CN114318402A - 一种电解水制氢电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电解水制氢电极及其制备方法，包括基体和形成在所述基体表面部分位置上的涂布区域，所述涂布区域涂覆有阳极活性物质或阴极活性物质，所述阳极活性物质为镍基氧化物、镍基氢氧化物中的至少一种，所述阴极活性物质为镍稀土合金，所述阳极活性物质或阴极活性物质采用从表层到里侧涂布量渐变的梯度分布涂布的方法实现其与基体的结合，构成电解水制氢反应的阳极或阴极。上述电解水制氢电极的使用，有效的提高了电极与电解水主板间的接触面积，大幅度降低接触电阻，进而提高制氢效率；同时由于使用了多维网络的泡沫金属，大幅度提高了电极的水传输能力，保证了纯水的供应。

Description

一种电解水制氢电极及其制备方法

技术领域

本发明主要涉及制氢电极技术领域，具体地说，涉及一种电解水制氢电极 及其制备方法。

背景技术

新能源成为越来越受重视的发展方向。氢气和氢能在这样的背景下发挥着 越来越重要的作用，根据目前的技术发展状态，氢能被认为是实现双碳目标不 可缺少的组成部分，后续对氢能的需求量将以指数级的增加，迫切需要更加经 济、高效的制氢系统，以实现制氢系统的技术升级和跨越。电解水制氢被认为 是制取氢气的主要途径，尤其是利用太阳能、风能这种波动幅度大对电网产能 冲击，而产生弃风、弃光的新能源发电系统，利用被放弃的能量进行电解水制 取氢气，使能源得到最充分的利用。随着氢气用量的不断增加，电解水技术取 得了发展和应用，主要有碱性电解水、PEM(质子交换膜)电解水等技术，但 都存在需要使用贵金属作为催化剂，尤其是PEM电解水技术，需要大量使用铂、 铱等非常稀缺的贵重金属作为催化剂，而这些贵重金属也是燃料电池的主要催 化剂，必然会出现与燃料电池争抢催化剂，造成成本难以控制的局面。而且这 些电解水技术都存在电极极化大的问题，导致电解效率低。

虽然传统电解水装置设计开发工作还在不断的进行，试图改进原有的缺陷， 但由于没有从电极结构端改变，效果相对不明显。尤其是电极设计这块，传统 的电极采用全涂布结构，造成极板水分输送和气体通道设计困难的难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电解水制氢电极及其制备方法，可 解决现有电极水分输送和气体通道设计困难的缺陷。

本发明的电解水制氢电极，包括基体和形成在所述基体表面部分位置上的 涂布区域，所述涂布区域涂覆有阳极活性物质或阴极活性物质，所述阳极活性 物质为镍基氧化物、镍基氢氧化物中的至少一种，所述阴极活性物质为镍稀土 合金，所述阳极活性物质或阴极活性物质采用从表层到里侧涂布量渐变的梯度 分布涂布的方法实现其与基体的结合，构成电解水制氢反应的阳极或阴极。

进一步地，当电解水制氢电极为阳极时，所述阳极活性物质采用从表层到 里侧涂布量逐渐递减的梯度分布涂布的方法实现其与基体的结合，构成电解水 制氢反应的阳极。

进一步地，当电解水制氢电极为阴极时，所述阴极活性物质采用从表层到 里侧涂布量逐渐递减的梯度分布涂布的方法实现其与基体的结合，构成电解水 制氢反应的阴极。

进一步地，所述基体的材料选用泡沫镍或镀镍钢带。

进一步地，所述涂布的厚度为基体厚度的1/2～2/3。

进一步地，所述阳极活性物质或阴极活性物质涂布在所述基体表面的上部、 中部或下部。

进一步地，所述电解水制氢电极的形状为长方形、正方形、圆形、三角形 中的任意一种。

进一步地，所述梯度分布涂布方法采用干法或湿法梯度分布涂布方法。

本发明的另一个方面，还提供一种电解水制氢电极制备方法，应用于其上 所述的电解水制氢电极，所述方法包括以下步骤：

S1、选取用于制作电解水制氢电极的基体；

S2、获取阳极活性物质或阴极活性物质；

S3、将所述阳极活性物质或阴极活性物质采用从表层到里侧涂布量渐变的 梯度分布涂布的方法涂覆在所述基体上，以使所述阳极活性物质或阴极活性物 质在所述基体上构成电解水制氢反应的阳极或阴极。

