CN113026044B - 一种三室二电源全分解水电解装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三室二电源全分解水电解装置，包括圆柱电解池和两台电化学工作站，圆柱电解池由三组分隔板分割成三组扇形电解槽，三组电解槽分别为a室、b室、c室，a室内放置一支工作电极和两支参比电极，b室和c室内各放置一支对电极；工作电极采用以铜丝为基底的铜氧化物纳米自支撑电极。本发明还公开该装置的使用方法，a‑c回路电位设置在+0.85～+1.25V之间任一电位；a‑b回路电位设置为0.00～+0.21V之间任一电位。该装置在c室能够产生氢气、b室能够产生氧气。在本发明突破多年来制约工业电解水制氢需要高能耗的瓶颈，将改变传统分解水设备及电极的设计思路，开拓全新的工业电解水设计方案，为工业分解水制备氢气和氧气节约了大量的投资和运营成本。

Description

一种三室二电源全分解水电解装置及方法

技术领域

本发明属于催化剂分解水制备氢气和氧气技术领域，具体涉及一种三室二电源全分解水电解装置及方法。

背景技术

氢气由于其热值高，本身无毒，燃烧后产物为水，无污染，是非常理想的化石能源替代品。纯氧在炼钢等化学工业、国防工业、医疗保健等领域有非常重要作用。因此实现电能耗分解水制备氢气和氧气将是解决能源危机，降低涉及氢气/氧气作为燃料/原料等工业领域等成本的首选途径之一。

目前工业上电解水的电解槽中阳极材料通常使用贵金属Pt、Ir、Ru及它们的二元或三元合金及其氧化物，渗入一些过渡金属；阴极电解槽中制氢气的电极通常使用贵金属(Pt、Ir、Ru)及铂铬合金、铂铱合金、铂镍合金等。公开的全解水制备氢气和氧气的电解装置大多数使用两室电解槽，将一支/组阴极和一支/组阳极分隔在两个不同电解槽内，利用一只电源供电，所需电位1.6V以上。若用Fe等非贵金属材料则所需电位更高。较高的分解水电位意味着制取单位体积的氢气和氧气所需能耗高，以及贵金属材料的稀缺，都是制约电解水制氢和制氧大规模工业化发展的瓶颈。因此利用廉价的非贵金属氧化物，设计合理的电解水方案，降低全分解水制氢气和氧气的电位值，降低分解水能耗，这对解决全球能源危机和降低工业生产成本将有不可估量的价值。

发明内容

针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种三室二电源全分解水电解装置及其方法。

本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供了一种三室二电源全分解水电解装置，包括圆柱电解池和两台置于圆柱电解池的电化学工作站，圆柱电解池由三组位于径线的分隔板分割成三组扇形且等容的电解槽，三组电解槽分别为a室、b室、c室，其中a室内放置一支工作电极和两支参比电极，b室和c室内各放置一支对电极；利用两台电化学工作站作为电解槽供给电源并控制电位，一台电化学工作站分别通过电极夹与对电极、工作电极、参比电极相连接，电解槽内装入1.0mol/L NaOH水溶液作为电解溶液；b室内的对电极、工作电极、一支参比电极以及与上述电极电连接的一台电化学工作站构成a-b回路；c室内的对电极、工作电极、另一支参比电极以及与上述电极电连接的另一台电化学工作站构成a-c回路；对电极采用石墨棒/片；工作电极采用以铜丝为基底的铜纳米氧化物自支撑电极；参比电极采用银-氯化银(Ag-AgCl)电极。

进一步地，圆柱电解池采用玻璃或塑料材质，圆柱电解池的底部和侧面为一整体。

进一步地，分隔板采用与圆柱电解池主体相同的材料，分隔板与圆柱电解池底部间留有间隙。

进一步地，圆柱电解池底部安装卡槽，卡槽位于分隔板两侧下方，卡槽内安装插板，插板为四周具有四氟乙烯框架的质子交换膜。

本发明还提供了上述三室二电源全分解水电解装置催化分解水的方法，该方法利用两个不同的电位值的恒电位法分别对两组电解回路进行供电分解水；a-b回路中电化学工作站的电位设置在0.00～+0.21V之间任一电位，a-b回路上的工作电极上高价过渡金属化合物被还原成低价，同时在其对电极上O^2-被氧化成O₂，使得b室产生氧气；a-c回路中电化学工作站的电位设置为+0.85～+1.25V之间任一电位，a-c回路上的工作电极上低价过渡金属化合物被氧化的同时在其对电极上实现水分解，H⁺被还原产生H₂，c室产生氢气。

