CN117721484A - 一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法 - Google Patents
一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117721484A CN117721484A CN202311747867.9A CN202311747867A CN117721484A CN 117721484 A CN117721484 A CN 117721484A CN 202311747867 A CN202311747867 A CN 202311747867A CN 117721484 A CN117721484 A CN 117721484A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- catalyst
- catalytic
- loading
- exchange membrane
- catalyst loading
- 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.)
- Granted
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims abstract description 354
- 238000011068 loading method Methods 0.000 title claims abstract description 287
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 title claims abstract description 264
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 131
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 title claims abstract description 82
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 63
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 title claims abstract description 41
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims abstract description 76
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 53
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 41
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 36
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 36
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 51
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 claims description 46
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 42
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 22
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 19
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 9
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 4
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 claims description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 24
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 24
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 20
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 7
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 121
- 239000000976 ink Substances 0.000 description 56
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 38
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 38
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 20
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 19
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 18
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 18
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- -1 platinum group metals Chemical class 0.000 description 9
- 238000013316 zoning Methods 0.000 description 8
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N dioxoiridium Chemical compound O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910000457 iridium oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 2
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- 238000010345 tape casting Methods 0.000 description 2
- 238000010023 transfer printing Methods 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N alstonine Natural products C1=CC2=C3C=CC=CC3=NC2=C2N1C[C@H]1[C@H](C)OC=C(C(=O)OC)[C@H]1C2 WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N 0.000 description 1
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 description 1
- 239000007888 film coating Substances 0.000 description 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000002535 lyotropic effect Effects 0.000 description 1
- 238000009828 non-uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000581 reactive spray deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法，涉及电解池技术领域。本发明对质子交换膜电解池的催化层进行催化剂载量分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行匹配，并按照不同催化层区域上催化剂的载量要求调控各分区的催化剂载量。本发明针对质子交换膜电解槽流道中物质运输的特性，采用了与通道水分布相适配的催化层分区设计，在保证电解池极化性能和产氢速率基本不变的同时，降低了催化剂材料的使用量，适用于大规模、高功率的工业质子交换膜电解槽设备中，具有非常广阔的技术前景与经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及电解池技术领域，特别是涉及一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法。
