專利名稱：聚合物電解質(zhì)膜電解有機(jī)物水溶液制氫裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能源技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種聚合物電解質(zhì)膜電解有機(jī)物水溶液制氫裝置。
背景技術(shù)：
在未來的能源體系中，氫氣作為一種重要的能量載體，可以解決人們對(duì)石油燃料的過度依賴以及引起的溫室效應(yīng)。二十一世紀(jì)成為氫能經(jīng)濟(jì)的時(shí)代。然而，氫氣在自然界中不是單獨(dú)存在，人們必須尋找合適的手段和方法生產(chǎn)氫氣。電解水制氫是較為傳統(tǒng)的一種制氫方法，在電解池中，通過電化學(xué)反應(yīng)，水被分解成氫氣和氧氣。用該方法制氫的成本主要由電解水所消耗的電能決定，具體表現(xiàn)在電解時(shí)電極兩端的電壓。電壓越高，所需要的電能越大。通常電解水的電壓為1.4V以上。如果用具有較低分解電壓的有機(jī)物水溶液替代水，就可以大大降低能耗。比如電解甲醇水溶液，一般只需要0.4V左右的電壓，這樣，就可以比電解水少消耗70％的能量。
另一方面，如果使用聚合物電解質(zhì)膜電解的新方法，可得到較高的電流密度，槽電壓相對(duì)較低；陰、陽極的間距僅為膜的厚度，無溶液歐姆降，氣泡效應(yīng)??；采用了固體電解質(zhì)，沒有引起腐蝕的酸堿類排除物；可在很寬的溫度范圍、壓力和電流密度下進(jìn)行操作，使系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)專利號(hào)為6299744，名稱為Hydrogengeneration by electrolysis of aqueous organic solutions(電解有機(jī)水溶液制氫)，該專利介紹了用聚合物電解質(zhì)膜電解有機(jī)物水溶液制氫的方法，著重介紹了構(gòu)成電解池各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)和制備方法，包括陰極、陽極催化劑的組成，聚合物電解質(zhì)膜的種類等等。但是，該專利沒有考慮到有機(jī)物的陽極電化學(xué)反應(yīng)過程，并不是一步就能完成的，其中，會(huì)產(chǎn)生許多中間產(chǎn)物，吸附在催化劑的表面，造成催化劑的“失活”或“中毒”，影響了反應(yīng)的進(jìn)行。在該專利所描述的裝置中，沒有采用有效的手段，來防止或減少催化劑的中毒或失活。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種聚合物電解質(zhì)膜電解有機(jī)物水溶液制氫裝置。本發(fā)明在含有有機(jī)物水溶液的陽極回路中，除了安裝了反應(yīng)物供應(yīng)裝置外，還在這個(gè)回路中同時(shí)通入空氣，利用空氣中的氧分子，來加速氧化電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，使得這些中間產(chǎn)物不能夠長(zhǎng)時(shí)間地占據(jù)在催化劑的表面，“失活”的催化劑能迅速“復(fù)活”，電解電壓始終維持在1V以下。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明聚合物電解質(zhì)膜電解有機(jī)水溶液制氫裝置包括陽極儲(chǔ)槽、空氣輸送管、陽極溶液導(dǎo)流泵、陽極溶液輸入管、陽極室、陽極、聚合物電解質(zhì)膜、陰極、H2導(dǎo)出管、陰極室、直流電源、CO2排出口、陽極溶液輸出管、陽極加料口。其中，直流電源、聚合物電解質(zhì)膜、陽極、陰極以及所對(duì)應(yīng)的陽極室和陰極室組成聚合物電解質(zhì)膜電解槽。
