氢气发生器制造技术

本公开涉及一种用于产生氢气的电解电池。电池包括电解质隔室和安置于其中的电解质。电解质包括碱性水溶液，所述碱性水溶液包括过渡金属离子或p区金属离子。电池还包括至少部分安置于电解质中的经间隔开的第一和第二电极。

Hydrogen generator

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】氢气发生器
本专利技术涉及包括用于产生氢气的电解质的电化学电池。确切地说，本专利技术描述一种电解质，其包括碱性水溶液，其中过渡金属离子或p区金属离子溶解于其中。本专利技术延伸到一种用于产生和储存氢气的设备、电解质本身的用途和一种产生氢气的方法。
技术介绍
氢气为重要的能量载体并且有可能替换烃类燃料以用于可持续的开发[1]。当前烃燃料的能量相关问题(例如空气污染、气温变化和资源稀少)对于探究氢气来说是重要的动机。作为替代燃料源，氢气具有所有燃料的最高特定能量含量，且可用于有限或没有纯的大气排放的燃料电池中的清洁电力产生，且方便高效储存能量[2]。氢气可直接用作产生更高能效的运输燃料，其作为技术和政治问题正受到非常有利的关注[3]。目前，存在若干产生氢气的工业方法，其中包括重整、光转化和电解，这些方法已获得关注。已论述其优点和缺点[4]。水电解提供最清洁的氢气产生溶液。其优点为(i)其产生零碳排放；(ii)其产生纯氢气，影响由氢进料中的杂质严重影响的燃料电池技术；(iii)其独立于烃资源；(iv)其可在小型设备中操作；以及(v)可再生能源可用于产生氢气[5]。水分解的电解工艺技术上简单，且存在许多关于水电解工艺的技术，例如碱性电解、聚合物电解质膜(PEM)和固体氧化物电解电池(SOEC)。关于电解工艺的发展问题是高能量要求、安装成本和低安全性、耐久性和能效[6]。一些电解槽尤其PEM对水的纯度高度敏感，必须在电解[6]之前施加额外的水处理。因此，大量的研究致力于改进操作条件，包含电极和电解质的电化学活性和减少电解电池的总电阻方面。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供一种用于产生氢气的电解电池，所述电池包括电解质隔室；安置于电解质隔室中的电解质，其中所述电解质包括碱性水溶液，所述碱性水溶液包括过渡金属离子或p区金属离子；以及至少部分安置于电解质中的经间隔开的第一和第二电极。有利地，电解电池经配置以当在第一和第二电极上施加电压时有效地产生氢气。举例来说，如实例中所解释，与常规水电解系统相比，专利技术人能够在低电压下产生氢气并且每质量单位氢气产生的能量降低了2到4倍。可了解过渡金属或p区金属离子可与碱性溶液平衡。举例来说，如实例中所解释，认为在碱性溶液中的氢氧化锌Zn(OH)2可平衡，使得以下物质可存在：Zn2+(aq)、Zn(OH)+(aq)、Zn(OH)2(aq)、Zn(OH)3-(aq)和Zn(OH)42-。因此，过渡金属离子的浓度可理解为指与过渡金属离子本身和与电解质的其它元素(如氢氧根离子)络合的过渡金属离子的浓度。第一和第二电极可独立地包括基于碳的电极或基于金属的电极。所述基于碳的电极或每一基于碳的电极可包括石墨。所述基于金属的电极或每一基于金属的电极可包括铬、镍、锌、镉、铜、锡、铅、铑、铂、金、钯、铱、锇、铼、钌、锗、铍和/或银。替代地，所述基于金属的电极或每一基于金属的电极可包括合金，例如黄铜或青铜。最优选地，电极包括石墨或锌。在一个实施例中，第一和第二电极都包括石墨。在另一实施例中，第一和第二电极都包括锌。在一个优选实施例中，电极中的至少一者包括至少一层过渡金属或p区金属，其与电解质中的过渡金属离子或p区金属离子是相同的金属。电极可具有大体上平滑的表面。然而，在一个优选实施例中，电极具有大体上纹理化或多孔表面。有利地，纹理化或多孔表面增加电极的表面积。优选地，碱性水溶液包括阿伦尼斯碱(Arrheniusbase)、路易斯碱(Lewisbase)，或布朗斯特-劳瑞碱(Bronsted-Lowrybase)，更优选强阿伦尼斯碱或路易斯超强碱。阿伦尼斯碱可包括碱金属或碱土金属氢氧化物。阿伦尼斯碱可包括氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钡、氢氧化铯、氢氧化锶、氢氧化钙、氢氧化锂和/或氢氧化铷。路易斯碱可包括丁基锂(n-BuLi)、二异丙氨基锂(LDA)、二乙氨基锂(LDEA)、氨化钠、氢化钠(NaH)或双(三甲基硅烷基)氨基锂。布朗斯特-劳瑞碱可包括氢氧化铵、脂肪族胺或芳香族胺。脂肪族胺可包括甲胺、乙胺或二甲胺。芳香族胺可包括苯胺、苯二胺或邻甲苯胺。在一个优选实施例中，碱性水溶液包括阿伦尼斯碱。优选地，氢氧化物浓度与过渡金属离子或p区金属离子浓度的比在2:1与50:1之间，更优选地在3:1与40:1之间，在4:1与30:1之间或在5:1与25:1之间，并且最优选地在10:1与20:1之间。在一个实施例中，阿伦尼斯碱为氢氧化钠。氢氧化物浓度与过渡金属离子或p区金属离子浓度的比优选地在2:1与50:1之间，更优选地在3:1与40:1之间，在4:1与30:1之间或在5:1与20:1之间，并且最优选地在10:1与15:1之间。专利技术人已发现当通过将氧化锌添加到氢氧化钠溶液来制备电解质时，最优比为约10:1(NaOH:ZnO)。然而，如在实例中的等式1和2中所解释，将氧化锌添加到氢氧化钠溶液使得产生两个另外的氢氧根离子。因此，溶液中的最优比为约12:1(OH-:Zn2+)。在一个实施例中，强阿伦尼斯碱为氢氧化钾。氢氧化物浓度与过渡金属离子或p区金属离子浓度的比优选地在2:1与50:1之间，更优选地在3:1与40:1之间，在4:1与30:1之间或在10:1与25:1之间，并且最优选地在15:1与20:1之间。专利技术人已发现当通过将氧化锌添加到氢氧化钾溶液来制备电解质时，最优比为约15:1(NaOH:ZnO)。然而，应了解，将氧化锌添加到氢氧化钾溶液使得产生两个另外的氢氧根离子。因此，溶液中的最优比为约17:1(OH-:Zn2+)。优选地，碱性水溶液在20℃下的pH为至少9，更优选地至少10或至少11，并且最优选地至少11.5。优选地，碱性水溶液在20℃下的pH在9与14之间，更优选地在10与13.5之间或在11与13之间，并且最优选地在11.5与12.5之间。在一个实施例中，碱性水溶液包括氢氧化钾，并且在20℃下的pH为优选地至少9，更优选地至少10或至少11，并且最优选地至少11.5。优选地，碱性水溶液包括氢氧化钾，并且在20℃下的pH在10与14之间，更优选地在11与13.5之间或在11.32与13.04之间，并且最优选地在11.63与12.01之间。在一个替代性实施例中，碱性水溶液包括氢氧化钠，并且在20℃下的pH为优选地至少10，更优选地至少11或至少11.5，并且最优选地至少12。优选地，碱性水溶液包括氢氧化钠，并且在20℃下的pH在11与13.5之间，更优选地在11.5与13之间或在11.71与12.62之间，并且最优选地在12.38与12.52之间。过渡金属离子可包括锌离子、铜离子、铁离子、镍离子、钴离子、铬离子、镉离子、钒离子、钛离子、钇离子、锆离子和/或钪离子。优选地，过渡金属离子包括Zn2+、Cu+、Cu2+、Ni2+、Co2+、Co3+、Cr2+、Cr3+、Cr6+、Cd2+、V5+、Ti2+、Ti3+、Ti4+、Fe2+、Fe3+、Fe6+、Y3+、Zr4+和/或Sc3+。p区金属离子可包括铝离子、锡离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于产生氢气的电解电池，电池包括电解质隔室；安置于所述电解质隔室中的电解质，其中所述电解质包括碱性水溶液，所述碱性水溶液包括过渡金属离子或p区金属离子；以及至少部分安置于所述电解质中的经间隔开的第一和第二电极。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170627 GB 1710224.51.一种用于产生氢气的电解电池，电池包括电解质隔室；安置于所述电解质隔室中的电解质，其中所述电解质包括碱性水溶液，所述碱性水溶液包括过渡金属离子或p区金属离子；以及至少部分安置于所述电解质中的经间隔开的第一和第二电极。


2.根据权利要求1所述的电解电池，其中所述第一和第二电极包括石墨、铬、镍、锌、镉、铜、锡、铅、铑、铂、金、钯、铱、锇、铼、钌、锗、铍、银、黄铜和/或青铜。


3.根据权利要求2所述的电解电池，其中所述第一和第二电极包括石墨和/或锌。


4.根据任一前述权利要求所述的电解电池，其中所述电极中的至少一者包括至少一层过渡金属或p区金属，其与所述电解质中的所述过渡金属离子或p区金属离子是相同的金属。


5.根据任一前述权利要求所述的电解电池，其中所述碱性水溶液包括阿伦尼斯碱(Arrheniusbase)、路易斯碱(Lewisbase)或布朗斯特-劳瑞碱(Bronsted-Lowrybase)，优选强阿伦尼斯碱或路易斯超强碱。


6.根据权利要求5所述的电解电池，其中所述碱性水溶液包括选自由以下组成的组的阿伦尼斯碱：氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钡、氢氧化铯、氢氧化锶、氢氧化钙、氢氧化锂和氢氧化铷。


7.根据权利要求6所述的电解电池，其中氢氧化物浓度与过渡金属离子或p区金属离子浓度的比在2:1与50:1之间，在3:1与40:1之间，在4:1与30:1之间，在5:1与25:1之间，或在10:1与20:1之间。


8.根据权利要求6或权利要求7所述的电解电池，其中所述碱性水溶液包括氢氧化钠。


9.根据权利要求8所述的电解电池，其中氢氧化物浓度与过渡金属离子或p区金属离子浓度的比在10:1与15:1之间。


10.根据权利要求6或权利要求7所述的电解电池，其中所述碱性水溶液包括氢氧化钾。


11.根据权利要求10所述的电解电池，其中氢氧化物浓度与过渡金属离子或p区金属离子浓度的比在15:1与20:1之间。


12.根据任一前述权利要求所述的电解电池，其中所述碱性水溶液在20℃下的pH为至少9，至少10，至少11或至少11.5。


13.根据任一前述权利要求所述的电解电池，其中所述电解质中的所述过渡金属离子或p区金属离子的浓度在0.01M与1.2M之间，在0.05M与1M之间，在0.1M与0.8M之间，在0.15M与0.6M之间或在0.2M与0.4M之间。


14.根据任一前述权利要求所述的电解电池，其中所述过渡金属离子或p区金属离子包括锌离子、铜离子、铁离子、镍离子、钴离子、铬离子、镉离子、钒离子、钛离子、钇离子、锆离子、钪离子、铝离子、锡离子和/或铅离子。


15.根据权利要求14所述的电解电池，其中所述电解质包括锌酸钠。


16.根据权利要求15所述的电解电池，其中所述锌离子的浓度在0.01M与0.6M之间，在0.1M与0.4M之间，在0.15M与0.3M之间，或在0.2M...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴赫曼·霍瑞，顾赛，
申请(专利权)人：萨里大学，
类型：发明
国别省市：英国;GB