專利名稱：醇直接電解制氫器及其集成裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制氫方法及其裝置的能源技術(shù)領(lǐng)域，具體是醇直接電解制氫器。
本發(fā)明還涉及所述醇直接電解制氫器的集成裝置。
背景技術(shù)：
氫能是可代替化石燃料的新能源。氫能有以下主要特點(1)氫的化學(xué)能高，1g氫可以放出1.4×105J的熱量，約為1g汽油產(chǎn)生熱量的3倍；(2)氫氣在能量轉(zhuǎn)換過程中，除釋放出巨大的能量外，不產(chǎn)生污染物，不會造成環(huán)境污染，因而被稱為“清潔燃料”；(3)氫的來源廣泛；(4)氫的用途極為廣泛。長期以來，煤炭、石油等化石燃料的廣泛使用，已對全球環(huán)境造成嚴(yán)重污染，甚至對人類自身的生存造成威脅。同時，化石燃料不可再生，會隨著持續(xù)開采而枯竭。因此，新型清潔能源的開發(fā)與應(yīng)用是大勢所趨，氫能作為理想的清潔能源之一，已引起人們的廣泛重視。氫能將是未來能源結(jié)構(gòu)中最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗?，將以其?yōu)異的使用性能在未來能源領(lǐng)域中扮演重要的角色。
以氫氣為原料的燃料電池和氫氣發(fā)動機(jī)的問世，使世界范圍內(nèi)的汽車工業(yè)面臨一場深刻的革命。1993年加拿大Ballard公司研制出世界第一輛燃料電池公共汽車，1997年德國奔馳汽車公司推出質(zhì)子交換膜型燃料電池汽車，1998年又推出以甲醇為原料的重整式燃料電池汽車，1999年美國福特和日本豐田公司也推出以氫為原料的質(zhì)子交換膜燃料電池汽車，2002年德國大眾汽車公司也推出了第一款質(zhì)子膜燃料電池汽車，注入一次燃料行駛距離為160公里。中國在2003年相繼推出了燃料電池示范公共汽車和轎車。2005年美國通用汽車推出的第三代燃料電池汽車，車速每小時已可達(dá)160公里，行駛距離為400公里。日本本田公司的燃料電池轎車已正式在公路上運行。但是，隨著燃料電池技術(shù)的逐步成熟，氫源成為阻礙燃料電池應(yīng)用的瓶頸。解決氫的制備、儲存、運輸和應(yīng)用是一個整體行為，而制氫技術(shù)則是首要問題。氫作為燃料電池燃料的可行性最主要是取決于氫的成本。
工業(yè)制氫方法主要是以天然氣、石油和煤為原料，在高溫下使之與水蒸氣反應(yīng)而制得，也可以用部分氧化法制得。煤造氣雖然原料費用稍低，但流程長投資大，且污染大，雜質(zhì)多，需脫硫凈化等，對中小規(guī)模裝置不適用。甲醇重整制氫的效率高，但其分解溫度在197℃，能耗較高，設(shè)備投資也較大。這些制氫方法在工藝上都比較成熟，但是，由化石燃料和電力來換取氫能，在經(jīng)濟(jì)上和資源利用上并不合適?，F(xiàn)有的工業(yè)制氫主要是維持化工、煉油、冶金、及電子等部門的需要。水電解制氫和生物質(zhì)氣化制氫等方法，已形成規(guī)模。其中，低價電電解水制氫方法是當(dāng)前氫氣規(guī)模制備的主要方法，但是，電解水制氫的電耗過高，一般約為5kWh/Nm3H2。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種電耗低，制備電壓小的醇直接電解制氫器，為燃料電池及其它方面技術(shù)的實際應(yīng)用和需求提供氫源，亦可用于教學(xué)和科學(xué)實驗。
本發(fā)明的目的還在于提供所述醇直接電解制氫器的集成裝置。
本發(fā)明所述醇直接電解制氫器是具有質(zhì)子交換膜燃料電池堆結(jié)構(gòu)的電解池，電解池內(nèi)設(shè)有阻醇固體電解質(zhì)子交換膜，陽極和陰極的集流極、醇溶液通道，氫氣通道；多元催化劑覆蓋在質(zhì)子交換膜表面。
本發(fā)明采用醇不易透過的阻醇固體電解質(zhì)子交換膜，所述阻醇固體電解質(zhì)子交換膜由全氟磺酸樹脂與納米SiO2或TiO2或SiO2/TiO2共鑄制成，或者由磺化聚酰亞胺和聚砜共鑄制成，或者由全氟磺酸樹脂溶液與硅溶膠共鑄制成；具有雙功能性能的多元催化劑覆蓋在質(zhì)子交換膜表面，催化劑包括Pt-Ru、Pt-Ru/C、Pt-WO3、Pt-WO3/C、Pt-Sn、Pt-Sn/C、Pt/C、Pt/WC、Pd/WC或Pd-Au/WC。
