本发明公开了一种分步电解水制氢的方法及装置，该装置包含电解槽、析氢催化阴极电极、氢氧化镍阳极电极、氢气出口和氧气出口。其中，电解槽不包含隔膜，电解槽内部为一个腔室。所述电解水制氢的方法为：首先，接通电解槽外部直流电源，使电解液中的水分子在析氢催化阴极电极表面被电化学还原，产生氢气，Ni(OH)2阳极电极被电化学氧化为NiOOH阳极电极；然后，断开电解槽外部直流电源，并在电解槽的电解液中通入高温饱和蒸汽，保证电解液温度达到90~110度，此时，由于NiOOH的热力学不稳定性，该阳极电极被分解还原成

  (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 113151843 A (43)申请公布日 2021.07.23 (21)申请号 9.3 (22)申请日 2021.04.27 (71)申请人 上海羿沣氢能科技有限公司 地址 201306 上海市浦东新区中国（上海） 自由贸易试验区临港新区云汉路797 号2楼 (72)发明人 邢少锋 其他发明人请求不公开姓名 (51)Int.Cl. C25B 1/04 (2021.01) C25B 9/17 (2021.01) C25B 11/046 (2021.01) C25B 11/042 (2021.01) C25B 15/02 (2021.01) 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (54)发明名称 一种分步电解水制氢的方法及装置 (57)摘要 本发明公开了一种分步电解水制氢的方法 及装置，该装置包含电解槽、析氢催化阴极电极、 氢氧化镍阳极电极、氢气出口和氧气出口。其中， 电解槽不包含隔膜，电解槽内部为一个腔室。所 述电解水制氢的方法为：首先，接通电解槽外部 直流电源，使电解液中的水分子在析氢催化阴极 电极表面被电化学还原，产生氢气，Ni(OH) 阳极 2 电极被电化学氧化为NiOOH阳极电极；然后，断开 电解槽外部直流电源，并在电解槽的电解液中通 入高温饱和蒸汽，保证电解液温度达到90 110 ~ 度，此时，由于NiOOH的热力学不稳定性，该阳极 电极被分解还原成为Ni(OH)2电极，并在其电极 A 周围的产生氧气。通过以上两个步骤进行电解制 3 取氢气和氧气，不仅仅可以制备出高纯的氢气和氧 4 8 1 气，而且能有效的降低电解水制氢成本。 5 1 3 1 1 N C CN 113151843 A 权利要求书 1/1 页 1.一种分步电解水制氢的方法及装置，包括电解槽、析氢催化阴极电极和氢氧化镍阳 极电极；其中，本电解槽不包含隔膜，电解槽内部为一个腔室。 2.如权利要求1 所述的装置，其特征是该装置中的电解槽包含有两个电极：氢催化 阴极电极和氢氧化镍（Ni(OH) ）阳极电极。 2 3.  如权利要求1 所述的装置，其特征是所述析氢催化电极对电解水生成氢气具有 催化作用，其电极材料为基于低成本、较高电催化活性的金属Ni的二元Ni‑Mo合金、Ni‑Sn合 金、Ni‑Co合金或三元Ni‑Fe‑Mo合金等。 4.如权利要求1 所述的装置，其特征是所述氢氧化镍（Ni(OH) ）阳极电极，其电极材 2 料为球形Ni(OH) ）或添加电镀金属Co的球形Ni(OH) 或者碳包覆的球形Ni(OH) 。 2 2 2 5.如权利要求1所述的装置，其特征是所述电解水技术为碱性电解水技术，其电解液 是碱性水溶液，碱性水溶液为氢氧化钾或氢氧化钠。 6.基于如权利要求1 7所述之电解水装置，其分步电解水制氢的方法，特征是具体步 ~ 骤如下： （一）氢气生产步骤 S 、接通电解槽外部直流电源，使电解液中的水分子在析氢催化阴极电极表面被电化学 1 ‑ ‑ 还原，产生氢气，即H O + e →  1/2H ↑+OH ； 2 2 S 、此时，Ni(OH) 阳极电极被电化学氧化为NiOOH阳极电极，即 2 2 ‑  ‑  Ni(OH)  + OH －e → NiOOH + H O； 2 2 （二）氧气生成步骤 S 、断开电解槽外部直流电源，并在电解槽的电解液中通入高温饱和蒸汽，保证其电解 1 液温度达到90 110度； ~ S 、此时，由于NiOOH的热力学不稳定性，该阳极电极被分解还原成为Ni(OH) 电极，并在 2 2 其电极周围的产生氧气，即 4NiOOH +2 H O → 4Ni(OH) + O ↑。 