CN1940138A - 醇直接电解制氢器及其集成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种醇直接电解制氢器，是具有质子交换膜燃料电池堆结构的电解池，采用阻醇固体电解质子交换膜。本发明还涉及所述醇直接电解制氢器的的集成装置，由醇容器、制氢器、氢气收集装置依次管道连接构成，所述制氢器与直流稳压电源、测试和控制系统电连接，氢气收集装置与负载电连接；本发明电耗低，制备电压小，可为燃料电池及其它方面技术的实际应用和需求提供氢源，亦可用于教学和科学实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种制氢方法及其装置的能源技术领域，具体是醇直接电解制氢器。
本发明还涉及所述醇直接电解制氢器的集成装置。
背景技术
氢能是可代替化石燃料的新能源。氢能有以下主要特点：(1)氢的化学能高，1g氢可以放出1.4×105J的热量，约为1g汽油产生热量的3倍；(2)氢气在能量转换过程中，除释放出巨大的能量外，不产生污染物，不会造成环境污染，因而被称为“清洁燃料”；(3)氢的来源广泛；(4)氢的用途极为广泛。长期以来，煤炭、石油等化石燃料的广泛使用，已对全球环境造成严重污染，甚至对人类自身的生存造成威胁。同时，化石燃料不可再生，会随着持续开采而枯竭。因此，新型清洁能源的开发与应用是大势所趋，氢能作为理想的清洁能源之一，已引起人们的广泛重视。氢能将是未来能源结构中最具发展潜力的清洁能源之一，将以其优异的使用性能在未来能源领域中扮演重要的角色。
以氢气为原料的燃料电池和氢气发动机的问世，使世界范围内的汽车工业面临一场深刻的革命。1993年加拿大Ballard公司研制出世界第一辆燃料电池公共汽车，1997年德国奔驰汽车公司推出质子交换膜型燃料电池汽车，1998年又推出以甲醇为原料的重整式燃料电池汽车，1999年美国福特和日本丰田公司也推出以氢为原料的质子交换膜燃料电池汽车，2002年德国大众汽车公司也推出了第一款质子膜燃料电池汽车，注入一次燃料行驶距离为160公里。中国在2003年相继推出了燃料电池示范公共汽车和轿车。2005年美国通用汽车推出的第三代燃料电池汽车，车速每小时已可达160公里，行驶距离为400公里。日本本田公司的燃料电池轿车已正式在公路上运行。但是，随着燃料电池技术的逐步成熟，氢源成为阻碍燃料电池应用的瓶颈。解决氢的制备、储存、运输和应用是一个整体行为，而制氢技术则是首要问题。氢作为燃料电池燃料的可行性最主要是取决于氢的成本。
工业制氢方法主要是以天然气、石油和煤为原料，在高温下使之与水蒸气反应而制得，也可以用部分氧化法制得。煤造气虽然原料费用稍低，但流程长投资大，且污染大，杂质多，需脱硫净化等，对中小规模装置不适用。甲醇重整制氢的效率高，但其分解温度在197℃，能耗较高，设备投资也较大。这些制氢方法在工艺上都比较成熟，但是，由化石燃料和电力来换取氢能，在经济上和资源利用上并不合适。现有的工业制氢主要是维持化工、炼油、冶金、及电子等部门的需要。水电解制氢和生物质气化制氢等方法，已形成规模。其中，低价电电解水制氢方法是当前氢气规模制备的主要方法，但是，电解水制氢的电耗过高，一般约为5kWh/Nm3H2。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种电耗低，制备电压小的醇直接电解制氢器，为燃料电池及其它方面技术的实际应用和需求提供氢源，亦可用于教学和科学实验。
本发明的目的还在于提供所述醇直接电解制氢器的集成装置。
本发明所述醇直接电解制氢器是具有质子交换膜燃料电池堆结构的电解池，电解池内设有阻醇固体电解质子交换膜，阳极和阴极的集流极、醇溶液通道，氢气通道；多元催化剂覆盖在质子交换膜表面。
本发明采用醇不易透过的阻醇固体电解质子交换膜，所述阻醇固体电解质子交换膜由全氟磺酸树脂与纳米SiO2或TiO2或SiO2/TiO2共铸制成，或者由磺化聚酰亚胺和聚砜共铸制成，或者由全氟磺酸树脂溶液与硅溶胶共铸制成；
具有双功能性能的多元催化剂覆盖在质子交换膜表面，催化剂包括Pt-Ru、Pt-Ru/C、Pt-WO3、Pt-WO3/C、Pt-Sn、Pt-Sn/C、Pt/C、Pt/WC、Pd/WC或Pd-Au/WC。
本发明的所述醇直接电解制氢器的集成装置由醇容器、制氢器、氢气收集装置依次管道连接构成，所述制氢器与直流稳压电源、测试和控制系统电连接，氢气收集装置与负载电连接；
所述的氢气收集装置可用现有通用的装置，例如排水法收集氢气的装置。
所述的直流稳压电源由交流/直流变换稳压电源、化学电池组、太阳能电池或燃料电池提供。
所述的测试和控制系统由电子线路和数字式或指针式电压表和电流表构成。
本发明所述的负载指燃料电池、燃料电池与风扇的组合或燃料电池与电子产品的组合。所述电子产品可为手机、PDA、随身听或手提电脑。
本发明的制氢器可以使用单片电解池，也可以多个单池串联或并联使用，功率大小不受限制。所述制氢器功率和电极面积根据制氢产量的要求决定。