本發(fā)明的所述醇直接電解制氫器的集成裝置由醇容器、制氫器、氫氣收集裝置依次管道連接構(gòu)成，所述制氫器與直流穩(wěn)壓電源、測試和控制系統(tǒng)電連接，氫氣收集裝置與負(fù)載電連接；所述的氫氣收集裝置可用現(xiàn)有通用的裝置，例如排水法收集氫氣的裝置。
所述的直流穩(wěn)壓電源由交流/直流變換穩(wěn)壓電源、化學(xué)電池組、太陽能電池或燃料電池提供。
所述的測試和控制系統(tǒng)由電子線路和數(shù)字式或指針式電壓表和電流表構(gòu)成。
本發(fā)明所述的負(fù)載指燃料電池、燃料電池與風(fēng)扇的組合或燃料電池與電子產(chǎn)品的組合。所述電子產(chǎn)品可為手機(jī)、PDA、隨身聽或手提電腦。
本發(fā)明的制氫器可以使用單片電解池，也可以多個單池串聯(lián)或并聯(lián)使用，功率大小不受限制。所述制氫器功率和電極面積根據(jù)制氫產(chǎn)量的要求決定。
本發(fā)明的制氫器與電解水原理不同的是陰極反應(yīng)是氫的還原，而不是水的還原。產(chǎn)生的氫氣可直接利用，亦可經(jīng)過水洗和干燥得到進(jìn)一步純化。在陽極側(cè)有氣體二氧化碳產(chǎn)生，在液體醇溶液循環(huán)時被及時排出。
本發(fā)明的基本原理是利用醇(如甲醇、乙醇等)，通過電解制氫。關(guān)鍵的原理是電解醇僅需很小的電壓。為了簡要敘述原理，我們將甲醇與水的電解作比較。
電解水的原理非常清楚，理論電壓由氫、氧兩電極的電位差決定。電解水的標(biāo)準(zhǔn)電位為1.23V。而電解甲醇的標(biāo)準(zhǔn)電位僅為0.02V，甲醇電解的原理是陽極陰極總反應(yīng)由反應(yīng)式可知，電解醇不僅可利用醇本身的氫，還可從水中獲得氫，因此氫的利用率非常高。同樣以乙醇為原料，我們不僅可從乙醇本身獲得三個氫分子，同時可從水得到三個氫分子
大大提高了氫的產(chǎn)出率。
本發(fā)明所述的醇容器采用不被所用醇腐蝕的材料，如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、玻璃鋼、聚氯乙烯；水容器可采用各種不被水溶解的材料，如玻璃、有機(jī)玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、玻璃鋼、聚氯乙烯。
本發(fā)明所述的制氫器是類質(zhì)子交換膜燃料電池堆結(jié)構(gòu)，采用醇不易透過的阻醇固體電解質(zhì)子交換膜。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下特點1、在電解過程中，醇有可能透過膜擴(kuò)散到陰極而影響陰極的氫還原過程。所以，本發(fā)明的特點之一是在電解池中應(yīng)用了阻醇固體電解質(zhì)子交換膜。此外，由于膜非常薄，電解池的結(jié)構(gòu)更緊湊。本發(fā)明所用的阻醇膜包括全氟磺酸樹脂與納米SiO2或TiO2或SiO2/TiO2共鑄的復(fù)合膜或由磺化聚酰亞胺和聚砜共鑄制成的復(fù)合膜；或由全氟磺酸樹脂溶液與硅溶膠共鑄制成的復(fù)合膜。
2、本發(fā)明的特點之二是采用了高活性、抗毒化的催化劑。醇在貴金屬上氧化的活性比較高，但是，醇在氧化的過程中不可避免地產(chǎn)生CO中間物，而毒化催化劑。因此，提高醇的氧化效率，關(guān)鍵是提高催化劑的活性和抗毒化能力。本發(fā)明采用具有雙功能性能的多元催化劑，包括Pt-Ru、Pt-Ru/C、Pt-WO3、Pt-WO3/C、Pt-Sn、Pt-Sn/C、Pt/C、Pt/WC、Pd/WC或Pd-Au/WC。
3、本發(fā)明采用超薄膜電極，其中催化劑直接覆蓋在質(zhì)子交換膜上。催化劑覆蓋質(zhì)子交換膜的制備方法是用轉(zhuǎn)移法將催化劑覆蓋到質(zhì)子交換膜上。
4、本發(fā)明的直流電源可采用交流/直流變換穩(wěn)壓電源、電池組、太陽能電池、燃料電池或其它方式的直流電源。
5、本發(fā)明的集成裝置可增加電解水的對比裝置，對電解醇制氫和電解水制氫進(jìn)行直觀比較，用于教學(xué)和科學(xué)實驗。
