电解槽及电解制氢系统

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2024-03-12 16:57:20

权利要求书： 1.一种电解槽，其特征在于，包括电解小室，所述电解小室包括阴极、阳极和隔膜；

所述阴极和阳极相互独立地包括电极基体和复合在所述电极基体表面的催化层；

所述催化层为层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合材料。

2.根据权利要求1所述电解槽，其特征在于，所述阴极和阳极为片状。

3.根据权利要求1所述电解槽，其特征在于，所述电极基体为铁、镍、钴和钼中的一种。

4.根据权利要求1所述电解槽，其特征在于，所述电极基体厚度为100～500μm，所述催化层厚度为50～500nm。

5.一种电解制氢系统，其特征在于，包括电解槽；

与所述电解槽的海水入口相连的海水贮槽装置；

与所述电解槽的氢气出口相连的氢气存储装置；

与所述电解槽的氧气出口相连的氧气存储装置；

所述电解槽包括电解小室，所述电解小室包括阴极、阳极和隔膜；

所述阴极和阳极相互独立地包括电极基体和复合在所述电极基体表面的催化层；

所述催化层为层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合材料。

6.根据权利要求5所述电解制氢系统，其特征在于，所述阴极和阳极为片状。

7.根据权利要求5所述电解制氢系统，其特征在于，所述电极基体为铁、镍、钴和钼中的一种。

8.根据权利要求7所述电解制氢系统，其特征在于，所述电极基体厚度为100～500μm，所述催化层厚度为50～500nm。

说明书：一种电解槽及电解制氢系统技术领域[0001] 本实用新型属于氢能及海水资源利用领域，具体涉及一种电解槽及电解制氢系统。背景技术[0002] 电解水制氢是实现大规模绿氢制备的技术方法，对推进氢能社会建设、实现双碳目标具有至关重要的作用。目前主流的电解水制氢技术，包括碱性电解水制氢、PEM制氢、高温固体氧化物电解制氢，均对原料水的水质有较高要求，限制了电解水制氢技术在干旱缺水地区的发展。在水资源丰富的地区，原水在应用前往往也需经过纯化，导致电解水制氢过程繁琐、成本增加。[0003] 由于海水在地球上的储量丰富，海上风能、太阳能、波浪能等资源丰富，因此可以利用海上可再生能源发电耦合海水电解制氢。海水的含盐量高，在海上制氢过程中大多需经过反渗透等过程对海水进行预处理，采用预处理具有处理难度大、成本高、出水水质不稳定、影响电解制氢设备的寿命和性能等缺点。采用海水直接制氢的方式会造成海水中高含量的氯离子对材料的腐蚀，以及氯离子对电解制氢过程的竞争，导致电极寿命较差。实用新型内容

[0004] 有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种电解槽及电解制氢系统，有利于降低海水对电极材料的腐蚀作用。[0005] 为实现上述目的，本实用新型的技术方案为一种电解槽，包括电解小室，所述电解小室包括阴极、阳极和隔膜；所述阴极和阳极相互独立地包括电极基体和复合在所述电极基体表面的催化层；所述催化层为层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合材料。[0006] 本实用新型所述电解槽装置包括多个电解小室，所述电解小室包括阴极、隔膜和阳极，构成阴极室和阳极室，所述阴极和阳极为片状。[0007] 本实用新型所述阴极和阳极中，电极基体为多孔或致密的导电金属片状材料，优选为铁、镍、钴和钼中的一种或多种。所述电极基体厚度为100～500μm，优选为300～500μm。[0008] 本实用新型所述阴极和阳极中，催化层为层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合材料，催化层厚度为50～500nm，优选为50～200nm。所述层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合体可以通过市购得到，可以为以下结构：[0009] (M1(OH)a)x?Na+y?(M2(OH)b)z?(SO42?)y/2；[0010] 其中M1为铁、镍、钴或钼，为二价离子；M2为铁、镍、钴或钼，为三价离子；且M1和M2不相同；a和b相互独立地为2、3、4或5；x和z满足如下关系：(2?a)x+(3?b)z＝0；y为2、3、4、5、6、7、8、9或10。

[0011] 本实用新型所述电解槽采用的阴极和阳极具有电极基体和复合在所述电极基体表面的催化层，所述催化层具有高比表面积和孔隙率，催化活性高。同时，电极基体和催化层之间结合牢固，避免了接触电阻的产生，导电性好。[0012] 本实用新型还提供了一种电解制氢系统，包括电解槽；与所述电解槽的海水入口相连的海水贮槽装置；与所述电解槽的氢气出口相连的氢气存储装置；与所述电解槽的氧气出口相连的氧气存储装置；所述电解槽包括电解小室，所述电解小室包括阴极、阳极和隔膜；所述阴极和阳极相互独立地包括电极基体和复合在所述电极基体表面的催化层；所述催化层为层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合材料。[0013] 本实用新型所述电解制氢系统中，电解槽装置包括多个电解小室，所述电解小室包括阴极、隔膜和阳极，构成阴极室和阳极室，所述阴极和阳极为片状。所述阴极和阳极中，电极基体为多孔或致密的导电金属片状材料，优选为铁、镍、钴和钼中的一种或多种。所述电极基体厚度为100～500μm，优选为300～500μm。所述催化层为层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合材料，催化层厚度为50～500nm，优选为50～200nm。所述层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合体可以通过市购得到，可以为以下结构：[0014] (M1(OH)a)x?Na+y?(M2(OH)b)z?(SO42?)y/2；[0015] 其中M1为铁、镍、钴或钼，为二价离子；M2为铁、镍、钴或钼，为三价离子；且M1和M2不相同；a和b相互独立地为2、3、4或5；x和z满足如下关系：(2?a)x+(3?b)z＝0；y为2、3、4、5、6、7、8、9或10。

[0016] 本实用新型所述电解制氢系统中，海水贮槽装置用于提供电解液至电解槽，所述电解槽用于电解海水产生氢气和氧气，氢气存储装置用于存储所述电解槽阴极产生的氢气，氧气存储装置用于存储所述电解槽阳极产生的氧气。[0017] 本实用新型所述电解制氢系统的工作流程为：连通海水贮槽装置和电解槽，所述海水贮槽装置中海水进入所述电解槽中，连通所述电解槽中电源，所述海水在直流电的作用下分解，产生氢气和氧气，所述氢气经过电解槽的氢气出口进入氢气存储装置进行收集，所述氧气经过电解槽的氧气出口进入氧气存储装置进行收集。[0018] 本实用新型提供了一种电解槽，包括电解小室，所述电解小室包括阴极、阳极和隔膜；所述阴极和阳极相互独立地包括电极基体和复合在所述电极基体表面的催化层；所述催化层为层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合材料。所述电解槽中阴极和阳极表面具有催化层，所述催化层的硫酸根离子对电解反应中的氯离子形成了阻挡作用，有效增强了反应选择性，提高了电极寿命。阴极和阳极的催化层具有高比表面积和孔隙率，活性位点密度高，催化活性高，电极基体和催化层之间结合牢固，避免了接触电阻的产生，导电性好。阴极和阳极的电极基体未使用贵金属成分，成本低，电解槽及其系统简单，有利于大规模推广。附图说明[0019] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。[0020] 图1为电解制氢系统示意图。具体实施方式[0021] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。[0022] 本实用新型所述电解槽包括电解小室，所述电解小室包括阴极、阳极和隔膜；所述阴极和阳极相互独立地包括电极基体和复合在所述电极基体表面的催化层；所述催化层为层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合材料。[0023] 本实用新型所述电解槽装置包括多个电解小室，所述电解小室包括阴极、隔膜和阳极，构成阴极室和阳极室，所述阴极和阳极为片状。[0024] 本实用新型所述阴极和阳极中，电极基体为多孔或致密的导电金属片状材料，优选为铁、镍、钴和钼中的一种或多种。所述电极基体厚度为100～500μm，优选为300～500μm。[0025] 本实用新型所述阴极和阳极中，催化层为层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合材料，催化层厚度为50～500nm，优选为50～200nm。所述层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合体可以通过市购得到，可以为以下结构：[0026] (M1(OH)a)x?Na+y?(M2(OH)b)z?(SO42?)y/2；[0027] 其中M1为铁、镍、钴或钼，为二价离子；M2为铁、镍、钴或钼，为三价离子；且M1和M2不相同；a和b相互独立地为2、3、4或5；x和z满足如下关系：(2?a)x+(3?b)z＝0；y为2、3、4、5、6、7、8、9或10。

[0028] 本实用新型所述电解槽中，阴极和阳极可以通过以下方法制备得到，具体为：[0029] 1)优选对电极基体进行预处理，所述预处理包括：依次对电极基体进行水洗、醇洗和酸洗，具体为：依次采用水、乙醇和0.05～0.5mol/L稀盐酸分别洗涤电极基体2～3次，得到经过预处理的电极基体。所述电极基体为多孔或致密的导电金属片状材料，优选为铁、镍、钴和钼中的一种或多种。所述电极基体厚度为100～500μm，优选为300～500μm。采用乙醇洗涤电极基体，用于去除电极基体表面脂溶性杂质；采用稀盐酸洗涤电极基体，用于去除电极基体表面氧化物。[0030] 2)进行预处理后，对电极基体进行表面腐蚀，所述表面腐蚀具体为：采用浓度为0.5～1mol/L的NaCl溶液对电极基体进行表面腐蚀，腐蚀时间为12～24h，温度为20～60℃。

