CN111962091A - 一种电解水方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电解水方法及装置，通过将液流电池和电解水结构相结合，使得液流电池可以替代常规分步法电解水中的单一缓冲媒介，仅解耦电解水中的析氢反应和析氧反应的空间关系，使得析氢反应和析氧反应在不同的空间发生，可以避免氢气和氧气混合，大大提高产生的氧气和氢气的纯度；同时，还可以实现析氢反应和析氧反应的同时发生，使得氢气和氧气可以同时产生，从而可以缩短分步法电解水中制氢所需要的时间，提高了反应效率。
Description
技术领域
本发明涉及电化学技术领域，尤指一种电解水方法及装置。
背景技术
氢气作为能源最突出的优势是燃烧产物仅有水，因此氢被认为是最理想的能源材料。目前，为了制得氢气，可以采用电解水的方式制氢，其中可以采用分步法电解水。具体地，在电解水的反应过程中引入“电子-耦合-质子缓冲媒介”，通过缓冲媒介的作用，可以将电解水的析氢反应和析氧反应时间和空间上的进行分离，使得制氢和制氧为两个独立的步骤。
然而，在采用分步法电解水时，氢气和氧气并不是同时产生的，虽然产生的氢气和氧气的纯度很高，但是产生氢气和氧气的时间较长，效率降低。
基于此，如何在电解水得到氢气和氧气的同时，减少反应时间，提高反应效率，同时保证产生的氢气和氧气具有较高的纯度，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种电解水方法及装置，用以在电解水得到氢气和氧气的同时，减少反应时间，提高反应效率，同时保证产生的氢气和氧气具有较高的纯度。
第一方面，本发明实施例提供了一种电解水装置，包括：
液流电池，用于：产生活性物质；
以及电解水结构，用于：在所述液流电池产生的所述活性物质的作用下，以及在能量的驱动下，对水分子进行电解，同时产生氢气和氧气；
其中，所述能量包括：外部输入的电能，或通过调节所述液流电池的参数产生的化学能。
第二方面，本发明实施例提供了一种电解水方法，包括：
液流电池产生活性物质；
电解水结构在所述活性物质的作用下，在能量的驱动下，对水分子进行电解，同时析出氢气和氧气；
其中，所述能量包括：外部输入的电能，或通过调节所述电解水装置中的液流电池的参数产生的化学能。
本发明有益效果如下：
本发明实施例提供的一种电解水方法及装置，通过将液流电池和电解水结构相结合，使得液流电池可以替代常规分步法电解水中的单一缓冲媒介，仅解耦电解水中的析氢反应和析氧反应的空间关系，使得析氢反应和析氧反应在不同的空间发生，可以避免氢气和氧气混合，大大提高产生的氢气和氧气的纯度；同时，还可以实现析氢反应和析氧反应的同时发生，使得氢气和氧气可以同时产生，从而可以缩短分步法电解水中制氢所需要的时间，提高了反应效率。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种电解水装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的一种电解水装置的具体结构示意图；
图3为本发明实施例中提供的另一种电解水装置的具体结构示意图；
图4为本发明实施例中提供的又一种电解水装置的具体结构示意图；
图5为本发明实施例中提供的一种循环伏安测试结果的示意图；
图6为本发明实施例中提供的另一种循环伏安测试结果的示意图；
图7为本发明实施例中提供的一种电解水方法的流程图。
