醇直接電解制氫器及其集成裝置的製作方法

2023-09-20 19:30:30 2

專利名稱：醇直接電解制氫器及其集成裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種制氫方法及其裝置的能源技術領域，具體是醇直接電解制氫器。
本發明還涉及所述醇直接電解制氫器的集成裝置。
背景技術：
氫能是可代替化石燃料的新能源。氫能有以下主要特點(1)氫的化學能高，1g氫可以放出1.4×105J的熱量，約為1g汽油產生熱量的3倍；(2)氫氣在能量轉換過程中，除釋放出巨大的能量外，不產生汙染物，不會造成環境汙染，因而被稱為「清潔燃料」；(3)氫的來源廣泛；(4)氫的用途極為廣泛。長期以來，煤炭、石油等化石燃料的廣泛使用，已對全球環境造成嚴重汙染，甚至對人類自身的生存造成威脅。同時，化石燃料不可再生，會隨著持續開採而枯竭。因此，新型清潔能源的開發與應用是大勢所趨，氫能作為理想的清潔能源之一，已引起人們的廣泛重視。氫能將是未來能源結構中最具發展潛力的清潔能源之一，將以其優異的使用性能在未來能源領域中扮演重要的角色。
以氫氣為原料的燃料電池和氫氣發動機的問世，使世界範圍內的汽車工業面臨一場深刻的革命。1993年加拿大Ballard公司研製出世界第一輛燃料電池公共汽車，1997年德國奔馳汽車公司推出質子交換膜型燃料電池汽車，1998年又推出以甲醇為原料的重整式燃料電池汽車，1999年美國福特和日本豐田公司也推出以氫為原料的質子交換膜燃料電池汽車，2002年德國大眾汽車公司也推出了第一款質子膜燃料電池汽車，注入一次燃料行駛距離為160公裡。中國在2003年相繼推出了燃料電池示範公共汽車和轎車。2005年美國通用汽車推出的第三代燃料電池汽車，車速每小時已可達160公裡，行駛距離為400公裡。日本本田公司的燃料電池轎車已正式在公路上運行。但是，隨著燃料電池技術的逐步成熟，氫源成為阻礙燃料電池應用的瓶頸。解決氫的製備、儲存、運輸和應用是一個整體行為，而制氫技術則是首要問題。氫作為燃料電池燃料的可行性最主要是取決於氫的成本。
工業制氫方法主要是以天然氣、石油和煤為原料，在高溫下使之與水蒸氣反應而製得，也可以用部分氧化法製得。煤造氣雖然原料費用稍低，但流程長投資大，且汙染大，雜質多，需脫硫淨化等，對中小規模裝置不適用。甲醇重整制氫的效率高，但其分解溫度在197℃，能耗較高，設備投資也較大。這些制氫方法在工藝上都比較成熟，但是，由化石燃料和電力來換取氫能，在經濟上和資源利用上並不合適。現有的工業制氫主要是維持化工、煉油、冶金、及電子等部門的需要。水電解制氫和生物質氣化制氫等方法，已形成規模。其中，低價電電解水制氫方法是當前氫氣規模製備的主要方法，但是，電解水制氫的電耗過高，一般約為5kWh/Nm3H2。

發明內容
本發明的目的在於針對現有技術存在的缺陷，提供一種電耗低，製備電壓小的醇直接電解制氫器，為燃料電池及其它方面技術的實際應用和需求提供氫源，亦可用於教學和科學實驗。
本發明的目的還在於提供所述醇直接電解制氫器的集成裝置。
本發明所述醇直接電解制氫器是具有質子交換膜燃料電池堆結構的電解池，電解池內設有阻醇固體電解質子交換膜，陽極和陰極的集流極、醇溶液通道，氫氣通道；多元催化劑覆蓋在質子交換膜表面。
本發明採用醇不易透過的阻醇固體電解質子交換膜，所述阻醇固體電解質子交換膜由全氟磺酸樹脂與納米SiO2或TiO2或SiO2/TiO2共鑄製成，或者由磺化聚醯亞胺和聚碸共鑄製成，或者由全氟磺酸樹脂溶液與矽溶膠共鑄製成；具有雙功能性能的多元催化劑覆蓋在質子交換膜表面，催化劑包括Pt-Ru、Pt-Ru/C、Pt-WO3、Pt-WO3/C、Pt-Sn、Pt-Sn/C、Pt/C、Pt/WC、Pd/WC或Pd-Au/WC。
本發明的所述醇直接電解制氫器的集成裝置由醇容器、制氫器、氫氣收集裝置依次管道連接構成，所述制氫器與直流穩壓電源、測試和控制系統電連接，氫氣收集裝置與負載電連接；所述的氫氣收集裝置可用現有通用的裝置，例如排水法收集氫氣的裝置。
所述的直流穩壓電源由交流/直流變換穩壓電源、化學電池組、太陽能電池或燃料電池提供。
所述的測試和控制系統由電子線路和數字式或指針式電壓表和電流表構成。
本發明所述的負載指燃料電池、燃料電池與風扇的組合或燃料電池與電子產品的組合。所述電子產品可為手機、PDA、隨身聽或手提電腦。
本發明的制氫器可以使用單片電解池，也可以多個單池串聯或並聯使用，功率大小不受限制。所述制氫器功率和電極面積根據制氫產量的要求決定。
本發明的制氫器與電解水原理不同的是陰極反應是氫的還原，而不是水的還原。產生的氫氣可直接利用，亦可經過水洗和乾燥得到進一步純化。在陽極側有氣體二氧化碳產生，在液體醇溶液循環時被及時排出。
