一种产氢发电的装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种产氢发电的装置及其方法。其中，所述装置包括：电化学池以及设置在电化学池内将电化学池分为阳极室和阴极室的离子交换膜，在阴极室和阳极室内分别设置有阳极和阴极，阳极与阴极通过导线与电阻相连接；其特征在于：阳极由能高效电氧化相应底物的催化剂及阳极基底组成，阴极采用具有较低析氢过电位的材料；阳极室中盛有上述底物及中性或碱性的电解质溶液，阴极室内盛放有中性或酸性的电解质溶液，且所述底物能被上述催化剂催化氧化并进一步在阴极室的作用下产生氢气。本发明可以在不加直流电的情况下产生氢气，且能实现发电，此外还可以作为氢气的储存技术，具有广阔的应用前景。
【专利说明】一种产氢发电的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于应用化学和新能源领域，具体涉及一种能同时发电、产氢的装置和方法。
【背景技术】
[0002]氢气是一种无污染和可再生的能源，具有能量密度高，可存储运输等特点。随着能源危机及清洁能源的需求增加，氢气作为一种高热值的清洁能源物质而备受人们关注。目前氢气的产生技术主要包括煤气化、石油裂解、生物质转化、电解水、太阳能光解水、微生物发酵等，但是上述这些传统的技术中往往会产生较多的污染物或者存在能耗较大、转化效率不高等问题。同时由于氢气的储存及运输成本较高，也影响了它的广泛应用。因此，从含氢物质中开发环境友好的氢气产生技术具有重要的意义。
[0003]甲醇、乙醇、葡萄糖、尿素等作为典型的含氢物质广泛存在于自然界中，易于储存和运输，尤其尿素更是在动物尿液中大量存在。同时上述物质在燃料电池技术中已经可以作为阳极燃料实现电催化氧化发电，以此类物质为底物开发的电化学产氢技术，不仅具有良好的能量效率，也具有良好的环境效益。然而目前从此类底物中获取氢的电化学技术往往需要额外施加直流电，这会使其在一些场合的应用受到限制。为此本发明的目的是开发一种不需要额外施加直流电即可实现从甲醇、乙醇、葡萄糖、尿素等底物中产生氢气的技术，且该技术 能同时产生电能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种能将相应底物自发转化为氢气和电能的电化学装置，该装置不需施加直流电即可产生氢其，且可同时实现发电的功能。本发明的产氢发电装置简单、环保、节能且转化效率高。
[0005]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:一种产氢发电的装置，其特征在于，所述装置包括:电化学池以及设置在电化学池内将电化学池分为阳极室和阴极室的离子交换膜，在阴极室和阳极室内分别设置有阳极和阴极，阳极与阴极通过导线与电阻相连接；其特征在于:阳极由能高效电氧化相应底物的催化剂及阳极基底组成，阴极采用具有较低析氢过电位的材料；阳极室中盛有上述底物及中性或碱性的电解质溶液，阴极室内盛放有中性或酸性的电解质溶液，且所述底物能被上述催化剂催化氧化并进一步在阴极室的作用下产生氢气。
[0006]优选的，所述阳极基底是碳布、石墨、碳毡、钛片、钛网或镍网；所述催化剂是钼碳、钼钌碳、钼-氧化钨或镍-锡合金；所述阴极的材料是钼或镍合金。
[0007]优选的:所述底物为甲醇、乙醇、葡萄糖或尿素。
[0008]优选的:所述阳极室内的电解质溶液为硫酸钠、硫酸钾、氯化钠、氯化钾、氢氧化钠或氢氧化钾；所述阴极室内的电解质溶液为硫酸盐水溶液、磷酸盐水溶液、硫酸水溶液或盐酸水溶液。[0009]优选的:所述离子交换膜采用双极性膜。
[0010]优选的:所述电化学池由耐酸耐碱腐蚀的材料制成。
[0011]优选的:所述耐酸耐碱腐蚀的材料为聚四氟乙烯、有机玻璃或无机玻璃。
[0012]优选的:所述催化剂涂覆于阳极基底上。
[0013]优选的:所述电阻两端并联有电压表，用于测量电阻两端的电压。
[0014]本发明的另一目的在于提供一种利用上述装置进行产氢发电的方法，该方法包括下列步骤:在阳极基底上涂覆催化剂；将阴极室和阳极室用离子交换膜分隔；在阳极室内加入底物和中性或碱性的电解质溶液，所述底物能被上述涂覆在阳极基底上的催化剂电催化氧化；在阴极室内加入中性或酸性的电解质溶液；在阳极与阴极之间通过导线外接一电阻，电阻两端并联电压表，用于测量电阻两端的电压；涂覆于阳极基底上的催化剂将阳极室内的底物催化氧化，释放出电子和质子，电子经外电路传递到阴极，产生电能；而质子则通过电解质传递到阴极，在阴极质子和电子结合，产生氢气。
[0015]本发明的优点是，不需要外接直流电即可产生氢气，且所用底物为自然界中广泛存在的甲醇、乙醇、葡萄糖、尿素等，节省能源；反应过程中不会产生污染物，较环保；同时能够产生电能，可实现对外供电。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的装置示意图；
[0017]图2是阴极室收集到的氢气体积随时间的变化示意图
