CN217973434U - 一种电解水制氢装置的亲水性气体扩散层及膜电极及装置 - Google Patents
一种电解水制氢装置的亲水性气体扩散层及膜电极及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及电解水装置领域，提供一种电解水制氢装置的亲水性气体扩散层，包括由纤维组件构成的多孔材料层，所述多孔材料层内设有由亲水块构成的网状通道，所述网状通道连通所述亲水性气体扩散层的两侧。本实用新型的优点在于：(1)本实用新型通过在气体扩散层的纤维上添加亲水块提高阳极气体扩散层的亲水性和润湿性，促进水在气体扩散层内的流动和均匀分布，从而优化气体扩散层的传质，提高电解水装置的性能；(2)本实用新型可以减弱氧气在纤维表面的附着力，防止氧气气泡的长大，减少氧气气泡的聚集，有利于氧气的排出。
Description
技术领域
本实用新型涉及电解水制氢领域，更具体地，涉及一种电解水制氢装置的亲水性气体扩散层及膜电极及装置。
背景技术
随着社会的发展，能源危机已经成为全球关注的焦点。因此当务之急是发展一种新型的能源，但由于风能、太阳能和核能的运输和储存非常不易，需要寻找一种可再生、环境友好的新型能源，氢能由于效率高、无污染和可简单制取等特点被认为是将来最理想、最有潜力的能源载体。氢的制备方法有甲醇分解制取氢、氨分解制氢、生物制氢、太阳能制氢、化石燃料制氢和电解水制氢。其中，电解水制氢被认为是一种新型的储能方式，利用可再生清洁能源通过质子交换膜电解水装置将水转化为氢气，并将转化的氢气作为能源载体或原料应用于人类的生产活动可以减少化石原料的消耗，进而减少温室气体和有毒有害气物质的排放。目前，质子交换膜电解水制氢技术已经比较成熟。由于简单、污染小、效率高等优点，电解水制氢成为研究的重点。
电解水制氢的技术发展至今，产生了3种不同类型的电解槽：碱性电解槽、固体聚合物电解槽和固体氧化物电解槽。其中，固体聚合物电解槽(PEM)以其高效、无污染、安全等优点，已经成为各国科学家研究的重点。
在质子交换膜电解水装置中，膜电极组件是电解水装置的核心部件，是水分解为氢气和氧气的场所，主要由位于最中间的质子膜，位于质子膜两侧与质子膜紧密接触的阴、阳催化层以及位于催化层外侧的气体扩散层组成。而气体扩散层通常为导电的多孔材料，在电解水装置工作的过程中负责将水传递到催化层，将催化层产生的气体排出以及将来源于电源的电子传递至催化层中的催化剂，还承载着电极电化学反应的气体、电解液和热能等传输通道的功能。其应用性能要求高，包括具备良好的传质、传热和导电的性能，很高的透气性，同时需要良好的机械强度，能支撑多相多维反应和质能传输。
对于质子交换膜电解水装置，其性能的损失主要包括动力学过电势、欧姆过电势和传质过电势。其中传质过电势导致的性能损失占比在25％以上。而传质过电势的升高主要是在电解水反应进行的过程中，随着电流密度的升高，催化层产生的氧气在气体扩散层的孔隙中聚集，阻碍作为反应物的水接近催化活性位点导致的。严重时，氧气的聚集对水传递的阻碍还会导致装置失效。因此对于气体扩散层的传质优化十分必要。
实用新型内容
本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种电解水制氢装置的亲水性气体扩散层，用于提高电解水装置中气体扩散层的亲水性和润湿性，从而提高电解水装置的电解性能。
本实用新型采取的技术方案是：
一种电解水制氢装置的亲水性气体扩散层，包括由纤维组件构成的多孔材料层，所述多孔材料层内设有由亲水块构成的网状通道，所述网状通道连通所述亲水性气体扩散层的两侧。
所述亲水块中的亲水物质为无机微纳复合材料；所述无机微纳复合材料由亲水性纳米材料组成，所述亲水性纳米材料的长度为5-50nm。可选的，所述亲水性纳米材料为二氧化硅、氧化铝、二氧化钛中的一种或多种。
所述亲水性气体扩散层作为电解水装置的阳极气体扩散层。网状通道用于给水提供穿过气体扩散层到达阳极催化层的路径。亲水块用于提高气体扩散层的亲水性和润湿性，促进水在气体扩散层内的流动和均匀分布，即使有氧气聚集在孔隙中，水作为反应物能够通过亲水块的连接更便捷地通过气体扩散层，接近催化活性位点，从而提高气体扩散层的传质能力；同时，亲水块可减弱氧气在气体扩散层内纤维组件表面的附着力，可以防止氧气气泡的长大，减少氧气气泡在气体扩散层孔隙中的聚集，有利于氧气的排出，减少其对反应物水的流动阻碍，进一步提高了气体扩散层的传质性能进而提高装置的电解水性能。
进一步地，所述纤维组件包括若干相互交织的钛纤维。
钛纤维相互交织形成孔隙供给气液通过。钛纤维具有耐高温、耐低温、耐腐蚀等优点。在电解水装置中，阳极发生析氧反应产生强氧化性和酸性的环境，采用抗氧化性强和稳定性高的钛纤维作为多孔材料层的组成有利于维持膜电极性能的稳定性。
进一步地，所述亲水块间隔附着在钛纤维上，所述亲水块相互接触连接或间隔形成网状通道。
若亲水块完整地附着在钛纤维上，会导致气体扩散层的孔隙率显著下降，孔径显著减小，导致水和气的传质通道变窄和传质恶化。而亲水块在钛纤维上间隔分布有利于减少其分布量，既可以实现提高气体扩散层的传质能力，也可节省亲水材料，在提高气体扩散层润湿性和亲水性的情况下节约成本，更加符合实际生产制备的求。
进一步地，所述多孔材料层为钛毡层；所述钛毡层的孔隙率为30％～80％。