电极基体表面发生金属腐蚀和原位沉积反应，形成金属氢氧化物结构，反应式如下所示：

[0031] M1＝M12++2e?；[0032] M1＝M13++3e?；[0033] M12++2H2O＝M1(OH)2+2H+；[0034] M13++3H2O＝M1(OH)3+3H+；[0035] 其中，M1为电极基体金属元素，优选铁、镍、钴和钼中的一种或多种。[0036] 3)将经过表面腐蚀的电极基体与金属硫酸盐前驱体溶液进行反应，优选对经过表面腐蚀的电极基体进行后处理，所述后处理为：将经过表面腐蚀的电极基体进行水洗。电极基体经过后处理后，与金属硫酸盐前驱体溶液进行反应，所述金属硫酸盐前驱体浓度可以为0.3～1.5mol/L，可以包括0.5～1mol/L的Na2SO4溶液，反应温度为20～60℃，反应时间为2～3h，电极基体表面发生金属氢氧化物的解构，反应式如下所示：[0037] M1(OH)2+2H+＝M12++2H2O；[0038] M1(OH)3+3H+＝M13++3H2O；[0039] 其中，M1为电极基体金属元素，优选铁、镍、钴和钼中的一种或多种。[0040] 4)优选在还原性气氛保护下，将上述反应体系在碱性条件下共沉淀，直至到达反应终点，所述碱性条件由稀氨水提供。反应式如下所示：[0041] M12++M22++OH?+SO42?+Na+→(M1(OH)a)x?Na+y?(M2(OH)b)z?(SO42?)y/2；[0042] 其中，M1为电极基体中金属元素，M2为金属硫酸盐中金属元素，优选铁、镍、钴和钼中的一种或多种；a和b相互独立地为2、3、4或5；x和z满足如下关系：(2?a)x+(3?b)z＝0；y为2、3、4、5、6、7、8、9或10。

[0043] 反应体系中金属离子核心对阴离子产生较强的亲和作用，电极基体表面发生电极基体金属与金属硫酸盐中金属的复合反应，硫酸根离子在催化层表面形成保护层，形成层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合材料的催化层，得到电解槽的阴极和阳极。[0044] 本实用新型将隔膜、得到的阴极和阳极组装成电解小室，多个电解小室组装成电解槽，得到本实用新型所述电解槽。[0045] 本实用新型还提供了一种电解制氢系统，包括电解槽；与所述电解槽的海水入口相连的海水贮槽装置；与所述电解槽的氢气出口相连的氢气存储装置；与所述电解槽的氧气出口相连的氧气存储装置；所述电解槽包括电解小室，所述电解小室包括阴极、阳极和隔膜；所述阴极和阳极相互独立地包括电极基体和复合在所述电极基体表面的催化层；所述催化层为层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合材料。[0046] 参见图1，图1为电解制氢系统示意图，本实用新型所述电解制氢系统包包括电解槽2；与所述电解槽2的海水入口相连的海水贮槽装置1；与所述电解槽2的氢气出口相连的氢气存储装置3；与所述电解槽2的氧气出口相连的氧气存储装置4。[0047] 本实用新型所述电解制氢系统中，电解槽装置包括多个电解小室，所述电解小室包括阴极、隔膜和阳极，构成阴极室和阳极室，所述阴极和阳极为片状。所述阴极和阳极中，电极基体为多孔或致密的导电金属片状材料，优选为铁、镍、钴和钼中的一种或多种。所述电极基体厚度为100～500μm，优选为300～500μm。所述催化层为层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合材料，催化层厚度为50～500nm，优选为50～200nm。催化层可以由层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合体复合在电极基体表面得到，所述层状双金属氢氧化物?硫酸盐复合体可以通过市购得到，可以为以下结构：[0048] (M1(OH)a)x?Na+y?(M2(OH)b)z?(SO42?)y/2；[0049] 其中M1为铁、镍、钴或钼，为二价离子；M2为铁、镍、钴或钼，为三价离子；且M1和M2不相同；a和b相互独立地为2、3、4或5；x和z满足如下关系：(2?a)x+(3?b)z＝0；y为2、3、4、5、6、7、8、9或10。所述电解槽中阴极和阳极的制备方法与上述技术方案所述电解槽中阴极和阳极的制备方法相同，在此不再赘述。

[0050] 本实用新型所述电解制氢系统中，海水贮槽装置用于提供电解液至电解槽，所述电解槽用于电解海水产生氢气和氧气，氢气存储装置用于存储所述电解槽阴极产生的氢气，氧气存储装置用于存储所述电解槽阳极产生的氧气。[0051] 本实用新型所述电解制氢系统的工作流程为：连通海水贮槽装置和电解槽，所述海水贮槽装置中海水进入所述电解槽中，连通所述电解槽中电源，所述海水在直流电的作用下分解，产生氢气和氧气，所述氢气经过电解槽的氢气出口进入氢气存储装置进行收集，所述氧气经过电解槽的氧气出口进入氧气存储装置进行收集。[0052] 以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。