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0019]参见图1，本发明的产氢发电装置包括电化学池以及设置在电化学池内将电化学池分为阳极室和阴极室的双极性膜，在阴极室和阳极室内分别设置有阳极和阴极，阳极与阴极通过导线与电阻相连接，电阻两端并联有电压表，用于测量电阻两端的电压。阳极由能高效电氧化相应底物的催化剂材料及阳极基底组成，所述底物在燃料电池技术中已经可以作为阳极燃料实现电催化氧化发电，例如甲醇、乙醇、葡萄糖、尿素等，上述底物盛放在阳极室内；阳极基底为碳布、石墨、碳毡、钛片、钛网或镍网，催化剂材料为钼碳、钼钌碳、钼-氧化钨或镍-锡合金；上述催化剂材料涂覆于阳极基底上。阴极采用具有较低析氢过电位的材料，例如钼或镍合金；阳极室和阴极室中都盛有电解质溶液，阳极室中的电解质可以是中性的硫酸钠、硫酸钾、氯化钠、氯化钾等，或者碱性的氢氧化钠、氢氧化钾等；阴极室内的电解质溶液可以由硫酸盐或者磷酸盐水溶液等中性电解质或硫酸、盐酸等酸性电解质组成。阴极室和阳极室由双极性膜分隔开来。双极性膜可以是阳双极性膜、阴双极性膜或双极性膜。电化学池可以由耐酸耐碱腐蚀的材料如聚四氟乙烯、有机玻璃、无机玻璃等材料制成。
[0020]本发明的产氢发电过程为:涂覆于阳极基底上的催化剂将阳极室内的底物催化氧化，释放出电子和质子，电子经由导线和电阻组成的外电路传递到阴极，产生电能；而质子则通过电解质传递到阴极，在阴极质子和电子结合，产生氢气。
[0021]实施例:用图1所示的示意图构造一电化学池，阳极基底用长方形商业碳布，面积为6cm2，碳布表面上涂敷60% Pt-Ru / C催化剂，Pt的负载量为Img cm_2 ;阴极采用长方形钼片，面积为3.4cm2，阳极室内盛有2.5mol / L的甲醇、0.26mol l-1硫酸钠和0.5mol l-1的氢氧化钠混合溶液16mL ;阴极室内盛有0.1mol L-1的硫酸,阴极室和阳极室用双极性膜分隔。此电化学池即能对外供电，外接50欧姆的外电阻时，电阻两端电压为0.172V，按阳极面积求算输出电能的功率密度达到了 0.693W m_2。阴极收集到的氢气体积随着反应时间的增加而逐渐增加，如图2所示，阴极最大产氢速率可达0.eSmW1。
[0022]综上所述，本发明能够克服现有技术的不足，提供一种简单、环保、节能且转化效率高的产氢发电的装置和方法，在不需要外接直流电的情况下即可产生氢气，应用场合不受限制，因而应用领域宽，可以解决现有技术中的产氢方法应用领域受限的问题。
[0023]以上所述，仅为本发明的较佳实施例，故不能仅此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范 围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应在本发明涵盖的范围内。
【权利要求】
1.一种产氢发电的装置，其特征在于，所述装置包括:电化学池以及设置在电化学池内将电化学池分为阳极室和阴极室的离子交换膜，在阴极室和阳极室内分别设置有阳极和阴极，阳极与阴极通过导线与电阻相连接；其特征在于:阳极由能高效电氧化相应底物的催化剂及阳极基底组成，阴极采用具有较低析氢过电位的材料；阳极室中盛有上述底物及中性或碱性的电解质溶液，阴极室内盛放有中性或酸性的电解质溶液，且所述底物能被上述催化剂催化氧化并进一步在阴极室的作用下产生氢气。
2.根据权利要求1所述的产氢发电的装置，其特征在于:优选的，所述阳极基底是碳布、石墨、碳毡、钛片、钛网或镍网；所述催化剂是钼碳、钼钌碳、钼?氧化钨或镍?锡合金；所述阴极的材料是钼或镍合金。
3.根据权利要求1所述的产氢发电的装置，其特征在于:所述底物为甲醇、乙醇、葡萄糖或尿素。
4.根据权利要求1所述的产氢发电的装置，其特征在于:所述阳极室内的电解质溶液为硫酸钠、硫酸钾、氯化钠、氯化钾、氢氧化钠或氢氧化钾；所述阴极室内的电解质溶液为硫酸盐水溶液、磷酸盐水溶液、硫酸水溶液或盐酸水溶液。
5.根据权利要求1所述的产氢发电的装置，其特征在于:所述离子交换膜采用双极性膜。
6.根据权利要求1所述的产氢发电的装置，其特征在于:所述电化学池由耐酸耐碱腐蚀的材料制成。
7.根据权利要求6所述的产氢发电的装置，其特征在于:所述耐酸耐碱腐蚀的材料为聚四氟乙烯、有机玻璃或无机玻璃。`
8.根据权利要求2所述的产氢发电的装置，其特征在于:所述催化剂涂覆于阳极基底上。
9.根据权利要求1所述的产氢发电的装置，其特征在于:所述电阻两端并联有电压表，用于测量电阻两端的电压。
10.一种利用权利要求1所述的产氢发电的装置进行产氢发电的方法，其特征在于，包括下列步骤:在阳极基底上涂覆催化剂；将阴极室和阳极室用离子交换膜分隔；在阳极室内加入底物和中性或碱性的电解质溶液，所述底物能被上述涂覆在阳极基底上的催化剂电催化氧化；在阴极室内加入中性或酸性的电解质溶液；在阳极与阴极之间通过导线外接一电阻，电阻两端并联电压表，用于测量电阻两端的电压；涂覆于阳极基底上的催化剂将阳极室内的底物催化氧化，释放出电子和质子，电子经外电路传递到阴极，产生电能；而质子则通过电解质传递到阴极，在阴极质子和电子结合，产生氢气。
【文档编号】C25B1/10GK103820807SQ201410076942
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月4日 优先权日:2014年3月4日
【发明者】陈庆云, 房孝文, 付蓉, 王云海 申请人:西安交通大学