本發明的基本原理是利用醇(如甲醇、乙醇等)，通過電解制氫。關鍵的原理是電解醇僅需很小的電壓。為了簡要敘述原理，我們將甲醇與水的電解作比較。
電解水的原理非常清楚，理論電壓由氫、氧兩電極的電位差決定。電解水的標準電位為1.23V。而電解甲醇的標準電位僅為0.02V，甲醇電解的原理是陽極陰極總反應由反應式可知，電解醇不僅可利用醇本身的氫，還可從水中獲得氫，因此氫的利用率非常高。同樣以乙醇為原料，我們不僅可從乙醇本身獲得三個氫分子，同時可從水得到三個氫分子
大大提高了氫的產出率。
本發明所述的醇容器採用不被所用醇腐蝕的材料，如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、玻璃鋼、聚氯乙烯；水容器可採用各種不被水溶解的材料，如玻璃、有機玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、玻璃鋼、聚氯乙烯。
本發明所述的制氫器是類質子交換膜燃料電池堆結構，採用醇不易透過的阻醇固體電解質子交換膜。
本發明與現有技術相比有如下特點1、在電解過程中，醇有可能透過膜擴散到陰極而影響陰極的氫還原過程。所以，本發明的特點之一是在電解池中應用了阻醇固體電解質子交換膜。此外，由於膜非常薄，電解池的結構更緊湊。本發明所用的阻醇膜包括全氟磺酸樹脂與納米SiO2或TiO2或SiO2/TiO2共鑄的複合膜或由磺化聚醯亞胺和聚碸共鑄製成的複合膜；或由全氟磺酸樹脂溶液與矽溶膠共鑄製成的複合膜。
2、本發明的特點之二是採用了高活性、抗毒化的催化劑。醇在貴金屬上氧化的活性比較高，但是，醇在氧化的過程中不可避免地產生CO中間物，而毒化催化劑。因此，提高醇的氧化效率，關鍵是提高催化劑的活性和抗毒化能力。本發明採用具有雙功能性能的多元催化劑，包括Pt-Ru、Pt-Ru/C、Pt-WO3、Pt-WO3/C、Pt-Sn、Pt-Sn/C、Pt/C、Pt/WC、Pd/WC或Pd-Au/WC。
3、本發明採用超薄膜電極，其中催化劑直接覆蓋在質子交換膜上。催化劑覆蓋質子交換膜的製備方法是用轉移法將催化劑覆蓋到質子交換膜上。
4、本發明的直流電源可採用交流/直流變換穩壓電源、電池組、太陽能電池、燃料電池或其它方式的直流電源。
5、本發明的集成裝置可增加電解水的對比裝置，對電解醇制氫和電解水制氫進行直觀比較，用於教學和科學實驗。
6、本發明可通過調節電流大小對制氫速度進行控制。


圖1是本發明的醇直接電解制氫器的結構示意圖；圖2是本發明的醇直接電解制氫器的集成裝置結構示意圖；圖3是用於對比實驗的圖2與電解水制氫集成裝置的示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明的制氫器是具有質子交換膜燃料電池堆結構的電解池102，電解池內設有阻醇固體電解質子交換膜102-1，陽極和陰極的集流極102-3、102-4，醇溶液通道102-5，氫氣通道102-6；多元催化劑102-2覆蓋在質子交換膜102-1表面。
如圖2所示，101是盛有醇水溶液的容器。醇的水溶液在工作時進入電解器102。電解由103對電解器102提供直流電源，電解器上的電流和電壓值由104監測和檢測。電解產生的氫由105收集，然後可供給燃料電池106使用再次轉換成電能從而使負載107運轉。
如圖3所示，虛框I是圖1的裝置，虛框II是電解水的裝置，在201中盛放純水。電解器202的結構與102不同，其它的部件與圖1基本相同。
實施例1集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩壓電源103，203和測試和控制系統104，204組成。101所用材料為玻璃，201所用材料為有機玻璃。氫氣收集裝置105，205所用材料為有機玻璃。103，203為交流變壓的直流電源，測試和控制系統104，204為數字電壓顯示錶和電子電路。
實施例2集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩壓電源103，203和測試和控制系統104，204組成。101，201所用材料為聚四氟乙烯。氫氣收集裝置105，205所用材料為玻璃。103，203為交流變壓的直流電源，測試和控制系統104，204為數字電壓顯示錶和電子電路。
實施例3集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩壓電源103，203和測試和控制系統104，204組成。101所用材料為玻璃，201所用材料為有機玻璃。氫氣收集裝置105，205所用材料為玻璃。直流電源103，203為太陽能電池，測試和控制系統104，204為數字電壓顯示錶和電子電路。
