CN106400047A - 一种等温除湿富氧电化学装置和应用 - Google Patents

一种等温除湿富氧电化学装置和应用 Download PDF

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Abstract

一种等温除湿富氧电化学装置和应用，其包括具有膜电极的水电解池和供电部件，所述膜电极包括阳极、阴极、以及置于阳极和阴极之间的电解质膜，供电部件对阳极和阴极施加电压使膜电极发生水电解反应,实现氧浓度、湿度调节，且无氢气析出。

Description

一种等温除湿富氧电化学装置和应用
技术领域
本发明涉及等温除湿富氧电化学装置，具体涉及水电解装置的结构和膜电极组成。
背景技术
采用水电解装置可获得高纯的氢气、氧气，其原理为膜两侧设有电极催化层，而得到电解质膜-电极结构体，其两侧与扩散层紧密接触构成膜电极，膜电极两侧配设有流场板，起到导电体、气液传输的作用。流场板两端施加电压，并且向阳极侧供电体供给水后，在膜电极阳极侧，水进行分解而生成氢离子和氧气，氢离子透过质子交换膜到达阴极侧，与电子结合生成氢气。所有气、液流均通过扩散层进入流场后，经流道导流下排出。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有较高的空气中水电解效率、良好工作寿命的等温除湿富氧装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种等温除湿富氧装置，其包括具有膜电极的水电解池和供电部件，所述膜电极包括阳极、阴极、以及置于阳极和阴极之间的电解质膜，供电部件对阳极和阴极施加电压使膜电极发生水电解反应,实现氧浓度、湿度调节，且无氢气析出；
所述阳极催化剂为负载型催化剂和/或非负载型催化剂，其以Ir黑、IrO2中的一种或二种以上为活性成份；其中添加或不添加助剂Ru和Sn中的一种或二种以上，助剂为催化剂中活性成份摩尔含量的0-90％，较优为0.5-60％，更优为2-40％，最优为5-20％；
所述阴极催化剂为非负载型催化剂Pt黑和/或负载型Pt催化剂；
所述阳极和/或阴极中还添加有作为吸水剂SiO2、TiO2中的一种或二种以上，以增加催化层中的水含量，其添加量为0.001mg/cm2～1mg/cm2，较优为0.005mg/cm2～0.45mg/cm2，更优为0.01mg/cm2～0.4mg/cm2，最优为0.02mg/cm2～0.3mg/cm2。
所述隔膜为下述中的一种：Nafion膜、或以PTFE或聚砜为骨架的Nafion的质量含量1-90％的增强膜、或短侧链全氟磺酸膜(如Asahi KASEI的SF-720X)、聚醚醚酮PEEK膜、聚醚砜PES膜、聚苯乙烯PS膜、聚酰亚胺PI膜、聚酰胺-酰亚胺PAI膜、聚醚亚胺PEI膜、或聚苯乙烯磺酸PSSA膜。
阳极负载型催化剂和阴极负载型Pt催化剂中载体选自：活性炭、SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2以及沸石中的一种或二种以上，负载型催化剂中载体质量含量为10-80％，较优为50-80％，更优为65-80％，最优为70-80％。
所述阳极中阳极催化剂的担载量0.01mg/cm2～20mg/cm2，优选4-6mg/cm2；阳极的其余组成物质为质子导体，阳极催化剂与质子导体质量比5：1-1：10，优选3：1-1：2；
所述阴极中阴极催化剂的担载量0.01mg/cm2～10mg/cm2，优选4-6mg/cm2；阴极的其余组成物质为质子导体，阴极催化剂与质子导体质量比5：1-1：5，优选3：1-1：1；