其中，1-第一泵，2-第二泵，3-第三泵，4-第四泵，5-第五泵，6-第六泵，7-第七泵，8-第八泵，10-液流电池，11-正储罐，12-负储罐，13-电化学电池，m0、m1、m2-隔膜，G1-第一极板，G2-第二极板，20-电解水结构，21、22-介质储罐，23-阳极催化床，24-阴极催化床，30a、30b-第一腔体，40a、40b-第二腔体，k1-第一存储空间，k2-第二存储空间，k3-第三存储空间，k4-第四存储空间，F1-第一阀门，F2-第二阀门。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例提供的一种电解水方法及装置的具体实施方式进行详细地说明。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种电解水装置，如图1所示，可以包括：
液流电池10，用于：产生活性物质；
以及电解水结构20，用于：在液流电池10产生的活性物质的作用下，以及在能量的驱动下，对水分子进行电解，同时产生氢气和氧气；
其中，能量包括：外部输入的电能，或通过调节液流电池10的参数产生的化学能。
如此，通过将液流电池和电解水结构相结合，使得液流电池可以替代常规分步法电解水中的单一缓冲媒介(该缓冲媒介可以理解为氧化还原缓冲媒介)，仅解耦电解水中的析氢反应和析氧反应的空间关系，使得析氢反应和析氧反应在不同的空间发生，实现析氢反应和析氧反应在空间上的分离，可以避免氢气和氧气混合和交叉渗透，大大提高产生的氢气和氧气的纯度、以及提高制氢的安全性；同时，还可以实现析氢反应和析氧反应的同时发生，使得氢气和氧气可以同时产生，从而可以缩短分步法电解水中制氢所需要的时间，提高了反应效率。
并且，在能量的设置方面，既可以采用外部输入的电能(如外部输入的直流电或新能源发电产生的电能)，还可以采用通过调节液流电池的参数产生的化学能，使得在实际情况中，可以根据实际情况选择驱动的能量，以适应不同应用场景的需要，提高设计的灵活性。
此外，这种将电解水结构与液流电池相结合的设计，若从液流电池的角度来看，可以突破传统液流电池受限于电解液浓度而导致能量密度低的限制，通过辅助的制氢结构(即电解水结构)，可以使得电能转化为化学能的同时，化学能再转化为可以独立储运的氢气和氧气。由于氢气和氧气可以通过储运的方式脱离系统，因此，从理论上说，整个装置的容量并没有上限的限制，具有广泛的应用前景。
可选地，在本发明实施例中，电解水结构具体用于：
根据对液流电池的pH值的调节，调整液流电池中活性物质的电位，使得在活性物质的作用下，以及在调整后的电位的驱动下，对水分子进行电解。
其中，在实际情况中，在对水分子进行电解时需要发生氧化还原反应，且发生氧化还原反应需要一定的电位，在电位满足一定要求时，氧化还原反应可以有效且自动地进行，而无需外界输入电能，所以此种情况下，驱动氧化还原反应的能量即为化学能。
因此，为了能够通过化学能驱动氧化还原反应的进行，可以调节液流电池中电解液的pH值，通过pH值调整电解液中活性物质的电位，使得电位可以调整到氧化还原反应所需要的电位，从而实现化学能驱动。
如此，通过化学能驱动氧化还原反应，可以减少外部能源的消耗，进而减少电解水的能耗，在节约能源的基础上，即可实现电解水的完成。
在具体实施时，在本发明实施例中，在对液流电池和电解水结构进行设置，可以采用以下几种方式：
方式1：
可选地，在本发明实施例中，液流电池与电解水结构为两个相互独立运行的结构。
也就是说，虽然液流电池可以为电解水结构提供活性物质，以使电解水结构可以对水分子进行电解，进而产生氢气和氧气，但是本发明实施例中的这种设计，可以使得液流电池单独运行，即液流电池的工作可以不受电解水结构的影响；同理，电解水结构同样可以单独运行，即电解水结构的工作可以不受液流电池的影响，从而使得液流电池和电解水结构可以进行独立运行和工作，避免二者之间相互影响造成的干扰。
具体地，在本发明实施例中，在此方式1中，在设置液流电池和电解水结构时，可以采用以下情况进行设置：
情况1：
