[发明专利]在电解水中分离析氢与析氧的方法及装置

说明书

一种在电解水中分离析氢与析氧的方法及装置，该方法包括交替循环进行的析氢反应和析氧反应；在析氢反应中，以碳电极为阳极，以析氢催化电极为阴极，对含可溶性离子的电解液进行电解，析氢催化电极的表面发生电化学还原反应而生成氢气，碳电极电化学吸附所述电解液中的可溶性离子；在析氧反应中，以碳电极为阴极，析氧催化电极为阳极，对电解液进行电解，析氧催化电极的表面发生电化学氧化反应而生成氧气，碳电极电化学脱附在析氢反应中吸附的可溶性离子。本发明能在全pH的环境下进行工作，具有优异的电解水特性，能够避免氢气和氧气的同时产生，提高电解水的效率。

技术领域

本发明涉及电解水技术领域，具体涉及一种在电解水中分离析氢与析氧反应的方法及装置。

背景技术

近年来，传统的化石燃料被大量消耗，对人类生存环境造成了严重污染，当今国际社会都在大力呼吁开发清洁高效的可再生能源，这将会对整个世界的可持续发展具有重要意义。氢能源作为高效、洁净和理想的可再生能源已经受到了全世界的广泛重视。大规模、廉价地生产氢气是开发和利用氢能的重要环节之一。

电解水制备氢气操作相对简单，技术相对成熟，而且制氢过程没有污染，是实现大规模生产氢气的重要手段。常规的电解水技术在电解过程中阴阳极同时电解生成氢气和氧气，这将很容易导致氢气和氧气的混合，致使所制备的气体不纯，后续的提纯则将大大增大制备成本。采用离子选择性交换膜隔开在析氢催化电极产生的氢气和析氧催化电极产生的氧气是一种有效的解决方案，但是离子选择性交换膜的使用也大大增加了成本。此外，由于电化学析氢和析氧自身的动力学过程不同，造成产氢和产氧速度有所差异，当离子选择性膜两边压力不同时，膜的损耗也非常严重，这进一步增大了成本。此外，选择性离子交换膜近一步增大了电解槽内阻，增加了能耗。目前主流的工作在于改进或者制备新型的隔膜，以期降低内阻的同时，又兼顾亲水性，离子透过性以及能够完全隔开氢气和氧气。虽然已经有很多新型隔膜被研究探索，但是效果仍然并不是十分显著。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种在电解水中分离析氢与析氧的方法及装置，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明的一个方面，提供了一种在电解水中分离析氢与析氧的方法，包括交替循环进行的析氢反应和析氧反应；在所述析氢反应中，以碳电极为阳极，以析氢催化电极为阴极，对含可溶性离子的电解液进行电解，所述析氢催化电极的表面发生电化学还原反应而生成氢气，所述碳电极电化学吸附所述电解液中的可溶性离子；在所述析氧反应中，以所述碳电极为阴极，析氧催化电极为阳极，对所述电解液进行电解，所述析氧催化电极的表面发生电化学氧化反应而生成氧气，所述碳电极电化学脱附在所述析氢反应中吸附的所述可溶性离子。

作为本发明的另一个方面，提供了一种在电解水中分离析氢与析氧的装置，其用于实现如上所述的在电解水中分离析氢与析氧的方法，所述装置包括：电解槽，内设有含可溶性离子的电解液；碳电极，置于所述电解液中；析氢催化电极，置于所述电解液中，析氧催化电极，置于所述电解液中；以及电源，在第一连接状态和第二连接状态之间交替切换，其中，第一连接状态为阳极连接于所述碳电极，阴极连接于所述析氢催化电极；第二连接状态为阴极连接于所述碳电极，阳极连接于所述析氧催化电极。

从上述技术方案可以看出，本发明的在电解水中分离析氢与析氧的方法及装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

本发明提供一种碳电极作为中间体在电解水中分离析氢与析氧反应的方法，其工作特点在于将电解水制氢气和电解水制氧气分两步交替进行。碳电极在电解水制备氢气的过程中，电化学吸附溶液中的离子，在后续的电解水制氧的过程中，又电化学脱附所吸附的离子。该碳电极的循环电化学吸附和脱附过程，将传统的电解水过程分为了连续的两步，因此实现了在不同时段分别制备氢气和氧气，从而能制备出高纯度的氢气。此外，这种分段制备的方法也使得该装置无需使用离子选择性交换膜来分隔氢气和氧气，因此大大降低了制备成本。

附图说明