[发明专利]一种三电极体系双电解槽两步法电解水制氢的装置及方法

说明书

本发明属于电解水技术领域，具体涉及一种三电极体系双电解槽两步法电解水制氢的装置及方法。该电解装置包含两个独立的电解槽(槽‑1和槽‑2)、析氢催化电极、析氧催化电极和氢氧化镍电极以及碱性电解质。该电解装置把电解水过程分为产氢和产氧两个步骤，并分别在两个电解槽(槽‑1和槽‑2)中交替进行。本发明有效地将常规电解水中同时发生的产氢和产氧步骤分割，使产氢和产氧分别在不同的电解槽中完成。本发明可在不采用任何隔膜的条件下，制备出高纯的氢气，并进一步降低电解水制氢的成本。

技术领域

本发明属于电解水技术领域，具体涉及一种新型的基于三电极体系的双电解槽两步法电解水制氢的装置及方法。

背景技术

能源是发展国民经济、提高人民生活质量的重要物质基础，是直接影响经济发展的重要制约因素，同时也是国家战略安全保障的基础之一。为解决经济发展与能源短缺及环境污染之间日益加剧的矛盾，开发清洁、高效、可持续发展的新能源动力技术已成为十分紧迫的任务。发展可再生能源和能源的清洁高效利用将是当今国际社会所面临的重要现实问题，对整个世界经济的可持续发展具有重要意义。氢能源作为高效、洁净和理想的二次能源已经受到了全世界的广泛重视。大规模、廉价地生产氢气是开发和利用氢能的重要环节之一。

电解水制备氢气操作相对简单，技术相对成熟，而且制氢过程没有污染，是实现大规模生产氢气的重要手段。在当前的制氢工业生产中，碱性水电解技术工业化早、技术成熟、设备成本低，因此碱性水电解在水电解行业中占主导地位。但因为其能耗较高，限制了它的广泛应用。更为重要的是，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。近期，我们（王永刚；夏永姚；陈龙）已经发明了一种基于三电极体系的两步法电解水制氢的方法及装置(专利申请号：201510799110.3)，并实现了产氢步骤和产氧步骤在同一电解槽中的分步完成，即没有任何隔膜的情况下实现了纯氢和纯氧的分步制备，有效避免了氢气和氧气的混合。该方法的产氢和产氧步骤在同一电解槽中完成，而电解槽中的碱性电解液也会溶解少量的氢气和氧气，即在电解槽内的电解液中仍有少量氢气和氧气混合的可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备成本低、可避免电解液中氢气和氧气混合的基于三电极体系的两步法电解水制氢的装置及方法。

本发明所提供的基于三电极体系的两步法电解水制氢的装置，采用双电解槽结构，该装置包括：两个独立的电解槽(电解槽-1和电解槽-2)；三个电极：对电解水生成氢气具有催化作用的析氢催化电极、对电解水生成氧气具有催化作用的析氧催化电极和氢氧化镍(Ni(OH)₂)电极；碱性电解液。其中，电解槽-1用于产氢气，电解槽-2用于产氧气；

在电解槽-1中的产氢气时，阴极连接析氢催化电极，阳极连接氢氧化镍电极；在电解槽-2中的产氧气时，阴极连接氢氧化镍电极，阳极连接析氧催化电极。

本发明所提供的基于三电极体系的双电解槽两步法电解水制氢的方法，如图1所示具体步骤如下:

（一）在电解槽-1中产氢气（即电解水生成氢气步骤）：