加到氢氧化钾溶液来制备电解质时，最优比为约15:1(NaOH:ZnO)。然而，应了解，将氧化锌添加到氢氧化钾溶液使得产生两个另外的氢氧根离子。因此，溶液中的最优比为约17:1(OH-:Zn2+)。
优选地，碱性水溶液在20℃下的pH为至少9，更优选地至少10或至少11，并且最优选地至少11.5。优选地，碱性水溶液在20℃下的pH在9与14之间，更优选地在10与13.5之间或在11与13之间，并且最优选地在11.5与12.5之间。
在一个实施例中，碱性水溶液包括氢氧化钾，并且在20℃下的pH为优选地至少9，更优选地至少10或至少11，并且最优选地至少11.5。优选地，碱性水溶液包括氢氧化钾，并且在20℃下的pH在10与14之间，更优选地在11与13.5之间或在11.32与13.04之间，并且最优选地在11.63与12.01之间。
在一个替代性实施例中，碱性水溶液包括氢氧化钠，并且在20℃下的pH为优选地至少10，更优选地至少11或至少11.5，并且最优选地至少12。优选地，碱性水溶液包括氢氧化钠，并且在20℃下的pH在11与13.5之间，更优选地在11.5与13之间或在11.71与12.62之间，并且最优选地在12.38与12.52之间。
过渡金属离子可包括锌离子、铜离子、铁离子、镍离子、钴离子、铬离子、镉离子、钒离子、钛离子、钇离子、锆离子和/或钪离子。优选地，过渡金属离子包括Zn2+、Cu+、Cu2+、Ni2+、Co2+、Co3+、Cr2+、Cr3+、Cr6+、Cd2+、V5+、Ti2+、Ti3+、Ti4+、Fe2+、Fe3+、Fe6+、Y3+、Zr4+和/或Sc3+。p区金属离子可包括铝离子、锡离子或铅离子。优选地，p区金属离子包括Pb2+、Al3+、Sn2+和/或Sn4+。如上文所解释，过渡金属离子或p区金属离子可与电解质的其它组分络合。因此，电解质可包括氢氧化锌、锌酸盐、铅酸盐(II)、四氢铜酸盐(II)、氢氧化铜(II)、铁酸盐、钇酸盐、锆酸盐和/或钪酸盐。优选地，电解质包括氢氧化锌、锌酸钠、锌酸钾、铅酸钠(II)、铅酸钾(II)、四氢铜酸钠(II)、四氢铜酸钾(II)、氢氧化钠铜(II)、氢氧化钾铜(II)、铁酸钠、铁酸钾、铁酸钡、钇酸钠、钇酸钾、锆酸钠、锆酸钾、钪酸钠和/或钪酸钾。最优选地，电解质包括氢氧化锌、锌酸钠和/或锌酸钾。
优选地，电解质中的过渡金属离子或p区金属离子的浓度在0.01M与1.2M之间，更优选地在0.05M与1M之间或在0.1M与0.8M之间，并且最优选地在0.15M与0.6M之间或在0.2M与0.4M之间。
在一个实施例中，电解质包括锌酸钠并且锌离子的浓度在0.01M与0.6M之间，更优选地在0.1M与0.4M之间或在0.15M与0.3M之间，并且最优选地在0.2M与0.25M之间。
在一个实施例中，电解质包括锌酸钾并且锌离子的浓度在0.01M与1.2M之间，更优选地在0.1M与0.6M之间或在0.2M与0.5M之间，且最优选地在0.25M与0.45M之间。
在一个实施例中，电极包括石墨且电解质包括锌酸钾并且锌离子的浓度在0.01M与1.2M之间，更优选地在0.1M与0.6M之间或在0.2M与0.4M之间，并且最优选地在0.25M与0.35M之间。
在一个实施例中，电极包括锌且电解质包括锌酸钾并且锌离子的浓度在0.01M与1.2M之间，更优选地在0.2M与0.6M之间或在0.3M与0.5M之间，并且最优选地在0.35M与0.45M之间。
在一些实施例中，电解隔室可包括未经分隔开的电池。因此，电解隔室可不包括在阳极与阴极之间的离子可渗透膜，所述离子可渗透膜将电解隔室分隔为阳极液隔室和单独的阴极液隔室。
在替代性实施例中，电解隔室可包括经分隔开的电池。因此，电解隔室可包括在阳极与阴极之间的离子可渗透膜，所述离子可渗透膜将电解隔室分隔为阳极液隔室和单独的阴极液隔室。可渗透膜可包括陶瓷膜或聚合物膜。陶瓷膜可包括氧化镁、氧化铍、铝酸镁、氧化钇稳定氧化锆或氧化钆掺杂二氧化铈。聚合物膜可包括聚乙烯、聚丙烯、纳菲(Nafion)、聚三苯基胺或聚偏二氟乙烯(PVDF)。有利地，隔板将允许电极更接近地定位在一起且具有较高表面积，并将因此增加电池的效率。
电解电池可包括经配置以在第一和第二电极上施加电压的电源。电源可包括电池、发电机、可再生能源或其可包括国家电网。可再生电源可包括太阳能发电机、风能或电力发电机。
电源可经配置以用于将直流电供应到电极。电解电池可包括经配置以监测流过电极的电流的控制系统。如果控制系统检测到电流降至低于预定水平，那么其可经配置以切换电流的方向。
替代地，电源可经配置以将交流或振荡电流施加到电极。电流可在0.1mHz与100Hz之间的频率下振荡或交流。有利地，如果电源供应交流或振荡电流，那么电极将在阳极与阴极之间连续地切换，由此防止过渡金属在阴极上的大量沉积。
电源可经配置以施加呈正弦波、三角波、锯齿波或方波形式的交流或振荡电流。
电源可经配置以在0.01Hz与100Hz之间，优选地在0.05Hz与50Hz之间且最优选地在0.1Hz与10Hz之间施加交流或振荡电流。优选地，电源经配置以施加呈正弦波形式的交流电流或振荡电流。
对于较低频率，优选地，电源经配置以施加呈方波形式的交流或振荡电流。有利地，方波将不会由于时间流逝而引起延迟，从而恢复开始氧化还原反应所需的电位电压。
