[发明专利]一种光电解池分解水产氢装置

说明书

技术领域

本发明涉及光辅助电解水产生氢气装置，具体的说是在碱性溶液体系中外加电压并辅以光照将水分解为氢气、氧气并在线分离的结构装置。

背景技术

近年来，随着世界经济的不断发展，煤、石油、天然气等不可再生化石燃料的加速消耗，传统的能源体系正一步步发生改变，新能源的开发，研制工作已迫在眉睫。在众多的可持续能源中，太阳能是唯一能替代化石燃料并能满足人类大规模应用的能源。然而，由于存在地区差异性，以及昼夜特性，太阳能必须转化为其它能源，才能解决存储运输问题。

另外，在二十一世纪的能源体系中，氢是一种理想的二次能源，与其他能源相比，氢能源高效，环保，其能量密度(140MJ kg^-2)是固体燃料(50MJkg^-2)的两倍多，且其燃烧产物为水，对环境无污染，被认为是最有潜力的能源之一。现在很多科研机构都致力于氢能的生产、存储、利用、运输等新技术。受此种观点启发，将太阳能转化为高能量密度的氢能，引起了科研人员的广泛兴趣。而自然界中含氢物质主要是水，通过水电解是获得氢能的一条直接途径。

目前工业上常用的水电解为碱性水电解，电极反应式为：

阴极：4H₂O+4e→2H₂+4OH^-    φ⁰＝-0.83V

阳极：4OH^-→2H₂O+O₂+4e     φ⁰＝+0.40V

除碱性水电解外，当电解反应在酸性体系或中性体系中时，其电极反应式为：

阴极：4H⁺+4e→2H₂            φ⁰＝0V

阳极：2H₂O→O₂+4H⁺+4e        φ⁰＝1.23V

从上式可以看出，水的理论分解电压与溶液的PH值无关，其实质都是水的分解反应，但由于各种金属材料在酸性溶液中更容易发生腐蚀，故目前工业上多采用碱性溶液。

在水的电解反应中，氧的阳极析出是一个非常复杂的电极过程，涉及到一个有四电子参加的电化学反应，过程中伴随着较大的过电位，因此氧的阳极析出反应需要在比氧的平衡电位更正的电位下才能发生，特别是在酸性介质中，能作为电极的只能是Au、Pt等贵金属，或者是在酸性溶液中能形成稳定氧化物的各种金属，而在碱性体系中进行电解水反应时，阳极电位较低，能够有效的防止金属的腐蚀问题，因此，碱性水电解是近期工业制氢的一种手段。

但在碱性水电解中，由电能到二次能源氢能的转化，电耗较高。如果能有效利用自然界中的光能，利用半导体材料的光电转换过程，直接完成“光化学能”的转换，既能防止金属的腐蚀问题，又能充分的提高能量利用效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型光电解池结构，可在低于水的理论分解电压下，借助光的激发作用，在碱性溶液中将水分解为氢气和氧气。本发明在传统碱性水电解池的基础上加以改进，内部采用膜电极结构，有效保证了电极和隔膜之间的零间距，提高了电解效率，降低了能耗，且该装置具有良好的稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种光电解池分解水产氢装置，其依次由金属端板、阴极、石棉膜、阳极、导电金属网，刚性透光端板叠合而成；

金属端板靠近阴极侧设置有水流场、且金属端板上设有进水口和出水口，进水口和出水口与水流场相连通；阴极为碳纸电极，碳纸电极靠近石棉膜一侧担载有析氢催化剂；石棉膜为碱性石棉膜；

阳极为碳纸电极，碳纸电极靠近石棉膜一侧担载有析氧催化剂、另一侧担载有光催化剂的碳纸电极、刚性透光端板上设有贯穿端板的进水口和出水口；

金属端板和导电金属网分别通过导线与直流电源的负极和正极相连接；于刚性透光端板外侧设有照射刚性透光端板的光源。

进水口和出水口分别通过管路与装有质量浓度5-30％氢氧化钾或氢氧化钠溶液储罐相连，在进水口和/或出水口的管路上设有液泵。