隔膜式电解槽和用于由水的单级电解生产氢气的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种隔膜式电解槽和由水电解生产商业量的氢气的方法。
【背景技术】
[0002]对清洁和可再生的能源存在增加的需求，以消除利用碳氢燃料的负面影响和进入大气的碳释放。氢气生产是这样的建议解决方案之一，因为它是清洁燃料，消耗时仅产生水。
[0003]然而，目前大多数氢气，约90%，是工业化产自诸如天然气、石油(oil)和煤等矿物燃料的气化。然而，这些方法仍然导致二氧化碳的排放。因此，由于氢气通常不是从无氧化碳源(carbon oxide free source)得到，它不是碳中性能源。
[0004]因此，对于通过水电解生产氢气存在增长和更新的兴趣与需求。使用隔膜槽(diaphragm cells)通过水电解来生产氢气是公知的。使用隔膜槽用于氢气和氧气的商业生产，例如Knowles和Stuart槽是公认的。然而，这些常规隔膜槽的缺点在于生产的低能量效率和低容量，其中Knowles槽中的能量效率约为65%，Stuart槽中的能量效率约为55%。
[0005]图1示出了水电解中的常规隔膜槽，其中标准电极电位E^zl.229伏并且电解质在阳极槽和阴极槽中是相同的。然而，这种常规槽中的隔膜仍然是特别有问题的，其中，它增加了阻抗，并且使为减少过电压的电解质搅动变得困难。该隔膜必须使电子能够以最小的阻力通过，但必须防止分别在阳极和阴极产生的氧气和氢气的混合。
[0006]在美国专利7326329和相关的英国专利GB2409865和澳大利亚专利2004237840的名称为“由水制氢气的商业生产”中，提出了从水的单极电解生产氢气的方法，其中，由与水电解生产lmol氢气相同的能量生产了更多的氢气。
[0007]美国专利6475653的名称为“非扩散燃料电池和使用燃料电池的方法”试图解决关于电解槽中隔膜的已认识到的棘手问题，其中，披露了一种操作时不需隔膜或膜的更高效的氢燃料电池。这使得清洁电能和交通能量能够得自可再生能量，例如太阳能和风能。
[0008]因此，本发明的目的之一是提供一种改进的隔膜电解槽和一种改进的由水电解生产氢气的方法。
[0009]本发明提供了使用常规隔膜式电解槽的结构由水电解生产氢气的更高速率，其中隔膜位于阳极和阴极之间或者电解质膜或盐桥或半导体或导体位于阳极和阴极之间。然而，没有采用如美国专利7326329所披露的阳极槽和阴极槽中相同的电解质，在阴极槽中通过酸性电解质，而在阳极槽中通过碱性电解质。利用拉蒂默方程，与常规隔膜槽的用于由水电解生产氢气和氧气的标准电极电位E*3:1.229伏相比，标准电极电位E*3变为-0.401伏。
[0010]值得注意的是，本发明的电解槽的效率得以改进，因为该槽的电极中的仅一个连接电源。有利的是，这消除了阴极和阳极处的任何不希望的副反应，例如分别产生氧气和氢气。因此，电解槽的效率得以改进。
[0011]本发明的进一步优点在于利用槽的酸性和碱性的电解质以生产氢气和氧气。酸性电解质离开阴极槽，其含有过量的0H—离子，使该酸性电解质的电荷为负。此外，碱性电解质离开阳极槽，其含有过量的H+离子，使该碱性电解质呈正电性。这两种电解质通过另一组具有隔膜式结构的电解槽，其中所述电解质趋向于彼此中和而产生电流。根据法拉第定律，这会导致氢气和氧气的生产。
[0012]本发明的其他目的和优点将通过以下描述以及联系附图而变得显而易见，其中，通过阐释和举例的方式，本发明的实施方式被公开。
[0013]发明概述
[0014]根据本发明，尽管不应视为以任何方式限制本发明，提出了一种电解槽，其包括:
[0015]至少一个阳极隔室(compartment)，其容纳(housing)有阳极电极和碱性电解质；
[0016]至少一个阴极隔室，其容纳有阴极电极和酸性电解质；
[0017]至少一个分隔部件，其分离所述阳极隔室和阴极隔室；
[0018]与所述阳极电极或阴极电极连接的电源；以及
[0019]与所述电源连接的调制器；
[0020]其中，所述电源被激活，脉冲电流通过调制器被施加到所述阳极电极或阴极电极，以使得调制器以至少一个电流脉冲的形式生成并向所述阳极电极或阴极电极传送电流，从而最小化极化的发生并增加电解槽的效率。
[0021]优选地，基座部件连接于所述阳极电极。
[0022]优选地，所述基座部件由与所述阳极电极相同的材料或涂层组成。
[0023]优选地，基座部件连接于所述阴极电极。
[0024]优选地，所述基座部件由与所述阴极电极相同的材料或涂层组成。
[0025]优选地，导电部件在所述阳极隔室和阴极隔室之间延伸并连接所述阳极隔室和阴极隔室。
[0026]优选地，所述导电部件选自盐桥、半导体或导体部件。
[0027]优选地，分离所述阳极隔室和阴极隔室的所述分隔物(partit1n)为多孔隔膜。
[0028]优选地，分离所述阳极隔室和阴极隔室的所述分隔物为电解部件(electrolyticmember)。
[0029 ] 优选地，所述电流脉冲以1000Hz至20000Hz的范围被施加。
[0030]优选地，所述阳极电极和阴极电极由多孔材料组成。
[0031]优选地，所述阳极电极和阴极电极由钛网组成。
[0032]优选地，所述阳极电极和阴极电极涂覆有催化剂以分别促进氧化和还原。
[0033]优选地，所述催化剂选自铂、铂氧化物、钌、铱、镍、钴、钼或这些贵金属和碱金属的合金或氧化物。
[0034]优选地，所述阳极隔室和阴极隔室进一步容纳有多个非导电部件以促进碱性电解质通过所述阳极电极和阴极电极的多孔网状结构的移动和流动。
[0035]优选地，所述多个非导电部件由塑料挡板组成。
[0036]优选地，所述调制器以系列电流脉冲的形式生成并向所述阳极电极或阴极电极传送电流。
[0037]优选地，所述电源是DC电源并向调制器施加DC电流。
[0038]在本发明的另一种形式中，提出了使用电解槽由水电解生产氢气的方法，该方法包括以下步骤:
[0039]a.传递碱性电解质通过容纳有阳极电极的阳极隔室以生产氧气，其中所述阳极电极连接于电源；
[0040]b.传递酸性电解质通过容纳有阴极电极的阴极隔室以生产氢气，其中所述阴极连接于所述电源；
[0041 ] c.基座部件连接于所述阳极电极和阴极电极；
[0042]d.所述阳极隔室和阴极隔室连接有半导体或导体部件，所述半导体或导体部件在所述阳极隔室和阴极隔室之间延伸并连接所述阳极隔室和阴极隔室；
[0043]e.将调制器连接于电源；以及
[0044]f.激活所述电源以通过所述调制器向所述阳极电极或阴极电极施加电流，以使得所述调制器以至少一个电流脉冲的形式生成并向所述阳极电极或阴极电极传送电流，从而最小化极化的发生并增加电解槽的效率。
_]附图的简要说明
[0046]为了更好地理解本发明及相关使用方法，现在将就优选的实施方式加以描述，这将在本文中参考附图来描述，其中:
[0047]图1示出了水电解中使用的常规隔膜槽，其中标准电极电位0=1.229伏并且阳极隔室和阴极隔室中的电解质是相同的；
[0048]图2示出了美国专利7326329中公开的碱性电解槽；
[0049]图3A示出了本发明的电解槽一种实施方式，其利用了常规隔膜以分离所述阳极隔室和阴极隔室；
[0050]图3B示出了本发明的电解槽的进一步实施方式，其利用了电解质膜替代隔膜以分离阳极隔室和阴极隔室；
[0051]图3C示出了本发明的电解槽的进一步实施方式，其利用了与图3A相同结构