背景技术
氢作为一种清洁能源载体，其分子结构显示出其强大的发展潜力，并有望取代传统化石燃料能源，建立无碳能源的未来。氢能通常与可再生能源相结合以实现无碳能量循环，而水电解制氢技术被认为是未来可持续能源系统的关键要素。
质子交换膜电解池是电解水制氢技术的一种，其可以在低温下工作，具有较高的能量效率、更高的气体纯度、更大的负荷范围、更紧凑的结构，以及更快的可再生能源响应速度等优点。然而，随着大规模可再生能源的发展，对电解池的成本和性能要求越来越高。膜电极是质子交换膜电解池最大的成本贡献者，约占总成本的40％，这主要是由于质子交换膜电解池中大量使用铂族金属作为催化剂而造成的。
质子交换膜电解池需要在酸性环境下工作，而只有铂族金属可以承受工作过程中恶劣的氧化环境并实现催化效果，特别是在高电流密度下工作时。但有限的年开采能力和铂族金属的高成本限制了质子交换膜电解池技术的发展。通常，铂黑催化剂用于阴极析氢反应，而铱基催化剂用于阳极析氧反应，且催化剂用量很大：商业质子交换膜电解槽中使用的铂族金属约为2～3mg/cm2，其中阴极上使用0.5～1mg/cm2铂黑，在阳极上使用1.5～2.5mg/cm2铱或钌(氧化物)。而由于铂族金属的稀缺性，这种催化剂负载过高，无法满足能源市场以及可再生能源发展的长期成本目标。
近年来，人们为减少铂族金属的用量和降低材料成本做出了一些努力。一种解决方案是使用大比表面积的电催化剂载体。这种负载型催化剂可以在保持铂族金属的催化活性的同时减少铂族金属的用量，从而在保持电解池性能的同时降低催化剂的成本；一些减少催化剂层中铂族金属催化剂负载的制备方法和技术也被广泛研究，如原子层沉积法、低温显微样品制备方法、改性易溶熔盐法、反应喷雾沉积技术等。另一种解决方案是开发无铂或超低铂负载的催化剂，使其具有竞争性的催化活性、耐用性和低成本。一些层状过渡金属硫化物如MoS2已经被开发出来，并且被证明是铂催化剂的潜在替代品。
以上方法都是从材料层面提高催化剂的催化性能从而降低成本，而通常情况下，电解池中的水分布是极其不均匀的，这导致了在整个电解池催化层表面，催化剂的利用率是不高的，从而使得多余的催化剂没有充分发挥其性能，造成了催化剂材料的浪费以及成本的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法，以解决上述现有技术存在的问题。本发明针对电解池中反应物的分布情况，提供了一种催化层分区方法，该种分区方法通过改变催化剂载量的分布以匹配电解池中水含量的分布，能够在基本不牺牲电解池性能的前提下降低催化剂总载量，对于提高催化剂的利用率，降低催化剂的总载量，提高质子交换膜电解池的性价比具有巨大潜力和应用前景。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明目的之一：提供一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法，包括以下步骤：
对质子交换膜电解池的催化层进行催化剂载量分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行正相关匹配；本发明的这种载量与电解池内部水含量正相关匹配的分区设计方式不限于质子交换膜电解池本身的流道结构或电极结构；
按照不同催化层区域上催化剂的载量要求调控各分区的催化剂载量。
本发明在具体催化层分区操作中，既可以通过配备一系列不同浓度的催化剂墨并分别沉积到指定分区，也可以通过使用同一种催化剂墨但控制不同分区的沉积时间或次数，来实现催化剂载量的差异化分配。
进一步地，本发明所述质子交换膜电解池催化层分区方法按照如下方法一进行：
(1)按照质子交换膜电解池内部水分布的情况对质子交换膜电解池的催化层进行催化剂载量分区匹配设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量适配；
(2)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；
(3)按照催化剂的浓度要求，根据阴极和阳极的催化剂材料，分别配制出满足浓度需求的催化剂墨；
(4)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将对应浓度的催化剂墨沉积在基质材料表面设定的催化区域上，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区。
进一步地，本发明所述质子交换膜电解池催化层分区方法按照如下方法二进行：
(1)按照质子交换膜电解池内部水分布的情况对质子交换膜电解池的催化层进行催化剂载量分区匹配设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量适配；
(2)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；
(3)针对阴极和阳极，对步骤(2)获得的一系列浓度值分别确定出浓度的最大公因数，作为标准催化剂浓度；
(4)使用阴极催化材料和阳极催化材料，分别配制出阴极和阳极的标准浓度催化剂墨；
(5)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将标准载量浓度的催化剂墨，在基质材料的不同区域上进行不同次数的沉积，沉积次数根据沉积区域要求的催化剂墨浓度与标准载量浓度的比来确定，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区。
更进一步地，质子交换膜电解池中流道包括蛇形流道、平行流道、叉指流道、蛇形-平行混合流道、螺旋流道、网状流道或是特殊设计的圆形流道等一切适配于质子交换膜电解池的流道结构。
本发明目的之二：提供一种基于催化剂载量调控的蛇形流道质子交换膜电解池催化层分区方法，包括以下步骤：
(1)按照蛇形流道质子交换膜电解池内部水分布的情况对蛇形流道质子交换膜电解池催化层进行分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行匹配：
将一个电解池宽度作为一个蛇形流道分区的衡量单元，以个电解池宽度为一个蛇形流道分区单元，沿流体流动方向对蛇形流道进行分区；其中m，n为≥1的整数；
(2)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；
(3)按照催化剂的浓度要求，根据阴极和阳极的催化剂材料，分别配制出满足浓度需求的催化剂墨；
(4)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将对应浓度的催化剂墨沉积在基质材料表面设定的催化区域上，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的蛇形流道质子交换膜电解池催化层分区。
本发明目的之三：提供另一种基于催化剂载量调控的蛇形流道质子交换膜电解池催化层分区方法，包括以下步骤：
(1)按照蛇形流道质子交换膜电解池内部水分布的情况对蛇形流道质子交换膜电解池催化层进行分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行匹配：
将一个电解池宽度作为一个蛇形流道分区的衡量单元，以个电解池宽度为一个蛇形流道分区单元，沿流体流动方向对蛇形流道进行分区；其中m，n为≥1的整数；
(3)针对阴极和阳极，对步骤(2)获得的一系列浓度值分别确定出浓度的最大公因数，作为标准催化剂浓度；
(4)使用阴极催化材料和阳极催化材料，分别配制出阴极和阳极的标准浓度催化剂墨；
(5)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将标准载量浓度的催化剂墨，在基质材料的不同区域上进行不同次数的沉积，沉积次数根据沉积区域要求的催化剂墨浓度与标准载量浓度的比来确定，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的蛇形流道质子交换膜电解池催化层分区。
进一步地，本发明上述蛇形流道质子交换膜电解池催化层分区方法为，从蛇形流道的入口到出口，分区单元的催化剂载量依次以5％的梯度逐级递减。
本发明目的之四：提供一种基于催化剂载量调控的平行流道质子交换膜电解池催化层分区方法，包括以下步骤：
(1)按照平行流道质子交换膜电解池内部水分布的情况对平行流道质子交换膜电解池催化层进行分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行匹配：
在入口总管下的催化区域给予最大的催化剂载量权重(100％)，在出口总管下的催化区域给予所述最大的催化剂载量权重一半的催化剂载量权重(50％)；针对平行子通道催化区域，最靠近出口的两个区域相对入口总管从外向内以10％梯度逐级递减，其余平行子通道催化区域采用两头多中间少的抛物状催化剂载量分布，且两头催化剂载量由靠近出口的两个子通道催化区域下的催化载量以10％梯度递减确定，而从两边到中间催化载量以10％梯度逐级递减；
(2)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；
(3)按照催化剂的浓度要求，根据阴极和阳极的催化剂材料，分别配制出满足浓度需求的催化剂墨；