因此，在一个替代性实施例中，电源可经配置呈方波的形式将交流或振荡电流施加到电极，且电流可在0.1mHz与1Hz之间，优选地在0.2mHz与50mHz之间或在0.5mHz与20mHz之间，更优选地在0.5mHz与10mHz之间，在0.8mHz与8mHz之间，在1mHz与5mHz之间且优选地在1.5mHz与3.5mHz之间的频率下振荡或交流。
电解电池可包括经配置以在预定间隔之后切换电流的方向的电子开关装置。预定间隔可在1秒与2小时之间，优选地在30秒与1小时之间或在1分钟与30分钟之间，更优选地在2分钟与25分钟之间，在3分钟与20分钟之间或在4分钟与15分钟之间，并且最优选地在5分钟与10分钟之间。
电源可经配置以施加1V与6V之间，优选地1.5V与3V之间，并且最优选地2V与2.5V之间的电压。
第一方面的电解电池可形成用于产生和储存氢气的设备的一部分。
因此，根据第二方面，提供一种用于产生和储存氢气的设备，所述设备包括第一方面的电解电池、用于氢气储存的腔室和经配置以将氢气从电池馈送到腔室的管道。
有利地，设备提供小型氢气发生器和储存器。
优选地，设备包括经配置以允许电池与大气之间的流体连通的管道。优选地，管道包括阀。阀可包括电磁阀。有利地，阀允许将电解质溶液或水添加到电池中。阀还允许电池将氧气排放到大气中。
优选地，经配置以将氢气从电池馈送到腔室的管道包括阀。阀可包括电磁阀。有利地，当电池产生大体上纯的氢气时，阀确保腔室仅流体地连接到电池。
优选地，腔室包括第一部分和第二部分，其中第一部分流体地连接到第二部分。优选地，腔室包括液体且经配置以允许液体在第一和第二部分之间流动。优选地，第一部分包括第一气体且第二部分包括第二气体。优选地，第一气体为氢气。优选地，第二气体为空气。优选地，腔室经配置以防止第一部分中的第一气体与第二部分中的第二气体交换。
优选地，第一部分的体积与第二部分的体积的比在1:2与2:1之间，更优选地在1:1.5与1.5:1之间，并且最优选地在1:1.1与1.1:1之间。在一个最优选实施例中，第一部分的体积大体上等于第二部分的体积。
优选地，液体填充腔室的体积的10％与90％之间，更优选地20％与80％之间，30％与70％之间或40％与60％之间，且最优选地在腔室的体积的45％与55％之间。在一个最优选实施例中，液体填充腔室的体积的约50％。
液体可包括油或水，且优选地包括水。有利地，极少氢气将溶解于水中。
优选地，经配置以将氢气从电池馈送到腔室的管道经配置以将氢气从电池馈送到腔室的第一部分。有利地，氢气可储存于腔室的第一部分中。优选地，腔室的第二部分包括经配置以允许第二部分中的气体排放到大气中的通风口。通风口优选地包括压力安全阀或压力破裂阀。有利地，如果压力上升到高于预定最大压力，那么第二腔室可排放到大气。
优选地，腔室的第一部分包括出口，所述出口包括阀。阀可包括背压调节阀。有利地，出口允许使用者从腔室选择性地去除氢气。
发明人认为电解质的使用本身是新颖且有创造性的。
因此，根据第三方面，提供电解质用于产生氢气的用途，其中电解质包括碱性水溶液，所述碱性水溶液包括过渡金属离子或p区金属离子，其中过渡金属离子或p区金属的浓度在0.01M与1.2M之间。
根据第四方面，提供第一方面的电解电池或第二方面的设备用以产生氢气的用途。
有利的是，设备可用于替换与“热化学水分离循环”相关的当前“高温”(700℃-2,000℃)吸热反应。第一方面的电化学电池和第二方面的设备可在室温下有效地使用，且因此可替换在热化学水分离工业中当前使用的高度吸热方法。这可显著降低产生H2的总成本，由此使得总体方法与使用化石燃料的当前重整技术相当。
氢气可用作燃料，并且可用于给汽车供电。替代地，由于电池可使用替代的能量来源(诸如太阳能或风力)供电，因此设备可用于在可能未连接到电力网的远程位置中产生氢气。
此外，氢气可例如在化学实验室中用作反应物。
根据第五方面，提供一种产生氢气的方法，所述方法包括在电极上施加电压，其中所述电极包括阴极和经间隔开的阳极，且至少部分安置于电解质中，所述电解质包括碱性水溶液，所述碱性水溶液包括过渡金属离子或p区金属离子，且阳极包括至少一层过渡金属或p区金属。
优选地，第五方面的方法使用第一或第二方面的设备。
优选地，阳极的过渡金属或p区金属与电解质中的过渡金属离子或p区金属离子是相同的金属。
所述方法可包括在电极上施加电压的主要步骤，其中电极至少部分安置于电解质中，且由此使得过渡金属或p区金属层形成于阴极上。所述方法可随后包括切换电极。有利地，具有过渡金属或p区金属层的电极现在为阳极。切换电极可包括切换电流的方向。
可了解，此主要步骤可引起氧气产生。因此，所述方法可包括排放主要步骤中产生的氧气。
所述方法可包括将水添加到电解质中以维持溶解于其中的过渡金属离子或p区金属离子的浓度。因此，所述方法可包括监测所产生的氢气的体积且针对每1244cm3所产生的氢气将1ml水添加到电解质。
所述方法可包括切换电极。可在预定时间段之后切换电极。替代地，所述方法可包括监测氢气产生的速率和/或电流，且当观察到氢气产生的速率和/或电流降低时切换电极。优选地，所述方法包括监测电流，且当观察到电流降低时切换电极。切换电极可包括切换电流的方向。
