CN113088989B - 一种大幅降低铂电化学分解水能耗的新方法 - Google Patents

一种大幅降低铂电化学分解水能耗的新方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大幅降低铂电化学分解水能耗的新方法。利用两台不同电位的电化学工作站反向串联，对2支Pt片进行供电，在强碱性水溶液中进行电化学分解水，实现超低电位和高电流密度制备氢气和氧气。当所设置的两台工作站电位值越接近，电流密度越小；两供电循环回路中电流值大小近似，符号相反；在两电位绝对值之和为0.7V的条件下，电流密度可以达到0.95A·cm2；产生1m3的氢气和0.5m3的氧气所消耗的电能大约1.87KW·h左右。本发明突破了公认的电化学全分解水电位必须大于1.23V的观念，为电解水工艺引入新的设计理念，开拓全新的工业电解水设计方案，为大规模低能耗工业分解水制备氢气和氧气奠定了基础。

Description

一种大幅降低铂电化学分解水能耗的新方法
技术领域
本发明属于催化剂分解水技术领域，具体涉及一种大幅降低铂电化学分解水能耗的新方法。
背景技术
由于电解水制氢所用资源为水，其来源广泛且易获得纯净气体，因此电解水被认为是最有前途的方法之一。然而目前普遍认为水电解时理论水分解电压值为1.23V，在电解槽的实际运行中的工作电压为理论分解电压的1.5～2倍。目前工业上通常利用铂或者铂钛为电极，在碱性溶液中电解水制氢和氧气，所需电位在2.0V以上，每获得1m3氢气，实际电能消耗为4.5～5.5kW·h。目前电解水技术中耗能较高是导致工业上分解水制氢和制氧技术发展的瓶颈。
因此，开发新的低能耗电解水制氢和制氧的工艺显得尤为重要。电解水制氢提出明确的考核指标要求：电极小室内电压≦1.80V@电流密度0.5A·cm-2，电解槽直流电耗≦4.3KWh·Nm3，系统单位能耗≦4.9KWh·Nm3。
发明内容
针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种大幅降低铂电化学分解水能耗的新方法。
本发明采用的技术方案为：
一种大幅降低铂电化学分解水能耗的新方法，该方法采用两台电化学工作站反向串联分解水的四电极体系，两支铂片为工作电极，分别以两支银-氯化银为参比电极，碱性溶液为电解质溶液，进行电化学催化全分解水反应，电解时将两台电化学工作站的工作电极夹相连。该方法在电化学全分解水制备氢气和氧气过程中，能够实现电流密度达到0.95A·cm-2时，总电位为0.7V(远低于1.23V)，制备1m3氢气和0.5m3氧气所消耗的电能低至1.87KW·h 左右。
进一步地优选，所述两台电化学工作站的电位分别设置为+0.5V和-0.2V。
进一步地优选，所述碱性溶液为NaOH溶液，摩尔浓度为1.0mol/L。
本发明的有益效果为：本发明的方案可以大幅降低电解水的耗能，突破了公认的电化学全分解水电位必须大于1.23V的观念，为电解水工艺引入新的设计理念，开拓全新的工业电解水设计方案，为大规模低能耗工业分解水制备氢气和氧气奠定了基础。
附图说明
图1为在1#0.5V恒电位作用下，改变2#电位的极化曲线图
a.1#0.5V恒电位极化曲线；b.2#在不同电位作用下的恒电位极化曲线
图2为1#电源恒定为0.5V，分解水电流密度随电位变化曲线图
a.电流密度随2#电位变化曲线：上坐标表示2#电位；下坐标表示1#和2#电位代数和；
b.电流密度随1#和2#电位绝对值之和变化曲线
c.电流密度随1#和2#电位值之差变化曲线
图3为在1#1.0V恒电位作用下，改变2#电位的极化曲线图
a.1#1.0V恒电位极化曲线；
b.2#在不同电位作用下的恒电位极化曲线
图4为改变2#电位条件下1#在-0.1V恒电位作用下的极化曲线图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
一种大幅降低铂电化学分解水能耗的新方法，该方法采用两台电化学工作站反向串联分解水的四电极体系，两支铂片为工作电极，分别以两支银-氯化银为参比电极，碱性溶液为电解质溶液，进行电化学催化全分解水反应，电解时将两台电化学工作站的工作电极夹相连。该方法在电化学全分解水制备氢气和氧气过程中，能够实现电流密度达到0.95A·cm-2时，总电位为0.7V(远低于1.23V)，制备1m3氢气和0.5m3氧气所消耗的电能低至1.87KW·h 左右。
本发明的电源的电位值选取方法为：在一台电化学工作站(简称1#)恒电位作用下，改变另外一台电化学工作站(简称2#)电位值，考察不同电位下电流密度和气体流量。图1a为改变2#电位值条件下，1#工作站0.5V恒定电位的电流时间曲线。图1b为1#恒定0.5V下，2#工作站分别在不同电位作用下(恒电位作用)的电流时间曲线(只选取了部分电位值下的It曲线)。从图1a和b可以看出，随着2#电位值的改变，两台工作站的电流密度都发生明显的变化；1#和2#电流密度始终保持数值基本相等，符号相反，说明这两台电化学工作站处于反向串联状态。