6、本發(fā)明可通過調(diào)節(jié)電流大小對制氫速度進(jìn)行控制。


圖1是本發(fā)明的醇直接電解制氫器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的醇直接電解制氫器的集成裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是用于對比實驗的圖2與電解水制氫集成裝置的示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的制氫器是具有質(zhì)子交換膜燃料電池堆結(jié)構(gòu)的電解池102，電解池內(nèi)設(shè)有阻醇固體電解質(zhì)子交換膜102-1，陽極和陰極的集流極102-3、102-4，醇溶液通道102-5，氫氣通道102-6；多元催化劑102-2覆蓋在質(zhì)子交換膜102-1表面。
如圖2所示，101是盛有醇水溶液的容器。醇的水溶液在工作時進(jìn)入電解器102。電解由103對電解器102提供直流電源，電解器上的電流和電壓值由104監(jiān)測和檢測。電解產(chǎn)生的氫由105收集，然后可供給燃料電池106使用再次轉(zhuǎn)換成電能從而使負(fù)載107運轉(zhuǎn)。
如圖3所示，虛框I是圖1的裝置，虛框II是電解水的裝置，在201中盛放純水。電解器202的結(jié)構(gòu)與102不同，其它的部件與圖1基本相同。
實施例1集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩(wěn)壓電源103，203和測試和控制系統(tǒng)104，204組成。101所用材料為玻璃，201所用材料為有機(jī)玻璃。氫氣收集裝置105，205所用材料為有機(jī)玻璃。103，203為交流變壓的直流電源，測試和控制系統(tǒng)104，204為數(shù)字電壓顯示表和電子電路。
實施例2集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩(wěn)壓電源103，203和測試和控制系統(tǒng)104，204組成。101，201所用材料為聚四氟乙烯。氫氣收集裝置105，205所用材料為玻璃。103，203為交流變壓的直流電源，測試和控制系統(tǒng)104，204為數(shù)字電壓顯示表和電子電路。
實施例3集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩(wěn)壓電源103，203和測試和控制系統(tǒng)104，204組成。101所用材料為玻璃，201所用材料為有機(jī)玻璃。氫氣收集裝置105，205所用材料為玻璃。直流電源103，203為太陽能電池，測試和控制系統(tǒng)104，204為數(shù)字電壓顯示表和電子電路。
實施例4集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩(wěn)壓電源103，203、燃料電池106，206和測試和控制系統(tǒng)104，204組成。101所用材料為玻璃，201所用材料為有機(jī)玻璃。氫氣收集裝置105，205所用材料為有機(jī)玻璃。103，203為交流變壓的直流電源，燃料電池106，206為氫/空質(zhì)子交換膜燃料電池。測試和控制系統(tǒng)104，204為數(shù)字電壓顯示表和電子電路。
實施例5集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩(wěn)壓電源103，203、燃料電池106，206和測試和控制系統(tǒng)104，204組成。101所用材料為玻璃，201所用材料為有機(jī)玻璃。氫氣收集裝置105，205所用材料為有機(jī)玻璃。直流電源103，203為太陽能電池，燃料電池106，206為氫/空質(zhì)子交換膜燃料電池。測試和控制系統(tǒng)104，204為數(shù)字電壓顯示表和電子電路。
實施例6