进一步地，a-c回路和a-b回路的电流密度值相等，电流符号相反，产生氢气和氧气的摩尔比为2:1。

与现有技术相比，本发明有益效果包括：

(1)本发明的三室二电源全分解水电解装置，所用电解电位为在+0.85～+1.25V和0.00～+0.21V，平均电位大约0.5V实现全分解水，低于目前工业上和文献报道的全分解水电位在1.6V-2.5V范围；本发明的电解水所需电位是目前公开报道的全分解水所需的电位1/3-1/5，这意味着消耗的能量也可以低至现有的1/3-1/5，本发明将突破多年来制约工业电解水制氢需要高能耗的瓶颈，将改变传统分解水设备及电极的设计思路，开拓全新的工业电解水设计方案，为工业分解水制备氢气和氧气节约了大量的投资和运营成本。

(2)本发明利用两组不同电位值的电解回路，同时对铜或其它稳定电极，可以实现几乎同时进行氧化和还原，避免了现有技术中的过渡金属氧化物电极在一个恒定电位下催化制氢气或氧气而不稳定性的缺陷。

(3)本发明所用工作电极为过渡金属纳米氧化物电极，如铜氧化物及其掺杂自支撑电极，或其它导电性能和稳定性能优良的工作电极；所用对电极可以为石墨电极。可以不使用传统的贵金属电极，为分解水制氢和氧气的催化剂依赖贵金属的这一难题提供了新的解决手段，为工业分解水制备氢气和氧气节约了大量的投资成本；同时可以连续分解水达到24小时，这避免了现有技术中的过渡金属氧化物电极在一个恒定电位下催化制氢气或氧气而不稳定性的缺陷。

(4)本发明方法氢气和氧气都产生在石墨电极上，石墨电极稳定性能比较高，耐气体冲击能力比较强；工作电极无气体产生，保护了工作电极，延长了工作电极的使用寿命。

(5)本发明装置中的2支对电极分别置于不同的2室，氢气和氧气分别在2支对电极(如石墨棒/片)上产生，实现氢气和氧气有效分离，避免了传统的过渡金属氧化物电极在制备氢气的同时产生少量的氧气，给气体分离带来了困难。

附图说明

图1为本发明装置侧面展开图。

图2为本发明装置俯视图。

图示说明：1-圆柱电解池，101-a室，102-b室，103-c室，2、2ˊ-对电极，3-工作电极，4、4ˊ-参比电极，5-插板，6-隔板，7、7ˊ-电化学工作站作，8-卡槽。

在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体地连接；可以是机械连接、电连接；可以是直接相连、中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步地说明。

一种三室二电源全分解水电解的方法，该方法包括如下步骤使用的装置如图1和图2所示，包括圆柱电解池1、置于圆柱电解池1外的两台电化学工作站7和7ˊ、置于圆柱电解池1内的两支对电极2和2ˊ、一支工作电极3、两支参比电极4和4ˊ。

圆柱电解池1的结构如下：

(1)圆柱电解池1以玻璃或塑料材质的圆柱体桶状为主体，本实施例中圆柱电解池1高0.2米、底面直径为0.2米，圆柱电解池1的圆柱体底部和侧面为一整体，气密性良好；

(2)采用三组位于径线的分隔板6分割成三组扇形且等容的电解槽，三组电解槽分别为a室101、b室102、c室103，分隔板6采用与圆柱电解池1主体相同的材料，分隔板6与圆柱电解池1底部间留0.03米间隙，用于各室溶液间的交换；

(3)圆柱电解池1底部安装卡槽8，卡槽8位于分隔板6两侧下方，卡槽8内安装插板5，插板5为四周具有四氟乙烯框架的质子交换膜，本实施例中插板5宽0.095米，长0.04米，插板5能够刚好插入卡槽8处，使相邻两室液体和气体隔断，只允许H⁺在两室间自由出入；

(4)a室101内放置一支工作电极3和两支参比电极4，b室102和c室103内各放置一支对电极2、2ˊ；利用2台电化学工作站7、7ˊ作为供给电源并控制电位；电化学工作站7分别通过电极夹依次与对电极2、工作电极3、参比电极4相连接；电化学工作站7ˊ分别通过电极夹依次与对电极2ˊ、工作电极3、参比电极4ˊ相连接。

工作电极3可以采用稳定性和导电性能良好的材料。如采用现有技术自制，按照公开发明专利CN 109868485的方法以铜丝为基底制备铜纳米氧化物自支撑电极。

对电极2和2ˊ采用石墨棒/片或其它导电性强稳定性好的材料。参比电极4、4ˊ采用银-氯化银(Ag-AgCl)电极。由于对电极通常选用价值低廉、稳定性好，导电性能优良的材料，如石墨，本发明气体都产生在对电极表面，而工作电极3表面不产生气体，这保护了工作电极3免受气体冲击而导致不稳定的影响，因此该装置中工作电极的稳定性能良好。

本实施例中具体催化分解水的方法：

电解槽内装入1.0mol/L NaOH水溶液作为电解溶液；

b室102内的对电极2、工作电极3、参比电极4以及与上述电极连接的一台电化学工作站7构成a-b回路制氧；c室103内的对电极2ˊ、工作电极3、参比电极4ˊ以及与上述电极电连接的另一台电化学工作站7ˊ构成a-c回路制氢；将两支对电极分别置于b和c两室，实现氢气和氧气有效分离；