所述方法可包括将所产生的氢气输送到氢气储存器。氢气储存器可如第二方面中所定义。所述方法可包括用氢气使安置于氢气储存器中的液体移位。
本文所述的所有特征(包含任何所附权利要求书、摘要和图式)和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可与以任何组合的以上方面中的任一者组合，除其中这类特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合之外。
附图说明
为了更好的理解本发明，并且为了示出如何实现本发明的实施例，现将通过举例的方式参考附图，其中：
图1a为用于电解电池的实验设置的示意图；且图1b为实验设置的照片；
图2a为展示氢气产生速率和电流随时间推移的图；且图2b为展示阳极上的锌层如何随时间变化的示意图；
图3为展示电解质随锌酸钠在水溶液中的浓度而变的电导率和电阻的图；
图4为展示对于使用石墨电极的电解系统，在1.8V、2.0V和2.2V下的氢气产生率对比锌酸钠浓度的图；
图5为展示对于使用石墨电极的电解系统，在1.8V、2.0V和2.2V下的电流密度对比锌酸钠浓度的图；
图6为展示石墨电极表面对氢气产生速率的影响的图；
图7为展示对于使用锌电极的电解系统，在1.8V、2.0V和2.2V下的氢气产生率对比锌酸钠浓度的图；
图8为展示对于使用锌电极的电解系统，在1.8V、2.0V和2.2V下的电流密度对比锌酸钠浓度的图；
图9为展示对于使用石墨电极的电解系统，在1.8V、2.0V和2.2V下的氢气产生率对比锌酸钾浓度的图；
图10为展示对于使用锌电极的电解系统，在1.8V、2.0V和2.2V下的氢气产生率对比锌酸钾浓度的图；
图11为根据本发明的氢气发生器的实施例的示意图。
具体实施方式
实例1-使用石墨电极和包括锌酸钠的电解质产生氢气
材料与方法
设备
在图1中所示的封闭电解电池2中进行分批实验。电池2包括矩形亚克力(Perspex)容器4，其高度为25cm，长度和宽度为20cm×12cm。此确保有足够的容量来容纳用于所有实验的不同体积的溶液。使用直径为1cm且高度为3cm的圆柱形石墨电极6。每一电极6连接至容器4的底座，且电极间隔开3cm。将1升气体收集管8放置在每一电极6上方以捕获实验中产生的氢气12。在管8侧面上的刻度允许测量所产生的氢气的体积。
尼龙管9连接到管8的顶部，允许在实验开始之前使用真空泵13在这些管中填充电解质。阀11随后可关闭，从而确保在实验期间收集的任何气体将保持在管中。
常规DC电源(DIGIMESS HY3010，0-30V/0-10A)10用于将电压施加到系统。
实验程序
通过首先将660g氢氧化钠颗粒(认证级西格玛-阿尔德里奇(Sigma-Aldrich)，06203，98％纯度)溶解于1386ml蒸馏水中来制备锌酸钠溶液(0.59摩尔/升)。这将引起放热反应，其将升高溶解有66g氧化锌粉末(认证级霍尼韦尔(Honeywell)，205532，99.9％纯度)的溶液的温度。因此，氧化锌与氢氧化钠溶液根据下式发生反应：
ZnO(s)+2NaOH(aq)→Zn(OH)2(aq)+Na2O(aq)                        1
氧化钠随后与水反应，如：
Na2O(aq)+H2O(l)→2NaOH(aq)                                   2
溶液中可用的过量NaOH用于溶解Zn(OH)2以形成可标记为锌酸钠Na2Zn(OH)4的伪化合物，如：
Zn(OH)2(aq)+2NaOH(aq)→Na2Zn(OH)4(aq)                           3
尚未确定在氢氧化锌对强碱的影响下形成哪些化合物。一些报道以电导率测量结果为依据否认锌酸钠的存在，并推测NaOH中的Zn(OH)2代替形成胶态溶液。
Reichle等人[7]使用原子吸收分光光度计的分析已假定氢氧化锌在NaOH中的溶解度可用Na2Zn(OH)4与饱和溶液的平衡来解释，所述饱和溶液含有可用Zn2+ (aq)、Zn(OH)+ (aq)、Zn(OH)2(aq)、Zn(OH)3 - (aq)和Zn(OH)4 2-表示的物质。
随后将用蒸馏水稀释溶液以获得所要氢氧化锌浓度。
将溶液倾入电解电池2中并且使用两个气体收集管8捕获氢气。随后施加电压，引起在阴极处发生以下反应：
Zn(OH)2(aq)+2e-→Zn(s)+2OH- (aq) E＝-0.828V      4
和：
2H2O(l)+2e-→H2(g)+2OH- (aq) E＝-1.249V      5
类似地，在阳极处发生以下反应：
4OH- (aq)→O2(g)+2H2O(l)+4e- E＝-0.4V        6
因此，总反应可写成：
Zn(OH)2(aq)→Zn(s)+H2(g)+O2(g)                                  7
对于这组反应，可逆电位E°或平衡电池电压(定义为阳极和阴极之间的平衡电位差)为-1.677V。归因于电池电阻，发明人发现最小操作为1.9V。为确保反应以合理的速率进行，发明人使用2.5V的电压。
