CN218175126U - 一种电解水制氢装置及其构成的制氢装置堆 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电解水制氢技术领域，更具体地，涉及一种电解水制氢装置及其构成的制氢装置堆。本实用新型的目的在于解决现有电解水制氢装置的阳极催化层导电性差以及阳极催化层和多孔扩散层之间接触电阻大的问题。具体是提供一种电解水制氢装置，包括膜电极(1)，膜电极(1)由质子交换膜(11)以及分设于质子交换膜两侧的阳极催化层(12)和阴极催化层(13)组成，阳极催化层(12)的外侧自内而外设有阳极多孔扩散层(2)和阳极极板(4)，阴极催化层外侧自内而外设有阴极多孔扩散层(3)和阴极极板(5)，其中，阳极催化层和所述阳极多孔扩散层之间还设有金属网层(6)。本实用新型有效降低装置内阻，提升装置制氢性能。

Description

一种电解水制氢装置及其构成的制氢装置堆

技术领域

本实用新型涉及电解水制氢技术领域，更具体地，涉及一种电解水制氢装置及其构成的制氢装置堆。

背景技术

氢气是一种清洁、安全、高效的能源体系，广泛地应用于各行各业。其中产生氢气的主要方式有天然气制氢、碱性电解水制氢、固体氧化物电解水制氢、阴离子质子膜电解水制氢、质子交换膜电解水制氢等。在众多制氢方式中，质子交换膜电解水制氢因其电流密度大、装置体积小、绿色清洁、能源消耗低、产氢纯度高和更高的安全性等优点被认为是最有发展前景的大规模制备绿氢途径。

质子交换膜电解水制氢装置(PEMWE)是以质子交换膜(PEM)为电解质，纯水作为反应物，通过外界施加电压分解水得到氢气和氧气。现有PEMWE主要由膜电极(CCM)、多孔扩散层(PTL)、密封圈和双极板组成。其中，CCM上的阳极催化层(ACL)自身传质电阻较大以及ACL与PTL之间接触电阻大是影响PEMWE性能的主要因素。这是由于CCM 中ACL主要成分是Ir、Ru等贵金属的氧化物，是一类导电性较差的材料，由这类金属氧化物构成的阳极催化层的电子导电能力较差，传质电阻较大，极大地限制阳极催化剂电化学反应活性，导致阳极催化剂利用率和效率降低；ACL与PTL为两种不同的材料且接触面不均匀导致两者之间的接触电阻较大。

Gaoqiang Yang等(Role of electron pathway in dimensionally increasingwater splitting reaction sites in liquid electrolyte，Electrochimica Acta 2020(362)137113)公开了一种增强ACL 导电性可以提高PEMWE性能的方法，通过将金纳米片的插入ACL下部增加催化层导电性并显著降低了催化层的平面电阻，催化层内有更多的催化剂参与到了反应中，提高了催化剂的利用率以及装置的电解水性能。但金纳米片是全封闭，在ACL中会影响质子的传导，增加传质阻力，且没有降低ACL与PTL之间的接触电阻。

Shule Yu等(Tuning catalyst activation and utilization via controlledelectrode patterning for low-loading and high-efficiency water electrolyzers，Small 2022(18)2107745)公开了一种将阳极催化剂沉积到PTL上，有效地提升了CCM催化层的导电性，同时将催化层与PTL紧密结合，减少了ACL与PTL之间的接触电阻，提升了PEMWE性能。该方法的工艺制备流程复杂，不适用于批量化生产。

因此，有必要开发一种新的电解水制氢装置，用以降低催化层的质子电阻、提升催化层导电性，以及降低ACL与PTL接触电阻，从而提升PEMWE的性能。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种新的电解水制氢装置，用于解决阳极催化层导电性差以及阳极催化层和多孔扩散层之间接触电阻大的问题。