各部件之間的連接關(guān)系為直流電源正極端通過導(dǎo)線和陽極連接，負(fù)極端則和陰極連接，聚合物電解質(zhì)膜一面和陽極緊密接觸，另一面和陰極緊密接觸，陽極的另一面朝向陽極室中，陽極儲(chǔ)槽通過陽極溶液輸入管、陽極溶液導(dǎo)流泵以及空氣輸送管連接到陽極室的輸入端，陽極室輸出端通過陽極溶液輸出管再連接到陽極儲(chǔ)槽，陽極溶液輸出管連接CO2排出口，陽極加料口位于陽極儲(chǔ)槽上端，陰極的另一面朝向陰極室，陰極室下方設(shè)有H2導(dǎo)出管。
本發(fā)明以聚合物電解質(zhì)膜作為電解質(zhì)和隔膜，槽電壓相對(duì)傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)較低；陰、陽極的間距僅為膜的厚度，無溶液歐姆降，氣泡效應(yīng)小，沒有引起腐蝕的酸堿類排除物；可以在很寬的溫度范圍、壓力和電流密度下進(jìn)行操作，使系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單。在陽極產(chǎn)生的H+離子，通過聚合物電解質(zhì)膜(即質(zhì)子導(dǎo)體)，直接到達(dá)陰極，通過陰極的還原反應(yīng)，就可以得到高純度的氫氣，無須另加分離提純裝置，特別適用于需要高純氫的場(chǎng)合，如通過該裝置產(chǎn)生的氫氣，可以直接作為質(zhì)子膜燃料電池的燃料。
本發(fā)明利用聚合物電解質(zhì)膜裝置電解具有低分解電壓的有機(jī)化合物，同時(shí)，在陽極回路中加入空氣，減少電化學(xué)反應(yīng)中間產(chǎn)物在催化劑表面的停留時(shí)間，降低陽極反應(yīng)的過電位，加速陽極氧化速度，使得電解電位始終在1V以下，大大降低了電解制氫的耗電量，節(jié)約了能源。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中陽極儲(chǔ)槽1、空氣輸送管2、陽極溶液導(dǎo)流泵3、陽極溶液輸入管4、陽極室5、陽極6、聚合物電解質(zhì)膜7、陰極8、H2導(dǎo)出管9、陰極室10、直流電源11、CO2排出口12、陽極溶液輸出管13、陽極加料口14。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括陽極儲(chǔ)槽1、空氣輸送管2、陽極溶液導(dǎo)流泵3、陽極溶液輸入管4、陽極室5、陽極6、聚合物電解質(zhì)膜7、陰極8、H2導(dǎo)出管9、陰極室10、直流電源11、CO2排出口12、陽極溶液輸出管13、陽極加料口14。其中，直流電源11、聚合物電解質(zhì)膜7、陽極6、陰極8以及所對(duì)應(yīng)的陽極室5和陰極室10組成聚合物電解質(zhì)膜電解槽。
各部件之間的連接關(guān)系為直流電源11正極端通過導(dǎo)線和陽極6連接，負(fù)極端則和陰極8連接，聚合物電解質(zhì)膜7一面和陽極6緊密接觸，另一面和陰極8緊密接觸，構(gòu)成聚合物電解質(zhì)膜電解槽的主要部件。陽極6的另一面朝向陽極室5中，陽極室5和陽極儲(chǔ)槽1水平放置，兩者的底端通過陽極溶液輸入管4和接入于陽極溶液輸入管4中的陽極溶液導(dǎo)流泵3將陽極儲(chǔ)槽1中的有機(jī)溶液輸入到陽極室5中，同時(shí)，也通過接入于陽極溶液輸入管4中的空氣輸送管2把空氣也作為反應(yīng)物輸送到陽極室5中，陽極6反應(yīng)后的產(chǎn)物以及多余的有機(jī)溶液，通過陽極溶液輸出管13返回到陽極儲(chǔ)槽1中，反應(yīng)產(chǎn)物二氧化碳?xì)怏w通過接在陽極溶液輸出管13中的CO2排出口12排出系統(tǒng)外。有機(jī)物水溶液通過位于陽極儲(chǔ)槽1上端的陽極加料口14及時(shí)補(bǔ)充新鮮的反應(yīng)物。而陰極8的另一面朝向陰極室10，從陽極6一端通過聚合物電解質(zhì)膜7傳遞過來的H+，通過陰極8的還原反應(yīng)，生成的H2從位于陰極室10下方的H2導(dǎo)出管9收集。
本發(fā)明使用時(shí)，首先按照如下步驟搭建聚合物電解質(zhì)膜電解槽，(1)在聚合物電解質(zhì)膜7的兩端，分別涂上陰極催化劑和陽極催化劑；(2)在膜的兩面分別熱壓上一層碳紙，形成膜電極；(3)在膜電極的兩邊，分別放上刻有流道的碳板，構(gòu)成聚合物電解質(zhì)電解槽的陽極6和陰極8；(4)在兩邊放上端板，固定住上述部件，形成聚合物電解質(zhì)膜的電解槽。
