一种无负载液流电解水制氢方法及装置与流程

1.本发明属于电解水制氢技术领域，特别是涉及一种无负载液流电解水制氢方法及装置。


背景技术：

2.氢能源是最有发展前景的清洁能源，然后传统电解水工艺中，氢气和氧气难以分离。针对这一难题，近年来两部法电解水制氢技术应运而生，其中一种电化学-化学偶联技术，成功实现了两步法电解水制h2/o2。其核心思想是，电子-耦合-质子缓冲(ecpbs)媒介电极首先通过自身的氧化反应释放出电子和相应的离子，用于阴极的电化学析氢反应(第一步)；随后，利用ni(oh)2/niooh电对与oer过程之间的电位差作为反应的驱动力，并辅以必要的热辅助氧化还原反应，实现了ni(oh)2缓存介质的还原再生和氧气的同步释放(第二步)；然而，该技术制氢和制氧在时间上是分布进行的，化学析氧反应需要消耗大量时间；阳极室需要冷热水循环；ni(oh)2/niooh电对在泡沫镍电极上的负载量有限，造成电解水效率偏低。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种无负载液流电解水制氢方法及装置，通过将催化剂分散在阳极电解液中，解决了催化剂脱落问题和负载量低，催化剂有效面积小的问题，进而解决了现有ni(oh)2/niooh电对在泡沫镍电极上的负载量有限，造成电解水效率偏低的问题。
4.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明为一种无负载液流电解水制氢装置，包括电解池，设置在所述电解池内的隔膜；并通过所述隔膜分隔形成阳极电解区域和阴极电解区域；还包括分别设置在所述隔膜两侧电解池内的阳极电极和阴极电极；所述阳极电解区域的底端连通有泵一，所述泵一的输出端连通有第一阳极电解液储罐，所述第一阳极电解液储罐通过管道连接有第二阳极电解液储罐，所述第二阳极电解液储罐通过泵二连通在阳极电解区域的顶部；所述阴极电解区域的底端连通有泵三，所述泵三的输出端连通有阴极电解液储罐，所述阴极电解液储罐还通过一泵五连通在阴极电解区域的顶部；所述阳极电解区域内填充有阳极电解液，所述阳极电解液内分散有催化剂；所述阴极电解区域内填充有阴极电解液。
6.进一步地，所述管道上设置有泵四；或当所述第一阳极电解液储罐位于所述第二阳极电解液储罐上方时，所述管道的两端分别接通第一阳极电解液储罐底部和第二阳极电解液储罐的顶部，且所述管道上设置电控阀门。
7.进一步地，还包括一用于对所述第一阳极电解液储罐进行加热的加热装置；所述加热装置包括一加热水槽，所述第一阳极电解液储罐浸没所述加热水槽内。
8.进一步地，所述电解池、阴极电解液储罐和第一阳极电解液储罐内分别设置有液位传感器a、液位传感器b和液位传感器c；所述第一阳极电解液储罐和阴极电解液储罐上分别接通有补水管，且所述补水管上设置补水阀；还包括与液位传感器a、液位传感器b和液位
传感器c连接的中控系统，所述中控系统还连接补水阀、泵一、泵四/电控阀门、泵三、泵二和泵五。
9.进一步地，所述催化剂为ni(oh)2/niooh及掺杂钴量子点或者薄层纳米片；所述阳极电极使用惰性电极材料作为集流体；所述惰性电极材料包括碳布，钛网或者泡沫镍；所述阴极电极包括贵金属材料、过渡金属化合物；所述贵金属材料包括铂、铂黑、及铂黑与碳材料的复合材料；所述过渡金属化合物包括金属镍、钼、钨的磷化物、氮化物、氧化物、碳化物以及磷氮化物；所述阴极电解液和阳极电解液均选用koh溶液，koh溶液的浓度为5mol/l；所述隔膜选用半透膜，只需要阻隔ni(oh)2/niooh及掺杂钴量子点或者薄层纳米片，催化剂不进入阳极室，不需要隔离离子，溶液，及气体。
10.一种无负载液流电解水制氢方法，包括：
11.第一步：向阳极电解区域和阴极电解区域内分别注入等液位的阳极电解液和阴极电解液，接通阳极电极和阴极电极；
12.第二步：通过检测电解电压，判断电解进程，阴极电极处反应为ni(oh)2 oh
–→
niooh h2o e
–
，当电解完成后，控制启动泵一和泵三，并断开阳极电极和阴极电极，将阳极电解区域和阴极电解区域内的电解液同步分别泵入第一阳极电解液储罐和阴极电解液储罐内；
13.第三步：待检测电解池内的电解液完全抽出后，检测阴极电解液储罐和第一阳极电解液储罐的液面，并判断阴极电解液储罐和第一阳极电解液储罐内电解液体积v1和v2，初始电解池内的电解液体积为v0，则判断失水量为va＝v0-v1-v2；同步根据v1和v2，判断分别需要向阴极电解液储罐和第一阳极电解液储罐补充的水的体积vb1和vb2；
14.第四步：向阴极电解液储罐补充体积为vb1的水，然后启动泵二和泵五，将存储在第二阳极电解液储罐和阴极电解液储罐内的电解液泵入电解池内，接通阳极电极和阴极电极；
15.此时第一阳极电解液储罐在加热的条件下进行析氧，阳极储罐里的ni(oh)2/niooh及掺杂钴量子点或者薄层纳米片作为氧化还原催化剂在80℃温度下发生化学析氧反应，反应为4niooh 2h2o
→
4ni(oh)2 o2；