(4)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将对应浓度的催化剂墨沉积在基质材料表面设定的催化区域上，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的平行流道质子交换膜电解池催化层分区。
本发明目的之五：提供另一种基于催化剂载量调控的平行流道质子交换膜电解池催化层分区方法，包括以下步骤：
(1)按照平行流道质子交换膜电解池内部水分布的情况对平行流道质子交换膜电解池催化层进行分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行匹配：
在入口总管下的催化区域给予最大的催化剂载量权重(100％)，在出口总管下的催化区域给予所述最大的催化剂载量权重一半的催化剂载量权重(50％)；针对平行子通道催化区域，最靠近出口的两个区域相对入口总管从外向内以10％梯度逐级递减，其余平行子通道催化区域采用两头多中间少的抛物状催化剂载量分布，且两头催化剂载量由靠近出口的两个子通道催化区域下的催化载量以10％梯度递减确定，而从两边到中间催化载量以10％梯度逐级递减；
(2)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；
(3)针对阴极和阳极，对步骤(2)获得的一系列浓度值分别确定出浓度的最大公因数，作为标准催化剂浓度；
(4)使用阴极催化材料和阳极催化材料，分别配制出阴极和阳极的标准浓度催化剂墨；
(5)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将标准载量浓度的催化剂墨，在基质材料的不同区域上进行不同次数的沉积，沉积次数根据沉积区域要求的催化剂墨浓度与标准载量浓度的比来确定，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的平行流道质子交换膜电解池催化层分区。
本发明还进一步对所述平行子通道催化区域进行N级分区，各平行管道靠近入口总管的区域催化剂载量不变，且各平行管道催化区域的催化剂载量沿靠近出口总管方向以5％梯度逐级递减；其中N为≥2的整数。
本发明针对蛇形流道质子交换膜电解槽，采用沿流道逐渐减小催化剂载量的催化层分区方案，针对平行流道质子交换膜电解槽，采用入口总管大载量、出口总管小载量、中间子流道载量钩状抛物线分布的催化层分区方案。
本发明公开了以下技术效果：
1.本发明针对质子交换膜电解槽流道中物质运输的特性，采用了与通道水分布相适配的催化层分区设计，在保证电解池极化性能和产氢速率基本不变的同时，降低了催化剂材料的使用量，从而提升了电解池的整体性价比。
2.本发明催化层分区策略无需对质子交换膜电解槽的现有结构进行大的改动，也不需要增加额外的系统配件，仅需对催化剂沉积工艺进行小的改动即可实施，与现有的电解槽生产工艺十分兼容。
3.本发明催化层分区策略尤其适合大规模、高功率的质子交换膜电解槽，针对其较大的电极面积，可以降低催化剂分区沉积的技术难度与精度要求，从而降低该种特殊催化层的制造成本。
4.本发明的催化层分区策略可以全面应用于不同类型的流道结构，针对其特有的水分布特性进行相应的催化层分区设计，适用范围极广。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为蛇形流道和平行流道结构示意图；其中，(a)为蛇形流道，(b)为平行流道；
图2为本发明两种分区方法的流程示意图；
图3为本发明实施例1蛇形流道分区方案一的分区示意图；
图4为本发明实施例2蛇形流道分区方案二的分区示意图；
图5为本发明实施例3蛇形流道分区方案三的分区示意图；
图6为本发明实施例4蛇形流道分区方案四的分区示意图；
图7为本发明实施例5平行流道分区方案一的分区示意图；
图8为本发明实施例6平行流道分区方案二的分区示意图；
图9为本发明实施例7平行流道分区方案三的分区示意图；
图10为本发明实施例8平行流道分区方案四的分区示意图；
图11为本发明实施例1-4蛇形流道中四种不同的分区方案对电解池极化曲线的影响；
图12为本发明实施例1-4蛇形流道中四种不同的分区方案对电解池产氢性能的影响；
图13为本发明实施例1-4蛇形流道中四种不同的分区方案对催化剂利用率的影响；
图14为本发明实施例5-8平行流道中四种不同的分区方案对电解池极化曲线的影响；
图15为本发明实施例5-8平行流道中四种不同的分区方案对电解池产氢性能的影响；
图16为本发明实施例5-8平行流道中四种不同的分区方案对催化剂利用率的影响。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法采用的催化层分区原理、催化层分区过程、具体实施例及电解池性能表现如下所述：
(1)催化层分区原理：
对于质子交换膜电解槽而言，反应物水需要通过双极板上的流道实现运输。而由于流道的不均匀分布特性以及水在流道中的不断消耗，反应物水在整个电解槽内部的分布是极其不均匀的：一些位置的水分较充足，从而所需要的催化载量就大；而另一些位置的水分较少，如果仍使用等量催化剂，会使得催化剂性能没有得到完全发挥，造成了不必要的浪费。
如图1所示，对于经典的蛇形流道和平行流道，其水分布有着各自的特点，但都存在一定程度的不均匀性。本发明根据不同流道设计下反应物水的分布特性，对质子交换膜电解槽的催化层进行不同程度的分区，以使得每个分区的催化剂载量能够匹配当地反应物水的含量，从而提高催化剂的利用率，并降低总催化剂使用量。
(2)催化剂载量分区过程
如图2所示，本发明中实施质子交换膜电解池催化层催化剂载量分区过程主要可以有两种方法进行：
方法一：
(1)首先根据催化剂载量分区的设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；
(2)按照催化剂的浓度要求，使用阴极和阳极的催化剂材料(通常阴极催化材料为铂，阳极催化材料为氧化铱和氧化钌的混合物)，分别配制出满足浓度需求的催化剂墨，并分开进行整理；
(3)按照所设计的催化层分区方案，使用沉积设备，将对应浓度的催化剂墨沉积在基质材料(涂覆方法不限，如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)表面特定的催化区域上(沉积方法不限，如喷涂、刮涂、转印等)；
(4)在基质上获得催化剂载量优化分布后的催化层，实现分区。
方法二：
(1)首先根据催化剂载量分区的设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；
(2)针对阴极和阳极，对上步中获得的一系列浓度值分别确定出浓度的最大公因数，作为标准催化剂浓度；
(3)使用阴极催化材料(通常是铂)和阳极催化材料(通常是氧化铱和氧化钌的混合物)，分别对阴阳极配制出标准浓度的催化剂墨；
(4)根据催化层分区的方案，使用沉积设备，将标准载量浓度的催化剂墨，在基质材料(涂覆方法不限，如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)的不同区域上进行不同次数的沉积(沉积方法不限，如喷涂、刮涂、转印等)，沉积次数根据沉积区域要求的催化剂墨浓度与标准载量浓度的比来确定；
(5)在基质上获得催化剂载量优化分布的催化层，实现分区。
图2为本发明两种分区方法的流程示意图。
值得一提的是，其他能够实现催化层催化载量与质子交换膜电解池内部水分布相匹配的设计方法以及催化剂载量在催化层中差异化分布的方法，也在本发明的保护范围以内。
下面结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步详细的说明：
实施例1
图3展示了本发明中一个针对蛇形流道质子交换膜电解槽的实施案例(蛇形流道分区方案一)：该催化层被分为九个条形区域，每一个条形区域对应一节流道及其周围的肋板区域。从蛇形流道的入口到出口，条形区域上的催化剂载量以5％的速度逐级递减，其中靠近入口处的催化剂载量设为100％。这种方法可以有效匹配蛇形流道中水含量的逐渐减少(如图1所示)，从而提高催化剂的利用效率。
该方案中所描述的载量分布以相对载量的形式描述，所定义的参考催化剂载量浓度为：阴极0.6mg/cm2Pt，阳极3mg/cm2Ir/RuO2，并以数字1进行归一化。按照方法一，则需要对阴极配备出催化载量分别为0.6mg/cm2 Pt、0.57mg/cm2 Pt、0.54mg/cm2 Pt、0.51mg/cm2Pt、0.48mg/cm2 Pt、0.45mg/cm2 Pt、0.42mg/cm2 Pt、0.39mg/cm2 Pt、0.36mg/cm2 Pt的催化剂墨，对阳极配备出载量分别为3mg/cm2 Ir/RuO2、2.85mg/cm2 Ir/RuO2、2.7mg/cm2 Ir/RuO2、2.55mg/cm2Ir/RuO2、2.4mg/cm2 Ir/RuO2、2.25mg/cm2 Ir/RuO2、2.1mg/cm2 Ir/RuO2、1.95mg/cm2 Ir/RuO2、1.8mg/cm2 Ir/RuO2的催化剂墨，接着按照图3所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，分别将催化剂墨沉积在对应基质相应的催化区域上(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。按照方案二，根据所需的一系列催化剂载量，需要配备出0.03mg/cm2 Pt的阴极标准浓度催化剂墨和0.15mg/cm2 Ir/RuO2的阳极标准浓度催化剂墨，接着按照图3所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，在相应基质上不同的催化区域(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，以不同的沉积次数(如区域所需的阳极载量为1.8mg/cm2 Ir/RuO2，则需要沉积12次)，将标准催化剂墨分多次沉积在基质上的相应催化区域，全部区域多次沉积后即可在基质上获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。