本发明的制氢器与电解水原理不同的是阴极反应是氢的还原，而不是水的还原。产生的氢气可直接利用，亦可经过水洗和干燥得到进一步纯化。在阳极侧有气体二氧化碳产生，在液体醇溶液循环时被及时排出。
本发明的基本原理是利用醇(如甲醇、乙醇等)，通过电解制氢。关键的原理是电解醇仅需很小的电压。为了简要叙述原理，我们将甲醇与水的电解作比较。
电解水的原理非常清楚，理论电压由氢、氧两电极的电位差决定。电解水的标准电位为1.23V。而电解甲醇的标准电位仅为0.02V，甲醇电解的原理是：
阳极：
阴极：
总反应：
由反应式可知，电解醇不仅可利用醇本身的氢，还可从水中获得氢，因此氢的利用率非常高。同样以乙醇为原料，我们不仅可从乙醇本身获得三个氢分子，同时可从水得到三个氢分子：
大大提高了氢的产出率。
本发明所述的醇容器采用不被所用醇腐蚀的材料，如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、玻璃钢、聚氯乙烯；水容器可采用各种不被水溶解的材料，如玻璃、有机玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、玻璃钢、聚氯乙烯。
本发明所述的制氢器是类质子交换膜燃料电池堆结构，采用醇不易透过的阻醇固体电解质子交换膜。
本发明与现有技术相比有如下特点：
1、在电解过程中，醇有可能透过膜扩散到阴极而影响阴极的氢还原过程。所以，本发明的特点之一是在电解池中应用了阻醇固体电解质子交换膜。此外，由于膜非常薄，电解池的结构更紧凑。本发明所用的阻醇膜包括全氟磺酸树脂与纳米SiO2或TiO2或SiO2/TiO2共铸的复合膜：或由磺化聚酰亚胺和聚砜共铸制成的复合膜；或由全氟磺酸树脂溶液与硅溶胶共铸制成的复合膜。
2、本发明的特点之二是采用了高活性、抗毒化的催化剂。醇在贵金属上氧化的活性比较高，但是，醇在氧化的过程中不可避免地产生CO中间物，而毒化催化剂。因此，提高醇的氧化效率，关键是提高催化剂的活性和抗毒化能力。本发明采用具有双功能性能的多元催化剂，包括Pt-Ru、Pt-Ru/C、Pt-WO3、Pt-WO3/C、Pt-Sn、Pt-Sn/C、Pt/C、Pt/WC、Pd/WC或Pd-Au/WC。
3、本发明采用超薄膜电极，其中催化剂直接覆盖在质子交换膜上。催化剂覆盖质子交换膜的制备方法是用转移法将催化剂覆盖到质子交换膜上。
4、本发明的直流电源可采用交流/直流变换稳压电源、电池组、太阳能电池、燃料电池或其它方式的直流电源。
5、本发明的集成装置可增加电解水的对比装置，对电解醇制氢和电解水制氢进行直观比较，用于教学和科学实验。
6、本发明可通过调节电流大小对制氢速度进行控制。
附图说明
图1是本发明的醇直接电解制氢器的结构示意图；
图2是本发明的醇直接电解制氢器的集成装置结构示意图；
图3是用于对比实验的图2与电解水制氢集成装置的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的制氢器是具有质子交换膜燃料电池堆结构的电解池102，电解池内设有阻醇固体电解质子交换膜102-1，阳极和阴极的集流极102-3、102-4，醇溶液通道102-5，氢气通道102-6；多元催化剂102-2覆盖在质子交换膜102-1表面。
如图2所示，101是盛有醇水溶液的容器。醇的水溶液在工作时进入电解器102。电解由103对电解器102提供直流电源，电解器上的电流和电压值由104监测和检测。电解产生的氢由105收集，然后可供给燃料电池106使用再次转换成电能从而使负载107运转。
如图3所示，虚框I是图1的装置，虚框II是电解水的装置，在201中盛放纯水。电解器202的结构与102不同，其它的部件与图1基本相同。
实施例1
集成装置由醇或水容器101，201、制氢器102，202、氢气收集装置105，205、直流稳压电源103，203和测试和控制系统104，204组成。101所用材料为玻璃，201所用材料为有机玻璃。氢气收集装置105，205所用材料为有机玻璃。103，203为交流变压的直流电源，测试和控制系统104，204为数字电压显示表和电子电路。
实施例2
集成装置由醇或水容器101，201、制氢器102，202、氢气收集装置105，205、直流稳压电源103，203和测试和控制系统104，204组成。101，201所用材料为聚四氟乙烯。氢气收集装置105，205所用材料为玻璃。103，203为交流变压的直流电源，测试和控制系统104，204为数字电压显示表和电子电路。
实施例3
集成装置由醇或水容器101，201、制氢器102，202、氢气收集装置105，205、直流稳压电源103，203和测试和控制系统104，204组成。101所用材料为玻璃，201所用材料为有机玻璃。氢气收集装置105，205所用材料为玻璃。直流电源103，203为太阳能电池，测试和控制系统104，204为数字电压显示表和电子电路。