本发明的电解水制氢电极是一种新型高效电解水制氢电极。这种电极使用 泡沫镍作为电极的基体材料，以镍基氧化物、镍基氢氧化物单独或混合的方式 组成阳极反应的活性物质，以镍稀土合金组成阴极反应的活性物质，采用干法 或湿法梯度分布涂布的方法实现基体与活性物质的结合，构成电解水制氢反应 的阳或阴极。这种梯度分布涂布电解水制氢电极的使用，有效的提高了电极与 电解水主板间的接触面积，大幅度降低接触电阻，进而提高制氢效率；同时由 于使用了多维网络的泡沫金属，大幅度提高了电极的水传输能力，保证了纯水 的供应。这种梯度分布涂布电解水制氢电极，创新了梯度分布涂布结构，实现 了接触电阻和水传输的统一。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示 意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图 中：

图1是本发明一实施例的电解水制氢电极的主视图；

图2是图1的侧视图；

图3是本发明一种电解水制氢电极制备方法的流程图。

附图标记说明：

基体-1涂布区域-2

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征 可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1和图2所示是本发明一实施例的电解水制氢电极的结构简图，其中，图1 是主视图，图2是侧视图。该实施例的电解水制氢电极，包括基体1和形成在在 所述基体1表面部分位置上的涂布区域2，所述涂布区域2涂覆有阳极活性物质或 阴极活性物质，所述阳极活性物质为镍基氧化物、镍基氢氧化物中的至少一种， 所述阴极活性物质为镍稀土合金，所述阳极活性物质或阴极活性物质采用从表 层到里侧涂布量渐变的梯度分布涂布的方法实现其与基体1的结合，构成电解水 制氢反应的阳或阴极。上述“表层”、“里层”是相对基体的外表面进行的阐 述，涂布时靠近基体外表面的为里层，远离基体外表面的为表层。需要说明的 是，本发明中基体1推荐使用泡沫镍或镀镍钢带，但不限于使用其他泡沫金属作 为基体1材料，亦不限于使用其他二维或多孔材料。

本发明的梯度分布涂布电解水制氢电极分为电解水阳极和阴极两种，使用 相似的电极结构。其中阳极在电解水反应时处于高电位，是产生氧气的电极； 阴极在电解水反应时处于低电位，是产生氢气的电极。当电解水制氢电极为阳 极时，所述阳极活性物质采用从表层到里侧涂布量逐渐递减的梯度分布涂布的 方法实现其与基体的结合，构成电解水制氢反应的阳极；当电解水制氢电极为 阴极时，所述阴极活性物质采用从表层到里侧涂布量逐渐递减的梯度分布涂布 的方法实现其与基体的结合，构成电解水制氢反应的阴极。本梯度分布涂布电 解水制氢电极，突破了传统电极全涂布的结构设计，采用“梯度分布涂布”的 部分涂布电极结构。

本发明的电解水制氢电极有效的实现了极板接触电阻和水分传输的平衡。 泡沫镍具有多孔的海绵结构，是电池行业制作电极的重要基体1材料，本发明充 分结合了其多孔性和良好的导电性将其引入到电解水电极的制备。传统的电极 在厚度方向上是全涂布的，导致在电解水过程中尤其是电流密度增大的电解水 环境下，极板供水能力不足，引起极化增大，效率降低，甚至停止电解水的现 象。本发明使用梯度分布涂布的方式，确保电极具有满足电解水反应需求的活 性面积，同时利用多孔材料的特点，利用另一半没有涂布的电极构成了水分的 传输通道，实现了水分向电极的充足供应。同时泡沫镍是良好的电导体，加之 本发明使用的为泡沫状金属，其表面积大幅度增加，进而可以有效的降低电极 与其他部件的接触电阻，结合超声波焊接结构，可以实现电极与其他部件的焊 接，进一步降低接触电阻。两者结合实现了电极的水分供应和导电性的均衡， 大幅度提升电极性能。

本发明的双极性催化电极，阴阳极涂布的物质都不含有铂、铱等贵重且稀 有的金属，转而使用我国资源有很大优势的稀土为主要成分，且使用的为以镧 铈等储量大、但工业用量少资源严重富余的轻稀土为原料，不仅大幅度降低了 电极的成本，而且有助于改善我国稀土使用结构，将稀土资源优势转变为制氢 产业优势。也有助于将铂、铱等贵金属投入到氢燃料电池产品中，在为其提供 反应的氢气的情况下，不与其争夺资源，能够有效促进行业发展。

作为本发明的优选实施例，上述涂布区域2的厚度为基体1厚度的1/2～2/3， 优选亦可以在大于0％到小于100％范围内变化。需要说明的是，该涂布区域2可 以在基体1的一侧也可以在基体1的中间，即基体1的上部、中部和下部均可涂布， 只要不全部覆盖基体1表面即可。

在进一步的技术方案中，上述电解水制氢电极的形状为长方形、正方形、 圆形、三角形中的任意一种。当然，电解水制氢电极的形状也可为其他任意平 面形状，本发明并不受限于此。

此外，值得提及的是，上述梯度分布涂布方法具体采用干法或湿法梯度分 布涂布方法。当使用湿法梯度分布涂布方法时，一般需要将活性材料与粘合剂、 水混合为流动性浆料，即通过制备浆料、电极涂布(从表层到里侧涂布量渐变 方式)、电极烘干、电极成型的步骤完成；当使用干法梯度分布涂布方法时， 一般采用不将活性材料与粘合剂、水混合为流动性浆料，只需通过制备粉料、 粉料填充、电极成型的步骤完成。上述干法或湿法工艺参照现有技术，此处不 再赘述。

本发明的另一个方面，如图3所示，还提供一种还提供一种电解水制氢电极 制备方法，应用于其上所述的电解水制氢电极，所述方法包括以下步骤：

S1、选取用于制作电解水制氢电极的基体；

S2、获取阳极活性物质或阴极活性物质；

S3、将所述阳极活性物质或阴极活性物质采用从表层到里侧涂布量渐变的梯 度分布涂布的方法涂覆在所述基体上，以使所述阳极活性物质或阴极活性物质 在所述基体上构成电解水制氢反应的阳极或阴极。

具体地，当制备电解水制氢电极为阳极时，将所述阳极活性物质采用从表层 到里侧涂布量逐渐递减的梯度分布涂布的方法涂覆在所述基体上，以使所述阳 极活性物质在所述基体上构成电解水制氢反应的阳极；当电解水制氢电极为阴 极时，将所述阴极活性物质采用从表层到里侧涂布量逐渐递减的梯度分布涂布 的方法涂覆在所述基体上，以使所述阴极活性物质在所述基体上构成电解水制 氢反应的阴极。

上述电解水制氢电极制备方法显然具备上述电解水制氢电极的全部优点， 此处不再赘述。

综上本发明的电解水制氢电极，有效的实现了电解水制氢技术的进步，将 新型的电极结构引入制氢装置生产领域，便于实现水分输送、气体传输和接触 电阻的平衡，没有使用铂、铱等稀有贵重金属，转而使用稀土基合金，不仅有 效的控制了成本还能为整个行业资源的合理化提供保证。本发明的梯度分布涂 布电解水制氢电极在现有工业体系中，尤其是近几年动力电池产业的发展，都 有较好的实现手段，具备大批量生产的条件。随着氢能应用的普及，本制氢装 置有着广泛的市场

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电解水制氢电极，其特征在于，包括基体和形成在所述基体表面部分位置上的涂布区域，所述涂布区域涂覆有阳极活性物质或阴极活性物质，所述阳极活性物质为镍基氧化物、镍基氢氧化物中的至少一种，所述阴极活性物质为镍稀土合金，所述阳极活性物质或阴极活性物质采用从表层到里侧涂布量渐变的梯度分布涂布的方法实现其与基体的结合，构成电解水制氢反应的阳极或阴极。

2.根据权利要求1所述的电解水制氢电极，其特征在于，当电解水制氢电极为阳极时，所述阳极活性物质采用从表层到里侧涂布量逐渐递减的梯度分布涂布的方法实现其与基体的结合，构成电解水制氢反应的阳极。

3.根据权利要求1所述的电解水制氢电极，其特征在于，当电解水制氢电极为阴极时，所述阴极活性物质采用从表层到里侧涂布量逐渐递减的梯度分布涂布的方法实现其与基体的结合，构成电解水制氢反应的阴极。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电解水制氢电极，其特征在于，所述基体的材料选用泡沫镍或镀镍钢带。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的电解水制氢电极，其特征在于，所述涂布区域的厚度为基体厚度的1/2～2/3。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的电解水制氢电极，其特征在于，所述阳极活性物质或阴极活性物质涂布在所述基体表面的上部、中部或下部。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的电解水制氢电极，其特征在于，所述电解水制氢电极的形状为长方形、正方形、圆形、三角形中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的电解水制氢电极，其特征在于，所述梯度分布涂布方法采用干法或湿法梯度分布涂布方法。

9.一种电解水制氢电极制备方法，其特征在于，应用于权利要求1-8中任一项所述的电解水制氢电极，所述方法包括以下步骤：

S1、选取用于制作电解水制氢电极的基体；

S2、获取阳极活性物质或阴极活性物质；

S3、将所述阳极活性物质或阴极活性物质采用从表层到里侧涂布量渐变的梯度分布涂布的方法涂覆在所述基体上，以使所述阳极活性物质或阴极活性物质在所述基体上构成电解水制氢反应的阳极或阴极。

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