CN112376067B - 降解乙醇胺并同时制氢的燃料电池-电解池串联装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降解乙醇胺并同时制氢的燃料电池‑电解池串联装置，该装置由n个直接乙醇胺‑过氧化氢燃料电池（n为不小于2的整数）和1个电解池串联而成；所述电解池以含乙醇胺溶液作为电解液，阳极为泡沫镍载金电极，阴极为铂片；所述燃料电池包括负极端、正极端及隔膜，其负极端的燃料和催化电极分别为乙醇胺水溶液和泡沫镍载金电极，正极端的氧化剂和催化电极分别是过氧化氢水溶液和碳纤维布载钯电极。本装置中的燃料电池组可直接为电解池供电，从而实现在超低外部能耗下，同时降解乙醇胺并制取氢气的目的。

Description

降解乙醇胺并同时制氢的燃料电池-电解池串联装置
技术领域
本发明涉及一种降解乙醇胺并同时制氢的燃料电池-电解池串联装置，属电化学新能源器件领域。
背景技术
作为二氧化碳的吸收剂，乙醇胺被大量应用于烟道气处理和潜水艇内气体处理过程中，同时由于乙醇胺具有适宜的气液分配系数，也常被用作为核电站二回路水的pH调节剂。乙醇胺含氨基和羟基，直接排入会增加水体的总氨量(T-N)和化学需氧量(COD)，造成环境污染。世界核协会在2014年发文表示，欧盟和美国约有30％的电能来源于核电站，随着世界对核电站的依赖性增强，如何处理大量含乙醇胺的废水变成了一个亟待解决的环境问题。
目前，降解乙醇胺的方法主要有三种：生物降解、化学降解和离子交换树脂吸附法。这三种方法均存在一定的局限性，如生物降解耗时长，化学降解需引入氧化剂带入杂质，离子交换树脂吸附法受容量限制。此外，这些处理方法侧重于乙醇胺的降解，未考虑能量的回收，造成了一定程度的资源浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种燃料电池-电解池串联装置，燃料电池直接为电解池供电，从而实现在超低外部能耗下，降解乙醇胺并同时制氢的目的。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种燃料电池-电解池串联装置，它由n个直接乙醇胺-过氧化氢燃料电池和1个电解池串联而成，n为不小于2的整数；燃料电池用于给电解池供电，电解池的阴极与燃料电池的负极端相连，电解池的阳极与燃料电池的正极端相连；所述电解池以含乙醇胺水溶液作为电解液。
按上述方案，所述电解池包括阳极、阴极和电解液；阳极为泡沫镍载金电极，阴极为铂片；电解液为含乙醇胺的水溶液。进一步地，所述电解液中乙醇胺的浓度在0.025～0.2mol/L范围内，pH在13～14.7的范围内。进一步优选地，所述电解池以乙醇胺水溶液作为电解液。
按上述方案，每个燃料电池包括负极端、正极端和隔膜，负极端的燃料和催化电极分别为乙醇胺水溶液和泡沫镍载金电极，正极端的氧化剂和催化电极分别是过氧化氢水溶液和碳纤维布载钯电极。优选地，所述负极端的燃料乙醇胺水溶液的浓度在0.025～0.2mol/L范围内，pH在13～14.7的范围内；正极端的氧化剂过氧化氢水溶液的浓度在0.5～2mol/L范围内，pH在-0.7～1的范围内。
进一步地，所述负极端和正极端均包括带有通路的石墨单极板，分别用于流通并盛装负极端的燃料和正极端的氧化剂；所述负极石墨单极板设置进液口和出液口，用于输送燃料乙醇胺水溶液；正极石墨单极板设置进液口和出液口，用于输送氧化剂过氧化氢水溶液。优选地，输送燃料乙醇胺水溶液和输送氧化剂过氧化氢水溶液的流速均在3～10mL/min范围内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
首先，本发明采用乙醇胺作为燃料电池的燃料，可实现降解乙醇胺和产电的双重目标；电解池采用乙醇胺溶液，可实现降解乙醇胺和析氢的双重目的，完成资源的二次利用。本发明使用直接乙醇胺-过氧化氢燃料电池组为电解池供电，燃料电池在产电的过程中，负极端发生乙醇胺的降解；而电解池在用电的过程中，阳极端发生乙醇胺的降解反应，阴极端可制氢；将燃料电池(组)与电解池串联，便可在超低能耗下，达成同时降解乙醇胺并制取氢气的双重目标。
附图说明
