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CN110820008A - 一种利用有机液体吸收氢气的水电解池 - Google Patents

一种利用有机液体吸收氢气的水电解池 Download PDF

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郑欣
焦宗寒
刘荣海
李寒煜
邱方程
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Abstract

本发明提供了一种利用有机液体吸收氢气的水电解池，利用有机液体吸收氢气的水电解池包括：膜电极、阳极腔体、阴极腔体、阳极溶液、有机液体储氢材料；其中，膜电极两侧腔体内，上部为气体，下部为液体，膜电极两侧浸没在液体中并与液体接触，阴极侧腔体内液体为有机液体储氢材料，膜电极的阴阳两极分别与直流电源的负极和正极连接。本发明能够有效的降低装置造价，简化设备，并利用有机液体加氢反应放热提供水电解所需的热量，提高系统能量利用率和运行效率。

Description

一种利用有机液体吸收氢气的水电解池
技术领域
本申请涉及环保领域，尤其涉及一种利用有机液体吸收氢气的水电解池。
背景技术
目前，有机液体储氢材料的加氢反应需要在特制的加氢反应器中完成。当使用有机液体储存水电解制备的氢气时，需要水电解槽和加氢反应器两套设备，设备体积庞大，效率较低。
因此将水电解槽与有机液体加氢装置结合在一起，能够有效降低装置造价，简化设备，并利用有机液体加氢反应放热提供水电解所需的热量，提高系统能量利用率和运行效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用有机液体吸收氢气的水电解池，使用一套集成设备完成电解水制氢反应的同时吸收氢气。本发明公开了一种利用有机液体吸收氢气的水电解池，以解决现有技术设备体积庞大、运行效率低的问题。
本发明公开了一种利用有机液体吸收氢气的水电解池，包括：膜电极、阳极腔体、阴极腔体、阳极溶液、有机液体储氢材料；其中：
所述膜电极的两侧腔体内，上部为气体，下部为液体，所述膜电极的两侧浸没在所述液体中并与所述液体接触，所述阴极侧腔体内的所述液体为有机液体储氢材料，所述膜电极的阴阳两极分别与直流电源的负极和正极连接。
所述膜电极是由高温质子交换膜两侧负载电极催化剂和多孔的集电器构成，膜成分为磷酸掺杂PBI。
所述阳极腔体内有液体，为磷酸水溶液。
所述阴极侧腔体内的所述有机液体储氢材料熔点不高于70℃，可采用的材料包括但不限于乙基咔唑、丙基咔唑、甲基吲哚、乙基吲哚、二苄基甲苯、苄基甲苯及其混合物。
连接阳极腔体的水泵和连接阴极腔体的有机液体输送泵，以及安装在阴极侧腔体液面以下的有机液体出口阀。
所述阳极和所述阴极的气侧分别安装有阳极压力传感器、阳极放气阀和阴极压力传感器、阴极放气阀。
所述阳极腔体内和所述阴极腔体内充入惰性气体。
所述一种利用有机液体吸收氢气的水电解池的吸氢化学反应在所述膜电极阴极侧进行。与现有技术相比，本发明的优点在于将水电解槽与有机液体加氢装置结合在一起，能够有效的降低装置造价，简化设备，并利用有机液体加氢反应放热提供水电解所需的热量，提高系统能量利用率和运行效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种利用有机液体吸收氢气的水电解池的结构图。
上述附图中的标记如下：
1——膜电极；2——阳极腔体；3——阴极腔体；4——磷酸水溶液；5——有机液体储氢材料；6——水泵；7——有机液体输送泵；8——有机液体出口阀；9——阳极压力传感器；10——阳极放气阀；11——阴极压力传感器；12——阴极放气阀。
具体实施方式
参见图1，为一种利用有机液体吸收氢气的水电解池的结构图。
本申请提供的一种利用有机液体吸收氢气的水电解池具体可以包括以下结构：膜电极1、阳极腔体2、阴极腔体3、磷酸水溶液4、有机液体储氢材料5、水泵6、有机液体输送泵7、有机液体出口阀8、阳极压力传感器9、阳极放气阀10、阴极压力传感器11、阴极放气阀12。