本实用新型采取的技术方案是，提供一种电解水制氢装置，包括膜电极，所述膜电极由质子交换膜以及分设于质子交换膜两侧的阳极催化层和阴极催化层组成，所述阳极催化层的外侧自内而外设有阳极多孔扩散层和阳极极板，所述阴极催化层外侧自内而外设有阴极多孔扩散层和阴极极板，所述阳极催化层和所述阳极多孔扩散层之间还设有金属网层。现有技术中，阳极催化层主要成分是Ir、Ru等贵金属的氧化物，导电性能相对较差，导致传质电阻较大，极大地限制阳极催化剂电化学反应活性，导致阳极催化剂利用率和效率降低。而且由于阳极催化层和多孔扩散层的材料不同，导致二者间的接触电阻较大，进一步增大了装置的内阻，对装置的制氢性能产生负面影响。本方案通过在阳极催化层和多孔扩散层之间设置导电的金属网层，达到提升阳极催化层的电子传导和催化层导电性的效果，提高阳极催化剂利用率同时降低多孔扩散层与阳极催化层之间接触电阻，有效地提升PEMWE的性能，提高制氢效率，整体上降低制氢成本。同时，本方案的金属网层为单独的零部件，便于生产制造，且组装时仅需要覆盖在多孔扩散层与阳极催化层之间，然后按照常规的制作工艺完成各个零件层之间的堆叠即可，整个工艺流程简单，适于批量化生产。

进一步地，所述金属网层的网孔直径为0.1～25mm。本方案中，设置具有所述孔径的网孔，可以确保装置电解水后产生的氢气和氧气快速通过金属导电网，避免发生堵塞，以确保多孔扩散层与阳极催化层之间可以长时间维持较好的导电性能。

进一步地，所述金属网层的厚度为50～300um。本方案中，设置金属网的厚度较小，能有效地降低阳极催化层与多孔扩散层之间的接触电阻，有助于减小整体内阻，提高装置的制氢性能。同时，由于实际运用时往往需要堆叠较多层的电解水制氢装置(PEMWE)才能实现较好的制氢效果，因此本方案中较小的厚度也有利于装置整体的轻薄化，更加符合实际使用要求。

进一步地，所述金属网层由耐腐蚀金属颗粒构成。由于装置在制氢时，阳极的pH可以降到2左右的强酸性条件，实际使用时磺酸根离子结合阳离子催化层上的金属导致腐蚀的情况。因此，本方案通过以耐腐蚀金属材料的颗粒形成金属网层，具体地，所述耐酸腐蚀材料是指在强酸条件下不被腐蚀的金属材料，可大大降低强酸环境的破坏，延长使用寿命，降低整体的制氢成本。

进一步地，所述金属网层由电导率≥2.34×10⁶S/m的金属材料的颗粒构成。

优选地，所述金属网层为Ag、Au、Ni、Co、Pt、Ir中的一种或多种金属颗粒构成。

本方案中，所述的金属颗粒形成金属网层后，导电能力强且耐酸腐蚀，可以促进电子在阳极催化层面内的快速传导，提升阳极催化层的电子传导率，有效地降低阳极催化层传质电阻，阳极催化层有更高的电化学反应效率，同时提升阳极催化层与多孔扩散层之间的接触性，降低两者之间电阻，增加两者之间的导电性，从而提升PEMWE的性能。

进一步地，所述阳极催化层为IrO2、Ir/Black、IrRuOx中的一种或多种催化剂涂覆在所述质子交换膜上形成的层。本方案中，将阳极浆料通过狭缝涂布、刮涂、超声喷涂、辊压等方式覆盖在质子交换膜上得到阳极催化层。所述阳极浆料由阳极催化剂、有机溶剂、去离子水和全氟磺酸树脂分散液分散得到。其中，IrO2、Ir/Black、IrRuOx为商业化容易得到的。所述有机溶剂为正丙醇、异丙醇、乙二醇、乙醇、丙二醇中的一种或多种溶剂。所述阳极浆料分散方式为珠磨机、超声粉碎机、均质机、行星式搅拌器进行分散混合。

优选地，所述阳极催化层的厚度为2～100um。本方案中，设置轻薄的催化层，利于催化剂的与反应物充分接触，有助于提高催化剂的利用率，提高催化效率，达到高效制氢的效果。

本实用新型的另一目的在于提供一种电解水制氢装置堆，为所述电解水制氢装置堆叠构成。本方案中，相邻的电解水制氢装置以阴阳电极电连接的方式进行堆叠或者其他常规的堆叠方式构成制氢装置堆。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)通过在多孔扩散层与阳极催化层之间设置金属网层，可以有效增强阳极催化层平面内电子的传递效率，减小阳极催化层的传质电阻，以使催化层内有更多的催化剂参与到了反应中；

(2)通过设置金属网层为高导电性、耐酸腐蚀性金属材料形成的层，进一步增强了导电性能，且延长使用寿命；

(3)通过金属网的孔洞结构，避免阳极催化层与多孔扩散层之间物质传递受阻，有助于降低阳极催化层与多孔扩散层之间的接触电阻，提升多孔扩散层与阳极催化层之间的导电性，从而提高电解水制氢装置的性能。

