本發明專利技術屬電解水與儲能技術領域，具體為一種可以電解水制取氫氣的電池裝置。本發明專利技術的電池裝置包含三個電極：對電解水生成氫氣具有催化作用的析氫催化電極、氫氧化鎳(Ni(OH)2)電極、金屬鋅電極，電解液采用堿性電解質溶液。其在充電步驟，水分子在析氫催化電極表面被電化學還原成氫氣，同時Ni(OH)2電極被電化學氧化為NiOOH電極，在此過程中電子由Ni(OH)2電極通過外電路流向析氫催化電極；在放電步驟，正極為NiOOH電極，負極為金屬鋅電極，NiOOH電極被電化學還原成為Ni(OH)2電極，同時鋅電極被氧化。本發明專利技術將電解水制氫與電能儲存高效地結合在一起：在充電步驟中制取高純度的氫氣，在放電步驟中實現能量穩定的輸出。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬電解水與儲能
，具體涉及一種可以電解水制取氫氣的電池裝 置。
技術介紹
能源是發展國民經濟、提高人民生活質量的重要物質基礎，是直接影響經濟發展 的重要制約因素，同時也是國家戰略安全保障的基礎之一。新世紀的到來，人類社會對能源 數量、質量的需要會越來越多、越來越高，但是由于無止境的開采、挖掘，使人類賴以生存的 能源資源正在日益減少，而作為主要能源的石油、煤的貯量也正日益枯竭。同時，傳統的能 源結構和大量能源消耗，對人類生存環境造成了嚴重污染，人類呼喚著替代傳統能源的清 潔能源。為解決經濟發展與能源短缺及環境污染之間日益加劇的矛盾，開發清潔、高效、可 持續發展的新能源動力技術已成為十分緊迫的任務。發展可再生能源和能源的清潔高效利 用將是當今國際社會所面臨的重要現實問題，對整個世界經濟的可持續發展具有重要意 義。氫能源作為高效、潔凈和理想的二次能源已經受到了全世界的廣泛重視。大規模、廉價 地生產氫氣是開發和利用氫能的重要環節之一。電解水制備氫氣操作相對簡單，技術相對成熟，而且制氫過程沒有污染，是實現大 規模生產氫氣的重要手段。在當前的制氫工業生產中，堿性水電解技術工業化早、技術成 熟、設備成本低，因此堿性水電解在水電解行業中占主導地位。但因為其能耗較高，限制了 它的廣泛應用。更為重要的是，常規的電解水技術在電解過程中陰陽極同時電解生成氫氣 和氧氣，這將很容易導致氫氣和氧氣的混合，致使所制備的氣體不純，后續的提純則將大大 增大制備成本。但是其實電解水主要的目標產物是氫氣，因為氧氣在大氣中就大量存在。同時儲存可再生能源例如風能、太陽能、水力發電的能量也是目前全球人類的迫 切需求。如果從長遠的角度來看這個問題，電池儲能可能是可再生能源發電能量儲存的最 有效經濟方案。電池儲能的好處在于，可大可小，容易與各種規模的可再生能源發電相結 合;充電放電快速，直接電與電轉化，轉換效率高。但是目前還不能在同一個體系里可以同 時兼顧制氫與儲能。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提出一種可以電解水制取氫氣的電池裝置。本專利技術提出的可以電解水制取氫氣的電池裝置，其電解槽包含三個電極:對電解 水生成氫氣具有催化作用的析氫催化電極、氫氧化鎳(Ni(0H)2)電極和金屬鋅電極。與常規 電池不同，本專利技術電池裝置的充電步驟與放電步驟連接的電極并不一樣:具體的充 電步驟與放電步驟電極反應如下： 充電制氫步驟： 正極:Ni(0H)2 +OH-- e--NiOOH+H2O負極:H2O+ e- -1/2? +OH- 可見，在充電制氫步驟，水分子在析氫催化電極(即負極)表面被電化學還原成氫氣，同 時Ni(0H)2電極（即正極)被電化學氧化為NiOOH電極，在此過程中電子由Ni(0H)2電極通過外 電路流向析氫催化電極。放電能量輸出步驟： 正極:NiOOH+H20 +e- -Ni(0H)2 + 0H- 負極：Zn+ 40H- - 2e--Zn〇22- +2H2O 可見，在放電能量輸出過程，NiOOH電極（即正極)被電化學還原成為Ni(0H)2電極，同時 鋅電極（即負極)被氧化。在此過程中電子由鋅電極通過外電路流向NiOOH電極。 上述充電與放電步驟交替循環進行，實現了Ni(0H)2的循環利用，同時在充電步驟 制取了高純度的氫氣（因為并沒有電解生成氧氣），在放電步驟實現了能量的穩定輸出。 