实施例2
图4展示了本发明中的另一个针对蛇形流道质子交换膜电解槽的实施案例(蛇形流道分区方案二)：该催化层被分为十二个区域，每一个区域对应一部分流道以及其周围的肋板区域。从蛇形流道的入口到出口，区域上的催化剂载量以5％的速度逐级递减；与上述方案不同的是，该方法每隔四分之三个电解池宽度载量就递减一次，以更精细地匹配通道中的水含量，使得催化剂利用率进一步增强。该方案中所描述的载量分布同样以相对载量的形式描述，并根据参考催化剂载量浓度进行归一化。按照方法一，则需要对阴极配备出催化载量分别为0.60mg/cm2 Pt、0.57mg/cm2 Pt、0.54mg/cm2 Pt、0.51mg/cm2 Pt、0.48mg/cm2Pt、0.45mg/cm2 Pt、0.42mg/cm2 Pt、0.39mg/cm2 Pt、0.36mg/cm2 Pt、0.33mg/cm2 Pt、0.30mg/cm2 Pt、0.27mg/cm2 Pt、0.24mg/cm2 Pt的催化剂墨，对阳极配备出载量分别为3mg/cm2 Ir/RuO2、2.85mg/cm2 Ir/RuO2、2.7mg/cm2 Ir/RuO2、2.55mg/cm2 Ir/RuO2、2.4mg/cm2Ir/RuO2、2.25mg/cm2 Ir/RuO2、2.1mg/cm2Ir/RuO2、1.95mg/cm2 Ir/RuO2、1.8mg/cm2 Ir/RuO2、1.65mg/cm2 Ir/RuO2、1.5mg/cm2 Ir/RuO2、1.35mg/cm2 Ir/RuO2、1.2mg/cm2 Ir/RuO2的催化剂墨，接着按照图4所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，分别将催化剂墨沉积在对应基质相应的催化区域上(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。按照方案二，根据所需的一系列催化剂载量，需要配备出0.03mg/cm2 Pt的阴极标准浓度催化剂墨和0.15mg/cm2 Ir/RuO2的阳极标准浓度催化剂墨，接着按照图4所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，在对应基质上不同的催化区域(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，以不同的沉积次数(如区域所需的阳极载量为1.8mg/cm2Ir/RuO2，则需要沉积12次)，将标准催化剂墨分多次沉积在基质上的相应催化区域，全部区域多次沉积完成后，即可在基质上获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。
实施例3
图5展示了本发明中的另一个针对蛇形流道质子交换膜电解槽的实施案例(蛇形流道分区方案三)：该催化层被分为十四个区域，每一个区域对应一部分流道以及其周围的肋板区域。从蛇形流道的入口到出口，区域上的催化剂载量以5％的速度逐级递减；与上述方案不同的是，该方法每隔三分之二个电解池宽度载量就递减一次，以更精细地匹配通道中的水含量，使得催化剂利用率进一步增强。该方案中所描述的载量分布同样以相对载量的形式描述，并根据参考催化剂载量浓度进行归一化。按照方法一，则需要对阴极配备出催化载量分别为0.60mg/cm2 Pt、0.57mg/cm2 Pt、0.54mg/cm2 Pt、0.51mg/cm2 Pt、0.48mg/cm2Pt、0.45mg/cm2 Pt、0.42mg/cm2 Pt、0.39mg/cm2 Pt、0.36mg/cm2 Pt、0.33mg/cm2 Pt、0.30mg/cm2 Pt、0.27mg/cm2 Pt、0.24mg/cm2 Pt、0.21mg/cm2 Pt的催化剂墨，对阳极配备出载量分别为3mg/cm2 Ir/RuO2、2.85mg/cm2 Ir/RuO2、2.7mg/cm2 Ir/RuO2、2.55mg/cm2 Ir/RuO2、2.4mg/cm2 Ir/RuO2、2.25mg/cm2Ir/RuO2、2.1mg/cm2 Ir/RuO2、1.95mg/cm2 Ir/RuO2、1.8mg/cm2 Ir/RuO2、1.65mg/cm2 Ir/RuO2、1.5mg/cm2 Ir/RuO2、1.35mg/cm2 Ir/RuO2、1.2mg/cm2 Ir/RuO2、1.05mg/cm2 Ir/RuO2的催化剂墨，接着按照图5所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，分别将催化剂墨沉积在对应基质相应的催化区域上(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。按照方案二，根据所需的一系列催化剂载量，需要配备出0.03mg/cm2Pt的阴极标准浓度催化剂墨和0.15mg/cm2 Ir/RuO2的阳极标准浓度催化剂墨，接着按照图5所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，在对应基质上不同的催化区域(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，以不同的沉积次数(如区域所需的阳极载量为1.8mg/cm2 Ir/RuO2，则需要沉积12次)，将标准催化剂墨分多次沉积在基质上的相应催化区域，全部区域多次沉积完成后，即可在基质上获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。
实施例4
图6展示了本发明中的另一个针对蛇形流道质子交换膜电解槽的实施案例(蛇形流道分区方案四)：该催化层被分为十八个区域，每一个区域对应一部分流道以及其周围的肋板区域。从蛇形流道的入口到出口，区域上的催化剂载量以5％的速度逐级递减；与上述方案不同的是，该方法每隔半个电解池宽度载量就递减一次，以更精细地匹配了通道中的水含量，使得催化剂利用率进一步增强。该方案中所描述的载量分布同样以相对载量的形式描述，并根据参考催化剂载量浓度进行归一化。按照方法一，则需要对阴极配备出催化载量分别为0.60mg/cm2 Pt、0.57mg/cm2 Pt、0.54mg/cm2 Pt、0.51mg/cm2 Pt、0.48mg/cm2 Pt、0.45mg/cm2 Pt、0.42mg/cm2 Pt、0.39mg/cm2 Pt、0.36mg/cm2 Pt、0.33mg/cm2 Pt、0.30mg/cm2 Pt、0.27mg/cm2 Pt、0.24mg/cm2 Pt、0.21mg/cm2 Pt、0.18mg/cm2 Pt、0.15mg/cm2 Pt、0.12mg/cm2 Pt、0.09mg/cm2 Pt的催化剂墨，对阳极配备出载量分别为3mg/cm2 Ir/RuO2、2.85mg/cm2 Ir/RuO2、2.7mg/cm2 Ir/RuO2、2.55mg/cm2Ir/RuO2、2.4mg/cm2 Ir/RuO2、2.25mg/cm2 Ir/RuO2、2.1mg/cm2 Ir/RuO2、1.95mg/cm2 Ir/RuO2、1.8mg/cm2 Ir/RuO2、1.65mg/cm2Ir/RuO2、1.5mg/cm2 Ir/RuO2、1.35mg/cm2 Ir/RuO2、1.2mg/cm2Ir/RuO2、1.05mg/cm2 Ir/RuO2、0.9mg/cm2 Ir/RuO2、0.75mg/cm2 Ir/RuO2、0.6mg/cm2 Ir/RuO2、0.45mg/cm2 Ir/RuO2的催化剂墨，接着按照图6所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，分别将催化剂墨沉积在对应基质相应的催化区域上(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。按照方案二，根据所需的一系列催化剂载量，需要配备出0.03mg/cm2 Pt的阴极标准浓度催化剂墨和0.15mg/cm2 Ir/RuO2的阳极标准浓度催化剂墨，接着按照图5所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，在对应基质上不同的催化区域(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，以不同的沉积次数(如区域所需的阳极载量为1.8mg/cm2Ir/RuO2，则需要沉积12次)，将标准催化剂墨分多次沉积在基质上的相应催化区域，全部区域多次沉积完成后，即可在基质上获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。