2 2 2 7.如权利要求8所述的分步制氢的方法，其步骤（一）和步骤（二）交替循环进行，实现氢 气和氧气分不同时段制取。 2 2 CN 113151843 A 说明书 1/4 页 一种分步电解水制氢的方法及装置 技术领域 [0001] 本发明涉及电解水技术领域，具体涉及一种分步电解水制氢的方法及装置。 背景技术 [0002] 自进入21世纪以来，随人类社会对能源数量、质量的需要慢慢的变多、慢慢的升高， 开发清洁、高效、可持续发展的新能源动力技术已成为十分紧迫的任务。 [0003] 目前,人类获得能源主要是依靠石油、煤、天然气、铀等化石燃料，但是这种传统的能 源结构和大量的能源消耗，对人类生存环境造成了严重污染，并且随人类社会经济的不 断发展，以及传统的化石能源的逐渐枯竭，人类社会慢慢的变多的希望使用更加清洁的能源， 以解决经济发展与能源短缺及环境污染之间日益加剧的矛盾，发展可再次生产的能源和能源的清 洁高效利用慢慢的变成了当今国际社会所共识，其对全世界经济的可持续发展具备极其重大意 义。 [0004] 氢能源作为一种高效、清洁和理想的二次能源，已受到世界各国的广泛关注，而在 氢气的制备来源中，电解水制氢被认为是最理想的无任何污染的氢气来源。目前，电解水制 氢主要有三种，碱性电解水制氢、质子交换膜(PEM)电解水制氢和固体氧化物电解水制氢技 术。其中，碱水电解制氢是实现大规模制氢的重要技术，也是目前最成熟的制氢技术之一。 [0005] 传统的碱性水电解技术虽然因工业化早、技术成熟、设备成本低等因素，在水电解 行业中占主导地位，但因为其能耗较高，效率低，并且因电解水过程中，电解电极的阴、阳极 同时生成氢气和氧气，需要采用离子选择性膜将氧气和氢气隔开，同时，由于在析氢催化电 极产生的氢气和析氧催化电极产生的氧气的动力学过程不同，造成产氢和产氧速度有所差 异，进而造成对隔膜的压力损伤，也在某些特定的程度上增大了制氢的成本。 [0006] 在电解槽的电极材料选择方面，对于阴极电极材料的选择，国内外已有很多学者 对其进行了研究，发现镍合金有很好的催化性能，具有低析氢过电位和低价格双重优势。其 反应机理是对于 Ni电极，H 的析出先经历电化学还原，形成吸附于电极表面的氢原子，即 2  先形成Ni ‑ H键，然后发生Ni‑ H键的断裂，形成氢分子。从图2析氢反应电流密度对吸附键 强度的关系图中，能够准确的看出Ni比其它非贵金属有较好的析氢催化性能。 [0007] 作为阳极电极材料中，常用于电池电极正极材料Ni(OH) /NiOOH大范围的应用于锌镍 2 电池Cd‑Ni和MH‑Ni 等电池中，特别是处于充电态的羟基氧化镍。按照传统晶体学理论, 把 处于充电态的活性物质NiOOH分为β‑NiOOH和γ‑NiOOH两种晶型。β‑NiOOH与γ‑NiOOH对应 的放电态活性物质为β‑Ni(OH) 与α‑Ni(OH)  ，对于这四者之间的关系，有一个非常经典的  2  2 Bode循环, 如以下方程式所示:  +  ‑ β‑N  i(OH)  β‑NiOOH +H + e 2           ↓过充电 陈化↑  + – α‑Ni(OH)    γ‑NiOOH +H  + e 2 在以上的Bode循环中，Ni(OH) /NiOOH表现出了具备比较好的电极可逆性，而在其用 2 于电解水的阳极材料中，则表现出特异的材料性能。尤其是在较高的温度的水溶液中，羟基 3 3 CN 113151843 A 说明书 2/4 页 氧化镍由于热力学上的不稳定性，会自发的进行析氧反应，使其这一特性成为电解水所用 阳极材料变成现实： 2 NiOOH+H O→2 Ni(OH) +1/2 O ↑。 