图1为本发明装置的示意图(以2个燃料电池单体相串联为例)，其中各标号所代表的部件列表如下：1.负极紧固件及集流体；2.负极出液口；3.负极石墨单极板；4.隔膜；5.正极出液口；6.正极石墨单极板；7.正极紧固件及集流体；8.导线；9.阳极；10.电解液；11.阴极；12.负极进液口；13.泡沫镍载金电极(即负极端的催化电极)；14.碳纤维布载钯电极(即正极端的催化电极)；15.正极进液口。
图2为实施例1中燃料电池组的放电电压曲线和流经电解池放电电流曲线；
图3为实施例2中燃料电池组的放电电压曲线和流经电解池放电电流曲线；
图4为对比例中电解池的计时电位曲线。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
如图1所示，本发明提供一种降解乙醇胺并同时制氢的燃料电池-电解池串联装置，由不少于2个直接乙醇胺-过氧化氢燃料电池组和1个电解池串联而成。
每个燃料电池包括依次组装的负极单极板3、泡沫镍载金电极13和隔膜4以及碳纤维布载钯电极14、正极单极板6；负极紧固件及集流体1、正极紧固件及集流体7分别位于负极单极板3、正极单极板6的两侧，将负极单极板3、泡沫镍载金电极13和隔膜4以及碳纤维布载钯电极14、正极单极板6固定于其中。负极石墨单极板3和正极石墨单极板6均由石墨制成，并在石墨单板上上分别设有进液口12、15和出液口2、5，用于流通并盛装负极端的燃料和正极端的氧化剂。
所述电解池包括阴极11、阳极9和电解液10，阳极通过导线8和燃料电池组的正极紧固件及集流体7相串联，阴极11通过导线8和燃料电池组的负极紧固件及集流体1相串联，从而实现电解池和燃料电池的串联。
下述实施例中，采用碱性的乙醇胺水溶液，乙醇胺的浓度为0.025～0.2mol/L，pH为13～14.7，其配制方法为：称取一定量的氢氧化钾，边搅拌边溶解于水中，冷却后，再量取一定体积的乙醇胺溶解于上述的氢氧化钾水溶液中，最后定容备用。
下述实施例中，采用酸性的过氧化氢水溶液，过氧化氢浓度为0.5～2mol/L，pH为-0.7～1，其配制方法为：量取一定体积的浓硫酸(质量分数98％)，边搅拌边滴加于大量的水中，冷却后，再量取一定体积的过氧化氢溶液(质量分数30％)滴加于上述的硫酸水溶液中，最后定容备用。
实施例1
一种燃料电池-电解池串联装置，它由3个直接乙醇胺-过氧化氢燃料电池组和1个电解池串联而成；燃料电池组用于给电解池供电，电解池的阴极与燃料电池组的负极端相连，电解池的阳极与燃料电池组的正极端相连；
其中，所述电解池以0.05mol/L的乙醇胺水溶液(pH为14)作为电解液，阳极为泡沫镍载金电极，阴极为铂片；
每个燃料电池包括负极端、正极端和隔膜，其负极端的燃料和催化电极分别为0.05mol/L乙醇胺水溶液(pH为14)和泡沫镍载金电极，正极端的氧化剂和催化电极分别是1.0mol/L过氧化氢水溶液(pH为0)和碳纤维布载钯电极；所述负极端包括带有通路的石墨单极板，并在石墨单极板上设置进液口和出液口，用于输送燃料乙醇胺溶液；正极端包括带有通路的石墨单极板，并在石墨单极板上设置进液口和出液口，用于输送氧化剂过氧化氢水溶液，正负极端的流速均为5mL/min。
按照图1组装上述燃料电池-电解池串联装置后，运行伊始，便发现铂片电极(左侧)表面析出了大量的气泡(析氢反应)。这直接证明了本发明所述燃料电池-电解池串联装置可以实现降解乙醇胺并同时制氢的目的。
组装上述燃料电池-电解池串联装置后，同时记录不同时间下，燃料电池组的放电电压和通过电解池的电流密度变化。装置运行伊始，便发现铂片电极表面析出了大量的气泡(析氢反应)，电池组的电压由开路电压(～2.1V)下降至约1.4V，电流密度由0升至～26mAcm-2，存在电流即说明串联电路中完成了电能的传输。由于电解池内阻应等于电池组放电电压除以电流，所以从图2中的两个阶梯可以看出，在运行过程中，电解池经历了两个阶段，一为内阻小（41.4Ω）的阶段，二为内阻大（94.4Ω）。
实施例中，燃料电池的负极端可将乙醇胺降解为草酸和氨水，正极端过氧化氢转化为水。乙醇胺-过氧化氢燃料电池的电极反应式和总反应式如下：
正极：
Figure GDA0003627334400000041
负极：
Figure GDA0003627334400000042
总反应式：4H2O2+8H++C2H7NO+10OH-→14H2O+C2O4 2-+NH3·H2O
乙醇胺电解池的阳极端可将乙醇胺降解为草酸和氨水，阴极产出氢气。乙醇胺电解池的电极反应式和总反应式如下：
阳极：
Figure GDA0003627334400000043
阴极：
Figure GDA0003627334400000044
总反应式：2H2O+C2H7NO+2OH-→C2O4 2-+NH3·H2O+4H2
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：采用4个直接乙醇胺-过氧化氢燃料电池相串联作为燃料电池组。
组装上述燃料电池-电解池串联装置后，同时记录不同时间下，电池组的放电电压和通过电解池的电流密度变化。如图3所示，4个燃料电池串联的开路电压达到了～2.8V，且串联装置中通行的电流密度要高于实施例1中的电流密度，这是因为更高的电势能趋动更多的电子在电路中进行流通的缘故。换言之，若串联的燃料电池数目达到4个以上，同样能使装置运行，且制氢或降解的速率会加快。装置运行过程中，同样经历两个阶段：运行初期的内阻小（34.0Ω）的阶段和运行后期的内阻大（56.4Ω）的阶段，但两个阶段的内阻均小于实施例1中的内阻。
对比例
图4分别绘制了碱性纯水（1.0M KOH,M=mol/L）电解池和碱性乙醇胺（1.0MKOH+0.05M MEA,MEA为乙醇胺的英文缩写词）溶液电解池的计时电位曲线。结果表明，无论电解电流是5mA/cm2还是10mA/cm2，乙醇胺电解池所需的电压均小于纯水电解池的电压。
同时可发现，如果通过外界通电来对乙醇胺溶液进行电解，仍然需要1.2V以上的电压才能产生5mA/cm2的电流，能耗较高。本发明装置采用燃料电池组对电解池进行通电，大大节省了能耗。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.降解乙醇胺并同时制氢的燃料电池-电解池串联装置，其特征在于它由n个直接乙醇胺-过氧化氢燃料电池和1个电解池串联而成，n为不小于2的整数；燃料电池用于给电解池供电，电解池的阴极与燃料电池的负极端相连，电解池的阳极与燃料电池的正极端相连，燃料电池的输出电压大于电解池的电解电压；所述电解池以乙醇胺水溶液作为电解液。
2.根据权利要求1所述的降解乙醇胺并同时制氢的燃料电池-电解池串联装置，其特征在于所述电解池还包括阳极、阴极；阳极为泡沫镍载金电极，阴极为铂片。
3.根据权利要求1所述的降解乙醇胺并同时制氢的燃料电池-电解池串联装置，其特征在于每个燃料电池包括负极端、正极端和隔膜，其负极端的燃料和催化电极分别为乙醇胺水溶液和泡沫镍载金电极，正极端的氧化剂和催化电极分别是过氧化氢水溶液和碳纤维布载钯电极。
4.根据权利要求3所述的降解乙醇胺并同时制氢的燃料电池-电解池串联装置，其特征在于所述负极端的燃料乙醇胺水溶液的浓度范围为0.025~0.2 mol/L，pH在13~14.7的范围内；正极端的氧化剂过氧化氢水溶液的浓度范围为0.5~2 mol/L，pH在-0.7~1的范围内。
5.根据权利要求3所述的降解乙醇胺并同时制氢的燃料电池-电解池串联装置，其特征在于所述负极端和正极端均包括带有通路的单极板，分别用于流通并盛装负极端的燃料和正极端的氧化剂。
6.根据权利要求5所述的降解乙醇胺并同时制氢的燃料电池-电解池串联装置，其特征在于所述单极板为石墨单极板。
7.根据权利要求5所述的降解乙醇胺并同时制氢的燃料电池-电解池串联装置，其特征在于所述负极端的单极板设置进液口和出液口，用于输送燃料乙醇胺水溶液；正极端的单极板设置进液口和出液口，用于输送氧化剂过氧化氢水溶液。
8.根据权利要求6所述的降解乙醇胺并同时制氢的燃料电池-电解池串联装置，其特征在于输送燃料乙醇胺水溶液和输送氧化剂过氧化氢水溶液的流速均在3~10 mL/min范围内。
9.根据权利要求1所述的降解乙醇胺并同时制氢的燃料电池-电解池串联装置，其特征在于所述电解液中乙醇胺的浓度在0.025~0.2 mol/L的范围内，pH在13~14.7的范围内。
10.权利要求1所述燃料电池-电解池串联装置在降解乙醇胺并同时制氢方面的应用。
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