值得一提的是，实施例1-4的上述四种实施方式仅代表部分催化层分区方案，可依此类推进行进一步推广。随着分区的不断细化，优势在于能够更精细地与蛇形通道中水含量匹配，总催化剂载量更低；劣势在于催化层的制备更为复杂，增加了电解槽加工难度与精度要求。
实施例5
图7展示了本发明中一个针对平行流道质子交换膜电解槽的实施案例(平行流道分区方案一)：对于有两个总管与八个子通道的平行流道，其催化层被分为十个区域，其中两个对应入口及出口总管下的催化区域，另外八个对应平行子通道及其周围肋板下的催化区域。根据平行流道的流动特点，在入口总管下的催化区域给予最大的催化剂载量权重(100％)，在出口总管下的催化区域给予一半的催化剂载量权重(50％)；针对八个平行子通道，最靠近出口的两个区域给予较高催化剂载量权重(90％，80％)，另外六个区域则呈现抛物状催化剂载量分布，即两头多中间少，其中两头依照载量权重递减原则在靠近出口的两个区域的载量基础上减10％(70％)，而两头向中间则再以10％的程度逐级递减。这种方法可以有效匹配平行流道中水分布的不均匀性，使催化剂能够得到最为充分的利用。该方案中所描述的载量分布同样以相对载量的形式描述，并根据参考催化剂载量浓度进行归一化。按照方法一，则需要对阴极配备出催化载量分别为0.60mg/cm2 Pt、0.54mg/cm2 Pt、0.48mg/cm2 Pt、0.42mg/cm2 Pt、0.36mg/cm2 Pt、0.30mg/cm2 Pt的催化剂墨，对阳极配备出载量分别为3mg/cm2 Ir/RuO2、2.7mg/cm2 Ir/RuO2、2.4mg/cm2 Ir/RuO2、2.1mg/cm2 Ir/RuO2、1.8mg/cm2 Ir/RuO2、1.5mg/cm2Ir/RuO2的催化剂墨，接着按照图7所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，分别将催化剂墨沉积在对应基质相应的催化区域上(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。按照方案二，根据所需的一系列催化剂载量，需要配备出0.06mg/cm2 Pt的阴极标准浓度催化剂墨和0.3mg/cm2 Ir/RuO2的阳极标准浓度催化剂墨，接着按照图7所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，在对应基质上不同的催化区域(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，以不同的沉积次数(如区域所需的阳极载量为1.8mg/cm2 Ir/RuO2，则需要沉积12次)，将标准催化剂墨分多次沉积在基质上的相应催化区域，全部区域多次沉积完成后，即可在基质上获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。
实施例6
图8展示了本发明中另一个针对平行流道质子交换膜电解槽的实施案例(平行流道分区方案二)：该方案在图7方案的基础上，进一步对平行子通道下的催化层进行更为细致的分区。当水从总管汇入平行子通道时，水含量沿着子通道是逐渐减少的，故针对八个子通道下方的催化层区域进行二等分区，靠近入口总管的区域载量不变，靠近出口总管的区域载量降低5％，以更精细地匹配通道中的水含量，提高催化剂利用效率。该方案中所描述的载量分布同样以相对载量的形式描述，并根据参考催化剂载量浓度进行归一化。按照方法一，则需要对阴极配备出催化载量分别为0.60mg/cm2 Pt、0.57mg/cm2 Pt、0.54mg/cm2Pt、0.51mg/cm2 Pt、0.48mg/cm2 Pt、0.45mg/cm2 Pt、0.42mg/cm2 Pt、0.39mg/cm2 Pt、0.36mg/cm2 Pt、0.33mg/cm2 Pt、0.30mg/cm2 Pt、0.27mg/cm2 Pt的催化剂墨，对阳极配备出载量分别为3mg/cm2 Ir/RuO2、2.85mg/cm2 Ir/RuO2、2.7mg/cm2 Ir/RuO2、2.55mg/cm2 Ir/RuO2、2.4mg/cm2 Ir/RuO2、2.25mg/cm2Ir/RuO2、2.1mg/cm2 Ir/RuO2、1.95mg/cm2 Ir/RuO2、1.8mg/cm2 Ir/RuO2、1.65mg/cm2 Ir/RuO2、1.5mg/cm2 Ir/RuO2、1.35mg/cm2 Ir/RuO2的催化剂墨，接着按照图8所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，分别将催化剂墨沉积在对应基质相应的催化区域上(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。按照方案二，根据所需的一系列催化剂载量，需要配备出0.03mg/cm2 Pt的阴极标准浓度催化剂墨和0.15mg/cm2Ir/RuO2的阳极标准浓度催化剂墨，接着按照图8所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，在对应基质上不同的催化区域(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，以不同的沉积次数(如区域所需的阳极载量为1.8mg/cm2 Ir/RuO2，则需要沉积12次)，将标准催化剂墨分多次沉积在基质上的相应催化区域，全部区域多次沉积完成后，即可在基质上获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。
实施例7
图9展示了本发明中的另一个针对平行流道质子交换膜电解槽的实施案例(平行流道分区方案三)：该方案在图7方案的基础上，进一步对平行子通道下的催化层进行更为细致的分区。针对八个子通道下方的催化层区域进行三等分区，根据流动方向，靠近入口总管的区域载量不变，而沿着子通道由入口总管到出口总管，每隔三分之一个子通道长度，催化剂载量降低5％，以更精细地匹配通道中的水含量，提高催化剂利用效率。该方案中所描述的载量分布同样以相对载量的形式描述，并根据参考催化剂载量浓度进行归一化。按照方法一，则需要对阴极配备出催化载量分别为0.60mg/cm2 Pt、0.57mg/cm2 Pt、0.54mg/cm2Pt、0.51mg/cm2 Pt、0.48mg/cm2 Pt、0.45mg/cm2 Pt、0.42mg/cm2 Pt、0.39mg/cm2 Pt、0.36mg/cm2 Pt、0.33mg/cm2 Pt、0.30mg/cm2 Pt、0.27mg/cm2 Pt、0.24mg/cm2 Pt的催化剂墨，对阳极配备出载量分别为3mg/cm2Ir/RuO2、2.85mg/cm2 Ir/RuO2、2.7mg/cm2 Ir/RuO2、2.55mg/cm2 Ir/RuO2、2.4mg/cm2 Ir/RuO2、2.25mg/cm2 Ir/RuO2、2.1mg/cm2 Ir/RuO2、1.95mg/cm2 Ir/RuO2、1.8mg/cm2 Ir/RuO2、1.65mg/cm2Ir/RuO2、1.5mg/cm2 Ir/RuO2、1.35mg/cm2 Ir/RuO2、1.2mg/cm2 Ir/RuO2的催化剂墨，接着按照图9所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，分别将催化剂墨沉积在对应基质相应的催化区域上(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。按照方案二，根据所需的一系列催化剂载量，需要配备出0.03mg/cm2 Pt的阴极标准浓度催化剂墨和0.15mg/cm2 Ir/RuO2的阳极标准浓度催化剂墨，接着按照图9所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，在对应基质上不同的催化区域(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，以不同的沉积次数(如区域所需的阳极载量为1.8mg/cm2 Ir/RuO2，则需要沉积12次)，将标准催化剂墨分多次沉积在基质上的相应催化区域，全部区域多次沉积完成后，即可在基质上获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。
实施例8