2 2 2 发明内容 [0008] 依据以上Ni(OH)2/NiOOH的材料特性，同时，为解决电解水制氢中的成本高和效率 低的问题，本发明提供了一种分步电解水制氢的方法及装置。包括电解槽、析氢催化阴极电 极、氢氧化镍阳极电极、氢气出口和氧气出口；其中，本电解槽不包含隔膜，电解槽内部为一 个腔室。 [0009] 进一步地，该装置的电解槽包含的两个电极中，所述析氢催化电极对电解水生成 氢气具有催化作用，其电极材料选用具有低成本、较高电催化活性的金属Ni的二元Ni‑Mo合 金、Ni‑Sn合金、Ni‑Co合金或三元Ni‑Fe‑Mo合金等。 [0010] 尤佳地，所述的阴极电极材料，其制备方法有采用传统的：电沉积法、PTFE 粘接 法、化学还原法、离子喷射法、高温烧结法等。 [0011] 进一步地，所述氢氧化镍（Ni(OH) ）阳极电极，其电极材料为球形氢氧化镍（Ni 2 (OH)）或添加电镀金属Co的球形氢氧化镍（Ni(OH) ）。其制备方法有采用传统的：化学（水 2 2 执）浴、电沉积法、氧化处理法、电化学脱合金法、阳极氧化法以及阳极电压振荡法等。 [0012] 进一步地，所述装置的电解水技术为碱性电解水技术。 [0013] 进一步地，所述电解液是碱性水溶液，碱性水溶液为氢氧化钾或氢氧化钠。 [0014] 尤佳地，所述电解水装置，其分步电解水制氢的方法，具体步骤如下： （一）氢气生产步骤 S1、接通电解槽外部直流电源，使电解液中的水分子在析氢催化阴极电极表面被 电化学还原，产生氢气，即 ‑ ‑ H O + e →  1/2H ↑+ OH ； 2 2    S2、此时，Ni(OH) 阳极电极被电化学氧化为NiOOH阳极电极，即 2 ‑  ‑ Ni(OH)  + OH －e → NiOOH + H O； 2 2 （二）氧气生成步骤 S1、断开电解槽外部直流电源，并在电解槽的电解液中通入高温饱和蒸汽，保证其 电解液温度达到90 110度； ~ S2、此时，由于NiOOH的热力学不稳定性，该阳极电极被分解还原成为Ni(OH) 电 2 极，并在其电极周围的产生氧气，即 4NiOOH +2 H O → 4Ni(OH) + O ↑。 2 2 2 [0015] 进一步地，所述电解水采用分步的方法，其步骤（一）和步骤（二）交替循环进行，实 现氢气和氧气分不同时段制取。 [0016] 与现存技术相比，本发明所提供的技术方案包括以下明显的效果：本电解水装置 中均采用价格较低的电化学活性材料Ni作为其电极材料，可以有明显效果地的降氢成本，同时， 本装置电解水过程中，采用电化学氧化和热能量激活的两步法进行电解水，有效的将阴极 的析氢反应（电化学氧化）和阳极材料Ni(OH)2/NiOOH的热力学不稳定析氧反应，分为不一样 的时段进行，实现了氢气和氧气的分别制取。并且由于采用不一样时段进行氢气和氧气的制 4 4 CN 113151843 A 说明书 3/4 页 取，本电解槽装置能不用设置隔膜，与传统的碱性电解水制氢相比，省去了隔膜，加大了 +  电解质中 OH 离子的传输速率，降低了成本，也同时提高了电解制氢的效率和速率。 附图说明 [0017] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要用 的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领 域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能够准确的通过这些附图获得其他的附图。附 图中： 图1为本发明优选实施例提供的电解槽结构示意图； 图2为本发明优选实施例提供的析氢反应电流密度对吸附键强度的关系图； 图3为本发明优选实施例提供的电化学氧化和热能激活的分步法电解水工作示意 图； 附图标记说明：  1‑电解槽；2‑析氢催化阴极电极；3‑氢氧化镍阳极电极3；4‑电解 槽氢气出口；5‑电解槽氧气出口；6‑电解槽腔室 7‑直流电源； 符号说明：S‑步骤。 