CN117702153A - 电解集合体及包括其的电解制氢槽 - Google Patents

电解集合体及包括其的电解制氢槽 Download PDF

Info

Publication number
CN117702153A
CN117702153A CN202410011303.7A CN202410011303A CN117702153A CN 117702153 A CN117702153 A CN 117702153A CN 202410011303 A CN202410011303 A CN 202410011303A CN 117702153 A CN117702153 A CN 117702153A
Authority
CN
China
Prior art keywords
anode
diffusion layer
electrolytic
membrane electrode
plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202410011303.7A
Other languages
English (en)
Inventor
钟建华
张文英
林广斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangzhou Debaishun Blue Diamond Technology Co ltd
Original Assignee
Guangzhou Debaishun Blue Diamond Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangzhou Debaishun Blue Diamond Technology Co ltd filed Critical Guangzhou Debaishun Blue Diamond Technology Co ltd
Priority to CN202410011303.7A priority Critical patent/CN117702153A/zh
Publication of CN117702153A publication Critical patent/CN117702153A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
    • C25B11/057—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of a single element or compound
    • C25B11/065—Carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
    • C25B11/089—Alloys

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Abstract

本发明提供一种电解集合体，所述电解集合体包括至少一个电解单元；所述电解单元包括膜电极和导电片，所述导电片与所述膜电极连接且延伸出所述外壳外与外部电源连接。提供一种电解制氢槽，包括上述所述的电解集合体。外部电源向阳极板和阴极板供电，所述膜电极上设置与其连接的导电片，使得阳极的电流从膜电极处被引出。因此，无需使用传统具有抗腐蚀性好的贵金属涂层的阳极扩散层和阳极板，极大幅降低了成本，使得PEM电解槽电解制氢技术可广泛推广。

