CN218842354U - 一种电解制氢系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种电解制氢系统，包括电解槽；与所述电解槽海水入口相连的海水储槽装置；与所述电解槽的氢气出口相连的氢气存储装置；与所述电解槽的氧气出口相连的氧气存储装置；所述电解槽包括电解小室，所述电解小室包括阴极、阳极和隔膜；所述阴极和/或阳极包括电极基体和所述电极基体表面的催化层。所述电解制氢系统中的电极在高浓度氯离子环境中具有高稳定性和高选择性。所述催化层具有较大的比表面积和孔隙率，双金属之间具有协同作用，改善了催化层的活性表现。所述电解制氢系统可以避免了淡水资源匮乏对电解制氢应用的限制，降低了电解制氢成本。

Description

一种电解制氢系统

技术领域

本实用新型属于氢能及海水资源利用领域，具体涉及一种电解制氢系统。

背景技术

碱性电解水制氢具有单体设备制氢能力大、成本低的优势，是目前实现大规模绿氢制备的主流技术选择。但是，目前主流的电解水制氢技术对原料水的水质有较高要求，即使在水资源丰富的地区，原水也往往需经过纯化方可得到应用，电解水制氢过程繁琐，成本高，限制了电解水制氢技术在不同地区的发展。

海水在地球上的储量非常丰富，且海上风能、太阳能和波浪能等资源丰富，利用海水进行直接电解制氢有利于绿氢生产的推广。然而，海水中高含量的氯离子会对电解制氢系统材料造成腐蚀和破坏，同时氯离子氧化会对电解制氢的析氧反应造成竞争。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种电解制氢系统，有利于提高电解制氢活性。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为一种电解制氢系统，包括电解槽；与所述电解槽海水入口相连的海水储槽装置；与所述电解槽的氢气出口相连的氢气存储装置；与所述电解槽的氧气出口相连的氧气存储装置；所述电解槽包括电解小室，所述电解小室包括阴极、阳极和隔膜；所述阴极和/或阳极包括电极基体和所述电极基体表面的催化层。

本实用新型所述电解制氢系统中，所述海水储槽装置的海水入口连接海水泵。

本实用新型所述电解制氢系统中，所述电极基体厚度为100～500μm，选自铁、镍、钴和钼中的一种或多种。

本实用新型所述电解制氢系统中，所述催化层厚度为50～500nm，为金属氢氧化物纳米颗粒层或者层状双金属氢氧化物层。

本实用新型提供了一种电解制氢系统，包括电解槽；与所述电解槽海水入口相连的海水储槽装置；与所述电解槽的氢气出口相连的氢气存储装置；与所述电解槽的氧气出口相连的氧气存储装置；所述电解槽包括电解小室，所述电解小室包括阴极、阳极和隔膜；所述阴极和/或阳极包括电极基体和所述电极基体表面的催化层。所述电解制氢系统中的电极对氯离子具有高耐受性，在高浓度氯离子环境中具有高稳定性，能够同时催化产氢和产氧反应，具有高选择性，电极组分成本低，便于大规模推广。所述电极中催化层的层状双金属氢氧化物结构具有较大的比表面积和孔隙率，双金属之间具有协同作用，改善了催化层的活性表现。所述电解制氢系统可以直接用于电解海水，避免了淡水资源匮乏对电解制氢应用的限制，降低了电解制氢成本，拓展了电解制氢的应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为电解制氢单元结构示意图；

图2为电极(催化层为金属氢氧化物纳米颗粒层)示意图；

图3为电极(催化层为层状双金属氢氧化物层)示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，图1为解制氢单元结构示意图，本实用新型提供的电解制氢系统，包括电解槽2；与所述电解槽2海水入口相连的海水储槽装置1；与所述电解槽2的氢气出口相连的氢气存储装置3；与所述电解槽2的氧气出口相连的氧气存储装置4。所述电解槽1包括电解小室，所述电解小室包括阴极、阳极和隔膜；所述阴极和/或阳极包括电极基体和所述电极基体表面的催化层。所述海水储槽装置1的海水入口连接海水泵5。

本实用新型所述电解制氢系统中，所述电极基体厚度为100～500μm，优选为300～500μm。所述电极基体为多孔或致密导电金属，选自铁、镍、钴和钼中的一种或多种，所述电极基体可以为表面负载异种金属的复合体，所述负载异种金属可以包括一种或多种金属，所述电极基体可以市购得到，例如泡沫镍。

本实用新型所述电解制氢系统中，所述催化层可以位于电极基体单侧，也可以位于双侧，在此不做限定。所述催化层厚度为50～500nm，优选为50～100nm。所述催化层为金属氢氧化物纳米颗粒层或者层状双金属氢氧化物层，所述金属氢氧化物纳米颗粒层可以为市购得到，例如镍金属氢氧化物纳米颗粒层，也可以通过以下方法在电极基体表面制备得到：

首先对电极基体进行预处理，所述电极基体为单种金属，可以为泡沫镍。所述预处理为：依次进行水洗、酸洗和醇洗。具体为：依次采用水、0.05～0.5mol/L稀盐酸、无水乙醇对基体进行洗涤，得到经过预处理的电极基体。本实用新型采用稀盐酸洗涤电极基体，用于去除电极基体表面氧化物。

