一种制氢储氢脱氢一体化的光电化学反应系统的制作方法

本发明属于制氢储氢，尤其是涉及一种制氢储氢和脱氢一体化的光电化学反应系统及装置。

背景技术：

1、氢是21世纪一种非常有前景的清洁高效的二次能源。制氢和储氢是氢能源领域的两大难题。电解水制氢是目前国内外常见的一种制氢方法。同时原位储氢也是该领域研发的重点之一。

2、中国专利cn 109958882 b提出了一种电解水制氢与合金储氢集成控制系统，包括电解水制氢装置、氢气纯化罐、防爆吸放氢控制柜、储氢水浴箱及若干储氢罐。该发明通过有效热耦合储氢罐与电解水制氢装置，实现了制氢和储氢效率的大幅提高，可再生能源利用效率高，能耗低，运行与维护成本低。但是该专利技术需要设置专门的氢气纯化罐、防爆吸放氢控制柜、储氢水浴箱及若干储氢罐等设备，整体设备系统庞大。

3、中国专利cn 114232005 b发明了一种电解水制氢与低温耦合的储能装置及储能方法，用于解决光电资源不连续与生产用绿氢连续化要求矛盾的问题。该专利的储能装置包括液氮预冷氢气液化系统、液氢-液氮换热系统、冷能储存系统及空气分离装置冷能利用系统。该发明系统是通过系统间的耦合，然后通过储氢的形式，实现最大限度的利用光电可再生能源，因此，同样存在整体设备系统庞大的问题，并且其系统中需要设置液氮预冷氢气液化系统、液氢-液氮换热系统、冷能储存系统及空气分离装置冷能利用系统，工艺条件比较苛刻，操作要求难度较高，不利于大规模工业化推广应用。

4、现有的大部分制氢储氢技术均需要高温或低温及一定的压力条件，需要研发专门的高性能的储氢材料(合金或其他材料)。同时，制备出的氢气还存在安全运输问题，更重要的是用氢目的地氢能的释放利用也是目前急需解决的关键问题。此外，一般释放氢(脱氢)需要一定的温度、压力等工艺条件。有时还需高温高压的苛刻条件，因此，开发常温常压条件下，制氢、储氢和释氢(脱氢)的方法对氢能源领域具有重要的理论意义和实用价值。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于制氢储氢脱氢一体化的光电化学反应系统，目的在于从根本上解决电解水制氢同时在线储氢以及方便释氢的问题。具体来说是一种利用常温常压电解水制氢，然后在线进行有机物储氢，同时常温常压脱氢的光电化学反应系统。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

3、一种制氢储氢脱氢一体化的光电化学反应系统，包括电源和双室电解槽，所述的双室电解槽被双极膜隔离为阴极电解室和阳极电解室，所述的电源通过导线与分别置于阴极电解室和阳极电解室内的阴极和阳极连接，从而形成电化学反应回路；

4、所述的双极膜为阴极膜层、光催化剂中间层和阳极膜层形成的夹心膜结构，通过所述的双极膜，阴极电解室产生的oh-离子能够进入阳极电解室，同时阳极电解室产生的h+离子能够进入阴极电解室；

5、所述的阴极电解室上设置有阴极电解液循环管线，通过蠕动泵的驱动作用，阴极电解室内电解液可在阴极电解液循环管线与阴极电解室之间循环流动；所述的阴极电解室的顶部还设置有氢气出口管线；

6、所述的阳极电解室上设置有阳极电解液循环管线，通过蠕动泵的驱动作用，阳极电解室内电解液可在阳极电解液循环管路与阳极电解室之间循环流动；所述的阳极电解室的底部设置有脱氢有机物排出口。

7、进一步地，所述的阴极电解液由不饱和有机物、有机溶剂、离子液体和适量的水组成；所述的阳极电解液由饱和有机物、有机溶剂、离子液体和适量的水组成。

8、进一步地，所述的有机溶剂为四氢呋喃、甲醇、乙醚中的任意一种。

9、进一步地，所述的离子液体为尿素-nabr-kbr-甲酰胺、苄基三甲基氯化铵、1-丁基-3甲基咪唑氯(溴)盐中的一种。

10、进一步地，所述的不饱和有机物为吡咯、苯乙烯、异戊二烯、十二烯中的一种；所述的饱和有机物为六氢吡啶、环戊烯、环己烷中的一种；所述有机溶剂为四氢呋喃、甲醇、乙醚中的一种。

11、进一步地，所述阳极的电极材料为ti/sno2+mno2/pbo2、mos2/bi2s3、ti/sno2+y2o3/pbo2中的任意一种；所述阴极的电极材料为镍合金；ti/sno2+sb2o3/石墨；gqd/mofs/fto复合电极中的任意一种。

12、进一步地，所述光催化剂中间层中的光催化剂为biocl、tio2、sno2、mos2中的任意一种。

13、本发明的制氢储氢脱氢一体化的光电化学反应系统的电源可以采用直流稳压电源或双脉冲直流稳压电源中的任意一种，系统通电后最佳的工作电压3-7v、电流密度0.05-0.5a/cm2，系统反应的最佳反应温度为10-50℃。

14、本发明相对于现有技术而言，具有如下有益的技术效果。

15、1、本系统在阴极制氢同时在线储氢生成高附加值的有机储氢液体化合物，该液体有机储氢化合物便于储存运输，同时该液体有机储氢化合物可作为一种有机化工产品。

16、2、本系统阳极进行的饱和有机物脱氢反应生成了氢和一种对应的有机化工产品，生成的氢通过双极膜迁移至阴极，极大地增加了氢源，不仅加快了储氢反应的速率，同时还能够获得更多的氢气。

17、3、本系统中氢源包括三部分，即第一部分为阴极电解水产生的氢；第二部分是通过双极膜光解水产生的氢离子，其迁移至阴极一部分结合电子后生成氢气，一部分则与不饱和有机物结合生成有机储氢液体；第三部分是阳极饱和有机物脱氢产生的氢离子，其经双极膜迁移至阴极，同样也是一部分结合电子后产生氢气，另一部分与不饱和有机物结合生成有机储氢液体。因此，本发明的系统可同时获得氢气，加氢有机物和脱氢有机物三种产品。

18、4、本系统在常温常压条件下操作，反应可随时开启，且通过控制电流或电压即可控制反应进程，反应强度可以根据生产实际的需要合理调控，工业适应性强，有利于推广应用。

技术特征：

1.一种制氢储氢脱氢一体化的光电化学反应系统，包括电源(1)和密闭的双室电解槽，所述的双室电解槽被双极膜(4)隔离为阴极电解室(2)和阳极电解室(3)，所述的电源(1)通过导线与分别置于阴极电解室(2)和阳极电解室(3)内的阴极和阳极连接，从而形成电化学反应回路，其特征在于：

2.如权利要求1所述的制氢储氢脱氢一体化的光电化学反应系统，其特征在于：所述的阴极电解液由不饱和有机物、有机溶剂、离子液体和适量的水组成；所述的阳极电解液由饱和有机物、有机溶剂、离子液体和适量的水组成。

3.如权利要求2所述的制氢储氢脱氢一体化的光电化学反应系统，其特征在于，所述的不饱和有机物为吡咯、苯乙烯、异戊二烯、十二烯中的一种。

4.如权利要求2所述的制氢储氢脱氢一体化的光电化学反应系统，其特征在于，所述的饱和有机物为六氢吡啶、环戊烯、环己烷中的一种。

5.如权利要求2所述的制氢储氢脱氢一体化的光电化学反应系统，其特征在于，所述的有机溶剂为四氢呋喃、甲醇、乙醚中的任意一种。

6.如权利要求2所述的制氢储氢脱氢一体化的光电化学反应系统，其特征在于，所述的离子液体为尿素-nabr-kbr-甲酰胺、苄基三甲基氯化铵、1-丁基-3甲基咪唑溴盐中的一种。

7.如权利要求1所述的制氢储氢脱氢一体化的光电化学反应系统，其特征在于，所述阳极的电极材料为ti/sno2+mno2/pbo2、mos2/bi2s3、ti/sno2+y2o3/pbo2中的任意一种；所述阴极的电极材料为镍；ti/sno2+sb2o3/石墨；gqd/mofs/fto复合电极中的任意一种。

8.如权利要求1所述的制氢储氢脱氢一体化的光电化学反应系统，其特征在于，所述光催化剂中间层中的光催化剂为biocl、tio2、sno2、mos2中的任意一种。

9.如权利1至5中任一项所述的制氢储氢脱氢一体化的光电化学反应系统，其特征在于，所述系统的电源采用直流稳压电源、双脉冲直流稳压电源中的一种。

10.如权利要求1至5中任一项所述的制氢储氢脱氢一体化的光电化学反应系统，其特征在于，

技术总结
本发明提供了一种制氢储氢脱氢一体化光电反应系统，所述系统是在光照条件下，通过光电协同作用，阴极水电解生成氢气，同时原位在线加氢生成有机储氢液体；阳极有机物电解脱氢生成高附加值的脱氢有机物和氢离子，所述氢离子经双极膜迁移至阴极作为补充氢源；水在含有光催化剂层的双极膜表面光解生成的氢离子进一步作为阴极的补充氢源。本发明的系统利用光电协同作用的原理，在高效制氢的同时还能够在线产生易于储存和运输的有机储氢液体和高附加值的脱氢有机物，具有制氢储氢脱氢的功能，并且反应系统装置可在常温常压下操作，安全高效、操作简单。

技术研发人员：张利军,祯昌辰隆,梁镇海,秦咪咪
受保护的技术使用者：劲氢动力环保科技（山西）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15