可选地，在本发明实施例中，如图2所示，液流电池包括：用于放置负电解液的负储罐12、用于放置正电解液的正储罐11、以及电化学电池13；电化学电池13包括多个腔室，不同腔室之间设置有隔膜(如m0、m1和m2)，各腔室均与外部电源连接；
电解水结构包括：两个用于放置反应介质的介质储罐(如21和22)；
正储罐11、负储罐12、以及两个介质储罐(如21和22)分别位于不同的腔体中，且分别与不同的腔室连接。
也就是说，在此情况1中，驱动电解水结构工作的能量为外部输入的电能，通过调节外部输入的电能，可以对电解水结构的工作进行调节，同时还可以为液流电池提供能量，以使液流电池产生活性物质，从而实现电解水同时产生氢气和氧气。
并且，通过上述设置，可以实现液流电池和电解水结构的相互独立，二者可以独立运行，互不干扰，提高液流电池和电解水结构的工作效率。
可选地，在本发明实施例中，如图2所示，液流电池还可以包括：设置于负储罐12与电化学电池13之间的第一泵1、以及设置于正储罐11与电化学电池13之间的第二泵2；
电解水结构还包括：设置于其中一个介质储罐(如21)与电化学电池13之间的第三泵3、以及设置于另一个介质储罐(如22)与电化学电池13之间的第四泵4。
如此，通过第一泵和第二泵，可以分别将负储罐中的负电解液和正储罐中的正电解液输送至电化学电池中，以使负电解液和正电解液可以在电化学电池中进行反应，以产生活性物质。
并且，通过第三泵和第四泵，可以分别将两个介质储罐中的反应介质输送至电化学电池中，以使活性物质和反应介质在外部电能的驱动下发生氧化还原反应，进而同时产生氢气和氧气，实现水的电解。
可选地，在本发明实施例中，如图2所示，电化学电池13包括：第一腔室、第二腔室、位于第一腔室和第二腔室之间的第三腔室和第四腔室、以及位于第一腔室背离第二腔室一侧的第一极板G1、以及位于第二腔室背离第一腔室一侧的第二极板G2；
电解水结构包括催化结构，催化结构(如23和24所示的催化床)分别设置在第一极板G1与第一腔室之间、以及第二极板G2与第二腔室之间。
其中，由于活性物质位于电化学电池中，反应介质也被输送至电化学电池中，同时催化结构也被设置在电化学电池中，所以氧化还原反应在电化学电池中进行，使得氢气和氧气均是电化学电池中产生的。
之后，携带有氧气和反应溶液的混合物质，可以通过与电化学电池连接的管道(图2中未示出)传输，再进行一定的处理，可以将氧气分离出来并收集；同样地，氢气和反应溶液的混合物质，可以通过与电化学电池连接的管道(图2中未示出)传输，再进行一定的处理，可以将氢气分离出来并收集。
从而，可以将产生的氢气和氧气收集并储存起来，便于后续地使用。
说明一点，可选地，介质储罐21需要与标记为2的第二腔室连接，并且，在连接时，可以从第二腔室的顶部(即图2中标记为2的第二腔室的最上面)接入，还可以从第二腔室的侧面接入；因此，在图2中，介质储罐21表示从第二腔室的侧面接入，并不表面介质储罐21与第二极板22连接。
同理，介质储罐22与标记为1的第一腔室的连接方式同上，重复之处不再赘述。
可选地，在本发明实施例中，液流电池包括：负电解液和正电解液；
负电解液包括：氢氧根离子、以及蒽醌和/或蒽醌的衍生物；
正电解液包括：氢氧根离子、以及亚铁氰酸根离子。
其中，蒽醌的衍生物可以但不限于为：2,3,6,7-四羟基蒽醌(可以简写为THAQ)、2,6-二羟基蒽醌(可以简写为2,6-DHAQ)或1,5-二甲基-2,6,-二羟基蒽醌等衍生物。
亚铁氰酸根离子可以由亚铁氰酸根离子构成的盐类提供，且亚铁氰酸根离子构成的盐类可以但不限于为：亚铁氰酸钠、亚铁氰酸钾、亚铁氰酸铵、亚铁氰酸钠、亚铁氰酸钾、亚铁氰酸铵盐等盐类。
并且，负电解液和正电解液中，氢氧根离子的浓度可以但不限于设置为0.01moL/L至4moL/L，pH值的范围可以但不限于设置为12至-2。
下面以图2所示的结构，对电解水过程进行说明。
以负电解液为碱性的2,6-DHAQ，正电解液为碱性的铁氰酸钠为例。
