CN114232007A - 一种三电极体系电解水制氢方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种三电极体系电解水制氢方法，包括如下过程，组装电解槽；将电解槽中的析氢阴极板、辅助电极板和外部电源之间组成第一电路，同时将辅助电极板、析氧阳极板和外部电源之间组成第二电路，以通过所述第一电路闭合和所述第二电路断开使得所述析氢阴极板上发生反应制备得到氢气，通过所述第一电路断开和所述第二电路闭合使得所述析氧阳极板上发生反应制备得到氧气，在同一个电解槽中，将析氢阴极板、辅助电极板和析氧阳极板三个电极与外部电源之间连接成两个电路，通过控制两个电路的闭合和断开实现氢气和氧气的分别制备，进而使得制备的氢气和氧气不会出现混合的现象，简化了分离成本。

Description

一种三电极体系电解水制氢方法

技术领域

本申请涉及电解水制氢技术领域，尤其涉及一种三电极体系电解水制氢方法。

背景技术

现有电解槽是好多个电解室组合在一起，每个电解室的主要组成部分是阴极、阳极、隔膜和电解液。常规的电解水技术在电极过程中阴阳极同时电极生成氢气和氧气，这将很容易导致氢气和氧气的混合，致使所制备的气体不纯，后续的提纯则将大大增大制备成本。采用离子选择性膜隔开在析氢催化电极产生的氢气和析氧催化电极产生的氧气是一种有效的解决方案，但是离子选择性膜的使用也大大增加了成本。此外，由于电化学析氢和析氧自身的动力学过程不同，造成产氢和产氧速度有所差异，当离子选择性膜两边压力不同时，膜的损耗也非常严重，这进一步增大了成本。此外，选择性离子交换膜近一步增大了电解槽内阻，增加了能耗。目前主流的工作在于改进或者制备新型的隔膜，以期降低内阻的同时，又兼顾亲水性，离子透过性以及能够完全隔开氢气和氧气。虽然已经有很多新型隔膜被研究探索，但是效果仍然并不是十分显著。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的目的在于提出一种三电极体系电解水制氢方法，在同一个电解槽中，将析氢阴极板、辅助电极板和析氧阳极板三个电极与外部电源之间连接成两个电路，通过控制两个电路的闭合和断开实现氢气和氧气的分别制备，进而使得制备的氢气和氧气不会出现混合的现象，简化了分离成本，并且控制方法简单易操作。

为达到上述目的，本申请提出的一种三电极体系电解水制氢方法，包括如下过程：

组装电解槽；

将电解槽中的析氢阴极板、辅助电极板和外部电源之间组成第一电路，同时将辅助电极板、析氧阳极板和外部电源之间组成第二电路，以通过所述第一电路闭合和所述第二电路断开使得所述析氢阴极板上发生反应：H₂O+e^-→1/2H₂+OH^-，制备得到氢气，通过所述第一电路断开和所述第二电路闭合使得所述析氧阳极板上发生反应：OH^--e^-→1/4O₂+1/2H₂O，制备得到氧气。

进一步地，所述组装电解槽的具体过程如下：

将析氢阴极板、辅助电极板和析氧阳极板分别固定在阴极电极框、辅助电极框和阳极电极框上；

然后在阴极电极框和辅助电极框之间以及辅助电极框和阳极电极框之间均密封安装护圈，得到三电极组件。

进一步地，还包括将多个三电极组件均按照阴极电极框、辅助电极框、阳极电极框的顺序依次叠加形成三电极体系。

进一步地，还包括用连接杆依次穿过端压板、绝缘板、三电极体系中的阴极电极框、辅助电极框、阳极电极框和护圈、绝缘板和端压板后，在连接杆的两端连接螺母，通过螺母压紧在两个端压板上。

进一步地，还包括通过端压板和绝缘板上的液体流通孔向三电极体系中每个三电极组件中阴极电极框、辅助电极框和护圈之间围成的电解腔以及辅助电极框、阳极电极框和护圈之间围成的电解腔中通入氢氧化钾电解液。

进一步地，所述析氢阴极板为镍基合金系析氢电极、多孔镍系析氢电极、镍基贵金属氧化物系析氢电极以及镍基弥散复合系析氢电极中的一种。

进一步地，所述析氧阳极板为镍、钴、铁为有效催化组分的合金电极。

进一步地，所述辅助电极板为氢氧化镍电极，所述第一电路闭合和所述第二电路断开时，所述辅助电极板上发生反应：Ni(OH)₂+OH^--e^-→NiOOH+H₂O；

所述第一电路断开和所述第二电路闭合时，所述辅助电极板上发生反应：NiOOH+H₂O+e^-→Ni(OH)₂+OH^-。

进一步地，所述辅助电极板为氢氧化铝电极，所述第一电路闭合和所述第二电路断开时，所述辅助电极板上发生反应：Al(OH)₃+OH^--e^-→AlO(OH)₂+H₂O；

所述第一电路断开和所述第二电路闭合时，所述辅助电极板上发生反应：AlO(OH)₂+H₂O+e^-→Al(OH)₃+OH^-。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请一实施例提出的三电极体系电解水制氢方法的流程图；