归因于根据等式4的氢氧化锌的减少，观察到在阴极上的均匀锌层的沉积。在四小时之后，发明人发现锌层足以进行到下一阶段。此时，通过更换电源上的两个(+/-)端口来切换电极。随后可进行分批实验。对于每一浓度，在2.2V、2.0V和1.8V下进行实验。
如等式6中所指示，在阳极处产生氧气。这随后与锌层反应，如：
2Zn(s)+O2(g)→2ZnO(s)                                          8
氧化锌随后与溶液中的氢氧化钠根据等式1到3发生反应，得到含有氢氧化锌和/或锌酸钠的溶液。这将根据等式4在阴极处反应。因此，进行以下过程：
Zn(s)+2H2O(l)→Zn(OH)2(aq)+H2(g)                              9
通过读取气体收集管8上的刻度来手动地收集所有测量值以确定所释放的氢气的体积并且记录电流。以5分钟间隔获取读数以监测随时间推移的氢气产生率。
使用玻璃棒定期混合溶液以确保氢氧化锌的均匀梯度。当在溶液中观察到悬浮的锌固体时，与既定的浓度产生偏差，去除固体并且用等效摩尔量的氧化锌粉末替换。替代地，根据等式8，较小量的悬浮锌朝向阳极扫掠，使得其氧化以形成氢氧化锌。
重要的是追踪电解电池中消耗的水的量。因为水经分解以产生氢气，所以溶液的浓度将随着电解进行而变化，因为水经分解产生氢气和氧气。所使用的水的量是基于所产生的累积氢气来计算的，因为其为唯一可测量的气体。为了维持溶液中的锌酸钠浓度，对于每1244cm3所产生的氢气添加1ml水。
电极切换
如以上等式8中所指示，随着电解反应进行，安置于阳极16上的锌14与氧气18反应以产生氧化锌。因此，随着反应进行，阳极16上的锌层14减少。图2b(i)展示在反应开始时的阳极16，其具有安置在其外表面上的厚锌层14。图2b(ii)展示在电解反应已运行一段时间之后的阳极16，应注意，锌层14已大体上减少。最后，图2b(iii)展示在电解反应已运行持续甚至更长的时间段之后的阳极16，且锌层14已完全耗尽。因此，氧气泡18现在根据等式6在阳极16上形成。发明人已经注意到，当锌层耗尽时，观察到的电流和氢气产生的速率降低，如图2a中所示。
然而，虽然锌层14在阳极16上耗尽，但根据等式4，另一锌层14将沉积在阴极上。因此，一旦阳极16上的锌含量耗尽，发明人就可以通过更换电源上的两个(+/-)端口来切换电极。新颖阳极随后将具有安置于其上的锌层。
存在若干可观测的指标表明切换电极的时间，即电流的降低、氢气产生速率的降低和氧气产生速率的增加。理论上，预期这些指标同时呈现。然而，重要的是有一个确保一致性的主要指标。因此，电流水平用作切换电极的主要指标。发明人观察到，一旦锌层14变得太薄，使得阳极16的一些区域暴露于溶液，那么电流开始快速降低，并且此时发明人切换电极。
应了解，归因于所施加电压和溶液浓度的变化，切换时间在实验之间变化。因此，发明人预测其预期电流降低的时间，还维持电流的实时观测，使得一旦检测到任何电流降低即切换电极。此方法确保维持一致的标准。
结果和论述
锌酸钠浓度的影响
溶液内的离子转移取决于溶液的浓度和电极之间的距离。可通过减小电极6之间的间隙来使离子电阻最小化。使用图1中展示的装备的最小实际距离为3cm，因为此距离为调节气体收集管8而保留空间。溶液的离子电阻取决于其中的离子浓度并且可通过测量溶液的电导率来估计。电导率与电阻之间的直接关系由等式R＝l/σA给出，其中R为电阻，σ为电导率，l为长度且A为面积。在实验设置中，l为0.6cm且A为1cm2。因此，可分析改变锌酸钠溶液的浓度对电阻的影响。此结果说明于图3中。
离子转移通过溶液中的对流质量转移来控制。在较低浓度(<0.25M)下，由于溶液变得高度稀释，因此电导率较低，导致离子数目减少。相反地，在较高浓度下，电导率也由于离子的迁移率减小而降低，这归因于溶液的较高粘度，并且还归因于无助于整体电池电导率的中性离子对的形成。因此，溶液的最优浓度为约0.25M。
通过电解质溶液维持电流通过的能力取决于其组成(带电离子)在浸没在电解质中的电极之间的电场中的迁移率。更好的离子迁移率产生更高的反应速率，这反过来增加氢气产生速率。因此，发明人还分析在不同浓度下的氢气产生速率，且结果展示于图4中。
观察到的最高氢气产生速率为0.2M，且所有三个电压的趋势表明最优浓度在0.1M与0.3M之间。在此浓度之下，随着溶液变得高度稀释，氢气产生减少，且电极和电解质界面处的氢氧化锌离子的可用性受到限制。类似地，高于此浓度，中性离子对形成并且这些将不会被吸引到电极。
电压影响
通过调节每一实验的电压来实验所施加的操作电池电压对氢气产生率的影响。
氢气产生率在较高电压下增加，因为其增加电解过程。电池电压与电流之间的关系表征电解电池的电化学特性。电解中产生的氢气与过程中涉及的电荷量成比例。因此，根据法拉第定律(Faraday's law)，氢气产生率与电荷转移(也就是说，电流)成正比。因此，当在电源上调节电压时，通过电源传递到电解过程的电荷影响电流。因此，通过增加电压，电流密度也增加，产生如表1中所示的较高氢气产生速率。
表1：针对所有浓度所展示的在不同电压下的电流密度
Figure BDA0002338416240000141