经过预处理后，在电极基体表面形成金属氢氧化物纳米颗粒层，具体步骤可以为：采用0.1～0.5mol/L氯化钠溶液浸泡电极基体12小时以上，金属氢氧化物纳米颗粒层形成于电极基体的双侧表面，形成催化层。或者，将电极基体置于支架上，支架置于0.1～0.5mol/L氯化钠溶液容器内，使电极基体的下表面接触溶液，上表面接触空气，反应12小时以上，金属氢氧化物纳米颗粒层形成于电极基体的单侧表面，形成催化层。所述催化层形成过程中，发生了金属腐蚀和原位沉积反应，具体机理为：

M＝M²⁺+2e^-；

M＝M³⁺+3e^-；

M²⁺+2H₂O＝M(OH)₂+2H⁺；

M³⁺+3H₂O＝M(OH)₃+3H⁺；

(M代表电极基体金属元素)；

在电极基体腐蚀过程中，氯离子的存在加速了金属腐蚀进程；在沉积过程中，基体表面形成均匀分散的金属氢氧化物纳米颗粒层。参见图2，图2为电极(催化层为金属氢氧化物纳米颗粒层)示意图，所述电极包括电极基体层2.1和金属氢氧化物纳米颗粒层2.2。

本实用新型所述电解制氢系统中，所述层状双金属氢氧化物层具有较大的比表面积和孔隙率，双金属之间的共存和占位改善了结构的缺陷，具有协同作用，提高了催化层的反应活性表现，所述层状双金属氢氧化物层可以通过市购得到，例如镍钴层状双金属氢氧化物层，也可以通过以下方法在电极基体表面制备得到：

首先对电极基体进行预处理，所述电极基体可以为负载铁的镍金属片。所述预处理为：依次进行水洗、酸洗和醇洗。具体为：依次采用水、0.05～0.5mol/L稀盐酸、无水乙醇对基体进行洗涤，得到经过预处理的电极基体。本实用新型采用稀盐酸洗涤电极基体，用于去除电极基体表面氧化物。

经过预处理后，在电极基体表面形成层状双金属氢氧化物层，具体步骤可以为：采用海水浸泡电极基体12小时以上，所述海水包括1～5％质量百分含量的阻垢剂，层状双金属氢氧化物形成于电极基体的双侧表面，形成催化层。或者，将电极基体置于支架上，支架置于海水容器内，使电极基体的下表面接触溶液，上表面接触空气，反应12小时以上，所述海水包括1～5％质量百分含量的阻垢剂，层状双金属氢氧化物形成于电极基体的单侧表面，形成催化层。所述阻垢剂可以通过市购得到，在此不做限定，在海水反应过程中添加阻垢剂，可以防止大量钙镁离子的沉积，控制钙镁离子在表面与基体金属的结合中处于辅助地位，有利于形成高活性反应位点。所述催化层形成过程中，发生了金属腐蚀和原位沉积反应，所述原位沉积反应中，海水中的Ca²⁺、Mg²⁺等二价离子与基体金属共同沉积，形成层状双金属氢氧化物结构，所述基体金属为单种金属时，反应式为：

M₁ ²⁺+M₂ ²⁺+Na⁺+H₂O→(M₁(OH)_a)_x-Na_y-(M₂(OH)_b)_z-OH_y-H₂O+H⁺；

(M₁为电极基体金属元素；M₂为海水中的二价金属元素)；

所述基体金属为多种金属时，反应式为：

M₁ ²⁺+M₃ ²⁺+Na⁺+H₂O→(M₁(OH)_a)_x-Na_y-(M₃(OH)_b)_z-OH_y-H₂O+H⁺；

(M₁和M₃为电极基体金属元素)；

M₁ ²⁺+M₂ ²⁺+Na⁺+H₂O→(M₁(OH)_a)_x-Na_y-(M₂(OH)_b)_z-OH_y-H₂O+H⁺；

(M₁为电极基体金属元素；M₂为海水中的二价金属元素)；

M₃ ²⁺+M₂ ²⁺+Na⁺+H₂O→(M₃(OH)_a)_x-Na_y-(M₂(OH)_b)_z-OH_y-H₂O+H⁺；

(M₃为电极基体金属元素；M₂为海水中的二价金属元素)；

在电极基体腐蚀过程中，海水中氯离子的存在加速了金属腐蚀进程；在沉积过程中，基体表面形成均匀分散的层状双金属氢氧化物层。参见图3，图3为电极(催化层为层状双金属氢氧化物层)示意图，所述电极包括电极基体层2.1和层状双金属氢氧化物层2.3。

本实用新型所述电解制氢系统中，所述层状双金属氢氧化物层还可以通过以下方法在电极基体表面制备得到：

首先对电极基体进行预处理，所述电极基体包括多种金属。所述预处理为：依次进行水洗、酸洗和醇洗。具体为：依次采用水、0.05～0.5mol/L稀盐酸、无水乙醇对基体进行洗涤，得到经过预处理的电极基体。本实用新型采用稀盐酸洗涤电极基体，用于去除电极基体表面氧化物。