集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩(wěn)壓電源103，203、燃料電池106，206、風(fēng)扇107，207和測試和控制系統(tǒng)104，204組成。101所用材料為玻璃，201所用材料為有機(jī)玻璃。氫氣收集裝置105，205所用材料為有機(jī)玻璃。103，203為交流變壓的直流電源，燃料電池106，206為氫/空質(zhì)子交換膜燃料電池。測試和控制系統(tǒng)104，204為數(shù)字電壓顯示表和電子電路。
實施例7集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩(wěn)壓電源103，203、燃料電池106，206和風(fēng)扇107，207組成。101所用材料為玻璃，201所用材料為有機(jī)玻璃。氫氣收集裝置105，205所用材料為有機(jī)玻璃。直流電源103，203為太陽能電池，燃料電池106，206為氫/空質(zhì)子交換膜燃料電池。
實施例8集成裝置由醇或水容器101，201、制氫器102，202、氫氣收集裝置105，205、直流穩(wěn)壓電源103，203、燃料電池106，206、風(fēng)扇107，207和測試和控制系統(tǒng)104，204組成。容器101，201所用材料為玻璃。氫氣收集裝置105，205所用材料為玻璃。直流電源103，203為太陽能電池，燃料電池106，206為氫/空質(zhì)子交換膜燃料電池。測試和控制系統(tǒng)104，204為數(shù)字電壓顯示表和電子電路。
權(quán)利要求
1.一種醇直接電解制氫器，其特征在于是具有質(zhì)子交換膜燃料電池堆結(jié)構(gòu)的電解池，電解池內(nèi)設(shè)有阻醇固體電解質(zhì)子交換膜，陽極和陰極的集流極、醇溶液通道，氫氣通道；多元催化劑覆蓋在質(zhì)子交換膜表面；所述阻醇固體電解質(zhì)子交換膜由全氟磺酸樹脂與納米SiO2或TiO2或SiO2/TiO2共鑄制成，或者由磺化聚酰亞胺和聚砜共鑄制成，或者由全氟磺酸樹脂溶液與硅溶膠共鑄制成；催化劑包括Pt-Ru、Pt-Ru/C、Pt-WO3、Pt-WO3/C、Pt-Sn、Pt-Sn/C、Pt/C、Pt/WC、Pd/WC或Pd-Au/WC。
2.一種醇直接電解制氫器的集成裝置，其特征在于由醇容器、醇直接電解制氫器、氫氣收集裝置依次管道連接構(gòu)成，所述制氫器與直流穩(wěn)壓電源、測試和控制系統(tǒng)電連接，氫氣收集裝置與負(fù)載電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述的氫氣收集裝置采用排水法收集氫氣的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于所述的直流穩(wěn)壓電源由交流/直流變換穩(wěn)壓電源、化學(xué)電池組、太陽能電池或燃料電池提供。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述的測試和控制系統(tǒng)由電子線路和數(shù)字式或指針式電壓表和電流表構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述的負(fù)載指燃料電池、燃料電池與風(fēng)扇的組合或燃料電池與電子產(chǎn)品的組合；所述電子產(chǎn)品可為手機(jī)、PDA、隨身聽或手提電腦。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種醇直接電解制氫器，是具有質(zhì)子交換膜燃料電池堆結(jié)構(gòu)的電解池，采用阻醇固體電解質(zhì)子交換膜。本發(fā)明還涉及所述醇直接電解制氫器的的集成裝置，由醇容器、制氫器、氫氣收集裝置依次管道連接構(gòu)成，所述制氫器與直流穩(wěn)壓電源、測試和控制系統(tǒng)電連接，氫氣收集裝置與負(fù)載電連接；本發(fā)明電耗低，制備電壓小，可為燃料電池及其它方面技術(shù)的實際應(yīng)用和需求提供氫源，亦可用于教學(xué)和科學(xué)實驗。
文檔編號C25B1/02GK1940138SQ200610122458
公開日2007年4月4日 申請日期2006年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月27日
發(fā)明者沈培康, 黃岳強 申請人:中山大學(xué)