使用较低电压是合乎需要的，因为其实现较大的能效。归因于覆盖石墨电极的锌层，电池可在比以可能的其他方式更低的电压下操作。举例来说，当使用1.8V的电压时，氢气产生的速率较高。然而，如上文所解释，当阳极不包括锌层时，需要1.9V的最低电压以仅允许反应完全进行。类似地，在工业中，对于0.1-0.3A/cm2[8]之间的电流密度，水电解需要2.0V的最低电压以用于氢气产生。
电流密度的影响
应了解，氢气产生速率取决于电解电池中的电流密度。因此，发明人研究电流密度如何随着锌酸钠的浓度而改变，并且结果展示于图5中。
应注意，针对平均电流密度对比浓度所观察到的趋势紧密地反映针对氢气产生速率对比浓度所观察到的趋势，确认氢气产生率与电流密度之间的关系。确切地说，在0.2M的浓度下观察到最大平均电流密度，该浓度与观察到最大氢气产生速率的浓度相同。
随着锌层在电极上变厚，电流随时间推移减小。这增加了两种组分的电阻；电极的电阻和电解质的电阻。电极上的厚锌层引起电极和电解质界面处的电阻增加，这意味着新近形成的锌阻碍氢气的逸出，或在界面处的氢氧化锌离子的可用性受到限制，从而暂时中止电化学反应。电池通过减小电流而作出响应，从而产生较低的氢气产生速率。
电极材料和表面条件
选择正确的电极材料对于电解电池的高效操作至关重要。选择电极材料为基于石墨的，因为据理解这提供足够的强度和稳定性以防物理侵蚀(如碱性溶液的侵蚀)起初，电极具有光滑的表面。然而，当电极经历长小时的所施加电压时，其腐蚀而留下略微多孔的表面。重复初始实验确定此改变有什么影响。
如图6中所示，当电极具有多孔表面时，观察到氢气产生速率的增加。实际上，对于在光滑表面上进行相同的电压和电解质浓度，观察到的平均增加率为96％。这归因于电极的较大表面区域。因此，多孔电极是有利的。
电池效率
可以通过比较不同技术的能效来直接比较电解槽技术。这考虑到单位体积电解电池处的氢气产生速率与施加到电池[8]的总电能的比，如下式所给出：
ηH2产生速率＝VH2/(Uit)                                          10
，其中VH2为单位体积电解电池处的氢气产生速率；
U为电池电压；
i为电池电流；以及
t是时间。
ηH2产生率的单位为m3m-3h-1kWh-1。初始m3来自电解容器/电解质的体积，m-3h-1来自氢气的产生速率，且kWh-1来自所使用的电力量。
下表2中给出当电解质包括0.2M锌酸钠时所获得的值。
表2：在使用石墨电极的情况下，在0.2M锌酸钠下，在各种电压下，单位体积电解电 池处的氢气产生速率与施加到电池的总电能之比
Figure BDA0002338416240000161
如果需要高电压来产生相同氢气质量，同时保持电流恒定，那么认为电池效率低。如以上表中所展示，此系统在2.2V下所获得的值为6.3m3m-3h-1kWh-1，相反地，对于水电解槽[9]，2.3m3m-3h-1kWh-1的值为典型的。因此，发明人开发的电池与常规水电解槽相比具有更高的氢气产生性能，因为产生氢气需要电力的更小。
结论
已构造具有石墨电极的实用碱性水电解电池，以探究使用锌酸盐溶液作为电解质的氢气产生率。通过分析所施加电压、电流和锌酸钠浓度的影响来研究最优操作条件。实验结果展示氢气产生率在约0.2M下达到峰值。增加电压还增加氢气产生速率。此外，多孔石墨表面的形成为影响氢气产生速率的另一积极因素。
结果展现在低电压下的显著氢气产生率，其表明相比于常规水电解系统，能效更高且每质量单位的氢气产生的能量降低了2.7倍。由于实验代表可行性阶段，因此可能进一步优化系统以实现更高的效率。
实例2-使用锌电极和包括锌酸钠的电解质产生氢气
材料和方法
通过用锌电极[2.4cm(h)×0.9cm(d)]替换石墨电极来修改实例1中所描述的设备。电极在底座处覆盖有0.5cm聚乙烯软管以防止底座腐蚀。
如实例1中所描述，当观察到电流减小时切换电极。然而，不同于实例1，观察到氢气产生的延迟。不希望受理论所束缚，发明人假设此可归因于电极的过饱和。为了抵消此，当切换端口时，电压增加到10-12安培，直到存在氢气气泡，且随后将电压降低到所要电压。在结果中注意到这一点，如在一些情况下，在前5分钟中不存在或存在少量氢气产生。由于解决了此过饱和，电流也降低了，且氢气产生速率增加。
除这些差异之外，设备和实验方法如实例1中所描述。
结果和论述
锌酸钠浓度的影响
在不同浓度下的氢气产生速率展示于图7中。再次，在0.2M下观察到最高氢气产生速率，且所有三个电压的趋势表明最优浓度在0.1M与0.3M之间。
电压的影响
类似地，发明人发现电池可在低电压下操作。
表3：针对所有浓度(锌酸钠/锌电极)所展示的在不同电压下的电流密度
Figure BDA0002338416240000171
电流密度的影响
如同石墨电极，发明人研究电流密度如何随锌酸钠浓度变化，并且结果展示于图8中。再次，在0.2M的浓度下观察到最大平均电流密度，该浓度与观察到最大氢气产生速率的浓度相同。
电池效率
还计算此系统的电池效率，且所获得的值在以下表X中给出。
表4：在使用锌电极的情况下，在0.2M锌酸钠下，在各种电压下，单位体积电解电池 处的氢气产生速率与施加到电池的总电能之比
Figure BDA0002338416240000181
结论