利用恒电位法分别对两组电解回路进行供电分解水，其中a-b回路中电化学工作站7的电位设置在0.00～+0.21V之间任一电位，a-c回路中电化学工作站7ˊ的电位设置为+0.85～+1.25V之间任一电位，这远低于目前工业上和文献所报道的全分解水所需+1.6V～+2.5V的电位值；如本实施例中a-b室的电位设置在+0.1V，a-c的电位设置在+0.9V，本发明所有电位均相对于标准氢电位；a-c回路和a-b回路的电流密度值相等，电流符号相反，产生氢气和氧气的摩尔比为2:1。

本实施例以铜氧化物纳米片自支撑电极为工作电极3进行示范，在碱性条件下，电流密度达到2000A/m²以上，连续分解水制备氢气和氧气可达24小时以上。

在恒定电位下，b室102产生氧气，c室103产生氢气，在a-c回路中，工作电极3上低价过渡金属化合物被氧化的同时在其对电极上实现水分解，H⁺被还原产生H₂；在a-b回路中，工作电极3上高价过渡金属化合物被还原成低价，同时在其对电极2上O^2-被氧化产生O₂；在a-c回路中，工作电极3上低价过渡金属化合物被氧化，同时在其对电极2ˊ上H⁺被还原成H₂；如此反复实现连续分解水制备氢气和氧气，分解水的机理如表1所示。

表1电化学两个电解回路产氧和氢气的机理(以铜氧化物纳米片自支撑电极为例)

备注1.所有电位值都是相对于可逆标准氢(RHE)电极。2.对电极为石墨碳C。

各室所产生气体利用气相色谱技术进行分析。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种三室二电源全分解水电解装置，包括圆柱电解池（1）和两台电化学工作站（7、7ˊ），所述圆柱电解池（1）由三组位于径线的分隔板（6）分割成三组扇形且等容的电解槽，所述电解槽分别为a室（101）、b室（102）、c室（103），其中所述a 室（101）内放置一支工作电极（3）和两支参比电极（4、4ˊ），所述b室（102）和c室（103）内各放置一支对电极（2、2ˊ）；所述两台电化学工作站（7、7ˊ）分别作为所述电解槽供给电源并控制a-b室及a-c室电位，所述电化学工作站（7）通过电极夹分别与对电极（2）、工作电极（3）、参比电极（4）相连接，所述电化学工作站（7ˊ）通过电极夹与对电极（2ˊ）、工作电极（3）、参比电极（4ˊ）相连接，所述电解槽内装入1.0mol/L NaOH水溶液作为电解溶液；所述b室（102）内的对电极（2）、工作电极（3）、参比电极（4）以及电化学工作站（7）构成a-b回路；所述c室（103）内的对电极（2ˊ）、工作电极（3）、另一支参比电极（4ˊ）以及与另一台电化学工作站（7ˊ）构成a-c回路；所述对电极（2和2ˊ）均可采用石墨棒/片；所述工作电极（3）采用以铜氧化物纳米自支撑电极；所述参比电极（4和4ˊ）采用银-氯化银电极。

2.根据权利要求1所述的一种三室二电源全分解水电解装置，其特征在于：所述圆柱电解池（1）采用玻璃或塑料材质，所述圆柱电解池（1）的底部和侧面为一整体。

3.根据权利要求2所述的一种三室二电源全分解水电解装置，其特征在于：所述分隔板（6）采用与所述圆柱电解池（1）主体相同的材料，所述分隔板（6）与所述圆柱电解池（1）底部间留有间隙。

4.根据权利要求3所述的一种三室二电源全分解水电解装置，其特征在于：所述圆柱电解池（1）底部安装卡槽（8），所述卡槽（8）位于所述分隔板（6）两侧下方，所述卡槽（8）内安装插板（5），所述插板（5）为四周具有四氟乙烯框架的质子交换膜。

5.采用权利要求1至4任一所述的三室二电源全分解水电解装置催化分解水的方法，其特征在于：所述方法利用恒电位法分别对两组电解回路进行供电分解水；所述a-b回路中电化学工作站（7）的电位设置在0.00 ~ +0.21 V之间任一电位，所述a-b回路中的工作电极（3）上发生还原化反应，同时在其所述对电极（2）上的O^2-被氧化成O₂，使得所述b室（102）产生氧气；所述a-c回路中电化学工作站（7）的电位设置为+0.85 ~ +1.25 V之间任一电位，所述a-c回路中的工作电极（3）上发生氧化反应，同时在其所述对电极（2ˊ）上水中H⁺被还原产生H₂，使得所述c室（103）产生氢气。

6.根据权利要求5所述的三室二电源全分解水电解装置催化分解水的方法，其特征在于：所述a-c回路和所述a-b回路的电流密度值相等，电流方向相反，产生氢气和氧气的摩尔比为2:1。

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