一种可以电解水制取氢气的电池装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属电解水与储能技术领域，具体涉及一种可以电解水制取氢气的电池装 置。
【背景技术】
[0002]能源是发展国民经济、提高人民生活质量的重要物质基础，是直接影响经济发展 的重要制约因素，同时也是国家战略安全保障的基础之一。新世纪的到来，人类社会对能源 数量、质量的需要会越来越多、越来越高，但是由于无止境的开采、挖掘，使人类赖以生存的 能源资源正在日益减少，而作为主要能源的石油、煤的贮量也正日益枯竭。同时，传统的能 源结构和大量能源消耗，对人类生存环境造成了严重污染，人类呼唤着替代传统能源的清 洁能源。为解决经济发展与能源短缺及环境污染之间日益加剧的矛盾，开发清洁、高效、可 持续发展的新能源动力技术已成为十分紧迫的任务。发展可再生能源和能源的清洁高效利 用将是当今国际社会所面临的重要现实问题，对整个世界经济的可持续发展具有重要意 义。氢能源作为高效、洁净和理想的二次能源已经受到了全世界的广泛重视。大规模、廉价 地生产氢气是开发和利用氢能的重要环节之一。
[0003]电解水制备氢气操作相对简单，技术相对成熟，而且制氢过程没有污染，是实现大 规模生产氢气的重要手段。在当前的制氢工业生产中，碱性水电解技术工业化早、技术成 熟、设备成本低，因此碱性水电解在水电解行业中占主导地位。但因为其能耗较高，限制了 它的广泛应用。更为重要的是，常规的电解水技术在电解过程中阴阳极同时电解生成氢气 和氧气，这将很容易导致氢气和氧气的混合，致使所制备的气体不纯，后续的提纯则将大大 增大制备成本。但是其实电解水主要的目标产物是氢气，因为氧气在大气中就大量存在。
[0004]同时储存可再生能源例如风能、太阳能、水力发电的能量也是目前全球人类的迫 切需求。如果从长远的角度来看这个问题，电池储能可能是可再生能源发电能量储存的最 有效经济方案。电池储能的好处在于，可大可小，容易与各种规模的可再生能源发电相结 合;充电放电快速，直接电与电转化，转换效率高。但是目前还不能在同一个体系里可以同 时兼顾制氢与储能。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提出一种可以电解水制取氢气的电池装置。
[0006]本发明提出的可以电解水制取氢气的电池装置，其电解槽包含三个电极:对电解 水生成氢气具有催化作用的析氢催化电极、氢氧化镍(Ni(0H)2)电极和金属锌电极。与常规 电池不同，本发明电池装置的充电步骤与放电步骤连接的电极并不一样[见图1]:具体的充 电步骤与放电步骤电极反应如下： 充电制氢步骤： 正极:Ni(0H)2 +OH-- e--NiOOH+H2O负极:H2O+ e- -1/2? +OH- 可见，在充电制氢步骤，水分子在析氢催化电极(即负极)表面被电化学还原成氢气，同 时Ni(0H)2电极（即正极)被电化学氧化为NiOOH电极，在此过程中电子由Ni(0H)2电极通过外 电路流向析氢催化电极。
[0007]放电能量输出步骤： 正极:NiOOH+H20 +e- -Ni(0H)2 + 0H- 负极：Zn+ 40H- - 2e--Zn〇22- +2H2O 可见，在放电能量输出过程，NiOOH电极（即正极)被电化学还原成为Ni(0H)2电极，同时 锌电极（即负极)被氧化。在此过程中电子由锌电极通过外电路流向NiOOH电极。
[0008] 上述充电与放电步骤交替循环进行，实现了Ni(0H)2的循环利用，同时在充电步骤 制取了高纯度的氢气（因为并没有电解生成氧气），在放电步骤实现了能量的稳定输出。 [0009 ]本发明中，所述的析氢催化电极，其电极材料包括:基于金属钼(Pt)等贵金属以及 其与碳的复合物;基于Ni、Co、Fe等过渡金属的单质或化合物，如Ni、Ni-Mo合金、Ni-Cr-Fe 合金、C〇0、Co2〇3、CoSe2、FeP;基于Cu的化合物;基于W的化合物例如WC、W2C、WS2;基于Mo的化 合物如MoS2、MoB、Mo2S;C3N4等化合物。
[0010] 本发明中，所述的氢氧化镍电极(Ni(0H)2)为常规镍氢电池使用的氢氧化镍电极， 其由活性物质Ni(0H)2和其他添加成分组成，添加成分包括:镍粉、Co(0H)2、碳粉及粘结剂如 聚四氟乙烯等中的一种或者几种。上述Ni(0H)2活性物质和添加成分通过混合成膜或者成 衆料的方式，压制或者涂覆在金属集流体上构成Ni(0H)2电极。这里金属集流体包括:镍网、 泡沫镍、不锈钢网、钛网等。
[0011] 本发明中，所述的金属锌电极，可以是金属锌片或由锌粉构成的膜电极。
[0012] 本发明中，电解液必须是碱性水溶液，包括氢氧化钾、氢氧化钠以及其他碱性水溶 液。
[0013]为了验证本发明设计的电池的性能，我们进行了实际组装并进行了测试。经恒流 充电与放电测试，充放电曲线如图2所示。充电过程中，展示出了优异的电解水制氢的性能， 放电步骤中实现了能量稳定的输出。重复了5次充电制氢步骤以及放电能量输出步骤，当 200毫安恒流充放电时，充电制氢的平均电压在1.65V，放电的平均电压在1.6V。而且测试了 制取的氢气的纯度，发现为高纯度氢气。
[0014]综上所述，本发明提出了一种可以制取氢气的电池装置，其在充电过程中可以电 解水制取高纯度的氢气，放电过程中可以实现能量的稳定输出。氢氧化镍(Ni(0H)2)电极在 充电过程中，被电化学氧化成为NiOOH电极;在放电过程中，又被电化学还原成为Ni(0H)2。 该氢氧化镍电极的循环电化学氧化还原过程，将电解水制氢与能量储存高效的结合在一 起。
【附图说明】
[0015]图1可以制取氢气的电池工作示意图。
[0016]图2制氢电池的充电与放电曲线循环示意图。
【具体实施方式】
[0017]以下通过实施例对本发明作进一步的说明。
[0018] 实施例1: 可以制氢电池装置中，电解生成氢气的催化电极采用铂电极，锌电极为商业化锌板电 极，氢氧化镍电极采用市场可以购买的商业化氢氧化镍电极。三个电极面积均为20平方厘 米。电解液使用1摩尔每升的氢氧化钾溶液，采用200毫安恒定电流充放电。首先负极连接铂 电极，正极连接氢氧化镍电极，200晕安电流充电600秒，平均电压约为1.6 5V，钼电极上生成 氢气。然后将氢氧化镍作为正极，锌板电极作为负极，同样200毫安恒流进行放电，直至电压 降为0.5V，放电时长为600秒，电压约为1.6V。以此循环5次，曲线如图2循环稳定。
[0019] 实施例2: 可以制氢电池装置中，电解生成氢气的催化电极采用M〇S2/石墨烯电极，锌电极为商业 化锌板电极，氢氧化镍电极采用市场可以购买的商业化氢氧化镍电极。三个电极面积均为 20平方厘米。电解液使用1摩尔每升的氢氧化钾溶液，采用200毫安恒定电流充放电。首先负 极连接铂电极，正极连接氢氧化镍电极，200毫安电流充电600秒，平均电压约为1.68V，铂电 极上生成氢气。然后将氢氧化镍作为正极，锌板电极作为负极，同样200毫安恒流进行放电， 直至电压降为〇.5V，放电时长为600秒，电压约为1.6V。以此循环5次，循环稳定。
[0020] 实施例3: 可以制氢电池装置中，电解生成氢气的催化电极采用C3N4/石墨烯，锌电极为商业化锌 板电极，氢氧化镍电极采用市场可以购买的商业化氢氧化镍电极。三个电极面积均为20平 方厘米。电解液使用1摩尔每升的氢氧化钾溶液，采用200毫安恒定电流充放电。首先负极连 接铂电极，正极连接氢氧化镍电极，200毫安电流充电600秒，平均电压约为1.7V，铂电极上 生成氢气。然后将氢氧化镍作为正极，锌板电极作为负极，同样200毫安恒流进行放电，直至 电压降为0.5V，放电时长为600秒，电压约为1.6V。以此循环5次，循环稳定。