16.第五步：当第一阳极电解液储罐内完成析氧后，向第一阳极电解液储罐补充体积为vb2的水，然后再将第一阳极电解液储罐内电解液输送到第二阳极电解液储罐内进行存储。
17.本发明具有以下有益效果：
18.本发明通过将催化剂分散在阳极电解液中，解决了催化剂脱落问题和负载量低，催化剂有效面积小的问题，进而解决了现有ni(oh)2/niooh电对在泡沫镍电极上的负载量有限，造成电解水效率偏低的问题。
19.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附
图。
21.图1为本发明无负载液流电解水制氢装置结构示意图。
具体实施方式
22.如图1，一种无负载液流电解水制氢装置，包括电解池1，设置在电解池1内的隔膜11；并通过隔膜11分隔形成阳极电解区域和阴极电解区域；还包括分别设置在隔膜11两侧电解池1内的阳极电极12和阴极电极13；阳极电解区域的底端连通有泵一31，泵一31的输出端连通有第一阳极电解液储罐3，第一阳极电解液储罐3通过管道连接有第二阳极电解液储罐4，第二阳极电解液储罐4通过泵二33连通在阳极电解区域的顶部；阴极电解区域的底端连通有泵三22，泵三22的输出端连通有阴极电解液储罐2，阴极电解液储罐2还通过一泵五21连通在阴极电解区域的顶部；阳极电解区域内填充有阳极电解液，阳极电解液内分散有催化剂；阴极电解区域内填充有阴极电解液；催化剂为ni(oh)2/niooh及掺杂钴量子点或者薄层纳米片；阳极电极12使用惰性电极材料作为集流体，即采用泡沫镍作为集流体；同时阴极电极13选用铂电极；阴极电解液和阳极电解液均选用koh溶液，koh溶液的浓度为5mol/l；隔膜11选用半透膜，只需要阻隔ni(oh)2/niooh及掺杂钴量子点或者薄层纳米片，催化剂不进入阳极室，不需要隔离离子、溶液、及气体；成本较低。
23.进一步地，管道上设置有泵四32；或当第一阳极电解液储罐3位于第二阳极电解液储罐4上方时，管道的两端分别接通第一阳极电解液储罐3底部和第二阳极电解液储罐4的顶部，且管道上设置电控阀门。
24.还包括一用于对第一阳极电解液储罐3进行加热的加热装置5；加热装置5包括一加热水槽，第一阳极电解液储罐3浸没加热水槽内。
25.电解池1、阴极电解液储罐2和第一阳极电解液储罐3内分别设置有液位传感器a、液位传感器b和液位传感器c；第一阳极电解液储罐3和阴极电解液储罐2上分别接通有补水管，且补水管上设置补水阀；还包括与液位传感器a、液位传感器b和液位传感器c连接的中控系统，中控系统还连接补水阀、泵一31、泵四32/电控阀门、泵三22、泵二33和泵五21。
26.一种无负载液流电解水制氢方法，包括：
27.第一步：向阳极电解区域和阴极电解区域内分别注入等液位的阳极电解液和阴极电解液，接通阳极电极12和阴极电极13；
28.第二步：通过检测电解电压，判断电解进程，阴极电极13处反应为ni(oh)2 oh
–→
niooh h2o e
–
，随着电极的进行，氢氧化锦的量减少，电压会增高，氢氧化锦完全转变为羟基氧化锦后，电解电压会有一个突变，当检测到电解电压发生突变时，判断电解完成，当电解完成后，控制启动泵一31和泵三22，并断开阳极电极12和阴极电极13，将阳极电解区域和阴极电解区域内的电解液同步分别泵入第一阳极电解液储罐3和阴极电解液储罐2内；
29.第三步：待检测电解池1内的电解液完全抽出后，检测阴极电解液储罐2和第一阳极电解液储罐3的液面，并判断阴极电解液储罐2和第一阳极电解液储罐3内电解液体积v1和v2，初始电解池1内的电解液体积为v0，则判断失水量为va＝v0-v1-v2；同步根据v1和v2，判断分别需要向阴极电解液储罐2和第一阳极电解液储罐3补充的水的体积vb1和vb2；
30.第四步：向阴极电解液储罐2补充体积为vb1的水，然后启动泵二33和泵五21，将存储在第二阳极电解液储罐4和阴极电解液储罐2内的电解液泵入电解池1内，接通阳极电极
12和阴极电极13；
31.此时第一阳极电解液储罐3在加热的条件下进行析氧，阳极储罐里的ni(oh)2/niooh及掺杂钴量子点或者薄层纳米片作为氧化还原催化剂在80℃温度下发生化学析氧反应，反应为4niooh 2h2o
→
4ni(oh)2 o2；
32.第五步：当第一阳极电解液储罐3内完成析氧后，向第一阳极电解液储罐3补充体积为vb2的水，然后再将第一阳极电解液储罐3内电解液输送到第二阳极电解液储罐4内进行存储。
33.上述实现两步法电解水产氢产氧空间上的分离，时间上的同步，并能提高氧化还原缓存介质的容量，提高电解水制氢的效率。
34.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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发明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。
35.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。