實施例4集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩壓電源103，203、燃料電池106，206和測試和控制系統104，204組成。101所用材料為玻璃，201所用材料為有機玻璃。氫氣收集裝置105，205所用材料為有機玻璃。103，203為交流變壓的直流電源，燃料電池106，206為氫/空質子交換膜燃料電池。測試和控制系統104，204為數字電壓顯示錶和電子電路。
實施例5集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩壓電源103，203、燃料電池106，206和測試和控制系統104，204組成。101所用材料為玻璃，201所用材料為有機玻璃。氫氣收集裝置105，205所用材料為有機玻璃。直流電源103，203為太陽能電池，燃料電池106，206為氫/空質子交換膜燃料電池。測試和控制系統104，204為數字電壓顯示錶和電子電路。
實施例6
集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩壓電源103，203、燃料電池106，206、風扇107，207和測試和控制系統104，204組成。101所用材料為玻璃，201所用材料為有機玻璃。氫氣收集裝置105，205所用材料為有機玻璃。103，203為交流變壓的直流電源，燃料電池106，206為氫/空質子交換膜燃料電池。測試和控制系統104，204為數字電壓顯示錶和電子電路。
實施例7集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩壓電源103，203、燃料電池106，206和風扇107，207組成。101所用材料為玻璃，201所用材料為有機玻璃。氫氣收集裝置105，205所用材料為有機玻璃。直流電源103，203為太陽能電池，燃料電池106，206為氫/空質子交換膜燃料電池。
實施例8集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩壓電源103，203、燃料電池106，206、風扇107，207和測試和控制系統104，204組成。容器101，201所用材料為玻璃。氫氣收集裝置105，205所用材料為玻璃。直流電源103，203為太陽能電池，燃料電池106，206為氫/空質子交換膜燃料電池。測試和控制系統104，204為數字電壓顯示錶和電子電路。
權利要求
1.一種醇直接電解制氫器，其特徵在於是具有質子交換膜燃料電池堆結構的電解池，電解池內設有阻醇固體電解質子交換膜，陽極和陰極的集流極、醇溶液通道，氫氣通道；多元催化劑覆蓋在質子交換膜表面；所述阻醇固體電解質子交換膜由全氟磺酸樹脂與納米SiO2或TiO2或SiO2/TiO2共鑄製成，或者由磺化聚醯亞胺和聚碸共鑄製成，或者由全氟磺酸樹脂溶液與矽溶膠共鑄製成；催化劑包括Pt-Ru、Pt-Ru/C、Pt-WO3、Pt-WO3/C、Pt-Sn、Pt-Sn/C、Pt/C、Pt/WC、Pd/WC或Pd-Au/WC。
2.一種醇直接電解制氫器的集成裝置，其特徵在於由醇容器、醇直接電解制氫器、氫氣收集裝置依次管道連接構成，所述制氫器與直流穩壓電源、測試和控制系統電連接，氫氣收集裝置與負載電連接。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於所述的氫氣收集裝置採用排水法收集氫氣的裝置。
4.根據權利要求2或3所述的裝置，其特徵在於所述的直流穩壓電源由交流/直流變換穩壓電源、化學電池組、太陽能電池或燃料電池提供。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於所述的測試和控制系統由電子線路和數字式或指針式電壓表和電流表構成。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於所述的負載指燃料電池、燃料電池與風扇的組合或燃料電池與電子產品的組合；所述電子產品可為手機、PDA、隨身聽或手提電腦。
全文摘要
本發明涉及一種醇直接電解制氫器，是具有質子交換膜燃料電池堆結構的電解池，採用阻醇固體電解質子交換膜。本發明還涉及所述醇直接電解制氫器的的集成裝置，由醇容器、制氫器、氫氣收集裝置依次管道連接構成，所述制氫器與直流穩壓電源、測試和控制系統電連接，氫氣收集裝置與負載電連接；本發明電耗低，製備電壓小，可為燃料電池及其它方面技術的實際應用和需求提供氫源，亦可用於教學和科學實驗。
文檔編號C25B1/02GK1940138SQ200610122458
公開日2007年4月4日 申請日期2006年9月27日 優先權日2006年9月27日
發明者沈培康, 黃嶽強 申請人:中山大學