一種電解氨製備氫氣的方法及裝置製造方法
2023-08-02 13:40:11
一種電解氨製備氫氣的方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明屬於氫氣的製備方法，具體的說是涉及一種電解氨製備氫氣的方法及裝置。以氨作為原料，採用沉積了不同貴金屬的泡沫鎳作為陽極和陰極進行電解產氫反應；具體為，將陰極與陽極同時插入含氨的電解液中，並在兩極間施加0.6-0.8V的外加電壓，使氨在陽極上發生氧化反應生成氮氣，水在陰極上發生還原反應生成氫氣。電解反應溫度控制在50-60℃之間。本發明的優點是電解電壓能控制在0.8V以下，且能經濟、有效地製備氫氣。
【專利說明】一種電解氨製備氫氣的方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於氫氣的製備方法，具體的說是涉及一種電解氨製備氫氣的方法及裝置。
【背景技術】
[0002]氫能是理想中最清潔的能源。但是，氫氣的貯存和安全使用方面的缺點，成為它推廣應用於汽車燃料的一個嚴重障礙。目前迫切需要發展的就是尋找一種便利的、價格低廉且安全的氫的存儲系統，找到一種具備高氫氣存儲密度的能源載體，來間接實現氫能的應用。氨是一個良好的貯氫載體，可以較好地克服氫氣在儲運和安全方面的缺點。氨是除氫以外最宜生產的可再生燃料，它由水中的氫和空氣中的氮合成，並在氧化燃燒時還原為水和空氣，氨作為替代燃料，可以徹底解決積炭問題。
[0003]米用電化學方法，電解氨製備氫氣，為氫-氧燃料電池提供氫氣，可以降低傳統高溫催化氨裂解制氫方式的能耗和設備的成本，達到節能的效果。與傳統的電解水制氫相比，電解氨所需的理論分解電壓僅為電解水的二十分之一。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於，提供一種電解氨製備氫氣的方法及裝置。
[0005]為實現上述目的本發明採用的技術方案為:
[0006]一種電解氨製備氫氣的方法，其特徵在於:以氨作為原料，採用沉積了不同貴金屬的泡沫鎳作為陽極和陰極進行電解產氫反應；
[0007]具體為，將陰極與陽極同時插入含氨的電解液中，並在兩極間施加0.6-0.8V的外加電壓，使氨在陽極上發生氧化反應生成氮氣，水在陰極上發生還原反應生成氫氣。電解反應溫度控制在50-60°C之間。
[0008]所述沉積不同貴金屬的電極為:
[0009]將泡沫鎳電極浸入到含貴金屬的溶液中，在-0.5V-0V電壓下進行沉積600s-3600s,即得0.5mg/cm2-2mg/cm2鉬沉積的泡沫鎳陰極電極；
[0010]將泡沫鎳電極浸入到含雙貴金屬的混合溶液中，在-0.5V-0V電壓下進行沉積600s-3600s,即得0.5mg/cm2-2mg/cm2雙貴金屬沉積的泡沫鎳陽極電極。
[0011]所述製備泡沫鎳陰極電極的含貴金屬的溶液為含H2PtCl6的HCl溶液；其中H2PtCl6 濃度為 5mmol/L ；
[0012]所述製備泡沫鎳陽極電極的含貴金屬的溶液為含H2PtCl6和IrCl3的HCl溶液；其中，Pt與Ir的質量比為7:1。
[0013]所述電解液由l_2mol/L的氨水、l_5mol/L的氫氧化鉀或氫氧化鈉和水所組成。
[0014]電解氨製備氫氣的方法的專用裝置，所述專用裝置為H型的電解池，H型電解池的橫邊設有玻璃砂圓盤，兩豎邊分別為獨立的陰極室和陽極室，陰極室和陽極室內密封插有陰極和陽極，陰極和陽極之間用導線連接有外加電流。
[0015]所述陰極室和陽極室分別用聚四氟乙烯塞密封。所述陰極室和陽極室內分別插入導管，導管另一端與量氣管的一個進氣口相通，量氣管的出水口通過導管與水位瓶進水口相通。所述量氣管的另一出氣口與空氣相通。所述玻璃砂圓盤直徑為0.8-1.5cm。所述外加電流在2-10mA/cm2之間。
[0016]反應原理:
[0017]陽極反應:2ΝΗ3+60Γ— N2+6H20+6e_ Eθ =-0.77V vs.SHE
[0018]陰極反應:2H20+2e-— Η2+20Η?θ =-0.829V vs.SHE
