一種可以電解水制取氫氣的電池裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬電解水與儲能技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可以電解水制取氫氣的電池裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002]能源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)、提高人民生活質(zhì)量的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是直接影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展 的重要制約因素，同時(shí)也是國家戰(zhàn)略安全保障的基礎(chǔ)之一。新世紀(jì)的到來，人類社會對能源 數(shù)量、質(zhì)量的需要會越來越多、越來越高，但是由于無止境的開采、挖掘，使人類賴以生存的 能源資源正在日益減少，而作為主要能源的石油、煤的貯量也正日益枯竭。同時(shí)，傳統(tǒng)的能 源結(jié)構(gòu)和大量能源消耗，對人類生存環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，人類呼喚著替代傳統(tǒng)能源的清 潔能源。為解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源短缺及環(huán)境污染之間日益加劇的矛盾，開發(fā)清潔、高效、可 持續(xù)發(fā)展的新能源動力技術(shù)已成為十分緊迫的任務(wù)。發(fā)展可再生能源和能源的清潔高效利 用將是當(dāng)今國際社會所面臨的重要現(xiàn)實(shí)問題，對整個(gè)世界經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意 義。氫能源作為高效、潔凈和理想的二次能源已經(jīng)受到了全世界的廣泛重視。大規(guī)模、廉價(jià) 地生產(chǎn)氫氣是開發(fā)和利用氫能的重要環(huán)節(jié)之一。
[0003]電解水制備氫氣操作相對簡單，技術(shù)相對成熟，而且制氫過程沒有污染，是實(shí)現(xiàn)大 規(guī)模生產(chǎn)氫氣的重要手段。在當(dāng)前的制氫工業(yè)生產(chǎn)中，堿性水電解技術(shù)工業(yè)化早、技術(shù)成 熟、設(shè)備成本低，因此堿性水電解在水電解行業(yè)中占主導(dǎo)地位。但因?yàn)槠淠芎妮^高，限制了 它的廣泛應(yīng)用。更為重要的是，常規(guī)的電解水技術(shù)在電解過程中陰陽極同時(shí)電解生成氫氣 和氧氣，這將很容易導(dǎo)致氫氣和氧氣的混合，致使所制備的氣體不純，后續(xù)的提純則將大大 增大制備成本。但是其實(shí)電解水主要的目標(biāo)產(chǎn)物是氫氣，因?yàn)檠鯕庠诖髿庵芯痛罅看嬖凇?br>[0004]同時(shí)儲存可再生能源例如風(fēng)能、太陽能、水力發(fā)電的能量也是目前全球人類的迫 切需求。如果從長遠(yuǎn)的角度來看這個(gè)問題，電池儲能可能是可再生能源發(fā)電能量儲存的最 有效經(jīng)濟(jì)方案。電池儲能的好處在于，可大可小，容易與各種規(guī)模的可再生能源發(fā)電相結(jié) 合;充電放電快速，直接電與電轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換效率高。但是目前還不能在同一個(gè)體系里可以同 時(shí)兼顧制氫與儲能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種可以電解水制取氫氣的電池裝置。
[0006]本發(fā)明提出的可以電解水制取氫氣的電池裝置，其電解槽包含三個(gè)電極:對電解 水生成氫氣具有催化作用的析氫催化電極、氫氧化鎳(Ni(0H)2)電極和金屬鋅電極。與常規(guī) 電池不同，本發(fā)明電池裝置的充電步驟與放電步驟連接的電極并不一樣[見圖1]:具體的充 電步驟與放電步驟電極反應(yīng)如下： 充電制氫步驟： 正極:Ni(0H)2 +OH-- e--NiOOH+H2O負(fù)極:H2O+ e- -1/2? +OH- 可見，在充電制氫步驟，水分子在析氫催化電極(即負(fù)極)表面被電化學(xué)還原成氫氣，同 時(shí)Ni(0H)2電極（即正極)被電化學(xué)氧化為NiOOH電極，在此過程中電子由Ni(0H)2電極通過外 電路流向析氫催化電極。
[0007]放電能量輸出步驟： 正極:NiOOH+H20 +e- -Ni(0H)2 + 0H- 負(fù)極：Zn+ 40H- - 2e--Zn〇22- +2H2O 可見，在放電能量輸出過程，NiOOH電極（即正極)被電化學(xué)還原成為Ni(0H)2電極，同時(shí) 鋅電極（即負(fù)極)被氧化。在此過程中電子由鋅電極通過外電路流向NiOOH電極。
[0008] 上述充電與放電步驟交替循環(huán)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了Ni(0H)2的循環(huán)利用，同時(shí)在充電步驟 制取了高純度的氫氣（因?yàn)椴]有電解生成氧氣），在放電步驟實(shí)現(xiàn)了能量的穩(wěn)定輸出。 [0009 ]本發(fā)明中，所述的析氫催化電極，其電極材料包括:基于金屬鉬(Pt)等貴金屬以及 其與碳的復(fù)合物;基于Ni、Co、Fe等過渡金屬的單質(zhì)或化合物，如Ni、Ni-Mo合金、Ni-Cr-Fe 合金、C〇0、Co2〇3、CoSe2、FeP;基于Cu的化合物;基于W的化合物例如WC、W2C、WS2;基于Mo的化 合物如MoS2、MoB、Mo2S;C3N4等化合物。
[0010] 本發(fā)明中，所述的氫氧化鎳電極(Ni(0H)2)為常規(guī)鎳氫電池使用的氫氧化鎳電極， 其由活性物質(zhì)Ni(0H)2和其他添加成分組成，添加成分包括:鎳粉、Co(0H)2、碳粉及粘結(jié)劑如 聚四氟乙烯等中的一種或者幾種。上述Ni(0H)2活性物質(zhì)和添加成分通過混合成膜或者成 衆(zhòng)料的方式，壓制或者涂覆在金屬集流體上構(gòu)成Ni(0H)2電極。這里金屬集流體包括:鎳網(wǎng)、 泡沫鎳、不銹鋼網(wǎng)、鈦網(wǎng)等。
[0011] 本發(fā)明中，所述的金屬鋅電極，可以是金屬鋅片或由鋅粉構(gòu)成的膜電極。
[0012] 本發(fā)明中，電解液必須是堿性水溶液，包括氫氧化鉀、氫氧化鈉以及其他堿性水溶 液。
[0013]為了驗(yàn)證本發(fā)明設(shè)計(jì)的電池的性能，我們進(jìn)行了實(shí)際組裝并進(jìn)行了測試。經(jīng)恒流 充電與放電測試，充放電曲線如圖2所示。充電過程中，展示出了優(yōu)異的電解水制氫的性能， 放電步驟中實(shí)現(xiàn)了能量穩(wěn)定的輸出。重復(fù)了5次充電制氫步驟以及放電能量輸出步驟，當(dāng) 200毫安恒流充放電時(shí)，充電制氫的平均電壓在1.65V，放電的平均電壓在1.6V。而且測試了 制取的氫氣的純度，發(fā)現(xiàn)為高純度氫氣。
[0014]綜上所述，本發(fā)明提出了一種可以制取氫氣的電池裝置，其在充電過程中可以電 解水制取高純度的氫氣，放電過程中可以實(shí)現(xiàn)能量的穩(wěn)定輸出。氫氧化鎳(Ni(0H)2)電極在 充電過程中，被電化學(xué)氧化成為NiOOH電極;在放電過程中，又被電化學(xué)還原成為Ni(0H)2。 該氫氧化鎳電極的循環(huán)電化學(xué)氧化還原過程，將電解水制氫與能量儲存高效的結(jié)合在一 起。
【附圖說明】
[0015]圖1可以制取氫氣的電池工作示意圖。
[0016]圖2制氫電池的充電與放電曲線循環(huán)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0018] 實(shí)施例1: 可以制氫電池裝置中，電解生成氫氣的催化電極采用鉑電極，鋅電極為商業(yè)化鋅板電 極，氫氧化鎳電極采用市場可以購買的商業(yè)化氫氧化鎳電極。三個(gè)電極面積均為20平方厘 米。電解液使用1摩爾每升的氫氧化鉀溶液，采用200毫安恒定電流充放電。首先負(fù)極連接鉑 電極，正極連接氫氧化鎳電極，200暈安電流充電600秒，平均電壓約為1.6 5V，鉬電極上生成 氫氣。然后將氫氧化鎳作為正極，鋅板電極作為負(fù)極，同樣200毫安恒流進(jìn)行放電，直至電壓 降為0.5V，放電時(shí)長為600秒，電壓約為1.6V。以此循環(huán)5次，曲線如圖2循環(huán)穩(wěn)定。
[0019] 實(shí)施例2: 可以制氫電池裝置中，電解生成氫氣的催化電極采用M〇S2/石墨烯電極，鋅電極為商業(yè) 化鋅板電極，氫氧化鎳電極采用市場可以購買的商業(yè)化氫氧化鎳電極。三個(gè)電極面積均為 20平方厘米。電解液使用1摩爾每升的氫氧化鉀溶液，采用200毫安恒定電流充放電。首先負(fù) 極連接鉑電極，正極連接氫氧化鎳電極，200毫安電流充電600秒，平均電壓約為1.68V，鉑電 極上生成氫氣。然后將氫氧化鎳作為正極，鋅板電極作為負(fù)極，同樣200毫安恒流進(jìn)行放電， 直至電壓降為〇.5V，放電時(shí)長為600秒，電壓約為1.6V。以此循環(huán)5次，循環(huán)穩(wěn)定。
[0020] 實(shí)施例3: 可以制氫電池裝置中，電解生成氫氣的催化電極采用C3N4/石墨烯，鋅電極為商業(yè)化鋅 板電極，氫氧化鎳電極采用市場可以購買的商業(yè)化氫氧化鎳電極。三個(gè)電極面積均為20平 方厘米。電解液使用1摩爾每升的氫氧化鉀溶液，采用200毫安恒定電流充放電。首先負(fù)極連 接鉑電極，正極連接氫氧化鎳電極，200毫安電流充電600秒，平均電壓約為1.7V，鉑電極上 生成氫氣。然后將氫氧化鎳作為正極，鋅板電極作為負(fù)極，同樣200毫安恒流進(jìn)行放電，直至 電壓降為0.5V，放電時(shí)長為600秒，電壓約為1.6V。以此循環(huán)5次，循環(huán)穩(wěn)定。
[0021]表1.采用不同電極組裝的電解槽200毫安恒電流電解水性能比較
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可以電解水制取氫氣的電池裝置，其特征在于，包含三個(gè)電極:對電解水生成氫 氣具有催化作用的析氫催化電極、氫氧化鎳(Ni(OH)2)電極、金屬鋅電極；電解液為堿性電 解質(zhì)溶液。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可以電解水制取氫氣的電池裝置，其特征在于所述的析氫催 化電極，其電極材料選自：基于金屬鉬以及其與碳的復(fù)合物;基于Ni、Co、Fe過渡金屬的單質(zhì) 或化合物;基于Cu的化合物;基于W的化合物;基于Mo的化合物;C3N4化合物。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可以電解水制取氫氣的電池裝置，其特征在于所述的基于Ni、 Co、Fe過渡金屬的單質(zhì)或化合物，為Ni、Ni-Mo合金、Ni-Cr-Fe合金、CoO、Co2〇3、CoSe2、FeP; 所述基于W的化合物，為WC、W2C、WS2;所述基于Mo的化合物，為MoS2、MoB、Mo2S。4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的可以電解水制取氫氣的電池裝置，其特征在于所述的氫 氧化鎳電極，由活性物質(zhì)Ni(0H)2和添加成分組成，所述添加成分包括:鎳粉、C〇(OH)2、碳粉 及粘結(jié)劑如聚四氟乙烯中的一種或者幾種；上述Ni(0H)2活性物質(zhì)和添加成分通過混合成 膜或者成衆(zhòng)料的方式，壓制或者涂覆在金屬集流體上構(gòu)成Ni(0H)2電極;這里金屬集流體包 括:鎳網(wǎng)、泡沫鎳、不銹鋼網(wǎng)或鈦網(wǎng)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的可以電解水制取氫氣的電池裝置，其特征在于所述的金屬鋅 電極，為金屬鋅片或由部分或全部鋅粉構(gòu)成膜電極。6. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或5所述的可以電解水制取氫氣的電池裝置，其特征在于所述的 堿性電解質(zhì)溶液選自氫氧化鉀、氫氧化鈉以及其他堿性水溶液。7. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或5所述的可以電解水制取氫氣的電池裝置，其特征在于： 在充電步驟中可以電解水制取氫氣，水分子在析氫催化電極表面被電化學(xué)還原成氫 氣，H20 +e- - 1/2? + 0H-，同時(shí)Ni(0H)2電極被電化學(xué)氧化為NiOOH電極，Ni(0H)2 + 0H一 一e--NiOOH+H20,在此過程中電子由Ni(0H)2電極通過外電路流向析氫催化電極； 在放電步驟，NiOOH電極被電化學(xué)還原成為Ni(0H)2電極，NiOOH+H20 +e- -Ni (0H)2+OH-，同時(shí)鋅電極被氧化，Zn+ 40H- - 2e--Ζη022- + 2H20,在此過程中電子由鋅 電極電極通過外電路流向NiOOH電極； 上述充電制氫步驟和放電步驟交替進(jìn)行。
【專利摘要】本發(fā)明屬電解水與儲能技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種可以電解水制取氫氣的電池裝置。本發(fā)明的電池裝置包含三個(gè)電極：對電解水生成氫氣具有催化作用的析氫催化電極、氫氧化鎳(Ni(OH)2)電極、金屬鋅電極，電解液采用堿性電解質(zhì)溶液。其在充電步驟，水分子在析氫催化電極表面被電化學(xué)還原成氫氣，同時(shí)Ni(OH)2電極被電化學(xué)氧化為NiOOH電極，在此過程中電子由Ni(OH)2電極通過外電路流向析氫催化電極；在放電步驟，正極為NiOOH電極，負(fù)極為金屬鋅電極，NiOOH電極被電化學(xué)還原成為Ni(OH)2電極，同時(shí)鋅電極被氧化。本發(fā)明將電解水制氫與電能儲存高效地結(jié)合在一起：在充電步驟中制取高純度的氫氣，在放電步驟中實(shí)現(xiàn)能量穩(wěn)定的輸出。
【IPC分類】C25B11/06, C25B11/08, C25B1/04
【公開號】CN105463497
【申請?zhí)枴緾N201510799151
【發(fā)明人】王永剛, 夏永姚, 陳龍
【申請人】復(fù)旦大學(xué)
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年11月18日