质子导体为Nafion、聚醚醚酮peek、聚醚砜peS、聚苯乙烯ps、聚酰亚胺pi、聚酰胺-酰亚胺pai、聚醚亚胺PEi或聚苯乙烯磺酸pssa中的一种或二种以上。
于膜电极的阳极远离电解质膜一侧设置耐氧化、具有吸湿功能的阳极扩散层，阳极扩散层中以耐氧化、具吸湿作用的金属氧化物SnO2、TiO2、SiO2中的一种或二种以上，其担载量0.01mg/cm2～10mg/cm2，较优为0.5mg/cm2～8mg/cm2，更优为1mg/cm2～5mg/cm2，最优为2mg/cm2～3mg/cm2；其余组成物质为基材，基材为泡沫镍、烧结钛、活性碳、碳纸、石墨、碳毡中的一种或二种以上，优选泡沫镍、烧结钛中的一种或二种以上。
于膜电极的阴极远离电解质膜一侧设置具有憎水功能阴极扩散层；其物质组成为Nafion和PTFE，担载量0.01mg/cm2～10mg/cm2，其中PTFE为Nafion质量的1-60％，较优为5-50％，更优为15-40％，最优为20-30％。
所述供电部件以使氢的发生电位达到-0.2～-0.7Vvs.RHE的方式控制膜电极发生水电解反应，实现阴阳极氧气与湿度调节，无氢气析出。
阳极催化剂粒径0.1-20nm，优选2-6nm；比表面积为10～100m2/g；
所述阴极催化剂粒径0.1-20nm，优选2-6nm；比表面积为10-200m2/g。一种等温(不通过温度变化，而通过电化学反应，不降低环境温度)除湿富氧装置，具有所述水电解装置，具有通过电解质膜将阳极侧和阴极侧隔离的电解池，阳极以吸湿方式将空气中的水汽富集，通过电化学方法，水在电与阳极电催化剂作用下解离出氧和质子，质子与另一侧空气中的氧再反应为水，在电解质隔膜两侧实现水与氧气的分别富集，整个反应不依赖温度变化，无氢气析出，安全性好。
所述除湿富氧装置用于房间空气除湿、富氧，或冰箱除湿。
带有吸湿膜的膜电极，该电化学装置具有除湿/富氧、加湿/脱氧功能。本发明具有如下优点：
1.等温除湿/富氧装置:以吸湿方式将空气中的水汽富集，通过电化学方法(水在电与电催化剂(Ir基，Ir-Ru,Ir-Sn,)作用下解离出氧和质子，质子与另一侧空气中的氧再反应为水)，在电解质隔膜两侧实现水与氧气的分别富集，整个反应无氢气析出，且不依赖温度变化；用途：(1).房间空气除湿、富氧，(2).冰箱除湿。
2.吸湿催化层：以SiO2，TiO2等保水剂增加催化层中的水含量
3.无碳阴极抗氧化催化剂：采用无碳催化剂载体(TiO2)，提高在氢氧反应中催化剂的抗氧化能力。
具体实施方式
实施例1
膜电极采用如下过程制备获得：
以异丙醇(也可为乙醇、乙二醇或丙三醇)为溶剂配制10wt％(可为1-10wt％)的Nafion溶液；
将Pt黑(粒径在此为2nm，可为0.1nm～20nm)和Ir黑(粒径在此为1nm，可为0.1nm～20nm)分别加入到上述溶液中超声分散1小时，再分别加入TiO2(TiO2与Pt黑和Ir黑质量比分别为1：4)，分别形成催化剂与Nafion质量比为1∶10的阴、阳极催化层前驱体浆料；
将上述催化层前驱体浆料分别喷涂到Nafion膜的两侧，溶剂挥发完毕后得到催化剂覆膜电极；TiO2担量分别为0.1mgcm-2，Pt和Ir的担量分别为0.4mgcm-2；
以乙醇(也可为乙二醇、异丙醇或丙三醇)为溶剂配制10wt％的Nafion(含量可为1wt％～10wt％)和5wt％的PTFE溶液，形成均匀阴极微孔层前驱体浆料；
将上述阴极微孔层前驱体浆料采用刮涂的方法制备到阴极扩散层上，于110℃(可为110℃-190℃)的氮气中热处理10min(可为1-10min)，冷却后得到阴极气体扩散层；
