隔膜式電解槽和用于由水的單級電解生產(chǎn)氫氣的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種隔膜式電解槽和由水電解生產(chǎn)商業(yè)量的氫氣的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對清潔和可再生的能源存在增加的需求，以消除利用碳?xì)淙剂系呢?fù)面影響和進(jìn)入大氣的碳釋放。氫氣生產(chǎn)是這樣的建議解決方案之一，因?yàn)樗乔鍧嵢剂?，消耗時僅產(chǎn)生水。
[0003]然而，目前大多數(shù)氫氣，約90%，是工業(yè)化產(chǎn)自諸如天然氣、石油(oil)和煤等礦物燃料的氣化。然而，這些方法仍然導(dǎo)致二氧化碳的排放。因此，由于氫氣通常不是從無氧化碳源(carbon oxide free source)得到，它不是碳中性能源。
[0004]因此，對于通過水電解生產(chǎn)氫氣存在增長和更新的興趣與需求。使用隔膜槽(diaphragm cells)通過水電解來生產(chǎn)氫氣是公知的。使用隔膜槽用于氫氣和氧氣的商業(yè)生產(chǎn)，例如Knowles和Stuart槽是公認(rèn)的。然而，這些常規(guī)隔膜槽的缺點(diǎn)在于生產(chǎn)的低能量效率和低容量，其中Knowles槽中的能量效率約為65%，Stuart槽中的能量效率約為55%。
[0005]圖1示出了水電解中的常規(guī)隔膜槽，其中標(biāo)準(zhǔn)電極電位E^zl.229伏并且電解質(zhì)在陽極槽和陰極槽中是相同的。然而，這種常規(guī)槽中的隔膜仍然是特別有問題的，其中，它增加了阻抗，并且使為減少過電壓的電解質(zhì)攪動變得困難。該隔膜必須使電子能夠以最小的阻力通過，但必須防止分別在陽極和陰極產(chǎn)生的氧氣和氫氣的混合。
[0006]在美國專利7326329和相關(guān)的英國專利GB2409865和澳大利亞專利2004237840的名稱為“由水制氫氣的商業(yè)生產(chǎn)”中，提出了從水的單極電解生產(chǎn)氫氣的方法，其中，由與水電解生產(chǎn)lmol氫氣相同的能量生產(chǎn)了更多的氫氣。
[0007]美國專利6475653的名稱為“非擴(kuò)散燃料電池和使用燃料電池的方法”試圖解決關(guān)于電解槽中隔膜的已認(rèn)識到的棘手問題，其中，披露了一種操作時不需隔膜或膜的更高效的氫燃料電池。這使得清潔電能和交通能量能夠得自可再生能量，例如太陽能和風(fēng)能。
[0008]因此，本發(fā)明的目的之一是提供一種改進(jìn)的隔膜電解槽和一種改進(jìn)的由水電解生產(chǎn)氫氣的方法。
[0009]本發(fā)明提供了使用常規(guī)隔膜式電解槽的結(jié)構(gòu)由水電解生產(chǎn)氫氣的更高速率，其中隔膜位于陽極和陰極之間或者電解質(zhì)膜或鹽橋或半導(dǎo)體或?qū)w位于陽極和陰極之間。然而，沒有采用如美國專利7326329所披露的陽極槽和陰極槽中相同的電解質(zhì)，在陰極槽中通過酸性電解質(zhì)，而在陽極槽中通過堿性電解質(zhì)。利用拉蒂默方程，與常規(guī)隔膜槽的用于由水電解生產(chǎn)氫氣和氧氣的標(biāo)準(zhǔn)電極電位E*3:1.229伏相比，標(biāo)準(zhǔn)電極電位E*3變?yōu)?0.401伏。
[0010]值得注意的是，本發(fā)明的電解槽的效率得以改進(jìn)，因?yàn)樵摬鄣碾姌O中的僅一個連接電源。有利的是，這消除了陰極和陽極處的任何不希望的副反應(yīng)，例如分別產(chǎn)生氧氣和氫氣。因此，電解槽的效率得以改進(jìn)。
[0011]本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)在于利用槽的酸性和堿性的電解質(zhì)以生產(chǎn)氫氣和氧氣。酸性電解質(zhì)離開陰極槽，其含有過量的0H—離子，使該酸性電解質(zhì)的電荷為負(fù)。此外，堿性電解質(zhì)離開陽極槽，其含有過量的H+離子，使該堿性電解質(zhì)呈正電性。這兩種電解質(zhì)通過另一組具有隔膜式結(jié)構(gòu)的電解槽，其中所述電解質(zhì)趨向于彼此中和而產(chǎn)生電流。根據(jù)法拉第定律，這會導(dǎo)致氫氣和氧氣的生產(chǎn)。
[0012]本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)將通過以下描述以及聯(lián)系附圖而變得顯而易見，其中，通過闡釋和舉例的方式，本發(fā)明的實(shí)施方式被公開。
[0013]發(fā)明概述