实例1中所描述的碱性水电解电池可与包括除石墨以外的材料的电极一起使用。确切地说，发明人已展示可有效地使用锌电极，且使用这些电极达成与用石墨电极获得的那些类似的结果。然而，应了解，还可使用包括替代性材料的电极。
实例3-使用石墨电极和包括锌酸钾的电解质产生氢气
材料与方法
所使用的设备如实例1中所描述。
通过首先将1430g氢氧化钾溶解于980ml蒸馏水中来制备锌酸钾溶液(1.25mol/L)。这将引起放热反应，其将升高溶解有98g氧化锌粉末(认证级霍尼韦尔，205532，99.9％纯度)的溶液的温度。
应了解，所发生的反应将如实例1中所描述，不同之处在于钠将被钾替换。
除这些差异之外，设备和方法如实例1中所描述。
结果和论述
锌酸钾浓度的影响
在不同浓度下的氢气产生速率展示于图9中。不同于实例1和2，在0.3M下观测到最高氢气产生速率，且所有三个电压的趋势表明最优浓度在0.1M与0.4M之间。
表5：在使用石墨电极的情况下，在0.3M锌酸钠下，在各种电压下，单位体积电解电 池的氢气产生速率与施加到电池的总电能之比
Figure BDA0002338416240000191
结论
实例1中所描述的碱性水电解电池元可与替代性电解质一起使用。确切地说，发明人已表明可使用锌酸钾溶液。实验结果展示氢气产生率在约0.3M下达到峰值。再次，增加电压还增加氢气产生速率。
实例4-使用锌电极和包括锌酸钾的电解质产生氢气
材料和方法
所使用的设备如实例2中所描述，且所使用的电解质如实例3中所描述。
除这些差异之外，设备和方法如实例1中所描述。
结果与讨论
锌酸钾浓度的影响
在不同浓度下的氢气产生速率展示于图10中。再次，在0.4M下观察到最高氢气产生速率，且所有三个电压的趋势表明最优浓度在0.3M与0.5M之间。
表6：在使用锌电极的情况下，在0.4M锌酸钠下，在各种电压下，单位体积电解电池 的氢气产生速率与施加到电池的总电能之比
Figure BDA0002338416240000201
结论
实例3中所描述的碱性水电解电池还可与替代性电解质一起使用。确切地说，发明人已表明可使用锌酸钾溶液。实验结果展示氢气产生率在约0.4M下达到峰值。再次，增加电压还增加氢气产生速率。
实例5-小型氢气发生器
图11展示小型氢气发生器20。所述发生器包括电解电池2'，其包括多个石墨电极6'。电极6'作为阳极16'和阴极22示出。然而，应了解，可如上文所解释的那样切换阴极16'和阳极22，替代地，可使用振荡或交流电流来连续地切换电极。
发生器20还包括包含锌酸钠的电解质溶液24(如实例1中所描述)，且管道26允许使用者视需要加满溶液24。安置于管道26中的阀28防止在电池2'中产生的氢气12逸出到大气中。
发生器20还包括氢气储存器30。储存器30包括通过分离器36分成两个部分34a和34b的腔室34。部分34a和34b的体积大致相等。分离器36连接到顶壁和侧壁，但在底座处留下小孔37，由此允许两个部分34a和34b之间的流体连通。液体38安置于腔室34中，填充约一半体积。液体38的高度大于间隙37的高度，且由此防止第一部分34a中的气体与第二部分34b中的气体混合。如果腔室34内的压力超出预定水平，那么包括压力安全阀46的通风口40允许第二部分34b中的气体排放到大气中。操作员可以视需要操作腔室34以补充液体38。
包括背压调节阀44的来自第一部分34a的管道42允许从第一部分34a选择性地去除气体。理想地，腔室34内的压力维持在0.5与3巴之间。
尽管未展示，但应了解，每一电极6'可设置于具有相关管道的单独隔室中，所述管道包括阀，所述阀经配置以在电极6'产生氧气时选择性地通向大气，且在电极6'产生氢气时选择性地将气体输送到氢气储存器30。
包括电磁阀33的管道32在电池2'与腔室的第一部分34a之间延伸。因此，当电池2'产生氢气12时，阀33将打开，从而允许氢气12从电池2'流动到储存器30的第一部分34a。氢气12将使第一部分34a中的液体38移位，且其将流过孔37进入第二部分34b中。腔室34内的总压力将由于添加氢气而增加。因此，可储存氢气12直到使用者需要氢气，或可在所要压力下持续供应氢气。
参考文献
[1]Barreto L,Makihira A,Riahi K.《21世纪的氢经济：一种可持续发展的设想(The hydrogen economy in the 21st century:A sustainable developmentscenario.)》Int J Hydrogen Energy 2003；28:267-84.
[2]Da T,Veras S,Mozer TS,Da Costa D,Messeder R,Santos D,等人.《氢气：全球主要工艺的趋势、产生和表征(Hydrogen:Trends,production and characterizationof the main process worldwide)》2016；2:1-16.
[3]Balat M.《氢气作为未来解决环境和运输问题的潜在重要性(Potentialimportance of hydrogen as a future solution to environmental andtransportation problems.)》Int J Hydrogen Energy 2008；33:4013-29.