在实际应用中，电解池加热至110-160℃；阳极腔体和阴极腔体均充入惰性气体，两侧腔体压力差保持在50kPa以下，同时阳极侧腔体2压力应高于当前温度下的饱和水蒸气压力，以防止溶液中的水沸腾。
氩气成本低，所以阳极腔体和阴极腔体采用氩气。
在电流作用下，磷酸水溶液4中的水被电解，膜电极1的阳极生成氧气并上升到液面以上，汇入阳极腔体2上部气体中；阴极腔体3生成氢，氢与有机液体储氢材料5在膜电极1催化剂作用下发生加氢反应，生成加氢有机液体，部分未能反应的氢气上升致液体上部汇入阴极腔体3上方气体中。
水泵6根据电解水的消耗量向阳极腔体2补充水，维持磷酸水溶液4浓度恒定。有机液体输送泵7以一定速率向阴极腔体3注入未加氢的有机液体，同时加氢后的有机液以一定速率从出口阀8流出，保持阴极腔体3内有机液体数量稳定。
选用磷酸掺杂PBI作为高温质子交换膜，阳极催化剂可选为Ir，阴极催化剂可选为Pt。电子依靠质子交换膜上的质子传导，为提高传导效率，用磷酸酸化质子交换膜。为进一步持续酸化质子交换膜，阳极腔体内的液体采用磷酸水溶液4，浓度为1-2mol/L。
压力控制系统通过控制调压阀10、12泄放气体，调节腔体两侧压力差小于50kPa，同时控制腔体2、3最高工作压力不大于3MPa。
所述阴极侧腔体内的所述有机液体储氢材料熔点不高于70℃，可采用的材料包括但不限于乙基咔唑、丙基咔唑、甲基吲哚、乙基吲哚、二苄基甲苯、苄基甲苯及其混合物。N-乙基咔唑的加氢反应温度相对较低，大概为110℃-120℃，且熔点恰好合适，反应速率较高，1个乙基咔唑分子能加载12个H原子，1至2小时即可实现完全加氢，所以阴极腔体3内有机液体储氢材料5采用N-乙基咔唑。
装置启动前，将阳极腔体2和阴极腔体3气侧用Ar气置换，整个电解槽及两侧液体加热至130℃，腔体两侧压力上升保持磷酸水溶液不出现沸腾。
对单片膜电极上施加的直流电，电压不超过1.7V。膜电极1阳极部分生成氧气汇入阳极气侧，阴极生成氢并在催化剂作用下与乙基咔唑反应，生成氢化乙基咔唑，阴极部分未反应的氢气将汇入阴极气侧。
随着电解反应进行，阳极多余的氧气和阴极多余的氢气将通过各自的放气阀10、12排出，保证阳极腔体2和阴极腔体3压力维持在2MPa左右，且两极腔体压力差不超过50kPa。水泵6不断为阳极提供水，以补充电解反应的消耗。随着阴极腔体3内乙基咔唑氢化反应的程度增加，有机液体出口阀8间断开启，排除阴极腔体3内氢化程度较高的有机液体5，同时有机液体输送泵7开启补充未加氢的有机液体维持阴极腔体3有机液体总量恒定。
经过上述过程，对电解槽输入的电能被转化为氢，并通过电极上原位发生的加氢反应储存在乙基咔唑中，获得了氢化乙基咔唑。
以上对本发明所提供的一种利用有机液体吸收氢气的水电解池进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种利用有机液体吸收氢气的水电解池，其特征在于，包括：膜电极、阳极腔体、阴极腔体、阳极溶液以及有机液体储氢材料；其中：
所述膜电极的两侧腔体内，上部为气体，下部为液体，所述膜电极的两侧浸没在所述液体中并与所述液体接触，所述阴极侧腔体内的所述液体为有机液体储氢材料，所述膜电极的阴阳两极分别与直流电源的负极和正极连接。
2.根据权利要求1所述的一种利用有机液体吸收氢气的水电解池，其特征在于，所述膜电极是由高温质子交换膜两侧负载电极催化剂和多孔的集电器构成，膜成分为磷酸掺杂PBI。
3.根据权利要求1所述的一种利用有机液体吸收氢气的水电解池，其特征在于，所述阳极腔体内有液体，为磷酸水溶液。
4.根据权利要求1所述的一种利用有机液体吸收氢气的水电解池，其特征在于，所述阴极侧腔体内的所述有机液体储氢材料熔点不高于70℃。
5.根据权利要求1所述的一种利用有机液体吸收氢气的水电解池，其特征在于，还包括，连接阳极腔体的水泵和连接阴极腔体的有机液体输送泵，以及安装在阴极侧腔体液面以下的有机液体出口阀。
6.根据权利要求1所述的一种利用有机液体吸收氢气的水电解池，其特征在于，所述阳极和所述阴极的气侧分别安装有阳极压力传感器、阳极放气阀和阴极压力传感器、阴极放气阀。
7.根据权利要求1所述的一种利用有机液体吸收氢气的水电解池，其特征在于，所述阳极腔体内和所述阴极腔体内充入惰性气体。
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