Description

电解集合体及包括其的电解制氢槽
技术领域
本发明涉及电解制氢领域，特别涉及一种电解集合体及包括其的电解制氢槽。
背景技术
绿氢，即无碳排放的生产氢气的模式，已被诸多国家列为21世纪建立环保能源社会的重要发展路线。当下发展最热门的质子交换膜电解技术因高功率密度和出色的启停能力，使得其成为促进大规模可再生能源电解水制氢的完美技术之一。然而，质子交换膜电解槽的阳极处于强酸性环境(pH≈2)、电解电压高(约为1.4～2.0V)，多数非贵金属会腐蚀并可能与PEM中的磺酸根离子结合，进而降低PEM传导质子的能力，而使用贵金属镀层材料，高昂的成本则制约其大规模应用。
发明内容
基于上述提及的问题，有必要提供一种电解制氢槽。
一种电解集合体，所述电解集合体包括至少一个电解单元；
所述电解单元包括膜电极和导电片，所述导电片与所述膜电极连接且延伸出外壳外，所述导电片连接于所述膜电极涂布有阳极催化剂的一面。
在一个实施例中，所述导电片具有若干导电触角，各所述导电触角沿所述膜电极的周向分布且与其连接。
在一个实施例中，所述电解单元包括阳极扩散层和阳极板，所述阳极扩散层夹设于所述膜电极与所述阳极板之间。
在一个实施例中，所述阳极扩散层包括第一扩散层，所述第一扩散层叠设于所述膜电极表面，所述第一扩散层为绝缘多孔材料。
在一个实施例中，所述第一扩散层为多孔聚四氟乙烯、多孔陶瓷、纳米纤维中的一种或多种。
在一个实施例中，所述阳极扩散层还包括第二扩散层，所述第二扩散层夹设于所述第一扩散层与所述阳极板之间。
在一个实施例中，所述第二扩散层为多孔金属结构。
在一个实施例中，所述电解单元还包括第一绝缘密封垫，所述第一绝缘密封垫设置于所述导电片与所述扩散层之间。
在一个实施例中，所述电解单元还包括第二绝缘密封垫，所述第二绝缘密封垫错开所述阳极扩散层夹设于所述导电片与阳极板之间。
在一个实施例中，所述膜电极的阳极催化剂为导电金刚石基催化剂。
在一个实施例中，所述导电金刚石基催化剂为导电金刚石负载过渡金属的担载型催化剂。
在一个实施例中，所述导电片为导电铜片。
在一个实施例中，所述电解单元的数量为多个，各所述电解单元依次叠设。
一种电解制氢槽，包括上述任一项所述的电解集合体。
本发明的有益效果是：
外部电源向阳极板和阴极板供电，所述膜电极上设置与其连接的导电片，使得阳极的电流从膜电极处被引出。因此，无需使用传统具有抗腐蚀性好的贵金属涂层的阳极扩散层和阳极板，极大幅降低了成本，使得PEM电解槽电解制氢技术可广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为一实施例的电解单元的一结构示意图。
图2为一实施例的电解单元的另一结构示意图。
图3为一实施例的电解制氢槽的示意图。
图4为另一实施例的电解制氢槽的示意图。
图5为一实施例使用本发明电解槽与传统电解槽电解水制氢的效能对比。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中，一般来说，典型的PEM电解槽的结构包括双极板(含流场)、膜电极(包含阴极铂催化剂、质子交换膜、阳极催化剂)、阴极扩散层、阳极扩散层等部件。本发明在此基础上对其进行技术改进。其中，质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)，其作用为提供氢离子通道，即阳极生成的H+通过质子交换膜迁移到阴极，从而提高反应速率，提高产物生成率。
如图1、图2和图3所示，其结构包括本发明一实施例的电解集合体，具体地，所述电解集合体包括至少一个电解单元。所述电解单元包括膜电极300和导电片390，所述导电片390与所述膜电极300连接且导电片延伸出外壳外，该导电片与外部电源连接，所述导电片390连接于所述膜电极300涂布有阳极催化剂的一面上。
另外，所述电解单元还包括阳极板200和阴极板100，阴极板100、膜电极300和阳极板200依次设置。
本发明的有益效果在于：
外部电源向阳极板200和阴极板100供电，通过膜电极300上设置与其连接的导电片390，使得阳极的电流从膜电极300处被引出。因此，无需使用传统具有抗腐蚀性好的贵金属涂层的阳极扩散层320和阳极板200，极大幅降低了成本，使得PEM电解槽电解制氢技术可广泛推广。
图5为一实施例使用本发明电解槽与传统电解槽电解水制氢的效能对比。其中，本发明的实施例为使用1mm厚度铜栅导电片的电解槽结构，对比例为传统阳极钛毡镀铂0.5μm厚度，阳极流道镀铂0.55μm厚度的电解槽结构，阳极对比例相比本申请实施例多使用1.5mg/cm2的铂，其中，阴极侧采用相同结构，膜电极为阳极氧化铱1.2mgIr/cm2，阴极铂碳催化剂0.3mgPt/cm2，采用相同的N117膜，在80℃下运行测试。
由图5可见，对比例仅在低电压范围的性能略优，而在中高电压范围内，对比例与本申请实施例性能接近。对于大规模应用的电解制氢槽，按上述1.5mgPt/cm2的节省铂量，设对于20m2电极面积的电解槽，可节省300g铂资源及对应电解槽成本，由此可见，本申请在推动PEM电解水制氢的降本增效方面极为有利。
在优选的实施例中，所述阳极催化剂为导电金刚石基催化剂，所述导电金刚石耐腐蚀性强，且导电金刚石基催化剂能够在高电位下电氧化分解，比起传统PEM电解水系统，对水质要求更低，可降低系统的水处理成本。进一步的，例如，所述阳极催化剂为导电金刚石复合过渡金属的结构，例如，所述过渡金属包括铁、钴、镍、钛、锰、铜、钼中的一种或多种。
在本实施例中，所述的导电金刚石基催化剂能显著提高阳极非贵金属的金属氧化物催化剂活性位点存活率，提高催化剂的使用寿命。且相较于由金属氧化物形成的传统催化剂层，本实施例中的担载型催化剂可使催化剂电子电导率显著提高，同时结构化的催化剂有利于电解槽在高电流密度下运行。
具体地，在一个实施例中，如图2所示，所述导电片390具有若干导电触角391，各所述导电触角391沿所述膜电极300的周向分布且与其连接。使得阳极的电流能够沿着导电片390周向引出，使其能均匀周向引出阳极电流。
在一个实施例中，所述导电片390为导电铜片，例如，铜栅，导电铜片可以起到良好的导电作用，将膜电极300上的电流引出。
应该理解的是，例如，所述电解单元包括阳极扩散层320和阳极板200，所述阳极扩散层320夹设于所述膜电极300与所述阳极板200之间，一个实施例中，所述阳极扩散层320包括第一扩散层321，所述第一扩散层321叠设于所述膜电极300表面，所述第一扩散层321为绝缘多孔材料，具体地，所述的第一扩散层321为抗腐蚀的绝缘多孔材料，用于导水排气。更具体地，例如，所述第一扩散层321为多孔聚四氟乙烯、多孔陶瓷、纳米纤维中的一种或多种，或者，其他绝缘多孔材料，本实施例中，不一一累述。
