[发明专利]基于全钒液流氧化还原媒介分步电解水制氢的装置和方法

说明书

本发明属于电解水技术领域，具体为一种基于全钒液流氧化还原媒介分步电解水制氢的装置和方法。该装置包含两个隔膜电解槽（槽1和槽2）、一个析氢单元以及酸性全钒电解质。该装置把电解水分为全钒液流电池充电和产氢产氧两步骤。第一步，槽1中阳极室的VO²⁺被氧化成VO₂⁺，同时被引入槽2；而槽1中阴极室的V³⁺被还原成V²⁺，同时被引入析氢单元。第二步，槽2中，阴极室的VO₂⁺被还原为VO²⁺并循环回槽1，同时阳极产生氧气；V²⁺在析氢单元中被氧化为V³⁺，并循环回槽1，同时产生氢气。本发明能实现氢气和氧气在不同空间和时间下析出，从而制备高纯氢气；同时降低了电解电压，可以通过控制电解质的量调节产氢体积。

技术领域

本发明属于电解水技术领域，具体涉及一种基于全钒液流氧化还原媒介分步电解水制氢的装置和方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步、国家经济军事的不断发展、人民生活水平的不断提高，人们对能源的需求越来越高。煤炭、石油和天然气是目前主要的能源来源，但是这些化石能源储量有限，开采开发使用过程会造成大量污染与碳排放。为了解决能源短缺与经济发展和环境保护之间的矛盾，有必要开发来源广泛、可再生、低碳无污染的清洁能源。这也有助于我国实现2060年达到碳中和的目标。氢能作为来源广泛、清洁低碳的能源备受全世界青睐。大规模廉价开发氢能成为科学发展的一项重要的目标。

电解水技术成熟、操作简单、清洁无污染，且地球上水资源来源广泛，因此电解水成为了当前大规模制氢的重要手段。碱性电解水发展最早，技术最成熟，工业化比较成功。但是该技术同时在阴阳极产生氢气和氧气，得到的氢气纯度较低，且有较高的危险系数。之后发展出质子交换膜酸性电解水，可以有效的分离两极产生的气体，得到更高纯度的氢气。但是两种气体仍在同一个电解槽中产生，在较高的电流密度和较大的气压下，仍会发生气体的跨膜穿梭。且该法电解时要同时克服析氢析氧的过电位，使得电解电压大，对电流要求高。我们(王永刚、夏永姚、陈龙)已经发明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)和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(专利申请号：201610164054.0)实现在时间和空间上分离氢气和氧气的电解制备，避免了气体的混合。但是这两种方法介体均为固体电极，难以大规模调控产气体积。

发明内容

本发明目的在于克服电解水的难点，提出基于全钒液流氧化还原媒介分步电解水制氢的方法，降低了每一步的电解电压，使得氢气和氧气在两个不同的电解槽分开产生，从而得到高纯的氢气。同时利用液体电解质为氧化还原介体，有效地调控了产气体积。

本发明中，基于全钒液流氧化还原媒介分步电解水制氢的装置包括：两个独立的隔膜电解槽和一个独立的析氢单元；其中一个隔膜电解槽用于全钒液流电池的充放电，另一个隔膜电解槽用于产氧气，析氢单元用于产氢气。本发明的技术方案具体介绍如下。

本发明提供一种基于全钒液流氧化还原媒介分步电解水制氢的装置，其包括用于全钒液流电池充放电的第一隔膜电解槽、用于产氧气的第二隔膜电解槽以及用于产氢气的析氢单元；所述析氢单元为第三隔膜电解槽；第一隔膜电解槽的阳极室和第二隔膜电解槽的阴极室双向连通，第一隔膜电解槽的阴极室和第三隔膜电解槽的阳极室双向连通；其中：

第一隔膜电解槽的阳极室中的电解质为VO²⁺的酸溶液，阴极室中的电解质为V³⁺的酸

溶液；

第二隔膜电解槽的阳极室中的电解质为酸性电解质，阴极室中的电解质为第一隔膜电

解槽中阳极室电解质VO²⁺的酸溶液发生氧化反应生成的VO₂⁺溶液，第二隔膜电解槽的阴极室中的电解质发生还原反应后生成VO²⁺溶液循环回第一隔膜电解槽的阳极室中，氧气产生于第二隔膜电解槽的阳极室中；