图10展示了本发明中的另一个针对平行流道质子交换膜电解槽的实施案例(平行流道分区方案四)：该方案在图7方案的基础上，进一步对平行子通道下的催化层进行更为细致的分区。针对八个子通道下方的催化层区域进行四等分区，根据流动方向，靠近入口总管的区域载量不变，而沿着子通道由入口总管到出口总管，每隔四分之一个子通道长度，催化剂载量降低5％，以更精细地匹配通道中的水含量，提高催化剂利用效率。该方案中所描述的载量分布同样以相对载量的形式描述，并根据参考催化剂载量浓度进行归一化。按照方法一，则需要对阴极配备出催化载量分别为0.60mg/cm2 Pt、0.57mg/cm2 Pt、0.54mg/cm2Pt、0.51mg/cm2 Pt、0.48mg/cm2 Pt、0.45mg/cm2 Pt、0.42mg/cm2 Pt、0.39mg/cm2 Pt、0.36mg/cm2 Pt、0.33mg/cm2 Pt、0.30mg/cm2 Pt、0.27mg/cm2 Pt、0.24mg/cm2 Pt、0.21mg/cm2 Pt的催化剂墨，对阳极配备出载量分别为3mg/cm2 Ir/RuO2、2.85mg/cm2 Ir/RuO2、2.7mg/cm2 Ir/RuO2、2.55mg/cm2 Ir/RuO2、2.4mg/cm2 Ir/RuO2、2.25mg/cm2 Ir/RuO2、2.1mg/cm2 Ir/RuO2、1.95mg/cm2 Ir/RuO2、1.8mg/cm2Ir/RuO2、1.65mg/cm2 Ir/RuO2、1.5mg/cm2 Ir/RuO2、1.35mg/cm2 Ir/RuO2、1.2mg/cm2 Ir/RuO2、1.05mg/cm2 Ir/RuO2的催化剂墨，接着按照图10所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，分别将催化剂墨沉积在对应基质相应的催化区域上(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。按照方案二，根据所需的一系列催化剂载量，需要配备出0.03mg/cm2 Pt的阴极标准浓度催化剂墨和0.15mg/cm2 Ir/RuO2的阳极标准浓度催化剂墨，接着按照图10所示的相对载量分布图，针对阴极和阳极，在对应基质上不同的催化区域(如果采用膜涂敷法，则基质为质子交换膜；如果采用电极涂敷法，则基质为气体扩散层)，以不同的沉积次数(如区域所需的阳极载量为1.8mg/cm2 Ir/RuO2，则需要沉积12次)，将标准催化剂墨分多次沉积在基质上的相应催化区域，全部区域多次沉积完成后，即可在基质上获得载量分区后的阴极催化层和阳极催化层。
值得一提的是，实施例5-8上述四种实施方式仅代表部分催化层分区方案，可依此类推进行进一步推广。随着分区的不断细化，优势在于能够更精细地与平行通道中水含量匹配，总催化剂载量更低；劣势在于催化层的制备更为复杂，增加了电解槽加工难度与精度要求。
另外，上述实施案例1-8虽然只涉及蛇形与平行两种流道，但其依据局部水含量进行催化层分区的核心思想，可以依此类推到任何一种流道结构中，如叉指流道、蛇形-平行混合流道、螺旋流道、网状流道或是特殊设计的圆形流道等。
电解池性能表现：
在相同工况下，本发明中的质子交换膜电解槽性能完全取决于其催化层分区的方式，现针对实施例1-8上述蛇形流道与平行流道两种情况，分析催化剂分区技术在提升电解槽性价比方面的贡献。
图11展示了实施例1-4蛇形流道中四种不同的分区方案对电解池极化曲线的影响，其中横坐标为面积平均电流密度。如图11所示：在相同电压下，电流密度随着催化剂总载量的减小而减小。然而，与未分区的情况相比，在合理的催化剂载量分布下，电流密度的下降幅度很小：当工作电压为2.3V时，依次采用图3-图6所示的催化层分区方案，电流密度只降低了2.9％，4.4％，5.2％和8.4％，但相对催化剂载量却降低了20％，27.5％，31.3％和42.5％。由此可见，随着催化层分区越细致，整个催化层上的总催化剂载量越少，相应的电流密度也就越低，但其下降的幅度却相当的小，这充分说明本发明中的催化层分区技术可以基本保持蛇形流道质子交换膜电解槽的性能。
图12展示了实施例1-4蛇形流道中四种不同的分区方案对电解池产氢性能的影响。如图12所示，随着电压的增加，阴极出口处的氢气摩尔分数先急剧增加，然后线性增加，最后缓慢增加直至趋于饱和。在低电压下，活化过电势在所有过电势中占主导地位，电解水反应未被充分激活，因此产氢速率低，且随着电压的升高而急剧增加。在高电压下，大部分水被消耗，反应趋于饱和，因此产氢速率随着电压的升高而有所减缓。催化层分区后，在相同电压下，由于催化剂总载量的降低，产氢速率因而随之降低；但从图中可以看出，采用催化层分区方案对产氢速率的影响也很小，与图11中的结论相一致。这意味着减少蛇形流道中末端的催化剂载量对产氢率的影响不大，特别是在高电压下：当工作电压为2.3V时，催化层不分区情况和实施例1-4的上述四种分区方案中，阴极出口氢气的摩尔分数分别为0.86447、0.86211、0.86171、0.86138、0.85752，相对差别极小。
图13展示了实施例1-4蛇形流道中四种不同的分区方案对催化剂利用率的影响，其中横坐标为质量平均电流密度，也即质量活性。如图13所示，采用催化层分区方案后，单位质量催化剂所产生的电流明显增加，表明催化剂利用率得到显著提高。这种优势在高电压下更为明显：当工作电压为2.3V时，依次采用图3-图6所示的催化层分区方案，质量活性分别增加了21.4％，31.8％，45.2％和59％。由此可见，虽然催化剂总载量减少，但催化剂利用效率却能得到明显提高。这是由于催化剂载量的合理分区，充分发挥了其效能。
根据铂黑和氧化铱/钌的市场价格，在质子交换膜电解槽工作电压为1.8V且额定功率达到100MW的情况下，计算现有常规方案和使用催化层分区技术方案所需要的催化层面积以及对应的催化材料含量，以此据市场价格计算出两种方案中所需的催化剂材料的成本，并将两者成本进行比对，发现采用本发明中的蛇形流道催化层分区技术，可节省约1140万美元的催化剂成本，这表明基于流场对催化剂载量进行分区具有强大的降本潜力。
图14展示了实施例5-8平形流道中四种不同的分区方案对电解池极化曲线的影响，其中横坐标为面积平均电流密度。如图14所示，该结果与蛇形流场催化层分区的结果相似，即在相同电压下，电流密度随着催化剂总载量的减小而逐渐减小，但减小的幅度相当微弱。当工作电压为2.3V时，依次采用图7-图10所示的催化层分区方案，电流密度只降低了4.9％，5.4％，5.7％和6.1％，但相对催化剂载量却降低了32.4％，34.5％，36.7％和38.8％。这充分说明本发明中的催化层分区技术也可以基本保持平形流道质子交换膜电解槽的性能。
图15展示了实施例5-8平形流道中四种不同的分区方案对电解池产氢性能的影响。如图15所示，随着电压的升高，平行流道的产氢特性也分为三个阶段，分别是急剧增加、线性增加和缓慢增加直至趋于饱和。与蛇形通道相似，在相同电压下，催化层分区后的产氢速率也会微微降低，且主要表现在中间的线性阶段，在高电压下几乎可以忽略不计。当工作电压为2.3V时，催化层不分区情况和上述四种分区方案中，阴极出口氢气的摩尔分数分别为0.86270、0.85802、0.85761、0.85730、0.85701，相对差别极小，这再次证明了因催化层分区导致的催化剂总载量减小对电解池的产氢性能几乎没有显著影响。
图16展示了实施例5-8平形流道中四种不同的分区方案对催化剂利用率的影响，其中横坐标为质量平均电流密度，也即质量活性。如图16所示，在相同电压下，采用催化层分区方案后，相同电压下单位质量催化剂所产生的电流显著增加。在工作电压为2.3V时，依次采用图7-图10所示的催化层分区方案，质量活性分别提高了40.6％、44.6％、48.9％和53.5％。这与在蛇形流道中观察到的情况相似，说明基于流道水含量的催化层分区策略同样适用于平行流道。
根据铂黑和氧化铱/钌的市场价格，在质子交换膜电解槽工作电压为1.8V且额定功率达到100MW的情况下，计算现有常规方案和使用催化层分区技术方案所需要的催化层面积以及对应的催化材料含量，以此据市场价格计算出两种方案中所需的催化剂材料的成本，并将两者成本进行比对，发现采用本发明中的平行流道催化层分区技术，可节省约1270万美元的催化剂成本，这表明基于流场对催化剂载量进行分区具有强大的降本潜力。
综上所述，本发明中的质子交换膜电解槽催化层分区技术具有提升催化剂利用效率、降低电解槽制造成本、保持较高极化性能、维持较高产氢效率、自由适配不同类型流道结构等优点，非常适合应用于大规模、高功率的工业质子交换膜电解槽设备中，具有非常广阔的技术前景与经济效益。
本发明通过分析质子交换膜电解池中水的流动特性以及分布情况，提出了一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法，将不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行匹配，从而保证在几乎不减小电解池性能的前提下，大大降低催化剂的总载量，来提高现有质子交换膜电解槽产品的性价比。本发明能为质子交换膜电解槽提供一种成本更低的催化层分区方案，具有十分广阔的市场前景。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法，其特征在于，包括以下步骤：
对质子交换膜电解池的催化层进行催化剂载量分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行正相关匹配；
按照不同催化层区域上催化剂的载量要求调控各分区的催化剂载量。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜电解池催化层分区方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对质子交换膜电解池的催化层进行催化剂载量分区设计；
(2)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；
(3)按照催化剂的浓度要求，根据阴极和阳极的催化剂材料，分别配制出满足浓度需求的催化剂墨；