钛毡的孔隙结构可以满足质子交换膜电解池的传质需要及实现较高的电解性能，钛毡厚度最低可以达到0.25mm，有利于气体扩散层中的汽液传质。
进一步地，由所述亲水块制备形成的亲水涂层接触角小于10°。
接触角小于10°说明该亲水涂层属于超亲水物质，亲水块的强润湿性保证了在其间隔分布的情况下，也能实现帮助反应物水穿过气体扩散层流到催化层进行反应，减少亲水块的用料，节约成本。
本实用新型的另一目的是提供一种电解水制氢装置的膜电极结构，包括上述的亲水性气体扩散层。所述亲水性气体扩散层为阳极气体扩散层。
本实用新型的另一目的是一种电解水制氢装置，包括上述的电解水制氢装置的膜电极结构。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
(1)本实用新型通过在气体扩散层的纤维上添加亲水块提高阳极气体扩散层的亲水性和润湿性，促进水在气体扩散层内的流动和均匀分布，从而优化气体扩散层的传质，提高电解水装置的性能。
(2)本实用新型可以减弱氧气在纤维表面的附着力，防止氧气气泡的长大，减少氧气气泡在气体扩散层孔隙的聚集，有利于氧气的排出。
附图说明
图1为实施例1的钛纤维和亲水块结构示意图。
图2为实施例1的电解水装置单元结构示意图。
图3为实施例1钛毡浸渍前后的钛纤维结构示意图。
附图标记：钛纤维1，浸渍前的钛纤维11，浸渍及表面处理后的钛纤维12，亲水块2，气体扩散层3，浸渍前的钛毡31，浸渍及表面处理后的钛毡32，CCM4，双极板5，
具体实施方式
本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例提供一种电解水制氢装置的亲水性气体扩散层3，包括钛纤维1构成的多孔材料层，所述钛纤维1相互交织形成孔隙供气液通过；钛纤维1上附着有亲水块2，亲水块2相互接触连接或间隔形成网状通道，所述网状通道连通所述亲水性气体扩散层3两侧。所述亲水块2中的亲水物质为无机微纳复合材料，所述无机微纳复合材料由亲水性纳米材料组成；优选地，本实施例中亲水性纳米材料为二氧化硅。所述亲水性气体扩散层3的孔隙率为70％。
反应物水在亲水块2的润湿下，即使有氧气聚集在孔隙中，水作为反应物能够通过亲水块的形成的网状通道更便捷地穿过气体扩散层3，接近催化活性位点，从而使得气体扩散层的传质能力得到提高。
本实施例的实施方法如下：
将孔隙率为70％的钛毡裁切至一定尺寸，将其浸泡在亲水性无机微纳复合材料超亲水涂料中一段时间。随后将浸渍后的钛毡置于50℃-90℃下的烘箱中烘干2-4h。然后将烘干后的钛毡采用打磨抛光的方式对钛毡两面进处理，去除表面的超亲水物质，得到亲水性气体扩散层3。
如图3所示，将实施例1的亲水性气体扩散层3作为阳极的气体扩散层3，并与CCM4、阴极扩散层和双极板5进行组装形成电解水装置单元结构。
实施例2
本实施例提供一种电解水制氢装置的亲水性气体扩散层3，包括钛纤维1构成的多孔材料层，所述钛纤维1相互交织形成孔隙供气液通过；钛纤维1上附着有亲水块2，亲水块2相互接触连接或间隔形成网状通道，所述网状通道连通所述亲水性气体扩散层3两侧。所述亲水块2中的亲水物质为无机微纳复合材料，所述无机微纳复合材料由亲水性纳米材料组成；优选地，本实施例中亲水性纳米材料为二氧化钛。所述亲水性气体扩散层3的孔隙率为80％。
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电解水制氢装置的亲水性气体扩散层，其特征在于，包括由纤维组件构成的多孔材料层，所述多孔材料层内设有由亲水块构成的网状通道，所述网状通道连通所述亲水性气体扩散层的两侧。
2.根据权利要求1所述的电解水制氢装置的亲水性气体扩散层，其特征在于，所述纤维组件包括若干相互交织的钛纤维。
3.根据权利要求2所述的电解水制氢装置的亲水性气体扩散层，其特征在于，所述亲水块间隔附着在钛纤维上，所述亲水块相互接触连接或间隔形成网状通道。
4.根据权利要求1所述的电解水制氢装置的亲水性气体扩散层，其特征在于，所述多孔材料层为钛毡层。
5.根据权利要求4所述的电解水制氢装置的亲水性气体扩散层，其特征在于，所述钛毡层的孔隙率为30％～80％。
6.根据权利要求1所述的电解水制氢装置的亲水性气体扩散层，其特征在于，由所述亲水块制备形成的亲水涂层接触角小于10°。
7.一种电解水制氢装置的膜电极结构，其特征在于，包括权利要求1～6任一所述的亲水性气体扩散层，所述亲水性气体扩散层为阳极气体扩散层。
8.一种电解水制氢装置，其特征在于，包括权利要求7所述的电解水制氢装置的膜电极结构。
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| CN117983987A (zh) * | 2024-04-07 | 2024-05-07 | 上海亿氢能源科技有限公司 | 激光微孔制备膜电极多孔扩散层的方法及多孔扩散层 |
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- 2022-08-16 CN CN202222169033.1U patent/CN217973434U/zh active Active
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