本專利技術中，所述的析氫催化電極，其電極材料包括:基于金屬鉬(Pt)等貴金屬以及 其與碳的復合物;基于Ni、Co、Fe等過渡金屬的單質或化合物，如Ni、Ni-Mo合金、Ni-Cr-Fe 合金、C〇0、Co2〇3、CoSe2、FeP;基于Cu的化合物;基于W的化合物例如WC、W2C、WS2;基于Mo的化 合物如MoS2、MoB、Mo2S;C3N4等化合物。 本專利技術中，所述的氫氧化鎳電極(Ni(0H)2)為常規鎳氫電池使用的氫氧化鎳電極， 其由活性物質Ni(0H)2和其他添加成分組成，添加成分包括:鎳粉、Co(0H)2、碳粉及粘結劑如 聚四氟乙烯等中的一種或者幾種。上述Ni(0H)2活性物質和添加成分通過混合成膜或者成 衆料的方式，壓制或者涂覆在金屬集流體上構成Ni(0H)2電極。這里金屬集流體包括:鎳網、 泡沫鎳、不銹鋼網、鈦網等。 本專利技術中，所述的金屬鋅電極，可以是金屬鋅片或由鋅粉構成的膜電極。 本專利技術中，電解液必須是堿性水溶液，包括氫氧化鉀、氫氧化鈉以及其他堿性水溶 液。為了驗證本專利技術設計的電池的性能，我們進行了實際組裝并進行了測試。經恒流 充電與放電測試，充放電曲線如圖2所示。充電過程中，展示出了優異的電解水制氫的性能， 放電步驟中實現了能量穩定的輸出。重復了5次充電制氫步驟以及放電能量輸出步驟，當 200毫安恒流充放電時，充電制氫的平均電壓在1.65V，放電的平均電壓在1.6V。而且測試了 制取的氫氣的純度，發現為高純度氫氣。綜上所述，本專利技術提出了一種可以制取氫氣的電池裝置，其在充電過程中可以電 解水制取高純度的氫氣，放電過程中可以實現能量的穩定輸出。氫氧化鎳(Ni(0H)2)電極在 充電過程中，被電化學氧化成為NiOOH電極;在放電過程中，又被電化學還原成為Ni(0H)2。 該氫氧化鎳電極的循環電化學氧化還原過程，將電解水制氫與能量儲存高效的結合在一 起。【附圖說明】圖1可以制取氫氣的電池工作示意圖。圖2制氫電池的充電與放電曲線循環示意圖。【具體實施方式】以下通過實施例對本專利技術作進一步的說明。 實施例1: 可以制氫電池裝置中，電解生成氫氣的催化電極采用鉑電極，鋅電極為商業化鋅板電 極，氫氧化鎳電極采用市場可以購買的商業化氫氧化鎳電極。三個電極面積均為20平方厘 米。電解液使用1摩爾每升的氫氧化鉀溶液，采用200毫安恒定電流充放電。首先負極連接鉑 電極，正極連接氫氧化鎳電極，200暈安電流充電600秒，平均電壓約為1.6 5V，鉬電極上生成 氫氣。然后將氫氧化鎳作為正極，鋅板電極作為負極，同樣200毫安恒流進行放電，直至電壓 降為0.5V，放電時長為600秒，電壓約為1.6V。以此循環5次，曲線如圖2循環穩定。 實施例2: 可以制氫電池裝置中，電解生成氫氣的催化電極采用M〇S2/石墨烯電極，鋅電極為商業 化鋅板電極，氫氧化鎳電極采用市場可以購買的商業化氫氧化鎳電極。三個電極面積均為 20平方厘米。電解液使用1摩爾每升的氫氧化鉀溶液，采用200毫安恒定電流充放電。首先負 極連接鉑電極，正極連接氫氧化鎳電極，200毫安電流充電600秒，平均電壓約為1.68V，鉑電 極上生成氫氣。然后將氫氧化鎳作為正極，鋅板電極作為負極，同樣200毫安恒流進行放電， 直至電壓降為〇.5V，放電時長為600秒，電壓約為1.6V。以此循環5次，循環穩定。 實施例3: 可以制氫電池裝置中，電解生成氫氣的催化電極采用C3N4/石墨烯，鋅電極為商業化鋅 板電極，氫氧化鎳電極采用市場可以購買的商業化氫氧化鎳電極。三個電極面積均為20平 方厘米。電解液使用1摩爾每升的氫氧化鉀溶液，采用200毫安恒定電流充放電。首先負極連 接鉑電極，正極連接氫氧化鎳電極，200毫安電流充電600秒，平均電壓約為1.7V，鉑電極上 生成氫氣。然后將氫氧化鎳作為正極，鋅板電極作為負極，同樣20本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種可以電解水制取氫氣的電池裝置，其特征在于，包含三個電極：對電解水生成氫氣具有催化作用的析氫催化電極、氫氧化鎳(Ni(OH)2)電極、金屬鋅電極；電解液為堿性電解質溶液?。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：王永剛，夏永姚，陳龍，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：上海;31
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