[0019]總反應2NH3 — 3H2+N2 E=0.059V
[0020]本發明所具有的優點:
[0021]本發明由氨電解供氫，整個供氫過程耗能低、效率高，原料易得，電解條件溫和。氨是除氫以外最宜生產的可再生燃料。在普遍採用的工業化合成氨的生產中，所需的氮從空氣中直接獲得，而氫的來源則為天然氣、煤炭和水。我國是世界上氨產量最多的國家，目前國內市場氨供應充足，價格平穩，為推廣氨電解制氫技術提供了原料基礎。在鹼性條件下，通過電解方法，氨在陽極上發生氧化反應生成氮氣和水，水在陰極上發生還原反應生成氫氣。總反應為氨電解生成了氫氣和氮氣。該反應的理論分解電壓僅為0.06V，遠遠小於電解水所需的1.23V的電壓。在本發明中氨的實際分解電壓也僅為0.7V，有著較低的能耗。且氨中的氫全部以氫分子的形式釋放出來，因此供氫效率也較高。
[0022]本發明通過改良電極材料實現氨的高效電解。電解氨在陰極上發生的反應與電解水是一致的，選擇最易析氫的電極材料有利於氫氣的生成。氫氣在鉬上析出電位低，但是考慮到貴金屬鉬的成本，因此選擇在比表面積大的泡沫鎳基底上沉積少量鉬，既能滿足氫氣的析出又能降低電極材料的成本。另外，氨在陽極上發生氧化反應，選擇鉬銥雙金屬沉積的泡沫鎳電極，能夠降低陽極電勢，有利於氮氣析出，從而降低整個電解氨的分解電壓，實現氨制氫的節能高效。即選用泡沫鎳做電極基底，泡沫鎳除了比表面積大的優點，它在鹼性條件下是很穩定的，進而使得本發明提供一個強電解體系nh3-koh。
[0023]本發明選擇高濃度的氫氧化鉀鹼性電解質溶液，有利於電極間離子遷移。選擇50-60°C的電解溫度，也能夠加快離子遷移速度，有利於電極反應的發生。
[0024]本發明所提供的氨電解供氫體系是一個密閉體系，採用量氣管與水位瓶相通的這樣一個量氣裝置，能簡單、方便、準確、實時地記錄氣體產生的速度及生成量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明實施例提供的電解氨製備氫氣的裝置圖。其中，1.水位瓶，2.電解質溶液，3.量氣管，4.陰極，5.陽極，6.蓋子，7.H型電解池。
[0026]圖2為本發明實施例提供的60°C下在不同的電流密度下電解氨所需的電解電壓關係圖。
【具體實施方式】
[0027]電解氨製備氫氣的方法:
[0028](I)將氨水、電解質和水按一定比例配置成電解液；(2)將Pt電沉積到在泡沫鎳基底上，形成陰極電極；(3)將Pt-1r電沉積到在泡沫鎳基底上，形成陽極電極；(4)將電解液放入H型電解池中，該電解池用玻璃砂圓盤分隔成陽極室和陰極室，其中分別放置陽極電極和陰極電極；(5)在該陰極和陽極間外加電流，通過控制外加電流來調節氣體產生速度；
(6)在陽極室和陰極室上方設置氣體排出通道，氣體排出通道連接一個量氣管和一個水位瓶，根據量氣管中水位線下降的量來測定氫氣的生成量。
[0029]實施例1:
[0030]陰極、陽極的製備:
[0031]將乾淨的泡沫鎳電極浸入到含有5mmol/L H2PtClJ^0.5mol/L HCl溶液中，用i_t曲線法在-0.3V進行Pt沉積，沉積時間為600s-3600s，即得0.5mg/cm2-2mg/cm2鉬沉積量的泡沫鎳陰極電極。
[0032]將乾淨的泡沫鎳電極浸入到含H2PtCl6和IrCl3的0.5mol/L HCl溶液中，其中Pt與Ir的質量比為7:1，用1-t曲線法在-0.3V進行Pt沉積，沉積時間為600s-3600s，即得
0.5mg/cm2-2mg/cm2雙貴金屬Pt/Ir沉積的泡沫鎳陽極電極。
[0033]電解氨製備氫氣的方法專用裝置:
[0034]如圖1所示，所述專用裝置為H型的電解池，H型電解池的橫邊設有玻璃砂圓盤，兩豎邊分別為獨立的陰極室和陽極室，陰極室和陽極室內密封插有陰極和陽極，陰極和陽極之間用導線連接有外加電流。所述陰極室和陽極室分別用聚四氟乙烯塞密封。所述陰極室和陽極室內分別插入導管，導管另一端與量氣管的一個出氣口相通，量氣管的出水口通過導管與水位瓶進水口相通。所述量氣管的另一出氣口與空氣相通。量氣管與空氣相通，通過電解產氣過程中調整水位瓶的高度，控制量氣筒中的氣壓與外界大氣壓一致。通過量氣筒中液面下降的刻度讀取產生氣體的量。所述玻璃砂圓盤直徑為0.8-1.5cm。