具体实施方式 [0018] 以下将结合图1对本发明提供的一种分步电解水制氢的方法和装置作进一步的描 述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操 作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神 和内容的范围内，能够对其做修改和润色。 [0019] 请参考图1，一种分步电解水制氢的方法和装置，包括电解槽1、析氢催化阴极电极 2、氢氧化镍阳极电极3、氢气出口4和氧气出口5；其中，电解槽不包含隔膜，电解槽内部为一 个腔室6。 [0020] 该装置的电解槽1所包含的两个电极中，析氢催化阴极电极2对电解水生成氢气具 有催化作用，其电极材料选用具有低成本、较高电催化活性的金属Ni的二元Ni‑Mo合金。 [0021] 所述的析氢催化阴极电极2材料，其制备方法是以Ni为基础材料，采用传统的电沉 积法合成。 [0022] 该装置的电解槽1所包含的两个电极中，氢氧化镍（Ni(OH) ）阳极电极3，其电极材 2 料为添加金属Co的球形氢氧化镍（Ni(OH) ）。其制备方法是采用阳极氧化法参杂金属Co形 2 成电极材料。 [0023] 所述装置的电解水技术采用碱性电解水技术。 [0024] 所述电解液是碱性水溶液，碱性水溶液为30%的氢氧化钾或氢氧化钠。 [0025] 对该电解槽采用分步电解水制氢和制氧的方法，具体操作步骤如下： （一）氢气制取 S 、在电解槽1的腔室6内，加入浓度为30%的氢氧化钾或氢氧化钠水溶液，使电解 1 质溶液浸漫析氢催化阴极电极2和氢氧化镍（Ni(OH) ）阳极电极3； 2 S 、接通电解槽1外部直流电源7，在直流电解的作用下，电解液中的水分子在析氢 2 催化阴极电极2表面被电化学还原，进而产生氢气，经由氢气出口4进入氢气储罐； 5 5 CN 113151843 A 说明书 4/4 页 S 、此时，氢氧化镍（Ni(OH) ）阳极电极3被电化学氧化为NiOOH阳极电极3； 3 2 （二）氧气生成步骤 S 、断开电解槽1外部直流电源7，并在电解槽1的电解液中通入高温饱和蒸汽，使 1 电解液温度达到90 110度； ~ S 、此时，由于NiOOH的热力学不稳定性，该NiOOH阳极电极3被分解还原成为Ni 2 (OH) 电极3，并在其电极周围的产生氧气，经由氧气出口5进入氧气储罐； 2 （三）对上述步骤采用分步的方法，使步骤（一）和步骤（二）交替循环进行，实现氢 气和氧气分不同时段制取。 6 6 CN 113151843 A 说明书附图 1/2 页 图1 图2 7 7 CN 113151843 A 说明书附图 2/2 页 图3 8 8

  2、成为VIP后，下载本文档将扣除1次下载权益。下载后，不支持退款、换文档。如有疑问加。

  3、成为VIP后，您将拥有八大权益，权益包括：VIP文档下载权益、阅读免打扰、文档格式转换、高级专利检索、专属身份标志、高级客服、多端互通、版权登记。

  4、VIP文档为合作方或网友上传，每下载1次， 网站将按照每个用户上传文档的质量评分、类型等，对文档贡献者给予高额补贴、流量扶持。如果你也想贡献VIP文档。上传文档

  2021-2022年幼儿教师资格考试《保教知识与能力》真题练习试卷D卷-附解析.doc

  三一桁架臂履带起重机SCC3500A-6_产品手册用户使用说明书技术参数图解图示电子版.pdf

  原创力文档创建于2008年，本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接分享给其他用户（可下载、阅读），本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人所有。原创力文档是网络服务平台方，若您的权利被侵害，请发链接和相关诉求至 电线) ，上传者