实施例4
集成装置由醇或水容器101，201、制氢器102，202、氢气收集装置105，205、直流稳压电源103，203、燃料电池106，206和测试和控制系统104，204组成。101所用材料为玻璃，201所用材料为有机玻璃。氢气收集装置105，205所用材料为有机玻璃。103，203为交流变压的直流电源，燃料电池106，206为氢/空质子交换膜燃料电池。测试和控制系统104，204为数字电压显示表和电子电路。
实施例5
集成装置由醇或水容器101，201、制氢器102，202、氢气收集装置105，205、直流稳压电源103，203、燃料电池106，206和测试和控制系统104，204组成。101所用材料为玻璃，201所用材料为有机玻璃。氢气收集装置105，205所用材料为有机玻璃。直流电源103，203为太阳能电池，燃料电池106，206为氢/空质子交换膜燃料电池。测试和控制系统104，204为数字电压显示表和电子电路。
实施例6
集成装置由醇或水容器101，201、制氢器102，202、氢气收集装置105，205、直流稳压电源103，203、燃料电池106，206、风扇107，207和测试和控制系统104，204组成。101所用材料为玻璃，201所用材料为有机玻璃。氢气收集装置105，205所用材料为有机玻璃。103，203为交流变压的直流电源，燃料电池106，206为氢/空质子交换膜燃料电池。测试和控制系统104，204为数字电压显示表和电子电路。
实施例7
集成装置由醇或水容器101，201、制氢器102，202、氢气收集装置105，205、直流稳压电源103，203、燃料电池106，206和风扇107，207组成。101所用材料为玻璃，201所用材料为有机玻璃。氢气收集装置105，205所用材料为有机玻璃。直流电源103，203为太阳能电池，燃料电池106，206为氢/空质子交换膜燃料电池。
实施例8
集成装置由醇或水容器101，201、制氢器102，202、氢气收集装置105，205、直流稳压电源103，203、燃料电池106，206、风扇107，207和测试和控制系统104，204组成。容器101，201所用材料为玻璃。氢气收集装置105，205所用材料为玻璃。直流电源103，203为太阳能电池，燃料电池106，206为氢/空质子交换膜燃料电池。测试和控制系统104，204为数字电压显示表和电子电路。
Claims (6)
1、一种醇直接电解制氢器，其特征在于是具有质子交换膜燃料电池堆结构的电解池，电解池内设有阻醇固体电解质子交换膜，阳极和阴极的集流极、醇溶液通道，氢气通道；多元催化剂覆盖在质子交换膜表面；
所述阻醇固体电解质子交换膜由全氟磺酸树脂与纳米SiO2或TiO2或SiO2/TiO2共铸制成，或者由磺化聚酰亚胺和聚砜共铸制成，或者由全氟磺酸树脂溶液与硅溶胶共铸制成；
催化剂包括Pt-Ru、Pt-Ru/C、Pt-WO3、Pt-WO3/C、Pt-Sn、Pt-Sn/C、Pt/C、Pt/WC、Pd/WC或Pd-Au/WC。
2、一种醇直接电解制氢器的集成装置，其特征在于由醇容器、醇直接电解制氢器、氢气收集装置依次管道连接构成，所述制氢器与直流稳压电源、测试和控制系统电连接，氢气收集装置与负载电连接。
3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的氢气收集装置采用排水法收集氢气的装置。
4、根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于所述的直流稳压电源由交流/直流变换稳压电源、化学电池组、太阳能电池或燃料电池提供。
5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述的测试和控制系统由电子线路和数字式或指针式电压表和电流表构成。
6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述的负载指燃料电池、燃料电池与风扇的组合或燃料电池与电子产品的组合；所述电子产品可为手机、PDA、随身听或手提电脑。
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| CN102029155A (zh) * | 2010-11-25 | 2011-04-27 | 中国科学院长春应用化学研究所 | 制氢催化剂 |
| CN102751523A (zh) * | 2012-07-17 | 2012-10-24 | 中国东方电气集团有限公司 | 一体化电池、包括其的一体化电池堆和一体化电池系统 |
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2006
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