[0035]實施例2
[0036]電解氨制氫氣:將2mol/L氨水、5mol/L氫氧化鉀和水所組成電解液10mL放入H型電解槽中。
[0037]該電解槽用玻璃砂圓盤分隔成陽極室和陰極室，其中分別放置上述實施例製備所得陽極電極和陰極電極；在陽極電極和陰極電極之間施加2.5mA/cm2的電流，得到的電解電壓為0.6V左右，且電解電壓在40000s時間內保持穩定。產氫速度為0.09mL/min左右。
[0038]實施例3:
[0039]電解氨制氫氣:將2mol/L氨水、5mol/L氫氧化鉀和水所組成電解液10mL放入H型電解槽中。
[0040]該電解槽用玻璃砂圓盤分隔成陽極室和陰極室，其中分別放置陽極電極和陰極電極；在上述陽極電極和陰極電極之間施加5mA/cm2的電流，得到的電解電壓為0.68V左右，且電解電壓在30000s時間內保持穩定。產氫速度為0.2mL/min左右。
[0041]實施例4
[0042]電解氨制氫氣:將2mol/L氨水、5mol/L氫氧化鉀和水所組成電解液10mL放入H型電解槽中。
[0043]該電解池用玻璃砂圓盤分隔成陽極室和陰極室，其中分別放置陽極電極和陰極電極；在上述陽極電極和陰極電極之間施加10mA/cm2的電流，得到的電解電壓為0.75V左右，且電解電壓在15000s時間內保持穩定。產氫速度為0.5mL/min左右。
【權利要求】
1.一種電解氨製備氫氣的方法，其特徵在於:以氨作為原料，採用沉積了不同貴金屬的泡沫鎳作為陽極和陰極進行電解產氫反應； 具體為，將陰極與陽極同時插入含氨的電解液中，並在兩極間施加0.6-0.8V的外加電壓，使氨在陽極上發生氧化反應生成氮氣，水在陰極上發生還原反應生成氫氣；電解反應溫度控制在50-60°C之間。
2.按權利要求1所述的電解氨製備氫氣的方法，其特徵在於:所述沉積不同貴金屬的電極為: 將泡沫鎳電極浸入到含貴金屬的溶液中，在-0.5V-0V電壓下進行沉積600s-3600s，即得0.5mg/cm2-2mg/cm2鉬沉積的泡沫鎳陰極電極； 將泡沫鎳電極浸入到含雙貴金屬的混合溶液中，在-0.5V-0V電壓下進行沉積600s-3600s,即得0.5mg/cm2-2mg/cm2雙貴金屬沉積的泡沫鎳陽極電極。
3.按權利要求2所述的電解氨製備氫氣的方法，其特徵在於: 所述製備泡沫鎳陰極電極的含貴金屬的溶液為含H2PtCl6的HCl溶液；其中H2PtCl6濃度為 5mmol/L ； 所述製備泡沫鎳陽極電極的含貴金屬的溶液為含H2PtCl6和IrCl3的HCl溶液；其中，Pt與Ir的質量比為7:1。
4.按權利要求1所述的電解氨製備氫氣的方法，其特徵在於:所述電解液由l-2mol/L的氨水、l_5mol/L的氫氧化鉀或氫氧化鈉和水所組成。
5.一種權利要求1所述電解氨製備氫氣的方法的專用裝置，其特徵在於:所述專用裝置為H型的電解池，H型電解池的橫邊設有玻璃砂圓盤，兩豎邊分別為獨立的陰極室和陽極室，陰極室和陽極室內密封插有陰極和陽極，陰極和陽極之間用導線連接有外加電流。
6.按權利要求5所述電解氨製備氫氣的方法的專用裝置，其特徵在於:所述陰極室和陽極室分別用聚四氟乙烯塞密封。
7.按權利要求5所述電解氨製備氫氣的方法的專用裝置，其特徵在於:所述陰極室和陽極室內分別插入導管，導管另一端與量氣管的一個進氣口相通，量氣管的出水口通過導管與水位瓶進水口相通。
8.按權利要求7所述電解氨製備氫氣的方法的專用裝置，其特徵在於:所述量氣管的另一出氣口與空氣相通。
9.按權利要求5所述電解氨製備氫氣的方法的專用裝置，其特徵在於:所述玻璃砂圓盤直徑為0.8-1.5cm。
【文檔編號】C25B11/03GK104419945SQ201310383348
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月28日 優先權日:2013年8月28日
【發明者】趙學波, 蔣敏, 朱丹丹 申請人:中國科學院青島生物能源與過程研究所