阶段一：
在外部电路①接通，外部电路②和③断开时，可以对液流电池进行充电；在充电过程中，通过第一泵1和第二泵2的作用，可以将2,6-DHAQ输送至第三腔室，将亚铁氰酸根离子(以下简写为Fe(CN)6 4-)输送至第四腔室中，在外部电能的作用下，使得2,6-DHAQ得到电子变成2,6-reDHAQ，Fe(CN)6 4-失去电子变成Fe(CN)6 3-。
因此，在上述过程中，电解液的循环过程分别为A和B所示的循环。
阶段二：
外部电路①断开，外部电路②和③分别接通。
对于外部电路②而言：
通过第四泵4的作用，可以将介质储罐22中的碱液输送至第一腔室中，由于催化结构(如24所示的阴极催化床)设置在第一极板G1与第一腔室之间，且第三腔室中存在2,6-reDHAQ，使得此时可以发生还原反应，反应式如下：
2,6-reDHAQ+2H2O+2e-→2,6-DHAQ+H2↑+2OH-；
也即，此时在电化学电池中可以产生氢气，该氢气可以通过管道输送出去，再经过一系列的处理即可进行收集并储存。
并且，上述反应可以称之为析氢反应，该反应包括阴极反应和阳极反应，其中：
阴极反应：2H2O+2e-→H2↑+2OH-；
阳极反应：2,6-reDHAQ-2e-→2,6-DHAQ。
对于外部电路③而言：
通过第三泵3的作用，可以将介质储罐21中的碱液输送至第二腔室中，由于催化结构(如23所示的阳极催化床)设置在第二极板G2与第二腔室之间，且第四腔室中存在Fe(CN)6 3-，使得此时可以发生氧化反应，反应式如下：
4Fe(CN)6 3-+4OH--4e-→4Fe(CN)6 4-+O2↑+2H2O；
也即，此时在电化学电池中可以产生氧气，该氧气可以通过管道输送出去，再经过一系列的处理即可进行收集并储存。
并且，上述反应可以称之为析氧反应，该反应包括阴极反应和阳极反应，其中：
阴极反应：2Fe(CN)6 3-+2e-→2Fe(CN)6 4-；
阳极反应：4OH--4e-→O2↑+2H2O。
也就是说，在外部电路②和③分别同时接通时，可以使得氢气和氧气同时产生，从而可以减少制得氧气和氢气的所消耗的时间，提高反应效率；同时，因氧气和氢气在不同腔室中产生，可以避免氧气和氢气出现渗透混合，从而可以使得制得的氢气和氧气具有较高的纯度。
因此，在上述过程中，电解液的循环过程分别为A||C和B||D所示的循环。
说明一点，在实际情况中，上述阶段一和阶段二是循环交替进行地，以使得在液流电池和电解水结构可以在独立运行的同时，同时得到氢气和氧气。
情况2：
可选地，在本发明实施例中，如图3所示，包括：第一腔体30b和第二腔体40b、以及电化学电池13；
电化学电池13包括多个腔室，不同腔室之间设置有隔膜m0；第一腔体30b和第二腔体40b分别与不同的腔室连接；
第一腔体30b包括：相互独立的第一存储空间k1和第二存储空间k2，第一存储空间k1容置有正电解液和阳极催化床23；
第二腔体40b包括：相互独立的第三存储空间k3和第四存储空间k4，第三存储空间k3容置有负电解液和阴极催化床24；
还包括：设置于第一腔体30b外部，且分别与第一存储空间k1和第二存储空间k2连接的第一阀门F1，以及设置于第二腔体40b外部，且分别与第三存储空间k3和第四存储空间k4连接的第二阀门F2。
其中，第一腔体中除阳极催化床之外的结构、第二腔体中除阴极催化床之外的结构、以及电化学电池，构成了液流电池；第一存储空间和第三存储空间构成了电解水结构。
在该情况2中，可以通过化学能驱动氧化还原反应的进行，也即：可以调整负电解液和正电解液中的氢氧根离子的浓度，进而调整电解液的pH值，使得电解液具有合适的电位，从而驱动氧化还原反应的进行，实现水的电解。