(4)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将对应浓度的催化剂墨沉积在基质材料表面设定的催化区域上，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜电解池催化层分区方法，其特征在于，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对质子交换膜电解池的催化层进行催化剂载量分区设计；
(2)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；
(3)针对阴极和阳极，对步骤(2)获得的一系列浓度值分别确定出浓度的最大公因数，作为标准催化剂浓度；
(4)使用阴极催化材料和阳极催化材料，分别配制出阴极和阳极的标准浓度催化剂墨；
(5)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将标准载量浓度的催化剂墨，在基质材料的不同区域上进行不同次数的沉积，沉积次数根据沉积区域要求的催化剂墨浓度与标准载量浓度的比来确定，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区。
4.根据权利要求2或3所述的质子交换膜电解池催化层分区方法，其特征在于，质子交换膜电解池中流道包括蛇形流道、平行流道、叉指流道、蛇形-平行混合流道、螺旋流道、网状流道或圆形流道。
5.一种基于催化剂载量调控的蛇形流道质子交换膜电解池催化层分区方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对蛇形流道质子交换膜电解池催化层进行分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行匹配：
将一个电解池宽度作为一个蛇形流道分区的衡量单元，以个电解池宽度为一个蛇形流道分区单元，沿流体流动方向对蛇形流道进行分区；其中m，n为≥1的整数；
(2)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；
(3)按照催化剂的浓度要求，根据阴极和阳极的催化剂材料，分别配制出满足浓度需求的催化剂墨；
(4)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将对应浓度的催化剂墨沉积在基质材料表面设定的催化区域上，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的蛇形流道质子交换膜电解池催化层分区。
6.一种基于催化剂载量调控的蛇形流道质子交换膜电解池催化层分区方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对蛇形流道质子交换膜电解池催化层进行分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行匹配：
将一个电解池宽度作为一个蛇形流道分区的衡量单元，以个电解池宽度为一个蛇形流道分区单元，沿流体流动方向对蛇形流道进行分区；其中m，n为≥1的整数；
(3)针对阴极和阳极，对步骤(2)获得的一系列浓度值分别确定出浓度的最大公因数，作为标准催化剂浓度；
(4)使用阴极催化材料和阳极催化材料，分别配制出阴极和阳极的标准浓度催化剂墨；
(5)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将标准载量浓度的催化剂墨，在基质材料的不同区域上进行不同次数的沉积，沉积次数根据沉积区域要求的催化剂墨浓度与标准载量浓度的比来确定，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的蛇形流道质子交换膜电解池催化层分区。
7.根据权利要求5或6所述的蛇形流道质子交换膜电解池催化层分区方法，其特征在于，沿着流动的方向从蛇形流道的入口到出口，分区单元的催化剂载量依次以5％的梯度逐级递减。
8.一种基于催化剂载量调控的平行流道质子交换膜电解池催化层分区方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对平行流道质子交换膜电解池催化层进行分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行匹配：
在入口总管下的催化区域给予最大的催化剂载量权重，在出口总管下的催化区域给予所述最大的催化剂载量权重一半的催化剂载量权重；针对平行子通道催化区域，最靠近出口的两个区域相对入口总管从外向内以10％梯度逐级递减，其余平行子通道催化区域采用两头多中间少的抛物状催化剂载量分布，且两头催化剂载量由靠近出口的两个子通道催化区域下的催化载量以10％梯度递减确定，而从两边到中间催化载量以10％梯度逐级递减；
(2)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；
(3)按照催化剂的浓度要求，根据阴极和阳极的催化剂材料，分别配制出满足浓度需求的催化剂墨；
(4)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将对应浓度的催化剂墨沉积在基质材料表面设定的催化区域上，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的平行流道质子交换膜电解池催化层分区。
9.一种基于催化剂载量调控的平行流道质子交换膜电解池催化层分区方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对平行流道质子交换膜电解池催化层进行分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行匹配：
在入口总管下的催化区域给予最大的催化剂载量权重，在出口总管下的催化区域给予所述最大的催化剂载量权重一半的催化剂载量权重；针对平行子通道催化区域，最靠近出口的两个区域相对入口总管从外向内以10％梯度逐级递减，其余平行子通道催化区域采用两头多中间少的抛物状催化剂载量分布，且两头催化剂载量由靠近出口的两个子通道催化区域下的催化载量以10％梯度递减确定，而从两边到中间催化载量以10％梯度逐级递减；
(2)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；
(3)针对阴极和阳极，对步骤(2)获得的一系列浓度值分别确定出浓度的最大公因数，作为标准催化剂浓度；
(4)使用阴极催化材料和阳极催化材料，分别配制出阴极和阳极的标准浓度催化剂墨；
(5)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将标准载量浓度的催化剂墨，在基质材料的不同区域上进行不同次数的沉积，沉积次数根据沉积区域要求的催化剂墨浓度与标准载量浓度的比来确定，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的平行流道质子交换膜电解池催化层分区。
10.根据权利要求8或9所述的平行流道质子交换膜电解池催化层分区方法，其特征在于，对所述平行子通道催化区域进行N级分区，各平行管道靠近入口总管的区域催化剂载量不变，且各平行管道催化区域的催化剂载量沿靠近出口总管方向以5％梯度逐级递减；其中N为≥2的整数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311747867.9A CN117721484B (zh) | 2023-12-19 | 2023-12-19 | 一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311747867.9A CN117721484B (zh) | 2023-12-19 | 2023-12-19 | 一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117721484A true CN117721484A (zh) | 2024-03-19 |
| CN117721484B CN117721484B (zh) | 2024-08-30 |
Family
ID=90203069
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311747867.9A Active CN117721484B (zh) | 2023-12-19 | 2023-12-19 | 一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117721484B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050095494A1 (en) * | 2003-11-03 | 2005-05-05 | Fuss Robert L. | Variable catalyst loading based on flow field geometry |
| CN110289423A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-09-27 | 同济大学 | 一种具有催化剂梯度的膜电极 |