[0014]根據(jù)本發(fā)明，盡管不應(yīng)視為以任何方式限制本發(fā)明，提出了一種電解槽，其包括:
[0015]至少一個陽極隔室(compartment)，其容納(housing)有陽極電極和堿性電解質(zhì)；
[0016]至少一個陰極隔室，其容納有陰極電極和酸性電解質(zhì)；
[0017]至少一個分隔部件，其分離所述陽極隔室和陰極隔室；
[0018]與所述陽極電極或陰極電極連接的電源；以及
[0019]與所述電源連接的調(diào)制器；
[0020]其中，所述電源被激活，脈沖電流通過調(diào)制器被施加到所述陽極電極或陰極電極，以使得調(diào)制器以至少一個電流脈沖的形式生成并向所述陽極電極或陰極電極傳送電流，從而最小化極化的發(fā)生并增加電解槽的效率。
[0021]優(yōu)選地，基座部件連接于所述陽極電極。
[0022]優(yōu)選地，所述基座部件由與所述陽極電極相同的材料或涂層組成。
[0023]優(yōu)選地，基座部件連接于所述陰極電極。
[0024]優(yōu)選地，所述基座部件由與所述陰極電極相同的材料或涂層組成。
[0025]優(yōu)選地，導(dǎo)電部件在所述陽極隔室和陰極隔室之間延伸并連接所述陽極隔室和陰極隔室。
[0026]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電部件選自鹽橋、半導(dǎo)體或?qū)w部件。
[0027]優(yōu)選地，分離所述陽極隔室和陰極隔室的所述分隔物(partit1n)為多孔隔膜。
[0028]優(yōu)選地，分離所述陽極隔室和陰極隔室的所述分隔物為電解部件(electrolyticmember)。
[0029 ] 優(yōu)選地，所述電流脈沖以1000Hz至20000Hz的范圍被施加。
[0030]優(yōu)選地，所述陽極電極和陰極電極由多孔材料組成。
[0031]優(yōu)選地，所述陽極電極和陰極電極由鈦網(wǎng)組成。
[0032]優(yōu)選地，所述陽極電極和陰極電極涂覆有催化劑以分別促進(jìn)氧化和還原。
[0033]優(yōu)選地，所述催化劑選自鉑、鉑氧化物、釕、銥、鎳、鈷、鉬或這些貴金屬和堿金屬的合金或氧化物。
[0034]優(yōu)選地，所述陽極隔室和陰極隔室進(jìn)一步容納有多個非導(dǎo)電部件以促進(jìn)堿性電解質(zhì)通過所述陽極電極和陰極電極的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的移動和流動。
[0035]優(yōu)選地，所述多個非導(dǎo)電部件由塑料擋板組成。
[0036]優(yōu)選地，所述調(diào)制器以系列電流脈沖的形式生成并向所述陽極電極或陰極電極傳送電流。
[0037]優(yōu)選地，所述電源是DC電源并向調(diào)制器施加DC電流。
[0038]在本發(fā)明的另一種形式中，提出了使用電解槽由水電解生產(chǎn)氫氣的方法，該方法包括以下步驟:
[0039]a.傳遞堿性電解質(zhì)通過容納有陽極電極的陽極隔室以生產(chǎn)氧氣，其中所述陽極電極連接于電源；
[0040]b.傳遞酸性電解質(zhì)通過容納有陰極電極的陰極隔室以生產(chǎn)氫氣，其中所述陰極連接于所述電源；
[0041 ] c.基座部件連接于所述陽極電極和陰極電極；
[0042]d.所述陽極隔室和陰極隔室連接有半導(dǎo)體或?qū)w部件，所述半導(dǎo)體或?qū)w部件在所述陽極隔室和陰極隔室之間延伸并連接所述陽極隔室和陰極隔室；
[0043]e.將調(diào)制器連接于電源；以及
[0044]f.激活所述電源以通過所述調(diào)制器向所述陽極電極或陰極電極施加電流，以使得所述調(diào)制器以至少一個電流脈沖的形式生成并向所述陽極電極或陰極電極傳送電流，從而最小化極化的發(fā)生并增加電解槽的效率。
_]附圖的簡要說明
[0046]為了更好地理解本發(fā)明及相關(guān)使用方法，現(xiàn)在將就優(yōu)選的實(shí)施方式加以描述，這將在本文中參考附圖來描述，其中:
[0047]圖1示出了水電解中使用的常規(guī)隔膜槽，其中標(biāo)準(zhǔn)電極電位0=1.229伏并且陽極隔室和陰極隔室中的電解質(zhì)是相同的；
[0048]圖2示出了美國專利7326329中公開的堿性電解槽；
[0049]圖3A示出了本發(fā)明的電解槽一種實(shí)施方式，其利用了常規(guī)隔膜以分離所述陽極隔室和陰極隔室；
[0050]圖3B示出了本發(fā)明的電解槽的進(jìn)一步實(shí)施方式，其利用了電解質(zhì)膜替代隔膜以分離陽極隔室和陰極隔室；
[0051]圖3C示出了本發(fā)明的電解槽的進(jìn)一步實(shí)施方式，其利用了與圖3A相同結(jié)構(gòu)