当然，在实际情况中，第二存储空间中可以容置有少量的正电解液，也可以设置为空；同理，第四存储空间中可以容置有少量的负电解液，也可以设置为空。可以根据实际情况进行设置，只要在第二存储空间和第四存储空间中设置有剩余空间，以便于存放活性物质即可。
可选地，在本发明实施例中，如图3所示，腔室可以设置有两个，以简化电化学电池13的结构，从而简化电解水装置的结构。
可选地，在本发明实施例中，如图3所示，在第一腔体30b和电化学电池13之间设置有第五泵5，在第二腔体40b和电化学电池13之间设置有第六泵6。
并且，如图3所示，电化学电池13中的第一极板G1和第二极板G2需要与外部电源连接，通过外部电源可以为电化学电池13提供电能，以便于为液流电池充电，从而使得液流电池产生活性物质。
如此，通过第五泵和第六泵的设置，可以实现将第一存储空间中的正电解液输送至电化学电池中，同时可以将第三存储空间中的负电解液输送至电化学电池中，在外部电源提供电能时，可以对液流电池充电，产生活性物质；并且，继续在第五泵和第六泵的作用下，可以将活性物质分别输送至第二存储空间和第四存储空间中进行积累，待到活性物质累积到一定程度时，可以打开第一阀门和第二阀门，使得活性物质通过第一阀门和第二阀门，分别进入至第一存储空间和第三存储空间中，与对应的催化床进行反应，产生氧气和氢气。
因此，该种设置方式，使得在电解水的过程中，第一存储空间和第三存储空间中均可以具有较高浓度的活性物质，从而可以加速氧化还原反应的进行，提高反应速率。
可选地，在本发明实施例中，负电解液和正电解液的设置，可以参见上述情况1中的设置，重复之处不再赘述。
可选地，在本发明实施例中，在负电解液和正电解液均为碱性电解液时，那么：
阳极催化床中的催化剂可以包括但不限于：
耐碱性腐蚀的贵金属类催化剂，例如：铱、钌、铑等至少一种金属，或氧化物、氧化物复合物；
或，耐碱性腐蚀的贵金属类催化剂与高比表面积碳材料的复合物等；
或，耐碱性腐蚀的贵金属类催化剂在金属钛基体或者镍基体的镀层。
其中，由于电解液为碱性，从节约成本的角度考虑，可以使用耐碱性廉价金属催化剂替代贵金属催化剂，可选择的廉价催化剂可以包括但不限于：过渡金属化合物，例如金属钴、镍的磷化物、氮化物、氧化物以及磷氮化物等掺杂材料。
阴极催化床中的催化剂可以包括但不限于：
耐碱性腐蚀的贵金属类催化剂，例如：铂、铂黑和铂的氧化物或掺杂氮磷等元素的铂合金等中的至少一种；
或，耐碱性腐蚀的贵金属类催化剂与高比表面积碳材料(例如石墨烯、碳纳米管、炭黑等)的复合物等。
其中，由于电解液为碱性，从节约成本的角度考虑，可以使用耐碱性廉价金属催化剂替代贵金属催化剂，可选择的廉价催化剂可以包括但不限于：过渡金属化合物，例如金属镍、钼、钨的磷化物、氮化物、氧化物、碳化物以及磷氮化物等材料。
下面以图3所示的结构，对电解水过程进行说明。
以负电解液为碱性的2,6-DHAQ，正电解液为碱性的铁氰酸钠为例。
阶段一：
在第五泵5和第六泵6启动时，可以将第一存储空间k1中正电解液中的Fe(CN)6 4-输送至图3中的左侧腔室(以下称之为腔室1)中，同时，还可以将第三存储空间k3中负电解液中的2,6-DHAQ输送至图3中的右侧腔室(以下称之为腔室2)中；在外部电源提供电能时，对液流电池进行充电，使得腔室1中的Fe(CN)6 4-失去电子变成Fe(CN)6 3-，腔室2中的2,6-DHAQ得到电子变成2,6-reDHAQ。
之后，继续在第五泵5和第六泵6的带动下，Fe(CN)6 3-和2,6-reDHAQ分别进入至第二存储空间k2和第四存储空间k4中，使得Fe(CN)6 3-在第二存储空间k2中进行积累，2,6-reDHAQ在第四存储空间k4中进行积累。
阶段二：
对于第二腔体40b而言：
待第四存储空间k4中的2,6-reDHAQ积累到一定程度(可以根据实际情况进行控制)时，可以打开第二阀门F2，使得第三存储空间k3中的2,6-reDHAQ和阴极催化床接触，由于该第三存储空间k3中存在氢氧根离子，所以通过调节氢氧根离子的浓度，可以调节负电解液的pH值，待负电解液的电位达到某一数值时，可以驱动该第三存储空间k3内还原反应，反应式如下：
2,6-reDHAQ+2H2O+2e-→2,6-DHAQ+H2↑+2OH-；
也即，此时在第三存储空间k3中可以产生氢气，该氢气可以通过管道(图3中未示出)输送出去，再经过一系列的处理即可进行收集并储存。
对于第一腔体30b而言：
待第二存储空间k2中的Fe(CN)6 3-积累到一定程度(可以根据实际情况进行控制)时，可以打开第一阀门F1，使得第一存储空间k1中的Fe(CN)6 3-和阳极催化床23接触，由于该第一存储空间k1中存在氢氧根离子，所以通过调节氢氧根离子的浓度，可以调节正电解液的pH值，待正电解液的电位达到某一数值时，可以驱动该第一存储空间k1内发生氧化反应，反应式如下：
4Fe(CN)6 3-+4OH--4e-→4Fe(CN)6 4-+O2↑+2H2O；
也即，此时第一存储空间k1中可以产生氧气，该氧气可以通过管道(图3中未示出)输送出去，再经过一系列的处理后即可进行收集或者直接排空。
方式2：
可选地，在本发明实施例中，液流电池与电解水结构为一体结构。
也就是说，液流电池和电解水结构设置在一起，虽然液流电池和电解水结构不能独立运行，但是由于结构设置较为紧凑，可以提高电解水装置的集成度，减少电解水装置的体积。
可选地，在本发明实施例中，如图4所示，包括：第一腔体30a和第二腔体40a、以及电化学电池13；
电化学电池13包括多个腔室，不同腔室之间设置有隔膜m0；第一腔体30a和第二腔体40a分别与不同的腔室连接；
第一腔体30a中容置有正电解液和阳极催化床23，第二腔体40a中容置有负电解液和阴极催化床24。
如此，可以实现液流电池与电解水结构的一体化设置，在液流电池工作的同时，可以实现对水的电解，有利于从整体上减少水电解所需要的时间，从而有利于提高电解效率。
可选地，在本发明实施例中，如图4所示，在第一腔体30a与电化学电池13之间设置有第七泵7，在第二腔体40a在电化学电池13之间设置有第八泵8；
电化学电池13包括第一极板G1和第二极板G2，第一极板G1和第二极板G2与外部电源连接。
如此，通过第七泵和第八泵，可以将第一腔体和第二腔体中的电解液输送至电化学电池中，通过外部电源提供的电能，可以对液流电池进行充电，使得在电化学电池中产生活性电解质(即活性物质)，再通过管道输入至第一腔体和第二腔体中，在各自催化床的作用下，发生氧化还原反应，实现水的电解，同时制得氢气和氧气。
可选地，在本发明实施例中，负电解液和正电解液的设置，可以参见上述情况1中的设置，重复之处不再赘述。
并且，阳极催化床和阴极催化床的设置，可以参见上述情况2中的设置，重复之处不再赘述。
下面以图4所示的结构，对电解水过程进行说明。
以负电解液为碱性的2,6-DHAQ，正电解液为碱性的铁氰酸钠为例。
在第七泵7和第八泵8启动时，可以将第一腔体30a中正电解液中的Fe(CN)6 4-输送至图4中的左侧腔室(以下称之为腔室1)中，同时，还可以将第二腔体40a中负电解液中的2,6-DHAQ输送至图4中的右侧腔室(以下称之为腔室2)中；在外部电源提供电能时，对液流电池进行充电，使得腔室1中的Fe(CN)6 4-失去电子变成Fe(CN)6 3-，腔室2中的2,6-DHAQ得到电子变成2,6-reDHAQ。
之后，继续在第七泵7和第八泵8的带动下，Fe(CN)6 3-和2,6-reDHAQ分别进入至第一腔体30a和第二腔体40a中。
对于第二腔体40a而言：
2,6-reDHAQ和阴极催化床24接触，由于该腔体中存在氢氧根离子，所以通过调节氢氧根离子的浓度，可以调节负电解液的pH值，待负电解液的电位达到某一数值时，可以驱动该腔体内还原反应，反应式如下：
