[发明专利]一种用金属制氢的电池

说明书

本发明公开了一种用金属制氢的电池，包括第一电解液槽、依次排列的设于第一电解液槽中的第一阳离子交换膜和第一阴离子交换膜，第一阳离子交换膜和第一阴离子交换膜用于将第一电解液槽沿排列方向隔出第一碱性槽、第一中性槽和第一酸性槽；电池还包括分别设于第一碱性槽、第一中性槽和第一酸性槽中的碱性电解液、中性电解液和酸性电解液；电池还包括可相互替换的设于第一碱性槽中的金属阳极或氧阴极、可相互替换的设于第一酸性槽中的析氢阴极或惰性阳极。本发明一种用金属制氢的电池，不仅能够提高制氢电池的放电电压，同时还能在金属制氢电池恢复中电合成获得新的目标产品，达到储能、节电和增益的效果。

技术领域

本发明涉及一种用金属制氢的电池。

背景技术

当前我国能源供应日趋紧张，提高能源利用效率、节约能源等任务十分紧迫。除了要提高能源的利用效率，寻找可持续应用的能源来代替传统的化石燃料能源的任务更是迫在眉睫。氢气是一种公认的可再生清洁能源，具有热值高、对环境友好等优势，可以降低对日益枯竭的化石能源的依赖。但过高的制氢成本和能耗以及制氢过程中对环境的污染，成为限制氢能得到大规模发展的不利因素。因此，开展经济环保、操作简单的氢生产技术是制氢领域的首要任务。

利用活泼金属与水结合的电化学制氢技术是一种高效、清洁、可控的制氢方式。利用活泼金属，如锂、镁、铝、锌等金属与高活性析氢电极组成一次金属—水系储氢电池，可以制取高纯度的氢气，在析氢的同时电池还可以对外进行供电。这种电池装置只需要消耗金属和水，不需要接入外电源，只需控制外部电流的大小间接地控制氢气产量。

然而，像锂、镁、铝三种金属单质过于活泼，在绝大多数电解液中都极易发生自溶解析氢，避开了电化学制氢的步骤，导致金属所蕴含的部分能量得不到利用，制氢过程中氢气产量得不到精确的控制。而专利CN101748419A公开了一种金属锂电化学制备氢气的方法，为了避免金属锂和水溶液电解液之间的副反应，该专利所述锂金属表面带有一层耐水的锂离子导电膜，这样做虽然可以使析氢过程得到控制，但使得锂金属电极的反应变得相对困难，增加了一定的能耗。

以金属锌为例。锌是一种活泼金属，锌的矿藏储量也十分的丰富，并且锌十分适合当做电池的阳极电极来使用，金属锌也是牺牲阳极进行阴极保护的常用电极材料。金属锌和水之间的反应在环境温度下是不可持续的，即锌在中性或弱酸、弱碱溶液中不易被溶解，难以与水反应置换出氢气。当溶液为强酸或强碱溶液时，锌才容易与水反应置换出氢气，且当溶液pH大于14时，锌越容易溶解和置换氢气。因此，利用电化学的方法使金属锌在强碱溶液进行反应从而置换氢气是一种有效可控的制氢方法。

然而，仅在一种电解液下工作的锌-水制氢电池具有较低的工作电压，从而导致较低的能量密度。如在强碱性电解液中，锌电极释放氢气时电极表面发生氧化反应的反应式为：Zn+4OH^-→Zn(OH)₄^2-+2e^-，析氢电极上发生还原反应的反应式为：2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-，锌电极的标准电位E⁰=-1.216V，析氢电极的标准电位E⁰=-0.828V，这种情况下，外电路得到的电池理论电压为-0.828V-(-1.216V)=0.388V，随着外电路放电电流的提高以及析氢过电位等因素作用，电池工作电压还会相应地降低。所以整个电池体系除了得到氢气之外，仅有少量的能量可以加以利用。除此之外，仅在碱性电解液下工作的锌—水制氢电池在制氢放电过程中，由于锌溶解的产物会附着在析氢电极表面，不仅影响了氢气的析出，而且会导致恒流放电的电压出现不稳定的现象。