一种金属锌中介碱性分步水电解与储氢

本发明涉及电解水领域，特别涉及一种分步水电解制氢。

背景技术：

1、

2、氢能因其储量丰富、发热值高、燃烧性能好、环保等优势，成为公认的清洁可再生能源。氢气燃烧的终产物是水，也可以利用太阳能与风力发电电解水制取氢气。我国以及其他发达国家都制定了完备的氢能发展规划，相信在不久的将来，氢能一定会在我国的能源结构中扮演重要角色，氢能产业也必将蓬勃发展。

3、水电解制氢是一种非常方便的制氢方法。在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分别在阳极与阴极上生成氧气和氢气。传统电解水制氢主要包括碱性电解水、聚合物质子交换膜电解水和高温氧化物电解水。但是，碱性电解水不能再高压下运行，负载范围窄、灵活性差；聚合物质子交换膜电解水内部呈强酸环境，对催化剂及组件的耐腐蚀性要求高，隔膜在运行过程中受到高压影响，氢气和氧气的互相渗透会降低隔膜寿命甚至带来安全隐患；高温氧化物电解水需要在高温下运行，对关键材料的要求高，成本高。此外，氢气的生成一定要在外加电场的作用下进行，氢气的运输也势必要通过架设管道或高压存储的方式运输到使用地点。

技术实现思路

1、为解决以上技术问题，本发明提出一种金属锌中介碱性分步制氢方法，可将水电解的产氧与产氢在时间和空间上进行分离，使得制氢和制氧成为两个独立的步骤。具体技术方案如下：

2、一种金属锌中介碱性分步制氢电解池，包括密闭的中空电解池池体，于池体内装填有碱性电解液，于池体内的碱性电解液中设置有锌沉积电极、氧析出电极和氢析出电极的三电极于电解池池体外部设置有用于为锌沉积电极和氧析出电极间供电的外部直流电源。

3、外部直流电源的正极通过导线经开关与氧析出电极电连接，外部直流电源的负极通过导线与锌沉积电极电连接；锌沉积电极通过导线经开关与氢析出电极电连接。

4、电解池池体包括一上端开口的下端密闭的筒体，于筒体的上开口端设置有用于密闭筒体上开口端的密封盖体；于盖体上设有气体进口和气体出口；于密封盖体与筒体的上开口端间设有密封圈。

5、所述锌沉积电极包括碳毡、石墨毡、石墨板中的一种或二种以上；

6、所述氢析出电极材料为泡沫镍、镍片、铂片中的一种或二种以上；

7、所述氧析出电极材料为镍、金、铂、钯、钌、铱、氧化钴、二氧化锰、氢氧化镍、氢氧化铁、氢氧化镍铁、氢氧化钴、羟基氧化镍、羟基氧化铁、磷化镍、硫化镍、硫化钴、锡化钴、氮化铁中的一种或二种以上。

8、所述电解液由锌盐溶解于强碱溶液中形成的水溶液；

9、所述电解液中的锌盐包括氧化锌、硝酸锌、硫酸锌、高氯酸锌、三氟甲基磺酸锌、双三氟甲基黄酰亚胺锌中的一种或二种以上；优选氧化锌；

10、所述强碱包括氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂中的一种或二种以上，优选氢氧化钾；

11、所述锌盐浓度为0.05-1mol/l，优选0.3～0.6mol/l；强碱浓度为1-10mol/l，优选3～6mol/l。

12、所述气体进出口包括一个或二个以上进气口，一个或二个以上出气口。

13、所述电解池进行锌中介碱性分步水电解制氢的方法，其特征在于：

14、按照如下过程操作：

15、1)首先进行氧析出过程：由进气口通入保护气吹扫电解池内部腔室，然后关闭进气口，出气口准备收集氧气；将外部直流电源的正极与连接氧析出电极之间的开关闭合，使外部直流电源的正极与连接氧析出电极间导电，在该电极上产生氧气；外部直流电源的负极连接锌沉积电极，在该电极表面发生锌沉积反应；

16、氧析出过程完成后，切断外加直流电场正极与氧析出电极之间的电连接，以及外加直流电场负极与锌沉积电极之间的电连接，完成氧析出过程；

17、2)然后进行氢析出过程：由进气口通入保护气吹扫电解池内部腔室，然后关闭进气口，出气口准备收集氢气体；将锌沉积电极与氢气析出电极之间的开关闭合，使锌沉积电极与氢气析出电极间电子导通，锌沉积电极上的锌溶解，氢析出电极上产生氢气；

18、氢析出过程完成后，切断锌沉积电极与氢气析出电极之间开关，断开锌沉积电极与氢气析出电极间的短接线路，氢析出停止；氢析出过程结束。

19、重复步骤1)至2)的操作过程，如此往复；整个过程中仅消耗水。

20、所述保护气为氮气、惰性气体(氩气)中的一种或二种以上。

21、本发明的有益效果

22、1.无需使用隔膜，大大降低了水电解装置成本。

23、2.可以利用锌为中介，直接转移至氢气使用场所放氢，大大降低了运输成本。

24、3.氢气产生过程中无需消耗额外能量，可通过外电路随时停止，操作便捷。

25、4.氧析出与氢析出过程为可逆过程，可以循环操作。

技术特征：

1.一种金属锌中介碱性分步制氢电解池，包括密闭的中空电解池池体，其特征在于：于池体内装填有碱性电解液，于池体内的碱性电解液中设置有锌沉积电极、氧析出电极和氢析出电极的三电极于电解池池体外部设置有用于为锌沉积电极和氧析出电极间供电的外部直流电源。

2.按照权利要求1的所述电解池，其特征在于：

3.按照权利要求1的所述的电解池，其特征在于：

4.按照权利要求1或2或3所述的电解池，其特征在于：

5.按照权利要求1所述的电解池，其特征在于：

6.按照权利要求1或3所述的电解池，其特征在于：

7.一种采用权利要求1-6任一所述电解池进行锌中介碱性分步水电解制氢的方法，其特征在于：

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：

9.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：

技术总结本发明涉及电解水领域，特别涉及一种分步水电解制氢技术领域。一种金属锌中介碱性分步制氢电解池，包括密闭的中空电解池池体，于池体内装填有碱性电解液，于池体内的碱性电解液中设置有锌沉积电极、氧析出电极和氢析出电极的三电极于电解池池体外部设置有用于为锌沉积电极和氧析出电极间供电的外部直流电源。无需使用隔膜，大大降低了水电解装置成本。可以利用锌为中介，直接转移至氢气使用场所放氢，大大降低了运输成本。氢气产生过程中无需消耗额外能量，可通过外电路随时停止，操作便捷。氧析出与氢析出过程为可逆过程，可以循环操作。技术研发人员：尹彦斌,李先锋受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/13