附图说明

图1为实施例1中电解水制氢装置的结构图一。

图2为实施例1中电解水制氢装置的局部结构图二。

图3为实施例1电解水制氢装置的工作原理示意图。

图4为实施例2电解水制氢装置堆的结构图。

附图标记：膜电极1、质子交换膜11、阳极催化层12、阴极催化层13、阳极多孔扩散层2、阴极多孔扩散层3、阳极极板4、阴极极板5、金属网层6、电解水制氢装置单体7。

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。

质子交换膜电解水制氢装置(PEMWE)是以质子交换膜(PEM)为电解质，纯水作为反应物，通过外界施加电压分解水得到氢气和氧气。现有技术中，PEMWE主要由膜电极 (CCM)、多孔扩散层(PTL)、密封圈和双极板组成。其中，膜电极包括质子交换膜，质子交换膜的一面涂覆阴极催化层，一面涂覆阳极催化层，阴极催化层的外侧以层叠方式自内向外分别设置阴极多孔扩散层、阴极极板，阳极催化层的外侧则层叠地设置阳极多孔扩散层和阳极极板；上述层叠结构的侧面上通过设置密封圈实现边缘位置的密封。

实际使用时，在阴阳极板上通入直流电，其中阳极板接入正极电，阴极板接入负极电；去离子水通过阳极多孔扩散层进入膜电极中，经过催化层的催化作用以及质子交换膜的作用，最终在阳极生成氧气，阴极生成氢气，从而达到电解水析氢的目的。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例提供一种可以增强析氢性能的的电解水制氢装置，具体包括膜电极1，所述膜电极1由质子交换膜11以及分设于质子交换膜11两侧的阳极催化层12和阴极催化层13组成，所述阳极催化层12的外侧自内而外层叠地设置有阳极多孔扩散层2和阳极极板4，所述阴极催化层13外侧自内而外层叠设有阴极多孔扩散层3和阴极极板5，所述阳极催化层12和所述阳极多孔扩散层2之间还设有金属网层6。

其中，金属网层6、阳极催化层12以及阳极多孔扩散层2的表面积基本一致，以使阳极催化层12以及阳极多孔扩散层2可以完全被金属网所覆盖，从而阳极催化层12和多孔扩散层之间的物质传导充分利用金属网层6的中间介质作用。可以理解，通过将金属导电网层覆盖ACL与PTL之间，有效地降低ACL平面电阻，提升电子在ACL面内传递，提升阳极催化剂电化学性能，同时提升ACL与PTL之间接触性能，有效地增加两者之间的导电性，降低两者之间电阻，还提高阳极催化剂的利用率，从而提升PEMWE的制氢性能，降低制氢成本。同时，本方案的金属网层6为单独的零部件，便于生产制造，且组装时仅需要覆盖在多孔扩散层与阳极催化层12之间，然后按照常规的制作工艺完成各个零件层之间的堆叠即可，整个工艺流程简单，适于批量化生产。

为了提升总体的性能以及延长使用寿命，金属网层6采用强导电性且耐酸腐蚀的金属材料，具体而言，本实施采用电导率大于2.34×10⁶S/m的强导电性金属材料，所述导电金属材料优选为Ag、Au、Ni、Co、Pt、Ir中的一种或多种合金金属混合制得。

如上表所示，优选的金属材料的电导率为大于9×10⁶S/m。

本实施例的电解水制氢装置具体制备步骤如下：

步骤S1，将一定量的阳极催化剂IrO2、Ir/Black、IrRuOx中的一种或多种添加入水中搅拌至阳极催化剂完全润湿；然后加入全氟磺酸树脂分散液；再加入正丙醇、异丙醇、乙二醇、乙醇、丙二醇中的一种或多种，通过珠磨机分散均匀，分散完成后将浆料真空脱泡，得到合适的阳极催化剂浆料。

步骤S2，步骤S1得到的阳极催化剂浆料通过狭缝涂布、刮涂、超声喷涂、辊压中的一种或多种方式覆盖在质子交换膜11上，干燥后得到CCM的阳极催化层12面，优选地，其催化层厚度为2～100μm。

步骤S3，将金属网层6覆盖在CCM阳极催化层12面与阳极多孔扩散层2之间，所述金属网层6的网孔直径优选为0.1～25mm，金属网层6的厚度优选为50～300μm。