将SnO2和Nafion以质量比为1∶10置于以乙醇为溶剂配制5wt％的Nafion溶液(含量可为1wt％～10wt％)中，超声分散0.5小时，形成均匀阳极微孔层前驱体浆料；
将上述阳极微孔层前驱体浆料采用浸渍的方法浸到烧结钛基材孔道内，于190℃(可为110℃-190℃)的氮气中焙烧1min(可为1-10min)，冷却后得到阳极气体扩散层，然后将其与上述阳极催化层140℃(可为130℃-160℃)热压2min(可为1-5min)，SnO2担载量0.2mg/cm2，SnO2靠近阳极催化层侧；即得到膜电极。
将该膜电极组装成电解池，运行条件如下：
电解池通过面积10cm2电解质膜将阳极侧和阴极侧隔离成二个分别为500cm3的密闭腔室，二个腔室中为相对湿度80％的空气，于阳极和阴极上施加以使氢的发生电位达到-0.5Vvs.RHE的方式控制膜电极发生水电解反应，阳极以吸湿方式将空气中的水汽富集，通过电化学方法，水在电与阳极电催化剂作用下解离出氧和质子，质子与另一侧空气中的氧再反应为水，在电解质隔膜两侧实现水与氧气的分别富集，整个反应不依赖温度变化。60分钟后阴极侧腔室中氧体积浓度为18％，阳极侧腔室中氧体积浓度为24％。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
下表中其余条件同上述例1所述，不同之处在于：阳极和阴极上使氢的发生电位达到Vvs.RHE：-0.4,阳极催化剂粒径4nm，阴极催化剂粒径3nm；Nafion膜，阴极催化剂和阳极催化剂的担载量分别为5mg/cm2，阳极扩散层为烧结钛；阴极扩散层物质组成为Nafion和PTFE，担载量0.2mg/cm2，其中PTFE为Nafion质量的30％。
表1：实施例2中不同条件下的除湿富氧性能
由上表可以看出：无氢气析出，两腔的氧浓度随吸水剂担载量增加反应后差距越大，但超过0.5mg/cm2后效果变差；
在阳极添加助剂、在阳极和/或阴极中添加吸水剂时增氧、除湿效果较好，
且当助剂为催化剂中活性成份摩尔含量为5-20％、吸水剂0.02mg/cm2～0.3mg/cm2时效果最佳；
实施例3
下表中其余条件同上述例1所述，不同之处在于：阳极和阴极上使氢的发生电位达到Vvs.RHE：-0.4,含活性成份摩尔含量15％Ru的Ir黑阳极催化剂粒径4nm，Pt黑阴极催化剂粒径3nm；Nafion膜，阴极催化剂和阳极催化剂的担载量分别为5mg/cm2，阴极和阳极催化剂层吸水剂担载量分别为TiO20.1mg/cm2；
表2：实施例3中不同条件下的除湿富氧性能
由上表可以看出：在阳极扩散层基材烧结钛、泡沫镍时增氧、除湿效果较好，且当吸湿作用的、阴极扩散层中PTFE为Nafion质量15-40％或20-30％时效果最佳；
由于在阴极催化剂层和阳极催化剂层中加入了吸水剂、在阳极扩散层中加入量具吸湿作用的金属氧化物，膜电极的导电性降低，为增加其反应速度，可加大电解电压，但为了提高能量的转化效率，控制氢的发生电位达到-0.2～-0.7Vvs.RHE，较优-0.3～-0.4Vvs.RHE，通常可选择上述发明内容部分的较优值、更优值或最优值与之匹配；
同时，阴极催化剂和阳极催化剂分别可采用负载型催化剂，载体选自：活性炭、SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2以及沸石中的一种或二种以上，负载型催化剂中载体质量含量为10-80％，较优为50-80％，更优为65-80％，最优为70-80％。其可增加反应的活性位点，增加反应速率，但在一定时间后，应用效果与上述二个表格中数值相当。