2,6-reDHAQ+2H2O+2e-→2,6-DHAQ+H2↑+2OH-；
也即，此时在第二腔体40a中可以产生氢气，该氢气可以通过管道(图4中未示出)输送出去，再经过一系列的处理即可进行收集并储存。
对于第一腔体30a而言：
Fe(CN)6 3-和阳极催化床23接触，由于该腔体中存在氢氧根离子，所以通过调节氢氧根离子的浓度，可以调节正电解液的pH值，待正电解液的电位达到某一数值时，可以驱动该腔体内发生氧化反应，反应式如下：
4Fe(CN)6 3-+4OH--4e-→4Fe(CN)6 4-+O2↑+2H2O；
也即，此时第一腔体30a中可以产生氧气，该氧气可以通过管道(图4中未示出)输送出去，再经过一系列的处理后即可进行收集并储存。
也就是说，对于图4所示的结构而言，可以通过化学能驱动水分子的电解，以制得氢气和氧气，从而可以减少外界能源的消耗，实现节能的效果。
为了验证2,6-DHAQ和铁氰化钠构建的碱性液流电池，可以替代常规分步法电解水中的单一缓冲媒介，进行了循环伏安测试。
测试一：
1.1、准备工作：
配制2,6-DHAQ和亚铁氰化物的活性物质电解液，且活性物质的浓度可以均为0.2mmoL/L，电解液中的介质可以为pH值为14的氢氧化钾溶液。
1.2、测试条件：
循环伏安测试采用三电极体系，工作电极为玻碳电极，参比电极为Ag/AgCl电极(参数为：3M的NaCl，213mVvs.SHE)，对电极为铂电极，使用AUTU lab电化学工作站及环盘电极进行测试。
测试条件包括：扫描速度100mV/s，扫描范围为-1.6V～1.2V。
1.3、测试结果：
参见图5所示的测试结果示意图，从图中所示可知：
2,6-DHAQ和亚铁氰化物的氧化还原峰电位，均位于相同条件下的析氢反应(即还原反应，可以用HER表示)和析氧反应(即氧化反应，可以用OER表示)起始电位的中间部分。
其中，2,6-DHAQ的氧化还原峰的电位约0.68V(vs.SHE)处，亚铁氰化物的氧化还原峰的电位约0.5V(vs.SHE)。
从上面的结果，可以确定的是：
2,6-DHAQ和亚铁氰化物，可以作为分步法电解水制氢反应中的电子-质子耦合的缓冲媒介，实现水的电解。
测试二：
2.1、准备工作：
配制2,3,6,7-THAQ和亚铁氰化物的活性物质电解液，且活性物质的浓度可以均为0.2mmoL/L，电解液中的介质可以为pH值为14的氢氧化钾溶液。
2.2、测试条件：
循环伏安测试采用三电极体系，工作电极为玻碳电极，参比电极为Ag/AgCl电极(参数为：3M的NaCl，213mVvs.SHE)，对电极为铂电极，使用AUTU lab电化学工作站及环盘电极进行测试。
测试条件包括：扫描速度100mV/s，扫描范围为-1.4V～1.0V。
2.3、测试结果：
参见图6所示的测试结果示意图，从图中所示可知：
2,3,6,7-THAQ的氧化还原的电位约0.80V(vs.SHE)处，亚铁氰化物的氧化还原峰的电位约0.5V(vs.SHE)，均位于相同条件下的析氢反应(即还原反应)和析氧反应(即氧化反应)起始电位的中间部分。
从上面的结果，可以确定的是：
2,3,6,7-THAQ和亚铁氰化物，可以作为分步法电解水制氢反应中的电子-质子耦合的缓冲媒介，实现水的电解。
基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种电解水方法，如图7所示，包括：
S701、液流电池产生活性物质；
S702、电解水结构在活性物质的作用下，在能量的驱动下，对水分子进行电解，同时析出氢气和氧气；其中，能量包括：外部输入的电能，或通过调节电解水装置中的液流电池的参数产生的化学能。