在一个实施例中，所述阳极扩散层320还包括第二扩散层322，所述第二扩散层322夹设于所述第一扩散层321与所述阳极板200之间。例如，所述第二扩散层322为多孔金属材料。所述多孔金属材料可将膜电极300的电流向电极板引，其中，所述多孔金属材料起着导水排气的作用。例如，所述多孔金属材料为多孔钛，例如，钛网、多孔烧结钛板、钛纤维毡等，本实施例中，不一样进行累述。
在一个实施例中，所述电解单元还包括第一绝缘密封垫380，所述第一绝缘密封垫380设置于所述导电片390与所述扩散层之间，具体地，第一扩散层321与导电片390均设置于膜电极300的同侧表面，其中，第一绝缘密封垫380设置于第一扩散层321与导电片390之间形成的间隙之间，该第一绝缘密封垫380实现两者之间的绝缘密封。
在一个实施例中，所述电解单元还包括第二绝缘密封垫370，所述第二绝缘密封垫370错开所述阳极扩散层320夹设于所述导电片390与阳极板200之间，所述第二绝缘密封垫370对所述导电片390实现密封，避免导电片390接触水发生氧化(例如铜等金属)，且膜电极300结构吸水易膨胀，在紧固的电解单元中，所述第二绝缘密封垫370可起机械缓冲作用，同时起到防水防气互相渗透的作用。
在一个实施例中，所述阳极板200朝向所述膜电极300的一面开设有阳极流道209，所述阳极流道209的一端为阳极进口201，所述阳极流道209的另一端为阳极出口202，所述阳极出口202用于出氧气。应该理解的是，阳极板200的阳极流道209对应膜电极300上设置有阳极催化剂的部分设置，或者，阳极板200的阳极流道209对应阳极扩散层320设置。
应该理解的是，电解单元还包括阴极板100和阴极扩散层310，所述阴极板100、阴极扩散层310、膜电极300、阳极扩散层320、阳极板200依次叠设。所述阴极板100开设有阴极流道109，所述阴极流道109一端为阴极进口101或不设置阴极进口101，所述阴极流道109的另一端为阴极出口102，该阴极出口102排出氢气。
在一个实施例中，所述阴极扩散层310为金属多孔网，其中，该阴极扩散层310起着导水、排气和导电等功能，例如，所述阴极扩散层310为多孔烧结钛板，或者，所述阴极扩散层310为钛纤维毡，本实施例中，不一一进行赘述。
本发明提供一种电解集合体，包括若干各上述所述的电解单元，各电解单元叠设设置。若干个电解单元堆叠时，电解单元的其余部分结构如上述所述的，然而，为了分离氢气通道和氧气通道，例如，如图4所示的，所述阳极板200均开设有阳极流道209，所述阳极流道209的一端为阳极进口201，阳极流道209的另一端为阳极出口202，所述阴极均开设有阴极流道109，所述阴极流道109的一端为阴极进口101，所述阴极流道109的另一端为阴极出口102，在一个实施例中，所述膜电极300、所述阴极板100排布开设有阳极连通孔(应该理解的是，该阳极连通孔错开阴极板100的阴极通道以及膜电极300催化剂部分)，该阳极连通孔第一端连通前一阳极板200的阳极流道209的阳极出口202，该阳极连通孔第二端连通后一阳极板200的阳极进口201，所述膜电极300、所述阳极板200排布开设有阴极连通孔(应该理解的是，该阴极连通孔错开阳极板200的阳极通道以及膜电极300催化剂部分，且错开所述阳极连通孔)，该阴极连通孔第一端连通前一阴极板100的阴极流道109的阴极出口102，该阴极连通孔第二端连通后一阴极板100的阴极流道109的阴极进口101。从而，分离开氢气流道和氧气流道，避免互相渗透混合。
应该理解的是，阴极板100、膜电极300之间，以及阳极板200、膜电极300之间均设置有密封垫，以实现密封隔水、防止气体互相渗透、缓冲整体电解结构等作用。
本发明提供一种电解制氢槽，如图3所示，包括上述所述的电解集合体，还包括端板900等部件，所述端板900设置于电解集合体两侧。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种电解集合体，其特征在于，所述电解集合体包括至少一个电解单元；
所述电解单元包括膜电极和导电片，所述导电片与所述膜电极连接且所述导电片延伸出外壳外，所述导电片连接于所述膜电极涂布有阳极催化剂的一面上。
2.根据权利要求1所述的电解集合体，其特征在于，所述导电片具有若干导电触角，各所述导电触角沿所述膜电极的周向分布且与其连接。
3.根据权利要求1所述的电解集合体，其特征在于，所述电解单元包括阳极扩散层和阳极板，所述阳极扩散层夹设于所述膜电极与所述阳极板之间。
4.根据权利要求3所述的电解集合体，其特征在于，所述阳极扩散层包括第一扩散层，所述第一扩散层叠设于所述膜电极表面，所述第一扩散层为绝缘多孔材料。
5.根据权利要求4所述的电解集合体，其特征在于，所述第一扩散层为多孔聚四氟乙烯、多孔陶瓷、纳米纤维中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的电解集合体，其特征在于，所述阳极扩散层还包括第二扩散层，所述第二扩散层夹设于所述第一扩散层与所述阳极板之间。
7.根据权利要求6所述的电解集合体，其特征在于，所述第二扩散层为多孔金属结构。
8.根据权利要求3所述的电解集合体，其特征在于，所述电解单元还包括第一绝缘密封垫，所述第一绝缘密封垫设置于所述导电片与所述扩散层之间。
9.根据权利要求3所述的电解集合体，其特征在于，所述电解单元还包括第二绝缘密封垫，所述第绝二缘密封垫错开所述阳极扩散层夹设于所述导电片与阳极板之间。
10.根据权利要求1所述的电解集合体，其特征在于，所述膜电极的阳极催化剂为导电金刚石基催化剂。
11.根据权利要求10所述的电解集合体，其特征在于，所述导电金刚石基催化剂为导电金刚石负载过渡金属的担载型催化剂。
12.根据权利要求1所述的电解集合体，其特征在于，所述导电片为导电铜片。
13.根据权利要求1所述的电解集合体，其特征在于，所述电解单元的数量为多个，各所述电解单元依次叠设。
14.一种电解制氢槽，其特征在于，包括权利要求1-13任一项所述的电解集合体。
CN202410011303.7A 2024-01-02 2024-01-02 电解集合体及包括其的电解制氢槽 Pending CN117702153A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202410011303.7A CN117702153A (zh) 2024-01-02 2024-01-02 电解集合体及包括其的电解制氢槽

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202410011303.7A CN117702153A (zh) 2024-01-02 2024-01-02 电解集合体及包括其的电解制氢槽

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117702153A true CN117702153A (zh) 2024-03-15

Family

ID=90149973

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202410011303.7A Pending CN117702153A (zh) 2024-01-02 2024-01-02 电解集合体及包括其的电解制氢槽

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117702153A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106575776B (zh) 与电化学电池一起使用的流场
JPH04259759A (ja) 固体高分子電解質燃料電池及び電解セルの隔膜加湿構造
EP2612390B1 (en) Assembly for reversible fuel cell
CN112838232B (zh) 一种全通孔金属纤维烧结体燃料电池双极板及燃料电池堆
US20150333340A1 (en) Flow fields for use with an electrochemical cell
CN1783555A (zh) 双极板和液体式直接燃料电池的电池堆
CN211556044U (zh) 一种纯水产氢电解槽
CN216585241U (zh) 电解水制氢装置
CN117305857A (zh) 一种pem水电解槽极板结构及电解槽
CN114657583A (zh) 一种双极板及水电解槽
CN108598543B (zh) 一种液流电池
CN116590728A (zh) Aem电解水制氢电解槽
KR100704437B1 (ko) 비전도성 분리판을 구비한 전기화학 단위 셀 및 이를 이용한 전기화학 셀 조립체
CN114737211B (zh) 一种质子交换复合增强膜、制备方法、水电解膜电极及应用
EP1724861A1 (en) Novel materials for alkaline electrolysers and alkaline fuel cells
CN117702153A (zh) 电解集合体及包括其的电解制氢槽
CN115094452A (zh) 一种复合极框和电解槽
CN115341230A (zh) 一种pem电解槽电解小室结构
US7767360B2 (en) Electrochemical cell apparatus
RU194839U1 (ru) Регенеративный топливный элемент с открытым катодом
CN219959052U (zh) 一种质子交换膜水电解槽膜电极封装构件
CN217809693U (zh) 一种复合极框和电解槽
CN221918261U (zh) 一种直接电解海水制氢电解槽
CN219689886U (zh) 一种电化学电解槽
CN219696491U (zh) 一种一体化烧结双极板

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination