碱性环境下的析氧反应能够同步进行，进而有利于降低电解槽的电解电压，减小制氢能耗。
[0047]上述电解水制氢气装置的工作原理为:
[0048]在外加直流电的作用下，双极膜外的水分子渗透至双极膜内，在双极膜的阳离子交换膜与阴离子交换膜的交界面上，水分子被解离成氢离子和氢氧根离子。氢离子能够穿过阳离子交换膜而进入阴极室内，并在阴极表面发生还原反应产生氢气，但氢离子被阴离子交换膜阻碍而不能进入阳极室;与此类似，氢氧根离子通过阴离子交换膜进入阳极室内，并在阳极表面发生氧化反应而析出氧气，但氢氧根离子被阳离子交换膜阻碍而不能进入阴极室，由此才能确保酸性环境下的析氢反应与碱性环境下的析氧反应的同步进行。
[0049]实施例2
[0050]本实施例所述的电解水制氢气的方法，包括:
[0051 ]向实施例1的装置中的阴极室内注入lmo 1/L的硫酸水溶液、同时向阳极室中注入2mol/L的氢氧化钠水溶液；
[0052]室温20°C下，在阳极和阴极之间施加0.8V的电压，使得硫酸水溶液中的氢离子在阴极发生还原反应制得氢气，同时氢氧化钠水溶液中的氢氧根离子在阳极发生氧化反应析出氧气。
[0053]根据本实施例的方法每制得一标方氢气的耗电量为1.8KWh。
[0054]实施例3
[0055]本实施例所述的电解水制氢气的方法，包括:
[0056]向实施例1的装置中的阴极室内注入2mo1/L的硫酸水溶液、同时向阳极室中注入7mol/L的氢氧化钾水溶液；
[0057]80°C下，在阳极和阴极之间施加1.4V的电压，使得硫酸水溶液中的氢离子在阴极发生还原反应制得氢气，同时氢氧化钾水溶液中的氢氧根离子在阳极发生氧化反应析出氧气。
[0058]根据本实施例的方法每制得一标方氢气的耗电量为3.lKWh。
[0059]实施例4
[0060]本实施例所述的电解水制氢气的方法，包括:
[0061 ]向实施例1的装置中的阴极室内注入3mo 1/L的硫酸水溶液、同时向阳极室中注入6mol/L的氢氧化钾水溶液；
[0062]60°C下，在阳极和阴极之间施加2.2V的电压，使得硫酸水溶液中的氢离子在阴极发生还原反应制得氢气，同时氢氧化钾水溶液中的氢氧根离子在阳极发生氧化反应析出氧气。
[0063]根据本实施例的方法每制得一标方氢气的耗电量为4.4KWh。
[0064]实施例5
[0065]本实施例所述的电解水制氢气的方法，包括:
[0066]向实施例1的装置中的阴极室内注入4mo1/L的硫酸水溶液、同时向阳极室中注入5mol/L的氢氧化钾水溶液；
[0067]50°C下，在阳极和阴极之间施加0.8V的电压，使得硫酸水溶液中的氢离子在阴极发生还原反应制得氢气，同时氢氧化钾水溶液中的氢氧根离子在阳极发生氧化反应析出氧气。
[0068]根据本实施例的方法每制得一标方氢气的耗电量为1.7KWh。
[0069]实施例6
[0070]本实施例所述的电解水制氢气的方法，包括:
[0071 ]向实施例1的装置中的阴极室内注入8mo 1/L的盐酸水溶液、同时向阳极室中注入4mol/L的氢氧化钾水溶液；
[0072]70°C下，在阳极和阴极之间施加1.2V的电压，使得盐酸水溶液中的氢离子在阴极发生还原反应制得氢气，同时氢氧化钠水溶液中的氢氧根离子在阳极发生氧化反应析出氧气。
[0073]根据本实施例的方法每制得一标方氢气的耗电量为2.6KWh。
[0074]实施例7
[0075]本实施例所述的电解水制氢气的方法，包括:
[0076]向实施例1的装置中的阴极室内注入2mo1/L的硫酸水溶液、同时向阳极室中注入3mol/L的氢氧化钾水溶液；
[0077]25°C下，在阳极和阴极之间施加1.5V的电压，使得硝酸水溶液中的氢离子在阴极发生还原反应制得氢气，同时氢氧化钠水溶液中的氢氧根离子在阳极发生氧化反应析出氧气。
[0078]根据本实施例的方法每制得一标方氢气的耗电量为3.3KWh。
[0079]实施例8
[0080]本实施例所述的电解水制氢气的方法，包括:
[0081 ]向实施例1的装置中的阴极室内注入2mo 1/L的硫酸水溶液、同时向阳极室中注入4mol/L的氢氧化钾水溶液；
[0082]50°C下，在阳极和阴极之间施加1.8V的电压，使得硫酸水溶液中的氢离子在阴极发生还原反应制得氢气，同时氢氧化钾水溶液中的氢氧根离子在阳极发生氧化反应析出氧气。
[0083]根据本实施例的方法每制得一标方氢气的耗电量为3.7KWh。
[0084]对比例1
[0085]本对比例所述的电解水制氢气的方法，包括:
[0086]向电解槽中注入4mo1 /L氢氧化钾水溶液作为电解液，在该电解液中设置一对阴极和阳极；
[0087]50°C下，在阳极和阴极之间施加1.8V的电压，使得氢氧化钾水溶液中的水分子在阴极发生还原反应制得氢气，同时氢氧化钾水溶液中的氢氧根离子在阳极发生氧化反应析出氧气。
[0088]根据本对比例的方法，也即是现有的碱性水溶液电解法每制得一标方氢气的耗电量为 5.3KWh。
[0089]实验例
[0090]在上述实施例1-8及对比例1的电解过程中，由于阴极只发生还原析氢反应，故电解过程中产生的电流等于析出氢气的速率。为考察本发明实施例8与对比例1的制氢效果，本实验例通过调整阴阳电极间的电压值，比较在不同分解电压下的电流产生情况。本实验例每隔10秒记录电解析氢反应过程的电流，并绘制电流随电压变化的示意图，如图2所示。
[0091]从图2可以看出，在施加相同电压的情况下，实施例8所产生的电流值大于对比例1，特别是随着电压的增高，二者间的差距也越来越大，当电压为2.0V时，实施例8的电流值为对比例1的5倍以上。这说明本发明的电解水制氢气的方法具有较高的析氢速率，在维持相同产能的条件下可显著降低电解槽所需的电压，从而有利于减小电解水制氢的能耗。
[0092]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【主权项】
1.一种电解水制氢气的方法，包括: 在直流电的作用下，氢离子在阴极发生还原反应制得氢气，同时氢氧根离子在阳极发生氧化反应析出氧气； 所述氢离子和所述阴极均设置在阴极室内，所述氢氧根离子和所述阳极均设置在阳极室内，所述阴极室和所述阳极室由双极膜分隔而成。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢离子的浓度为2?8mol/L;所述氢氧根离子的浓度为2?7mol/L。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，含所述氢离子的酸性水溶液的温度为20?80°C ；含所述氢氧根离子的碱性水溶液的温度为20?80°C。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，含所述氢离子的酸性水溶液的温度为50?80°C ；含所述氢氧根离子的碱性水溶液的温度为50?80°C。5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述直流电的电压为0.8?2.2V。6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述直流电的正极与所述阳极相连，所述直流电的负极与所述阴极相连接。7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述双极膜由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成，其中，所述阳离子交换膜朝向所述阴极室设置，所述阴离子交换膜朝向所述阳极室设置。8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，在所述阳极的表面设置析氧催化剂;所述阴极的表面设置析氢催化剂。9.一种电解水制氢气的装置，包括: 电解槽，设置有温度调节与控制系统； 由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成的双极膜，所述双极膜垂直于所述电解槽的内底面设置并与所述内底面密封连接，以将所述电解槽分隔成阳极室和阴极室;所述阳离子交换膜朝向所述阴极室设置，所述阴离子交换膜朝向所述阳极室设置； 在所述阳极室内设置阳极，所述阳极与直流电的正极相连； 在所述阴极室中设置阴极，所述阴极与所述直流电的负极连接。10.根据权利要求9所述的制氢装置，其特征在于，所述阴极为铂片;所述阳极为钛镀钌的金属网。
【专利摘要】本发明提供了一种电解水制氢气的方法及装置，所述方法为，在直流电作用下，H+在阴极发生还原反应制得氢气，同时OH―在阳极发生氧化反应析出氧气；所述H+和阴极均位于阴极室内，所述OH―和阳极均位于阳极室内，所述阴极室和阳极室由双极膜分隔而成。本发明的方法首次采用双极膜将电解槽分隔成互不连通的阳极室和阴极室，以保证阴极室内酸性环境下的析氢反应与阳极室内碱性环境下的析氧反应能够同步进行，从而降低了电解槽电压，减小能耗。与此同时，本发明电解时的酸性和碱性环境可由双极膜解离水的过程连续供给，使得本发明的方法既不消耗酸、碱，也不产生污染物，能满足工业化的制氢要求。本发明的电解水制氢装置具有结构简单、操作方便的优点。
【IPC分类】C25B13/02, C25B1/10, C25B11/08
【公开号】CN105483747
【申请号】CN201610045196
【发明人】王保国, 王培灿, 雷青, 芦琛璘, 洪为臣
【申请人】清华大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月22日