[0021]表1.采用不同电极组装的电解槽200毫安恒电流电解水性能比较
【主权项】
1. 一种可以电解水制取氢气的电池装置，其特征在于，包含三个电极:对电解水生成氢 气具有催化作用的析氢催化电极、氢氧化镍(Ni(OH)2)电极、金属锌电极；电解液为碱性电 解质溶液。2. 根据权利要求1所述的可以电解水制取氢气的电池装置，其特征在于所述的析氢催 化电极，其电极材料选自：基于金属钼以及其与碳的复合物;基于Ni、Co、Fe过渡金属的单质 或化合物;基于Cu的化合物;基于W的化合物;基于Mo的化合物;C3N4化合物。3. 根据权利要求2所述的可以电解水制取氢气的电池装置，其特征在于所述的基于Ni、 Co、Fe过渡金属的单质或化合物，为Ni、Ni-Mo合金、Ni-Cr-Fe合金、CoO、Co2〇3、CoSe2、FeP; 所述基于W的化合物，为WC、W2C、WS2;所述基于Mo的化合物，为MoS2、MoB、Mo2S。4. 根据权利要求1、2或3所述的可以电解水制取氢气的电池装置，其特征在于所述的氢 氧化镍电极，由活性物质Ni(0H)2和添加成分组成，所述添加成分包括:镍粉、C〇(OH)2、碳粉 及粘结剂如聚四氟乙烯中的一种或者几种；上述Ni(0H)2活性物质和添加成分通过混合成 膜或者成衆料的方式，压制或者涂覆在金属集流体上构成Ni(0H)2电极;这里金属集流体包 括:镍网、泡沫镍、不锈钢网或钛网。5. 根据权利要求4所述的可以电解水制取氢气的电池装置，其特征在于所述的金属锌 电极，为金属锌片或由部分或全部锌粉构成膜电极。6. 根据权利要求1、2、3或5所述的可以电解水制取氢气的电池装置，其特征在于所述的 碱性电解质溶液选自氢氧化钾、氢氧化钠以及其他碱性水溶液。7. 根据权利要求1、2、3或5所述的可以电解水制取氢气的电池装置，其特征在于： 在充电步骤中可以电解水制取氢气，水分子在析氢催化电极表面被电化学还原成氢 气，H20 +e- - 1/2? + 0H-，同时Ni(0H)2电极被电化学氧化为NiOOH电极，Ni(0H)2 + 0H一 一e--NiOOH+H20,在此过程中电子由Ni(0H)2电极通过外电路流向析氢催化电极； 在放电步骤，NiOOH电极被电化学还原成为Ni(0H)2电极，NiOOH+H20 +e- -Ni (0H)2+OH-，同时锌电极被氧化，Zn+ 40H- - 2e--Ζη022- + 2H20,在此过程中电子由锌 电极电极通过外电路流向NiOOH电极； 上述充电制氢步骤和放电步骤交替进行。
【专利摘要】本发明属电解水与储能技术领域，具体为一种可以电解水制取氢气的电池装置。本发明的电池装置包含三个电极：对电解水生成氢气具有催化作用的析氢催化电极、氢氧化镍(Ni(OH)2)电极、金属锌电极，电解液采用碱性电解质溶液。其在充电步骤，水分子在析氢催化电极表面被电化学还原成氢气，同时Ni(OH)2电极被电化学氧化为NiOOH电极，在此过程中电子由Ni(OH)2电极通过外电路流向析氢催化电极；在放电步骤，正极为NiOOH电极，负极为金属锌电极，NiOOH电极被电化学还原成为Ni(OH)2电极，同时锌电极被氧化。本发明将电解水制氢与电能储存高效地结合在一起：在充电步骤中制取高纯度的氢气，在放电步骤中实现能量稳定的输出。
【IPC分类】C25B11/06, C25B11/08, C25B1/04
【公开号】CN105463497
【申请号】CN201510799151
【发明人】王永刚, 夏永姚, 陈龙
【申请人】复旦大学
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年11月18日