图2是本申请电解槽的局部结构示意图；

图3是本申请组装电解槽的流程图；

图4是本申请设置有析氢阴极板的阴极电极框、护圈和设置有辅助电极板的辅助电极框之间围成电解腔的结构示意图；

图5是本申请图4的局部结构示意图；

图中：1、析氢阴极板；2、辅助电极板；3、析氧阳极板；4、阴极电极框；5、辅助电极框；6、阳极电极框；7、护圈；8、端压板；9、绝缘板。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

图1是本申请一实施例提出的一种三电极体系电解水制氢方法的流程图。

参见图1和图2，一种三电极体系电解水制氢方法，包括如下过程：

步骤1：组装电解槽；

步骤2：将电解槽中的析氢阴极板1、辅助电极板2和外部电源之间组成第一电路，同时将辅助电极板2、析氧阳极板3和外部电源之间组成第二电路，以通过所述第一电路闭合和所述第二电路断开使得所述析氢阴极板1上发生反应：H₂O+e^-→1/2H₂+OH^-，制备得到氢气；

步骤3：通过所述第一电路断开和所述第二电路闭合使得所述析氧阳极板3上发生反应：OH^--e^-→1/4O₂+1/2H₂O，制备得到氧气，在同一个电解槽中，将析氢阴极板1、辅助电极板2和析氧阳极板3三个电极与外部电源之间连接成两个电路，通过控制两个电路的闭合和断开实现氢气和氧气的分别制备，进而使得制备的氢气和氧气不会出现混合的现象，简化了分离成本。

详细来说，析氢阴极板1连接电源负极，而辅助电极板2连接电源正极，在碱性电解液中析氢阴极板1上制备得到氢气，实现第一电路在碱性电解液中进行电解得到氢气，当制备氧气时，通过第一电路断开和第二电路闭合使得辅助电极板2和析氧阳极板3电解生成氧气，也就是说，辅助电极板2连接电源负极，析氧阳极板3连接电源正极，在碱性电解液中析氧阳极板3上电解制氧气，由于在氢气制备过程中析氧阳极板3是断开状态，不会生成氧气，同时制备氧气过程中析氢阴极板1是断开状态，不会生成氢气，因此在电解水过程中通过控制第一电路和第二电路的通断实现氢气和氧气的分开制备，不仅操作简单，并且氧气和氢气分开制备，不会出现氧气和氢气混合的情况。

参照图3-5，在一些实施例中，组装电解槽的具体过程如下：

步骤11：将析氢阴极板1、辅助电极板2和析氧阳极板3分别固定在阴极电极框4、辅助电极框5和阳极电极框6上，也就是说，在阴极电极框4、辅助电极框5和阳极电极框6上分别开设安装孔，然后分别将析氢阴极板1、辅助电极板2和析氧阳极板3安装在阴极电极框4、辅助电极框5和阳极电极框6上的安装孔中；

步骤12：然后在阴极电极框4和辅助电极框5之间以及辅助电极框5和阳极电极框6之间均密封安装护圈7，得到三电极组件。

在一些实施例中，还包括将多个三电极组件均按照阴极电极框4、辅助电极框5、阳极电极框6的顺序依次叠加形成三电极体系，具体来说，每个三电极组件中的相邻两个电极框5之间通过护圈7间隔，并且相邻的两个三电极组件之间相近的两个电极框之间也通过护圈7间隔压紧，例如有两个三电极组件时，此时两个三电极组件之间的排布为阴极电极框4-护圈7-辅助电极框5-护圈7-阳极电极框6-护圈7-极电极框4-护圈7-辅助电极框5-护圈7-阳极电极框6的结构排布，另外，阴极电极框4、辅助电极框5和护圈7之间围成电解腔，辅助电极框5、阳极电极框6和护圈7之间也围成的电解腔，两个电解腔中均可以存放电解液，并且由于护圈7与电极框之间密封相接，使得电解腔中存放的电解液不会从电极框与护圈7连接处溢出，由于电极板上的材料通常为多孔结构，因此电解液只能通过电极板上的多孔结构在电解腔之间流动。

在一些实施例中，用连接杆依次穿过端压板8、绝缘板9、三电极体系中的阴极电极框4、辅助电极框5、阳极电极框6和护圈7、绝缘板9和端压板8后，在连接杆的两端连接螺母，通过螺母压紧在两个端压板8上，进而实现三电极体系中各个电解框与护圈之间的压紧固定，能够防止电解液的溢出，其中连接杆穿过三电极体系时，以两个三电极组件为例，连接杆依次穿过阴极电极框4-护圈7-辅助电极框5-护圈7-阳极电极框6-护圈7-极电极框4-护圈7-辅助电极框5-护圈7-阳极电极框6。