通过将液流电池和电解水结构相结合，使得液流电池可以替代常规分步法电解水中的单一缓冲媒介，仅解耦电解水中的析氢反应和析氧反应的空间关系，使得析氢反应和析氧反应在不同的空间发生，可以避免氢气和氧气混合，大大提高产生的氧气和氢气的纯度；同时，还可以实现析氢反应和析氧反应的同时发生，使得氢气和氧气可以同时产生，从而可以缩短电解水中制氢和制氧所需要的时间，提高了反应效率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (11)
1.一种电解水装置，其特征在于，包括：
液流电池，用于：产生活性物质；
以及电解水结构，用于：在所述液流电池产生的所述活性物质的作用下，以及在能量的驱动下，对水分子进行电解，同时产生氢气和氧气；
其中，所述能量包括：外部输入的电能，或通过调节所述液流电池的参数产生的化学能。
2.如权利要求1所述的电解水装置，其特征在于，所述电解水结构具体用于：
根据对所述液流电池的pH值的调节，调整所述液流电池中所述活性物质的电位，使得在所述活性物质的作用下，以及在调整后的电位的驱动下，对所述水分子进行电解。
3.如权利要求1所述的电解水装置，其特征在于，所述液流电池与所述电解水结构为两个相互独立运行的结构。
4.如权利要求3所述的电解水装置，其特征在于，所述液流电池包括：用于放置负电解液的负储罐、用于放置正电解液的正储罐、以及电化学电池；所述电化学电池包括多个腔室，不同所述腔室之间设置有隔膜，各所述腔室均与外部电源连接；
所述电解水结构包括：两个用于放置反应介质的介质储罐；
所述正储罐、所述负储罐、以及两个所述介质储罐分别位于不同的腔体中，且分别与不同的所述腔室连接。
5.如权利要求4所述的电解水装置，其特征在于，所述电化学电池包括：第一腔室、第二腔室、位于所述第一腔室和所述第二腔室之间的第三腔室和第四腔室、以及位于所述第一腔室背离所述第二腔室一侧的第一极板、以及位于所述第二腔室背离所述第一腔室一侧的第二极板；
所述电解水结构包括催化结构，所述催化结构分别设置在所述第一极板与所述第一腔室之间、以及所述第二极板与所述第二腔室之间。
6.如权利要求3所述的电解水装置，其特征在于，包括：第一腔体和第二腔体、以及电化学电池；
所述电化学电池包括多个腔室，不同所述腔室之间设置有隔膜；所述第一腔体和所述第二腔体分别与不同的所述腔室连接；
所述第一腔体包括：相互独立的第一存储空间和第二存储空间，所述第一存储空间容置有正电解液和阳极催化床；
所述第二腔体包括：相互独立的第三存储空间和第四存储空间，所述第三存储空间容置有负电解液和阴极催化床；
还包括：设置于所述第一腔体外部，且分别与所述第一存储空间和所述第二存储空间连接的第一阀门，以及设置于所述第二腔体外部，且分别与所述第三存储空间和所述第四存储空间连接的第二阀门。
7.如权利要求6所述的电解水装置，其特征在于，所述腔室设置有两个。
8.如权利要求1所述的电解水装置，其特征在于，所述液流电池与所述电解水结构为一体结构。
9.如权利要求8所述的电解水装置，其特征在于，包括：第一腔体和第二腔体、以及电化学电池；
所述电化学电池包括多个腔室，不同所述腔室之间设置有隔膜；所述第一腔体和所述第二腔体分别与不同的所述腔室连接；
所述第一腔体中容置有正电解液和阳极催化床，所述第二腔体中容置有负电解液和阴极催化床。
10.如权利要求1所述的电解水装置，其特征在于，所述液流电池包括：负电解液和正电解液；
所述负电解液包括：氢氧根离子、以及蒽醌和/或蒽醌的衍生物；
所述正电解液包括：所述氢氧根离子、以及亚铁氰酸根离子。
11.一种电解水方法，其特征在于，包括：
液流电池产生活性物质；
电解水结构在所述活性物质的作用下，在能量的驱动下，对水分子进行电解，同时析出氢气和氧气；
其中，所述能量包括：外部输入的电能，或通过调节所述电解水装置中的液流电池的参数产生的化学能。
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