专利名称：聚合物电解质膜电解有机物水溶液制氢装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能源技术领域的装置，具体是一种聚合物电解质膜电解有机物水溶液制氢装置。
背景技术：
在未来的能源体系中，氢气作为一种重要的能量载体，可以解决人们对石油燃料的过度依赖以及引起的温室效应。二十一世纪成为氢能经济的时代。然而，氢气在自然界中不是单独存在，人们必须寻找合适的手段和方法生产氢气。电解水制氢是较为传统的一种制氢方法，在电解池中，通过电化学反应，水被分解成氢气和氧气。用该方法制氢的成本主要由电解水所消耗的电能决定，具体表现在电解时电极两端的电压。电压越高，所需要的电能越大。通常电解水的电压为1.4V以上。如果用具有较低分解电压的有机物水溶液替代水，就可以大大降低能耗。比如电解甲醇水溶液，一般只需要0.4V左右的电压，这样，就可以比电解水少消耗70％的能量。
另一方面，如果使用聚合物电解质膜电解的新方法，可得到较高的电流密度，槽电压相对较低；阴、阳极的间距仅为膜的厚度，无溶液欧姆降，气泡效应小；采用了固体电解质，没有引起腐蚀的酸碱类排除物；可在很宽的温度范围、压力和电流密度下进行操作，使系统更为简单。
经对现有技术的文献检索发现，美国专利号为6299744，名称为Hydrogengeneration by electrolysis of aqueous organic solutions(电解有机水溶液制氢)，该专利介绍了用聚合物电解质膜电解有机物水溶液制氢的方法，着重介绍了构成电解池各个部件的结构和制备方法，包括阴极、阳极催化剂的组成，聚合物电解质膜的种类等等。但是，该专利没有考虑到有机物的阳极电化学反应过程，并不是一步就能完成的，其中，会产生许多中间产物，吸附在催化剂的表面，造成催化剂的“失活”或“中毒”，影响了反应的进行。在该专利所描述的装置中，没有采用有效的手段，来防止或减少催化剂的中毒或失活。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种聚合物电解质膜电解有机物水溶液制氢装置。本发明在含有有机物水溶液的阳极回路中，除了安装了反应物供应装置外，还在这个回路中同时通入空气，利用空气中的氧分子，来加速氧化电化学反应产生的中间产物，使得这些中间产物不能够长时间地占据在催化剂的表面，“失活”的催化剂能迅速“复活”，电解电压始终维持在1V以下。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明聚合物电解质膜电解有机水溶液制氢装置包括阳极储槽、空气输送管、阳极溶液导流泵、阳极溶液输入管、阳极室、阳极、聚合物电解质膜、阴极、H2导出管、阴极室、直流电源、CO2排出口、阳极溶液输出管、阳极加料口。其中，直流电源、聚合物电解质膜、阳极、阴极以及所对应的阳极室和阴极室组成聚合物电解质膜电解槽。
各部件之间的连接关系为直流电源正极端通过导线和阳极连接，负极端则和阴极连接，聚合物电解质膜一面和阳极紧密接触，另一面和阴极紧密接触，阳极的另一面朝向阳极室中，阳极储槽通过阳极溶液输入管、阳极溶液导流泵以及空气输送管连接到阳极室的输入端，阳极室输出端通过阳极溶液输出管再连接到阳极储槽，阳极溶液输出管连接CO2排出口，阳极加料口位于阳极储槽上端，阴极的另一面朝向阴极室，阴极室下方设有H2导出管。
本发明以聚合物电解质膜作为电解质和隔膜，槽电压相对传统的液体电解质较低；阴、阳极的间距仅为膜的厚度，无溶液欧姆降，气泡效应小，没有引起腐蚀的酸碱类排除物；可以在很宽的温度范围、压力和电流密度下进行操作，使系统更为简单。在阳极产生的H+离子，通过聚合物电解质膜(即质子导体)，直接到达阴极，通过阴极的还原反应，就可以得到高纯度的氢气，无须另加分离提纯装置，特别适用于需要高纯氢的场合，如通过该装置产生的氢气，可以直接作为质子膜燃料电池的燃料。
本发明利用聚合物电解质膜装置电解具有低分解电压的有机化合物，同时，在阳极回路中加入空气，减少电化学反应中间产物在催化剂表面的停留时间，降低阳极反应的过电位，加速阳极氧化速度，使得电解电位始终在1V以下，大大降低了电解制氢的耗电量，节约了能源。
图1为本发明结构示意图。
图中阳极储槽1、空气输送管2、阳极溶液导流泵3、阳极溶液输入管4、阳极室5、阳极6、聚合物电解质膜7、阴极8、H2导出管9、阴极室10、直流电源11、CO2排出口12、阳极溶液输出管13、阳极加料口14。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括阳极储槽1、空气输送管2、阳极溶液导流泵3、阳极溶液输入管4、阳极室5、阳极6、聚合物电解质膜7、阴极8、H2导出管9、阴极室10、直流电源11、CO2排出口12、阳极溶液输出管13、阳极加料口14。其中，直流电源11、聚合物电解质膜7、阳极6、阴极8以及所对应的阳极室5和阴极室10组成聚合物电解质膜电解槽。
各部件之间的连接关系为直流电源11正极端通过导线和阳极6连接，负极端则和阴极8连接，聚合物电解质膜7一面和阳极6紧密接触，另一面和阴极8紧密接触，构成聚合物电解质膜电解槽的主要部件。阳极6的另一面朝向阳极室5中，阳极室5和阳极储槽1水平放置，两者的底端通过阳极溶液输入管4和接入于阳极溶液输入管4中的阳极溶液导流泵3将阳极储槽1中的有机溶液输入到阳极室5中，同时，也通过接入于阳极溶液输入管4中的空气输送管2把空气也作为反应物输送到阳极室5中，阳极6反应后的产物以及多余的有机溶液，通过阳极溶液输出管13返回到阳极储槽1中，反应产物二氧化碳气体通过接在阳极溶液输出管13中的CO2排出口12排出系统外。有机物水溶液通过位于阳极储槽1上端的阳极加料口14及时补充新鲜的反应物。而阴极8的另一面朝向阴极室10，从阳极6一端通过聚合物电解质膜7传递过来的H+，通过阴极8的还原反应，生成的H2从位于阴极室10下方的H2导出管9收集。
本发明使用时，首先按照如下步骤搭建聚合物电解质膜电解槽，(1)在聚合物电解质膜7的两端，分别涂上阴极催化剂和阳极催化剂；(2)在膜的两面分别热压上一层碳纸，形成膜电极；(3)在膜电极的两边，分别放上刻有流道的碳板，构成聚合物电解质电解槽的阳极6和阴极8；(4)在两边放上端板，固定住上述部件，形成聚合物电解质膜的电解槽。
其次，在阳极室5的一边，有机水溶液通过加料口14加入到阳极溶液储槽1中，通过阳极溶液导流泵3，把空气输送管2中的空气和阳极溶液输送管4中的溶液，运送到阳极表面，进行电化学氧化反应，反应生成的CO2经过CO2排出管12排除，H+则通过聚合物电解质膜7传递到阴极8，在阴极8发生电化学还原反应，生成H2，并由H2导出管9导出并收集。
权利要求
1.一种聚合物电解质膜电解有机物水溶液制氢装置，包括阳极储槽(1)、空气输送管(2)、阳极溶液导流泵(3)、阳极溶液输入管(4)、阳极室(5)、阳极(6)、聚合物电解质膜(7)、阴极(8)、H2导出管(9)、阴极室(10)、直流电源(11)、CO2排出口(12)、阳极溶液输出管(13)、阳极加料口(14)，其特征在于直流电源(11)正极端通过导线和阳极(6)连接，负极端则和阴极(8)连接，聚合物电解质膜(7)一面和阳极(6)紧密接触，另一面和阴极(8)紧密接触，阳极(6)的另一面朝向阳极室(5)中，阳极储槽(1)通过阳极溶液输入管(4)、阳极溶液导流泵(3)以及空气输送管(2)连接到阳极室(5)的输入端，阳极室(5)输出端通过阳极溶液输出管(13)再连接到阳极储槽(1)，阳极溶液输出管(13)连接CO2排出口(12)，阳极加料口(14)位于阳极储槽(1)上端，阴极(8)的另一面朝向阴极室(10)，阴极室(10)下方设有H2导出管(9)。
2.根据权利要求1所述的聚合物电解质膜电解有机物水溶液制氢装置，其特征是所述的阳极室(5)和阳极储槽(1)水平放置，两者的底端通过阳极溶液输入管(4)和接入于阳极溶液输入管(4)中的阳极溶液导流泵(3)将阳极储槽(1)中的有机溶液输入到阳极室(5)中。
3.根据权利要求1或者2所述的聚合物电解质膜电解有机物水溶液制氢装置，其特征是所述的阳极室(5)和阳极储槽(1)，两者的底端也通过接入于阳极溶液输入管(4)中的空气输送管(2)把空气也作为反应物输送到阳极室(5)中。
4.根据权利要求1所述的聚合物电解质膜电解有机物水溶液制氢装置，其特征是阳极(6)一端通过聚合物电解质膜(7)传递过来的H+，通过阴极(8)的还原反应，生成的H2从位于阴极室(10)下方的H2导出管(9)收集。
全文摘要
一种聚合物电解质膜电解有机物水溶液制氢装置，属于能源技术领域。本发明中，直流电源正极端通过导线和阳极连接，负极端则和阴极连接，聚合物电解质膜一面和阳极紧密接触，另一面和阴极紧密接触，阳极的另一面朝向阳极室中，阳极储槽通过阳极溶液输入管、阳极溶液导流泵以及空气输送管连接到阳极室的输入端，阳极室输出端通过阳极溶液输出管再连接到阳极储槽，阳极溶液输出管连接CO
文档编号C25B13/08GK1896316SQ20061002797
公开日2007年1月17日 申请日期2006年6月22日 优先权日2006年6月22日
发明者余晴春 申请人:上海交通大学