隔膜式電解槽和用于由水的單級電解生產氫氣的方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種隔膜式電解槽和由水電解生產商業量的氫氣的方法。
【背景技術】
[0002]對清潔和可再生的能源存在增加的需求，以消除利用碳氫燃料的負面影響和進入大氣的碳釋放。氫氣生產是這樣的建議解決方案之一，因為它是清潔燃料，消耗時僅產生水。
[0003]然而，目前大多數氫氣，約90%，是工業化產自諸如天然氣、石油(oil)和煤等礦物燃料的氣化。然而，這些方法仍然導致二氧化碳的排放。因此，由于氫氣通常不是從無氧化碳源(carbon oxide free source)得到，它不是碳中性能源。
[0004]因此，對于通過水電解生產氫氣存在增長和更新的興趣與需求。使用隔膜槽(diaphragm cells)通過水電解來生產氫氣是公知的。使用隔膜槽用于氫氣和氧氣的商業生產，例如Knowles和Stuart槽是公認的。然而，這些常規隔膜槽的缺點在于生產的低能量效率和低容量，其中Knowles槽中的能量效率約為65%，Stuart槽中的能量效率約為55%。
[0005]圖1示出了水電解中的常規隔膜槽，其中標準電極電位E^zl.229伏并且電解質在陽極槽和陰極槽中是相同的。然而，這種常規槽中的隔膜仍然是特別有問題的，其中，它增加了阻抗，并且使為減少過電壓的電解質攪動變得困難。該隔膜必須使電子能夠以最小的阻力通過，但必須防止分別在陽極和陰極產生的氧氣和氫氣的混合。
[0006]在美國專利7326329和相關的英國專利GB2409865和澳大利亞專利2004237840的名稱為“由水制氫氣的商業生產”中，提出了從水的單極電解生產氫氣的方法，其中，由與水電解生產lmol氫氣相同的能量生產了更多的氫氣。
[0007]美國專利6475653的名稱為“非擴散燃料電池和使用燃料電池的方法”試圖解決關于電解槽中隔膜的已認識到的棘手問題，其中，披露了一種操作時不需隔膜或膜的更高效的氫燃料電池。這使得清潔電能和交通能量能夠得自可再生能量，例如太陽能和風能。
[0008]因此，本發明的目的之一是提供一種改進的隔膜電解槽和一種改進的由水電解生產氫氣的方法。
[0009]本發明提供了使用常規隔膜式電解槽的結構由水電解生產氫氣的更高速率，其中隔膜位于陽極和陰極之間或者電解質膜或鹽橋或半導體或導體位于陽極和陰極之間。然而，沒有采用如美國專利7326329所披露的陽極槽和陰極槽中相同的電解質，在陰極槽中通過酸性電解質，而在陽極槽中通過堿性電解質。利用拉蒂默方程，與常規隔膜槽的用于由水電解生產氫氣和氧氣的標準電極電位E*3:1.229伏相比，標準電極電位E*3變為-0.401伏。
[0010]值得注意的是，本發明的電解槽的效率得以改進，因為該槽的電極中的僅一個連接電源。有利的是，這消除了陰極和陽極處的任何不希望的副反應，例如分別產生氧氣和氫氣。因此，電解槽的效率得以改進。
[0011]本發明的進一步優點在于利用槽的酸性和堿性的電解質以生產氫氣和氧氣。酸性電解質離開陰極槽，其含有過量的0H—離子，使該酸性電解質的電荷為負。此外，堿性電解質離開陽極槽，其含有過量的H+離子，使該堿性電解質呈正電性。這兩種電解質通過另一組具有隔膜式結構的電解槽，其中所述電解質趨向于彼此中和而產生電流。根據法拉第定律，這會導致氫氣和氧氣的生產。
[0012]本發明的其他目的和優點將通過以下描述以及聯系附圖而變得顯而易見，其中，通過闡釋和舉例的方式，本發明的實施方式被公開。
[0013]發明概述
[0014]根據本發明，盡管不應視為以任何方式限制本發明，提出了一種電解槽，其包括:
[0015]至少一個陽極隔室(compartment)，其容納(housing)有陽極電極和堿性電解質；
[0016]至少一個陰極隔室，其容納有陰極電極和酸性電解質；
[0017]至少一個分隔部件，其分離所述陽極隔室和陰極隔室；
[0018]與所述陽極電極或陰極電極連接的電源；以及
[0019]與所述電源連接的調制器；
[0020]其中，所述電源被激活，脈沖電流通過調制器被施加到所述陽極電極或陰極電極，以使得調制器以至少一個電流脈沖的形式生成并向所述陽極電極或陰極電極傳送電流，從而最小化極化的發生并增加電解槽的效率。
[0021]優選地，基座部件連接于所述陽極電極。
[0022]優選地，所述基座部件由與所述陽極電極相同的材料或涂層組成。
[0023]優選地，基座部件連接于所述陰極電極。
[0024]優選地，所述基座部件由與所述陰極電極相同的材料或涂層組成。
[0025]優選地，導電部件在所述陽極隔室和陰極隔室之間延伸并連接所述陽極隔室和陰極隔室。
[0026]優選地，所述導電部件選自鹽橋、半導體或導體部件。
[0027]優選地，分離所述陽極隔室和陰極隔室的所述分隔物(partit1n)為多孔隔膜。
[0028]優選地，分離所述陽極隔室和陰極隔室的所述分隔物為電解部件(electrolyticmember)。
[0029 ] 優選地，所述電流脈沖以1000Hz至20000Hz的范圍被施加。
[0030]優選地，所述陽極電極和陰極電極由多孔材料組成。
[0031]優選地，所述陽極電極和陰極電極由鈦網組成。
[0032]優選地，所述陽極電極和陰極電極涂覆有催化劑以分別促進氧化和還原。
[0033]優選地，所述催化劑選自鉑、鉑氧化物、釕、銥、鎳、鈷、鉬或這些貴金屬和堿金屬的合金或氧化物。
[0034]優選地，所述陽極隔室和陰極隔室進一步容納有多個非導電部件以促進堿性電解質通過所述陽極電極和陰極電極的多孔網狀結構的移動和流動。
[0035]優選地，所述多個非導電部件由塑料擋板組成。
[0036]優選地，所述調制器以系列電流脈沖的形式生成并向所述陽極電極或陰極電極傳送電流。
[0037]優選地，所述電源是DC電源并向調制器施加DC電流。
[0038]在本發明的另一種形式中，提出了使用電解槽由水電解生產氫氣的方法，該方法包括以下步驟:
[0039]a.傳遞堿性電解質通過容納有陽極電極的陽極隔室以生產氧氣，其中所述陽極電極連接于電源；
[0040]b.傳遞酸性電解質通過容納有陰極電極的陰極隔室以生產氫氣，其中所述陰極連接于所述電源；
[0041 ] c.基座部件連接于所述陽極電極和陰極電極；
[0042]d.所述陽極隔室和陰極隔室連接有半導體或導體部件，所述半導體或導體部件在所述陽極隔室和陰極隔室之間延伸并連接所述陽極隔室和陰極隔室；
[0043]e.將調制器連接于電源；以及
[0044]f.激活所述電源以通過所述調制器向所述陽極電極或陰極電極施加電流，以使得所述調制器以至少一個電流脈沖的形式生成并向所述陽極電極或陰極電極傳送電流，從而最小化極化的發生并增加電解槽的效率。
_]附圖的簡要說明
[0046]為了更好地理解本發明及相關使用方法，現在將就優選的實施方式加以描述，這將在本文中參考附圖來描述，其中:
[0047]圖1示出了水電解中使用的常規隔膜槽，其中標準電極電位0=1.229伏并且陽極隔室和陰極隔室中的電解質是相同的；
[0048]圖2示出了美國專利7326329中公開的堿性電解槽；
[0049]圖3A示出了本發明的電解槽一種實施方式，其利用了常規隔膜以分離所述陽極隔室和陰極隔室；
[0050]圖3B示出了本發明的電解槽的進一步實施方式，其利用了電解質膜替代隔膜以分離陽極隔室和陰極隔室；
[0051]圖3C示出了本發明的電解槽的進一步實施方式，其利用了與圖3A相同結構