[4]Dunn S.《氢气未来：向可持续的能源系统发展(Hydrogen futures:Toward asustainable energy system.)》Int J Hydrogen Energy2002；27:235-64.
[5]de Souza RF,Padilha JC,
Figure BDA0002338416240000211
RS,de Souza MO,Rault-Berthelot J.《自使用离子液体为电解质的水电解产生电化学氢气：向最佳装置发展(Electrochemicalhydrogen production from water electrolysis using ionic liquid aselectrolytes:Towards the best device.)》J Power Sources2007；164:792-8.
[6]Dincer I,Acar C.《评论和评估氢气产生方法，以提高可持续性(Review andevaluation of hydrogen production methods for better sustainability.)》Int JHydrogen Energy 2014；40:11094-111.
[7]Reichle R a.,McCurdy KG,Hepler LG.《氢氧化锌：在12.5-75℃下的溶度积和羟基络合物稳定常数(Zinc Hydroxide:Solubility Product and Hydroxy-complexStability Constants from 12.5–75℃.)》Can J Chem1975；53:3841-5.
[8]Zeng K,Zhang D.《碱性水电解氢气产生及其应用研究进展(Recent progressin alkaline water electrolysis for hydrogen production and applications.)》Prog Energy Combust Sci 2010；36:307-26.
[9]Santos DMF,Sequeira CAC,Figueiredo JL.《通过碱性水电解产生氢气(Hydrogen production by alkaline water electrolysis.)》Quim Nova2013；36:1176-93.

Claims (42)

1.一种用于产生氢气的电解电池，电池包括：
电解质隔室；
安置于所述电解质隔室中的电解质，其中所述电解质包括碱性水溶液，所述碱性水溶液包括碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物、以及锌离子；
至少部分安置于所述电解质中的经间隔开的第一和第二电极，其中所述电极中的至少一者包括至少一层锌金属；以及
经配置以在所述第一和第二电极上施加电压的电源，其中(a)所述电源经配置以将直流电供应到所述电极，且电池包括控制系统，所述控制系统经配置以监测流过所述电极的电流且在检测到所述电流已下降到低于预定水平的情况下切换所述电流的方向，或者(b)所述电源经配置以将交流或振荡电流施加到所述电极。
2.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述第一和第二电极包括石墨、铬、镍、锌、镉、铜、锡、铅、铑、铂、金、钯、铱、锇、铼、钌、锗、铍、银、黄铜和/或青铜。
3.根据权利要求2所述的电解电池，其中所述第一和第二电极包括石墨和/或锌。
4.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物选自由以下组成的组：氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钡、氢氧化铯、氢氧化锶、氢氧化钙、氢氧化锂和氢氧化铷。
5.根据权利要求1所述的电解电池，其中氢氧化物浓度与锌离子浓度的比在2:1与50:1之间。
6.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述碱性水溶液包括氢氧化钠。
7.根据权利要求6所述的电解电池，其中氢氧化物浓度与锌离子浓度的比在10:1与15:1之间。
8.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述碱性水溶液包括氢氧化钾。
9.根据权利要求8所述的电解电池，其中氢氧化物浓度与锌离子浓度的比在15:1与20:1之间。
10.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述碱性水溶液在20℃下的pH为至少9。
11.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述电解质中的锌金属离子的浓度在0.01M与1.2M之间。
12.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述电解质包括锌酸钠。
13.根据权利要求12所述的电解电池，其中所述锌离子的浓度在0.01M与0.6M之间。
14.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述电解质包括锌酸钾。
15.根据权利要求14所述的电解电池，其中所述锌离子的浓度在0.01M与1.2M之间。
16.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述电源经配置以施加1V与6V之间的电压。
17.根据权利要求1所述的电解电池，其中氢氧化物浓度与锌离子浓度的比在3:1与40:1之间。
18.根据权利要求1所述的电解电池，其中氢氧化物浓度与锌离子浓度的比在4:1与30:1之间。
19.根据权利要求1所述的电解电池，其中氢氧化物浓度与锌离子浓度的比在5:1与25:1之间。
20.根据权利要求1所述的电解电池，其中氢氧化物浓度与锌离子浓度的比在10:1与20:1之间。
21.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述碱性水溶液在20℃下的pH为至少10。
22.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述碱性水溶液在20℃下的pH为至少11。
23.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述碱性水溶液在20℃下的pH为至少11.5。
24.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述电解质中的锌金属离子的浓度在0.05M与1M之间。
25.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述电解质中的锌金属离子的浓度在0.1M与0.8M之间。
26.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述电解质中的锌金属离子的浓度在0.15M与0.6M之间。
27.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述电解质中的锌金属离子的浓度在0.2M与0.4M之间。
28.根据权利要求12所述的电解电池，其中所述锌离子的浓度在0.1M与0.4M之间。
29.根据权利要求12所述的电解电池，其中所述锌离子的浓度在0.15M与0.3M之间。
30.根据权利要求12所述的电解电池，其中所述锌离子的浓度在0.2M与0.25M之间。
31.根据权利要求14所述的电解电池，其中所述锌离子的浓度在0.1M与0.6M之间。
32.根据权利要求14所述的电解电池，其中所述锌离子的浓度在0.2M与0.5M之间。
33.根据权利要求14所述的电解电池，其中所述锌离子的浓度在0.25M与0.45M之间。
34.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述电源经配置以施加1.5V与3V之间的电压。
35.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述电源经配置以施加2V与2.5V之间的电压。
36.一种用于产生和储存氢气的设备，所述设备包括根据权利要求1所述的电解电池、用于氢气储存的腔室和经配置以将氢气从电池馈送到所述腔室的管道。