其次，在陽極室5的一邊，有機(jī)水溶液通過加料口14加入到陽極溶液儲(chǔ)槽1中，通過陽極溶液導(dǎo)流泵3，把空氣輸送管2中的空氣和陽極溶液輸送管4中的溶液，運(yùn)送到陽極表面，進(jìn)行電化學(xué)氧化反應(yīng)，反應(yīng)生成的CO2經(jīng)過CO2排出管12排除，H+則通過聚合物電解質(zhì)膜7傳遞到陰極8，在陰極8發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)，生成H2，并由H2導(dǎo)出管9導(dǎo)出并收集。
權(quán)利要求
1.一種聚合物電解質(zhì)膜電解有機(jī)物水溶液制氫裝置，包括陽極儲(chǔ)槽(1)、空氣輸送管(2)、陽極溶液導(dǎo)流泵(3)、陽極溶液輸入管(4)、陽極室(5)、陽極(6)、聚合物電解質(zhì)膜(7)、陰極(8)、H2導(dǎo)出管(9)、陰極室(10)、直流電源(11)、CO2排出口(12)、陽極溶液輸出管(13)、陽極加料口(14)，其特征在于直流電源(11)正極端通過導(dǎo)線和陽極(6)連接，負(fù)極端則和陰極(8)連接，聚合物電解質(zhì)膜(7)一面和陽極(6)緊密接觸，另一面和陰極(8)緊密接觸，陽極(6)的另一面朝向陽極室(5)中，陽極儲(chǔ)槽(1)通過陽極溶液輸入管(4)、陽極溶液導(dǎo)流泵(3)以及空氣輸送管(2)連接到陽極室(5)的輸入端，陽極室(5)輸出端通過陽極溶液輸出管(13)再連接到陽極儲(chǔ)槽(1)，陽極溶液輸出管(13)連接CO2排出口(12)，陽極加料口(14)位于陽極儲(chǔ)槽(1)上端，陰極(8)的另一面朝向陰極室(10)，陰極室(10)下方設(shè)有H2導(dǎo)出管(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜電解有機(jī)物水溶液制氫裝置，其特征是所述的陽極室(5)和陽極儲(chǔ)槽(1)水平放置，兩者的底端通過陽極溶液輸入管(4)和接入于陽極溶液輸入管(4)中的陽極溶液導(dǎo)流泵(3)將陽極儲(chǔ)槽(1)中的有機(jī)溶液輸入到陽極室(5)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的聚合物電解質(zhì)膜電解有機(jī)物水溶液制氫裝置，其特征是所述的陽極室(5)和陽極儲(chǔ)槽(1)，兩者的底端也通過接入于陽極溶液輸入管(4)中的空氣輸送管(2)把空氣也作為反應(yīng)物輸送到陽極室(5)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜電解有機(jī)物水溶液制氫裝置，其特征是陽極(6)一端通過聚合物電解質(zhì)膜(7)傳遞過來的H+，通過陰極(8)的還原反應(yīng)，生成的H2從位于陰極室(10)下方的H2導(dǎo)出管(9)收集。
全文摘要
一種聚合物電解質(zhì)膜電解有機(jī)物水溶液制氫裝置，屬于能源技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明中，直流電源正極端通過導(dǎo)線和陽極連接，負(fù)極端則和陰極連接，聚合物電解質(zhì)膜一面和陽極緊密接觸，另一面和陰極緊密接觸，陽極的另一面朝向陽極室中，陽極儲(chǔ)槽通過陽極溶液輸入管、陽極溶液導(dǎo)流泵以及空氣輸送管連接到陽極室的輸入端，陽極室輸出端通過陽極溶液輸出管再連接到陽極儲(chǔ)槽，陽極溶液輸出管連接CO
文檔編號(hào)C25B13/08GK1896316SQ20061002797
公開日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2006年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月22日
發(fā)明者余晴春 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)