步骤S4，将S3制备得到的“ATL-金属网层-PTL”结构进行压合处理，确保三者之间紧密接触。

步骤S5，在CCM的阴极一侧按照常规的制备工艺自内而外设置阴极催化层13、阴极多孔扩散层3以及阳极极板4，并对装置进行整体压合处理，即得内阻小、导电性能好的电解水制氢装置(PEMWE)。

本实施例电解水制氢装置工作原理如图3所示，在阴阳极板上通上直流电，其中阳极板接入正极电，阴极板接入负极电。接着，往装置内部通入去离子水，去离子水通过阳极多孔扩散层2、金属网层6，最后进入膜电极1(CCM)中进行反应，阳极一侧电解生成氧气、氢离子和电子，其中氧气经过阳极多孔扩散层2排出装置，氢离子和电子通过质子交换膜11，在阴极催化层13反应生成氢气，经阴极多孔扩散层3排出装置，从而实现电解水制氢。可以理解，具有网孔金属网层6可以避免对输入的去离子水和输出的氧气产生阻挡，确保物质的流通性不受影响。更重要的是，通过将金属导电网覆盖ACL与PTL之间，有效地降低ACL 平面电阻，优化电子在ACL面内传递能力，从而提高阳极催化剂电化学性能，同时还优化了 ACL与PTL之间的接触方式，以降低接触电阻，增强导电性能。综上所述，本方案大大提升了电解水制氢装置的制氢性能，从而降低制氢成本。

实施例2

本实施例提供了一种电解水制氢装置堆，具体是以实施例1所述的电解水制氢装置为电解水制氢装置单体7，堆叠构成。其中，相邻的电解水制氢装置单体7以阴阳电极电连接的方式结合在一起。本实施例中，电解水制氢装置单体7呈方形结构，根据具体的运用需求，还可以设计成圆柱形等其他常规形状。

具体工作时，在电解水制氢装置堆的阳极接入正电，阴极接入负电，接着，往装置内部通入去离子水，去离子水通过阳极多孔扩散层、金属网层，最后进入膜电极(CCM)中进行反应，阳极一侧电解生成氧气、氢离子和电子，其中氧气经过阳极多孔扩散层排出装置，氢离子和电子通过质子交换膜，在阴极催化层反应生成氢气，经阴极多孔扩散层3排出装置，对氢气和氧气分别进行收集，从而实现电解水制氢。

综上所述，本实用新型通过在多孔扩散层与阳极催化层之间设置金属网层，增强阳极催化层平面内电子的传递，减小阳极催化层的传质电阻，使催化层内有更多的催化剂参与到了反应中；通过设置金属网层为高导电性、耐酸腐蚀性金属材料形成的层，进一步增强了导电性能，且延长使用寿命；同时，金属网的孔洞结构，避免阳极催化层与多孔扩散层之间物质传递受阻，有助于降低阳极催化层与多孔扩散层之间的接触电阻，提升多孔扩散层与阳极催化层之间的导电性，从而提高电解水制氢装置的制氢性能。

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 (9)

1.一种电解水制氢装置，包括膜电极(1)，所述膜电极(1)由质子交换膜(11)以及分设于质子交换膜(11)两侧的阳极催化层(12)和阴极催化层(13)组成，所述阳极催化层(12)的外侧自内而外设有阳极多孔扩散层(2)和阳极极板(4)，所述阴极催化层(13)外侧自内而外设有阴极多孔扩散层(3)和阴极极板(5)，其特征在于，所述阳极催化层(12)和所述阳极多孔扩散层(2)之间还设有金属网层(6)。

2.根据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述金属网层(6)的网孔直径为0.1～25mm。

3.根据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述金属网层(6)的厚度为50～300um。

4.根据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述金属网层(6)由耐腐蚀金属颗粒构成。

5.根据权利要求1～4任一项所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述金属网层(6)由电导率≥2.34×10⁶S/m的金属材料的颗粒构成。

6.根据权利要求5所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述金属网层(6)为Ag、Au、Ni、Co、Pt、Ir中的一种或多种金属颗粒构成。

7.根据权利要求1～4任一项所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述阳极催化层(12)为IrO₂、Ir/Black、IrRuOx中的任一种催化剂涂覆在所述质子交换膜(11)上形成的层。

8.根据权利要求7所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述阳极催化层(12)的厚度为2～100um。

9.一种电解水制氢装置堆，其特征在于，为权利要求1～4任一项所述的电解水制氢装置堆叠构成。

Images