图2为电流密度值随电位变化分布图。图2a为电流密度随2#工作站电位变化和1#和 2#工作站电位代数和变化曲线；图2b为电流密度随1#和2#电位绝对值之和变化曲线；图2c为电流密度随1#和2#电位值之差变化曲线。从图2a(上坐标)可以看出，在1#为恒定 0.5V电位作用下，在-0.2V～+0.5V范围内，电流密度随2#电位升高而逐渐降低，直至接近 0A·cm-2；随后在+0.5V～+1.0V范围内电流密度随电压值增大逐渐增大，然后再降低至一恒定值。两电位相等时(0.5V)电流降低至最低，这是因为两电源是反向串联，加在工作电极上的电压相互抵消。从图2a下坐标可以看出，电流密度随1#和2#电位值代数和的变化趋势与随2#电位变化趋势类似。为了考察两台电化学工作站在分解水过程中消耗的总电能，考察电流密度随1#和2#电位值绝对值之和变化情况，如图2b所示。从2b可以看出，在绝对值为0.5～0.7V范围内，每个电位值对应两个不同的电流密度值，这是因为2#电位从-0.2～0V及0～+0.2V范围电流密度不同所致。电流密度高达0.95A·cm-2对应的绝对值之和为0.7V，此时的实际电位2#为-0.2V,1#为0.5V；电流密度为0.40A·cm-2处的相应的绝对值之和也为0.7V，而其实际电位为2#：+0.2V、1#：0.5V。这两种情况下，虽然电位绝对值之和相等，但是电流密度不同，产生气体的量也有明显区别。说明两台电化学工作站中其中一台设置为负电位，另一台设置成正电位对分解水有利。图2c为电流密度随两工作站电位之差变化关系曲线。由此图可以看出，在2#电位低于1#电位(0.5V)范围内，随着两电位差值越大，电流密度越大。在2#电位高于1#电位范围内，前一阶段也随着两电位差值越大，电流密度越大，后一阶段出现下降至平稳趋势。
按照图1类似的方法，分别在1#恒定为+1.0V和-0.1V情况下，考察分解水电流密度随电位变化情况，如图3和图4所示。从图3、4可以看出，2#电位越接近1#电位值，电流密度越小；在一定的电位范围内，两电位相差越大，电流密度越大。图3中，当1#恒定为+1.0V，2#为-0.1V时电流密度可以高达0.98A·cm-2，此时电位绝对值之和为1.1V。图4 中，当1#恒定为-0.1V，2#为+0.5V时电流密度为最大约为0.79A·cm-2，电位绝对值之和为 0.6V。因此，从节省能源和有效利用设备等多项指标角度，选择1#恒定为+0.5V，2#为-0.2V 的电解条件显得更经济。
本实施例中具体催化分解水的方法：二台(1#、2#)电化学工作站为电源，分别以2支Pt片(面积为2cm2)为两台工作站的对电极，以两支银-氯化银为参比电极。利用质子膜将电解槽分隔成两室，其中1支铂片和1支参比电极(对应1#电源)放在左侧，另外1 支铂片和1支参比电极(对应2#电源)放在右侧。以1.0mol/L NaOH的为电解质溶液，进行电化学催化全分解水反应。电解时将两工作站的工作电极夹相连。
将两电化学工作站同时设置成恒电位极化模式工作30分钟。1#电位设置为+0.5V，以一支Pt片为对电极，一支银-氯化银电极为参比电极；2#电位设置为-0.2V，另一支Pt片及另一支银-氯化银电极分别为参比电极。两个工作站的工作电极夹直接相连，使1#和2#电源及两Pt片构成工作回路。两支电极Pt片上有大量的气体逸出。1#工作站显示的电流密度为0.95A·cm-2；2#工作站显示的电流密度为值数值大小接近，电流符号相反。30分钟电化学工作站显示的电量为3405.2C。利用气体检测仪检测，结果显示1#电源相连的Pt产生的气体是氢气，2#电源相连的Pt产生的气体是氧气。利用电磁流量计收集气体，氢气的总体积为354.9ml，氧气的总体积为182.8ml。所产生的氢气和氧气摩尔比约为2:1，发拉电效率为89.76％。每产生1m3氢气约消耗电1.87KW·h。这个效果远远优于国家电网2021 年重点研发计划中考核指标要求：电极小室内电压≦1.80V@电流密度0.5A/m2，电解槽直流电耗≦4.3KW·Nm3 H2。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种大幅降低铂电化学分解水能耗的新方法，其特征在于：所述方法采用总电位低于1.23V的两台电化学工作站反向串联作用于两支铂片电极，分别以两支银-氯化银为参比电极，在强碱性水溶液中进行分解水，产生氢气和氧气，两台电化学工作站的工作电极夹相连；
所述两台电化学工作站电位绝对值之和为0.7V电位；
所述两台电化学工作站的电位分别设置为+0.5V和-0.2V。
2.根据权利要求1所述的一种大幅降低铂电化学分解水能耗的新方法，其特征在于：所述碱性溶液为NaOH溶液，摩尔浓度为1.0mol/L。
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