Claims (10)

1.一种等温除湿富氧电化学装置，其特征在于：其包括具有膜电极的水电解池和供电部件，所述膜电极包括阳极、阴极、以及置于阳极和阴极之间的电解质膜，供电部件对阳极和阴极施加电压使膜电极发生水电解反应,实现氧浓度、湿度调节，且无氢气析出；
所述阳极催化剂为负载型催化剂和/或非负载型催化剂，其以Ir黑、IrO2中的一种或二种以上为活性成份；其中添加或不添加助剂Ru和Sn中的一种或二种以上，助剂为催化剂中活性成份摩尔含量的0-90％，较优为0.5-60％，更优为2-40％，最优为5-20％；
所述阴极催化剂为非负载型催化剂Pt黑和/或负载型Pt催化剂；
所述阳极和/或阴极中还添加有作为吸水剂SiO2、TiO2中的一种或二种以上，以增加催化层中的水含量，其添加量为0.001mg/cm2～1mg/cm2，较优为0.005mg/cm2～0.45mg/cm2，更优为0.01mg/cm2～0.4mg/cm2，最优为0.02mg/cm2～0.3mg/cm2。
2.根据权利要求1所述的等温除湿富氧电化学装置，其特征在于：
所述隔膜为下述中的一种：Nafion膜、或以PTFE或聚砜为骨架的Nafion的质量含量1-90％的增强膜、或短侧链全氟磺酸膜(如Asahi KASEI的SF-720X)、聚醚醚酮PEEK膜、聚醚砜PES膜、聚苯乙烯PS膜、聚酰亚胺PI膜、聚酰胺-酰亚胺PAI膜、聚醚亚胺PEI膜、或聚苯乙烯磺酸PSSA膜。
3.根据权利要求1所述的等温除湿富氧电化学装置，其特征在于：
阳极负载型催化剂和阴极负载型Pt催化剂中载体选自：活性炭、SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2以及沸石中的一种或二种以上，负载型催化剂中载体质量含量为10-80％，较优为50-80％，更优为65-80％，最优为70-80％。
4.根据权利要求1所述的等温除湿富氧电化学装置，其特征在于：
所述阳极中阳极催化剂的担载量0.01mg/cm2～20mg/cm2，优选4-6mg/cm2；阳极的其余组成物质为质子导体，阳极催化剂与质子导体质量比5：1-1：10，优选3：1-1：2；
所述阴极中阴极催化剂的担载量0.01mg/cm2～10mg/cm2，优选4-6mg/cm2；阴极的其余组成物质为质子导体，阴极催化剂与质子导体质量比5：1-1：5，优选3：1-1：1；
质子导体为Nafion、聚醚醚酮peek、聚醚砜peS、聚苯乙烯ps、聚酰亚胺pi、聚酰胺-酰亚胺pai、聚醚亚胺PEi或聚苯乙烯磺酸pssa中的一种或二种以上。
5.根据权利要求1、3或4所述的等温除湿富氧电化学装置，其特征在于：
于膜电极的阳极远离电解质膜一侧设置耐氧化、具有吸湿功能的阳极扩散层，阳极扩散层中以耐氧化、具吸湿作用的金属氧化物SnO2、TiO2、SiO2中的一种或二种以上，其担载量0.01mg/cm2～10mg/cm2，较优为0.5mg/cm2～8mg/cm2，更优为1mg/cm2～5mg/cm2，最优为2mg/cm2～3mg/cm2；其余组成物质为基材，基材为泡沫镍、烧结钛、活性碳、碳纸、石墨、碳毡中的一种或二种以上，优选泡沫镍、烧结钛中的一种或二种以上。
6.根据权利要求1、3或4所述的等温除湿富氧电化学装置，其特征在于：
于膜电极的阴极远离电解质膜一侧设置具有憎水功能阴极扩散层；其物质组成为Nafion和PTFE，担载量0.01mg/cm2～10mg/cm2，其中PTFE为Nafion质量的1-60％，较优为5-50％，更优为15-40％，最优为20-30％。
7.根据权利要求1所述的等温除湿富氧电化学装置，其特征在于：
所述供电部件以使氢的发生电位达到-0.2～-0.7Vvs.RHE的方式控制膜电极发生水电解反应，实现阴阳极氧气与湿度调节，无氢气析出。
8.根据权利要求1、3或4所述的等温除湿富氧电化学装置，其特征在于：
阳极催化剂粒径0.1-20nm，优选2-6nm；比表面积为10～100m2/g；
所述阴极催化剂粒径0.1-20nm，优选2-6nm；比表面积为10-200m2/g。
9.一种等温除湿富氧电化学装置，其特征在于：其具有权利要求1－8任一所述水电解装置，具有通过电解质膜将阳极侧和阴极侧隔离的水电解池，阳极以吸湿方式将空气中的水汽富集，通过电化学方法，水在电与阳极电催化剂作用下解离出氧和质子，质子与另一侧空气中的氧再反应为水，在电解质隔膜两侧实现水与氧气的分别富集，整个反应不依赖温度变化，无氢气析出，安全性好。
10.一种权利要求9等温除湿富氧电化学装置的应用，其特征在于：所述等温除湿富氧装置用于房间空气除湿、富氧，或冰箱除湿。
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