在一些实施例中，通过端压板8和绝缘板9上的液体流通孔向三电极体系中每个三电极组件中阴极电极框4、辅助电极框5和护圈7之间围成的电解腔以及辅助电极框5、阳极电极框6和护圈7之间围成的电解腔中通入氢氧化钾电解液，进而提供电解的环境，另外，在端压板8和绝缘板9上均开有气体流通孔，电解腔中生成的氧气或者氢气通过气体流通孔流出进行收集，也就是说，可以在其中一个端压板8和其中一个绝缘板9上开设相连通的气体流通孔，使得生成的氢气或氧气通过气体流通孔流出进行收集，由于生成的氧气或氢气在流出过程中可能会携带部分电解液，造成电解液可能会有所损失，因此可以在其中一个端压板8和其中一个绝缘板9上均开设相连通的液体流通孔，然后通过液体流通孔可以向三电极组件中通入电解液，电解液可以通过三电极组件上电极板上多孔材料的孔隙进入电解腔中，实现电解腔中电解液的稳定。

在一些实施例中，析氢阴极板1可以为镍基合金系析氢电极、多孔镍系析氢电极、镍基贵金属氧化物系析氢电极以及镍基弥散复合系析氢电极中的一种。

另外，析氧阳极板可以为镍、钴、铁为有效催化组分的合金电极。

需要详细说明的是，辅助电极板2的种类可以有多种。

作为一种可能的情况，辅助电极板2可以为氢氧化镍电极，此时，当第一电路闭合和所述第二电路断开时，辅助电极板2上发生反应：Ni(OH)₂+OH^--e^-→NiOOH+H₂O；第一电路断开和第二电路闭合时，辅助电极板2上发生反应：NiOOH+H₂O+e^-→Ni(OH)₂+OH^-。

作为另一种可能的情况，辅助电极板2可以为氢氧化铝电极，第一电路闭合和第二电路断开时，辅助电极板2上发生反应：Al(OH)₃+OH^--e^-→AlO(OH)₂+H₂O；第一电路断开和第二电路闭合时，辅助电极板2上发生反应：AlO(OH)₂+H₂O+e^-→Al(OH)₃+OH^-。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种三电极体系电解水制氢方法，其特征在于，包括如下过程：

组装电解槽；

将电解槽中的析氢阴极板、辅助电极板和外部电源之间组成第一电路，同时将辅助电极板、析氧阳极板和外部电源之间组成第二电路，以通过所述第一电路闭合和所述第二电路断开使得所述析氢阴极板上发生反应：H₂O+e^-→1/2H₂+OH^-，制备得到氢气，通过所述第一电路断开和所述第二电路闭合使得所述析氧阳极板上发生反应：OH^--e^-→1/4O₂+1/2H₂O，制备得到氧气。

2.如权利要求1所述的一种三电极体系电解水制氢方法，其特征在于，所述组装电解槽的具体过程如下：

将析氢阴极板、辅助电极板和析氧阳极板分别固定在阴极电极框、辅助电极框和阳极电极框上；

然后在阴极电极框和辅助电极框之间以及辅助电极框和阳极电极框之间均密封安装护圈，得到三电极组件。

3.如权利要求2所述的一种三电极体系电解水制氢方法，其特征在于，还包括将多个三电极组件均按照阴极电极框、辅助电极框、阳极电极框的顺序依次叠加形成三电极体系。

4.如权利要求3所述的一种三电极体系电解水制氢方法，其特征在于，还包括：

用连接杆依次穿过端压板、绝缘板、三电极体系中的阴极电极框、辅助电极框、阳极电极框和护圈、绝缘板和端压板后，在连接杆的两端连接螺母，通过螺母压紧在两个端压板上。

5.如权利要求4所述的一种三电极体系电解水制氢方法，其特征在于，还包括通过端压板和绝缘板上的液体流通孔向三电极体系中每个三电极组件中阴极电极框、辅助电极框和护圈之间围成的电解腔以及辅助电极框、阳极电极框和护圈之间围成的电解腔中通入氢氧化钾电解液。

6.如权利要求1所述的一种三电极体系电解水制氢方法，其特征在于，所述析氢阴极板为镍基合金系析氢电极、多孔镍系析氢电极、镍基贵金属氧化物系析氢电极以及镍基弥散复合系析氢电极中的一种。

7.如权利要求1所述的一种三电极体系电解水制氢方法，其特征在于，所述析氧阳极板为镍、钴、铁为有效催化组分的合金电极。

8.如权利要求1所述的一种三电极体系电解水制氢方法，其特征在于，所述辅助电极板为氢氧化镍电极，所述第一电路闭合和所述第二电路断开时，所述辅助电极板上发生反应：Ni(OH)₂+OH^--e^-→NiOOH+H₂O；

所述第一电路断开和所述第二电路闭合时，所述辅助电极板上发生反应：NiOOH+H₂O+e^-→Ni(OH)₂+OH^-。

9.如权利要求1所述的一种三电极体系电解水制氢方法，其特征在于，所述辅助电极板为氢氧化铝电极，所述第一电路闭合和所述第二电路断开时，所述辅助电极板上发生反应：Al(OH)₃+OH^--e^-→AlO(OH)₂+H₂O；

所述第一电路断开和所述第二电路闭合时，所述辅助电极板上发生反应：AlO(OH)₂+H₂O+e^-→Al(OH)₃+OH^-。

Images