一种氢气制备系统和方法与流程

本发明属于电解制氢，更具体地，涉及一种氢气制备系统和方法。

背景技术：

1、绿色低污染的电解水制氢技术是当前制氢领域的发展重点，然而，该工艺的发展面临电力消耗带来的高成本问题，主要受限因素是阴极析氢反应(her)和阳极析氧反应(oer)之间存在较大理论电位差(1.23v)，且实际情况下还需要额外克服电解质等的内阻、接触产生的电阻以及一些与传质相关的能量势垒，最终向电解槽施加的电压往往高达1.6-2.0v才足以驱动电解水反应的进行。

2、传统的水电解涉及两个紧密耦合的半反应：析氧反应(oer)和析氢反应(her)。her所需的电子和质子由阳极oer贡献并向阴极传递，但阳极oer的理论电压过高、动力学缓慢，且o-o键的形成需要经过多步的电子和质子转移，反应机理复杂，因此，oer端是制约传统电解水技术发展的关键瓶颈。

3、受oer动力学限制，工业上常使用贵金属催化剂以加速反应的进行，但依然难以突破1.23v的理论分解电压限制，这导致制氢的能耗和成本过高。故一部分的技术主要集中在各类非贵金属催化剂的开发利用上，如寻找其他低成本且高性能的过渡金属催化剂、非金属催化剂等。

4、目前，在热力学上更为有利的有机氧化反应常被用来取代oer，例如将一些生物质衍生化学品：葡萄糖、醛类、胺类等作为氧化反应的底物。这些有机小分子在阳极端发生氧化，将羟基或醛基转化为羧基，而不生成分子氧，相对于传统的oer，它们较低的氧化电位使其在要求低能耗及高系统效率的实际电化学应用中更具优势。显然，通过选择适当的阳极氧化反应来降低理论热力学工作电压是提升电解制氢系统能源效率的有效方式。小分子氧化辅助高效制氢技术能够有效降低电解槽系统工作所需的槽电压，但实际应用中，操作电压仍高于理论预期，往往需要大于1v的电压输入。

5、因此，开发在低工作电压下达到高制氢效率的新型制氢系统，对绿色清洁能源的发展具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种氢气制备系统和方法。本发明在极小的外加电压下便可驱动阳极产氢过程的进行，极大程度地降低了能源消耗，提高了系统效率，在阴极获得高纯氢。

2、为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种氢气制备系统，所述系统包括聚合物电解质膜、电源、阳极石墨流场板和阴极石墨流场板；