| CN113957454A (zh) * | 2021-10-27 | 2022-01-21 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种水电解制氢用双层电极及其制备方法和应用 |
| CN116397265A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-07-07 | 湖南中驰氢能科技有限公司 | 用于pem水电解的阳极催化层及其制备方法、膜电极 |
| CN117080473A (zh) * | 2023-07-26 | 2023-11-17 | 上海电气集团股份有限公司 | 一种膜电极及其制备方法与应用 |
-
2023
- 2023-12-19 CN CN202311747867.9A patent/CN117721484B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050095494A1 (en) * | 2003-11-03 | 2005-05-05 | Fuss Robert L. | Variable catalyst loading based on flow field geometry |
| CN110289423A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-09-27 | 同济大学 | 一种具有催化剂梯度的膜电极 |
| CN113957454A (zh) * | 2021-10-27 | 2022-01-21 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种水电解制氢用双层电极及其制备方法和应用 |
| CN116397265A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-07-07 | 湖南中驰氢能科技有限公司 | 用于pem水电解的阳极催化层及其制备方法、膜电极 |
| CN117080473A (zh) * | 2023-07-26 | 2023-11-17 | 上海电气集团股份有限公司 | 一种膜电极及其制备方法与应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117721484B (zh) | 2024-08-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Cheng et al. | Increasing power generation for scaling up single-chamber air cathode microbial fuel cells | |
| Pandit et al. | Performance of an anion exchange membrane in association with cathodic parameters in a dual chamber microbial fuel cell | |
| Kumar et al. | Materials and design development for bipolar/end plates in fuel cells | |
| Behera et al. | Electricity generation in low cost microbial fuel cell made up of earthenware of different thickness | |
| CN106995229B (zh) | 一种双管式膜电极电催化反应器 | |
| US8946116B2 (en) | Nanometer powder catalyst and its preparation method | |
| Walter et al. | Self-stratifying microbial fuel cell: the importance of the cathode electrode immersion height | |
| Choi et al. | Electrophoretically fabricated nickel/nickel oxides as cost effective nanocatalysts for the oxygen reduction reaction in air-cathode microbial fuel cell | |
| Nagasawa et al. | The effect of flow-field structure in toluene hydrogenation electrolyzer for energy carrier synthesis system | |
| Li et al. | Power generation in dual chamber microbial fuel cells using dynamic membranes as separators | |
| Radeef et al. | Polarization model of microbial fuel cell for treatment of actual potato chips processing wastewater associated with power generation | |
| Zhang et al. | Anodic current distribution in a liter-scale microbial fuel cell with electrode arrays | |
| CN108193225A (zh) | 一种膜电极构型co2电还原电解池 | |
| Huang et al. | Long-term electricity generation and denitrification performance of MFCs with different exchange membranes and electrode materials | |
| Walter et al. | Scalability and stacking of self-stratifying microbial fuel cells treating urine | |
| Yentekakis et al. | Electricity production from wastewater treatment via a novel biogas-SOFC aided process | |
| Velikokhatnyi et al. | Ab-initio study of fluorine-doped tin dioxide: A prospective catalyst support for water electrolysis | |
| Jadhav et al. | Improving performance of MFC by design alteration and adding cathodic electrolytes | |
| Jang et al. | Investigation of the correlation effects of catalyst loading and ionomer content in an anode electrode on the performance of polymer electrode membrane water electrolysis | |
| CN113690455A (zh) | 一种长寿命阳极电极材料及其制备方法 | |
| Nagasawa et al. | Chemical-hydrogenation functionalized flow-field in toluene direct electro-hydrogenation electrolyzer for energy-carrier synthesis system | |
| CN106824189A (zh) | 一种钌‑二氧化钼纳米结的制备方法及其用途 | |
| CN117721484B (zh) | 一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法 | |
| US20100112380A1 (en) | Electricity Generation in Single-Chamber Granular Activated Carbon Microbial Fuel Cells Treating Wastewater | |
| Yousefi | Statistical investigation of pivotal physical and chemical factors on the performance of ceramic-based microbial fuel cells |
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 | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |