[发明专利]一种电解海水制氢方法及装置

说明书

本申请提供了一种电解海水制氢方法及装置，所述电解海水制氢方法包括：a)采用海水对电极基体进行腐蚀活化，在电极基体表面形成催化层；b)以海水为电解液，在电解槽内进行电解制氢；电解制氢过程中，比较电解槽的实时电压与原始电压，若所述实时电压比所述原始电压升高5％以上，进行脉冲酸化洗涤。本发明利用海水中的氯离子进行电极腐蚀活化，原位产生层状双金属氢氧化物结构的催化层，具有高的活性表面积和氯离子耐受性，同时利用脉冲冲力和高浓度酸液的腐蚀作用对电极表面进行冲刷洗涤，在产生的结垢尚未形成牢固结合时予以去除，避免了活性位点的物理阻塞损失，保持了高反应活性。

技术领域

本发明属于氢能及海水资源利用领域，具体涉及一种电解海水制氢方法及装置。

背景技术

电解水制氢是目前可实现大规模绿氢制备的技术方法，对推进氢能社会建设、实现双碳目标具有至关重要的作用。目前主流的电解水制氢技术包括碱性电解水(AE)制氢、质子交换膜(PEM)制氢和高温固体氧化物电解(SOEC)制氢，均对原料水的水质有较高要求，即使在水资源丰富的地区，原水也往往需经过纯化方可得到应用，电解水制氢过程繁琐，成本高，限制了电解水制氢技术的发展。

海水在地球上的储量丰富，且海上风能、太阳能和波浪能等资源丰富。现有技术中，对利用海上可再生能源发电耦合海水电解制氢展开了尝试。海水的含盐量高，在现有的海上制氢项目中大多需经过反渗透等过程对海水进行预处理，处理难度大，成本高，出水水质不稳定，影响电解制氢设备的寿命及性能。

采用海水直接制氢时，海水中高含量的氯离子对目前电解制氢的金属电极催化材料产生严重的腐蚀，造成材料和系统的性能及寿命降低。同时，海水中钙镁离子在电解过程中与产生的氢氧根离子结合形成沉淀，堵塞活性位点，导致催化剂失效。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电解海水制氢方法及装置，有利于避免活性位点上形成结垢层，保持高电解制氢活性。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种电解海水制氢方法，包括：

a)采用海水对电极基体进行腐蚀活化，在电极基体表面形成催化层；

b)以海水为电解液，在电解槽内进行电解制氢；电解制氢过程中，比较电解槽的实时电压与原始电压，若所述实时电压比所述原始电压升高5％以上，进行脉冲酸化洗涤。

本发明首先采用海水对电极基体进行腐蚀活化，所述腐蚀活化时间为12h以上，电极基体表面发生金属腐蚀和原位沉积反应，形成催化层。所述电极基体厚度优选为100～500μm，电极基体为多孔或致密的导电金属，选自铁、镍、钴和钼中的一种或多种。所述催化层为层状双金属氢氧化物，所述层状双金属氢氧化物为带正电荷的金属氢氧化物层和层间填充可交换阴离子构成的层柱状化合物。在电极基体腐蚀活化过程中，电极基体表面形成微电池，发生金属腐蚀，同时，海水中氯离子的存在加速了金属腐蚀进程，海水中的Ca²⁺、Mg²⁺等二价离子与基体金属共同沉积，形成层状双金属氢氧化物结构。

电极基体表面形成催化层后，以海水为电解液，在电解槽内进行电解制氢，所述电解槽包括电解制氢单元，所述电解制氢单元包括阴极、阳极和隔膜，在阴极和阳极分别收集得到氢气和氧气。

在电解制氢过程中，比较电解槽的实时电压与原始电压，若所述实时电压比所述原始电压升高5％以上，采用脉冲酸液进行脉冲酸化洗涤，所述酸液为盐酸，所述脉冲酸化洗涤为交替对电解槽的阴极和阳极进行洗涤，所述阴极和阳极的洗涤时间相互独立地为1～2min。利用脉冲酸液的脉冲冲力和高浓度酸液的腐蚀作用对电极表面进行冲刷洗涤，在产生的结垢尚未形成牢固结合时予以去除。在一个实施例中，电解制氢过程中，比较电解槽的实时电压与原始电压，若所述实时电压比所述原始电压升高5％～10％，进行脉冲酸化洗涤。