37.根据权利要求36所述的设备，其中所述腔室包括：
包括第一气体的第一部分；
包括第二气体的第二部分；以及
液体，
其中所述腔室经配置以允许所述液体在所述第一和第二部分之间流动且防止所述第一部分中的所述第一气体与所述第二部分中的所述第二气体交换。
38.根据权利要求37所述的设备，其中所述腔室的所述第一部分包括出口，所述出口包括阀。
39.根据权利要求38所述的设备，其中所述阀包括背压调节阀。
40.一种产生氢气的方法，所述方法包括：
提供电解电池，所述电解电池包括：
电解质隔室；
安置于所述电解质隔室中的电解质，其中所述电解质包括碱性水溶液，所述碱性水溶液包括碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物、以及锌离子；以及
两个电极，其中所述电极包括经间隔开的阴极和阳极并至少部分安置于所述电解质中，并且所述阳极包括至少一层锌金属；以及
在所述两个电极上施加电压；以及
通过以下方式来切换电极：将交流或振荡电流施加到所述电极，或监测氢气产生的速率和/或电流且当观察到氢气产生的速率和/或电流降低时切换电极。
41.根据权利要求40所述的方法，其中提供具有包括至少一层锌金属的阳极的电解电池包括：
提供电解电池，所述电解电池包括：
电解质隔室；
安置于所述电解质隔室中的电解质，其中所述电解质包括碱性水溶液，所述碱性水溶液包括碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物、以及锌离子；以及
两个电极，其中所述电极包括经间隔开的阴极和阳极并至少部分安置于所述电解质中；
在所述电极上施加电压，其中所述电极至少部分安置于所述电解质中，且由此使得锌金属的层形成于所述阴极上；和
切换所述电极以提供包括过渡金属或p区金属的层的阳极。
42.根据权利要求40所述的方法，其中所述方法包括将水添加到所述电解质以维持溶解于其中的所述锌离子的浓度。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202019004240U1 (de) * 2019-10-15 2021-01-18 Thomas Lamla Elektrolysevorrichtung
CN113470759A (zh) * 2021-07-27 2021-10-01 浙江大学 一种碱液电解制氢动态模型及应用
FR3128456B1 (fr) * 2021-10-22 2024-03-01 Ergosup Procédé de production d’hydrogène sous pression par électrolyse de l’eau découplée

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1667366A1 (de) * 1966-02-18 1971-07-08 Allis Chalmers Mfg Co Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gasen durch Elektrolyse von Wasser
US4180623A (en) * 1977-12-19 1979-12-25 Lockheed Missiles & Space Company, Inc. Electrically rechargeable battery
CN1854063A (zh) * 2005-04-28 2006-11-01 黄潮 电化学锌－水制氢、储氢方法
WO2009127145A1 (zh) * 2008-04-17 2009-10-22 Huang Chao 电化学锌-水制氢储氢系统及其应用
CN101570865A (zh) * 2009-06-05 2009-11-04 裴彧 一种以两性金属为原料的不间断制氢发电装置
US20160149231A1 (en) * 2013-07-08 2016-05-26 Phinery Ltd. Electrolyte regeneration

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4737249A (en) 1982-03-15 1988-04-12 Inco Alloys International, Inc. Electrolytic production of hydrogen
WO2012109114A1 (en) * 2011-02-09 2012-08-16 Marine Power Products Incorporated Stability control of a hydrogen generating system and method
WO2013191140A1 (ja) 2012-06-18 2013-12-27 旭化成株式会社 複極式アルカリ水電解ユニット、及び電解槽
EP2692903B1 (de) 2012-08-02 2018-02-21 VARTA Microbattery GmbH Wasserstoffentwicklungszelle mit Kathodentasche
JP2017020053A (ja) * 2013-10-17 2017-01-26 株式会社日立製作所 水電気分解装置およびそれを用いたエネルギー貯蔵・供給システム
AU2015289518B2 (en) 2014-07-17 2019-09-26 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Heterostructures for ultra-active hydrogen evolution electrocatalysis
JP6089188B2 (ja) 2015-04-24 2017-03-08 エクセルギー・パワー・システムズ株式会社 第３電極を備えた水素製造装置および水素製造方法
CN105463497B (zh) 2015-11-18 2018-01-12 复旦大学 一种可以电解水制取氢气的电池装置
ITUB20159792A1 (it) * 2015-12-30 2017-06-30 Federico Longhini Sistema e procedimento per la generazione di idrogeno gassoso a richiesta
CN106319558B (zh) 2016-08-31 2018-05-08 天津市大陆制氢设备有限公司 一种高效多孔的MoS2-Zn析氢电极及其制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1667366A1 (de) * 1966-02-18 1971-07-08 Allis Chalmers Mfg Co Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gasen durch Elektrolyse von Wasser
US4180623A (en) * 1977-12-19 1979-12-25 Lockheed Missiles & Space Company, Inc. Electrically rechargeable battery
CN1854063A (zh) * 2005-04-28 2006-11-01 黄潮 电化学锌－水制氢、储氢方法
US20080190781A1 (en) * 2005-04-28 2008-08-14 Chao Huang Electrochemical Method for Producing and Storing Hydrogen by the Redox of Zinc and Water
WO2009127145A1 (zh) * 2008-04-17 2009-10-22 Huang Chao 电化学锌-水制氢储氢系统及其应用
CN101570865A (zh) * 2009-06-05 2009-11-04 裴彧 一种以两性金属为原料的不间断制氢发电装置
US20160149231A1 (en) * 2013-07-08 2016-05-26 Phinery Ltd. Electrolyte regeneration

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