3、所述聚合物电解质膜的两侧均依次设置有保护薄膜、垫片和气体扩散电极；所述保护薄膜和垫片与所述气体扩散电极对应的部分为镂空结构；

4、两侧的气体扩散电极朝向所述聚合物电解质膜的表面上负载有电催化层；

5、两侧的气体扩散电极远离所述聚合物电解质膜的一侧分别设置有所述阳极石墨流场板和阴极石墨流场板；

6、所述阳极石墨流场板和阴极石墨流场板分别与所述电源连接；

7、所述阳极石墨流场板上设置有阳极蛇形流场、进料通道和出料通道；所述进料通道和出料通道均与所述阳极蛇形流场连通；

8、所述阴极石墨流场板上设置有阴极蛇形流场和出气通道；所述出气通道与所述阴极蛇形流场连通；

9、所述阳极石墨板和阴极石墨板远离所述聚合物电解质膜的一侧分别设置有端板。

10、在本发明中，所述端板、阳极石墨流场板、阴极石墨流场板、垫片和保护薄膜上均设置有螺栓孔，使得所述系统能够通过螺栓固定。

11、根据本发明，优选地，所述聚合物电解质膜的面积为2.5cm×2.5cm～3.5cm×3.5cm。

12、根据本发明，优选地，所述保护薄膜为pi(聚酰亚胺薄膜)、pet和pfa中的至少一种。

13、根据本发明，优选地，所述保护薄膜和垫片的镂空结构的尺寸与气体扩散电极的尺寸一致，起到气体密封的作用。

14、根据本发明，优选地，所述垫片为ptfe(聚四氟乙烯)和/或耐高温硅胶。

15、根据本发明，优选地，所述电催化层的面积为1.5cm×1.5cm～2.5cm×2.5cm。

16、根据本发明，优选地，所述阴极石墨流场板上还设置有第一柱型孔，所述第一柱型孔内设置有热电偶。在本发明中，作为优选方案，所述热电偶为k型铠装热电偶。

17、根据本发明，优选地，所述端板的材质为不锈钢和/或碳钢。

18、根据本发明，优选地，所述端板内设置有1-3个第二柱型孔，所述第二柱型孔内设置有单端电加热管和交换热管；

19、所述交换热管与设置于所述系统外的热交换器连接。

20、本发明另一方面提供了一种氢气制备方法，所述方法采用上述的系统，包括如下步骤：

21、将有机小分子燃料送入所述阳极石墨流场板的进料通道，启动电源，所述有机小分子燃料分解产生氢气，所述氢气透过阳极侧的气体扩散电极并在阳极侧的电催化层的作用下发生氢氧化反应生成h+；

22、在电源电压的作用下，所述h+通过所述聚合物电解质膜向阴极传递，在阴极侧的电催化层的作用下发生析氢反应，所生成的氢气透过阴极侧的气体扩散电极进入阴极石墨流场板，所获得的纯氢气通过所述出气通道排出所述系统。

23、根据本发明，优选地，所述有机小分子燃料为低碳醇类有机小分子燃料、胺类有机小分子燃料和有机酸类有机小分子燃料中的至少一种；优选地，所述有机小分子燃料为甲醇、乙醇、氨水和甲酸中的至少一种。

24、在本发明中，阳极侧的电催化层的催化剂可以是对有机小分子燃料的分解产氢反应及氢氧化反应均具备良好活性的任意催化剂。根据本发明，优选地，阴阳两侧的电催化层的催化剂各自独立地为铂基催化剂、钯基催化剂、钌基催化剂和铱基催化剂中的至少一种；优选地，阴阳两侧的电催化层的催化剂均为铂碳催化剂。

25、根据本发明，优选地，阴阳两侧的电催化层在对应气体扩散电极上的负载量各自独立地为0.1-0.5mgcm-2。

26、根据本发明，优选地，所述方法的电压为0-0.7v。

27、根据本发明，优选地，所述有机小分子燃料在高温作用下分解产生氢气；所述高温的温度为160-240℃；所述高温来源于单端电加热管和/或依据使用场景回收利用各类废热通过热交换器对所述系统供给的热量。

28、在本发明中，对于在温和条件下即可发生分解反应产生氢气的有机小分子燃料，可以不设加热装置。除了电加热的模式，加热方式可以依据使用场景改为回收利用各类废热通过热交换器对所述系统供给热量，以实现能量梯级利用。各类废热与热交换器的热源入口连接，各类废热将热量传递给所述交换热管，进而通过所述交换热管为所述有机小分子燃料的分解提供高温条件。

29、本发明的技术方案的有益效果如下：

30、本发明不同于需要高电位驱动的传统水电解制氢方式，本发明利用具备自身分解产氢特性的有机小分子(例如甲酸等)作为阳极底物，利用有机小分子在阳极原位分解产生氢气，将该氢气的低电位阳极氧化与阴极her进行耦合(即有机小分子的化学分解产氢方法与电化学制氢方法相耦合，使得氢气的纯化过程更为简便)，理论电压约为0v，因此，决定了极小的外加电压便可驱动阳极产氢过程的进行，极大程度地降低了能源消耗(降低产氢耗电量)，提高了系统效率，在阴极获得高纯氢。

31、本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。