经过预处理后，在电极基体表面形成层状双金属氢氧化物层，具体步骤可以为：采用0.1～0.5mol/L氯化钠溶液浸泡电极基体12小时以上，层状双金属氢氧化物形成于电极基体的双侧表面，形成催化层。或者，将电极基体置于支架上，支架置于0.1～0.5mol/L氯化钠溶液容器内，使电极基体的下表面接触溶液，上表面接触空气，反应12小时以上，层状双金属氢氧化物形成于电极基体的单侧表面，形成催化层。所所述催化层形成过程中，发生了金属腐蚀和原位沉积反应，所述原位沉积反应中，电极基体金属共同沉积，形成层状双金属氢氧化物结构，反应式为：

M₁ ²⁺+M₃ ²⁺+Na⁺+H₂O→(M₁(OH)_a)_x-Na_y-(M₃(OH)_b)_z-OH_y-H₂O+H⁺；

(M₁和M₃为电极基体金属元素)。

实施例1：

电解制氢系统包括电解槽；与所述电解槽海水入口相连的海水储槽装置；与所述电解槽的氢气出口相连的氢气存储装置；与所述电解槽的氧气出口相连的氧气存储装置。所述海水储槽装置的海水入口连接海水泵。

所述电解槽包括电解小室，所述电解小室包括阴极、阳极和隔膜；所述阴极和阳极包括电极基体和所述电极基体表面的催化层。所述基体为多孔导电金属泡沫镍。所述催化层为镍金属氢氧化物纳米颗粒层，位于所述基体的双侧表面。

所述阴极和阳极的制备方法具体为：

1)基体预处理：依次采用水、0.1mol/L稀盐酸、无水乙醇对基体进行洗涤。

2)催化层形成：采用0.1mol/L氯化钠溶液浸泡基体12小时以上。

在催化层形成过程中，发生了金属腐蚀和原位沉积反应，具体机理为：

Ni＝Ni²⁺+2e^-；

Ni＝Ni³⁺+3e^-；

Ni²⁺+2H₂O＝Ni(OH)₂+2H⁺；

Ni³⁺+3H₂O＝Ni(OH)₃+3H⁺；

在腐蚀过程中，氯离子的存在加速了腐蚀进程。在沉积过程中，基体表面形成均匀分散的镍金属氢氧化物纳米颗粒层。

实施例2：

电解制氢系统包括电解槽；与所述电解槽海水入口相连的海水储槽装置；与所述电解槽的氢气出口相连的氢气存储装置；与所述电解槽的氧气出口相连的氧气存储装置。所述海水储槽装置的海水入口连接海水泵。

所述电解槽包括电解小室，所述电解小室包括阴极、阳极和隔膜；所述阴极和阳极包括电极基体和所述电极基体表面的催化层。

所述电极基体为表面负载了一层铁的镍金属片。铁负载层的厚度为5nm，镍金属片厚度为10μm。所述催化层位于所述基体负载有铁负载层的单侧表面。

所述阴极和阳极的制备方法为：

1)基体预处理：依次用水、0.05mol/L稀盐酸、无水乙醇对基体进行洗涤。

2)催化层形成：用0.5mol/L氯化钠溶液浸泡基体12小时以上。将基体置于支架上，负载层朝下；支架置于氯化钠溶液容器内，使基体的下表面接触溶液，上表面接触空气。

在催化层形成过程中，发生了金属腐蚀和原位沉积反应，具体机理为：

M＝M²⁺+2e^-；

M＝M³⁺+3e^-；

(M代表金属元素，即铁、镍)；

M₁ ²⁺+M₂ ²⁺+Na⁺+H₂O→(M₁(OH)_a)_x-Na_y-(M₂(OH)_b)_z-OH_y-H₂O+H⁺；

(M₁，M₂代表基体金属元素，M₁为铁，M₂为镍)；

催化层的层状双金属氢氧化物具有较大的比表面积和孔隙率，双金属之间具有协同作用，可以改善催化剂的活性表现。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种电解制氢系统，其特征在于，包括：电解槽；

与所述电解槽海水入口相连的海水储槽装置；

与所述电解槽的氢气出口相连的氢气存储装置；

与所述电解槽的氧气出口相连的氧气存储装置；

所述电解槽包括电解小室，所述电解小室包括阴极、阳极和隔膜；

所述阴极和/或阳极包括电极基体和所述电极基体表面的催化层。

2.根据权利要求1所述电解制氢系统，其特征在于，所述海水储槽装置的海水入口连接海水泵。

3.根据权利要求1所述电解制氢系统，其特征在于，所述电极基体厚度为100～500μm。

4.根据权利要求3所述电解制氢系统，其特征在于，所述电极基体选自铁、镍、钴和钼中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述电解制氢系统，其特征在于，所述催化层厚度为50～500nm。

6.根据权利要求5所述电解制氢系统，其特征在于，所述催化层为金属氢氧化物纳米颗粒层或者层状双金属氢氧化物层。

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