CN218561638U - 一种电解水制氢膜电极结构及电解水制氢装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电解水制氢膜电极结构及电解水制氢装置，涉及电解水制氢领域。一种电解水制氢膜电极结构，所述膜电极结构包括：质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、阳极扩散层和阴极扩散层，所述阴极催化层和所述阳极催化层设于所述质子交换膜两侧，所述阳极扩散层设在阳极催化层外侧，所述阴极扩散层设在所述阴极催化层外侧，所述阳极催化层和所述质子交换膜之间设有双面直涂涂敷的氢气氧化层。本实用新型的优点是：在不增加电解能耗的前提下，降低了氢气的透过率，提高电解装置的整体性能，消除氢气和氧气混合造成的安全隐患。

Description

一种电解水制氢膜电极结构及电解水制氢装置

技术领域

本实用新型涉及电解水制氢领域，尤其涉及一种电解水制氢膜电极结构及电解水制氢装置。

背景技术

为了应对全球气候变化，减少二氧化碳排放乃至实现碳中和，世界各国都在积极推进可再生清洁能源的发展。而氢能以清洁、高效、无污染、应用广泛，二氧化碳零排放以及可以进行存储和运输的特点被视为最佳能源载体。氢能与可再生清洁能源的结合有望缓解全球变暖趋势，减少二氧化碳排放。目前，将可再生清洁能源转化为氢能最具实用性、最清洁的方法便是电解水。其中质子交换膜电解水装置是目前世界各国的开发重点。

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，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。位于质子交换膜一侧的催化层是阳极催化层，另一侧的为阴极催化层。在电解水装置工作时，水在阳极催化剂(OER)的催化下发生析氧反应，产生并释放氧气，同时释放出电子和质子；质子通过质子交换膜从阳极迁移到阴极，并在阴极催化剂的催化下发生析氢反应，还原释放氢气。

在电解槽中，阴极产生的氢气压力高于阳极产生的氧气压力，氢气可以透过质子交换膜从阴极渗透到阳极，氢气和氧气的混合会降低膜电极性能，严重的话会引起爆炸。为了降低氢气的渗透，目前常用的电解水制氢质子交换膜都是厚度比较厚的膜，例如科慕的Nafion 117(7mil厚，1mil等于25.4微米)或者Nafion 115(5mil厚)膜。而这种方法存在的问题是，在电解水制氢过程中，质子交换膜越厚，膜的电阻越高，电解能耗就越高，不利于提高电解槽的整体性能。

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膜电极结构及电解水制氢装置。

本实用新型的目的是通过以下的技术措施实现的：

一种电解水制氢膜电极结构，所述膜电极结构包括：质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、阳极扩散层和阴极扩散层，所述阴极催化层和所述阳极催化层设于所述质子交换膜两侧，所述阳极扩散层设在阳极催化层外侧，所述阴极扩散层设在所述阴极催化层外侧，所述阳极催化层和所述质子交换膜之间设有双面直涂涂敷的氢气氧化层。

在电解水制氢过程中，质子交换膜越薄，膜的电阻越低，电解能耗就越低，有利于提高电解槽的整体性能，因此为了降低电解槽能耗，提高电解效率，需要降低质子交换膜的厚度，从而提高电解水膜电极在消耗同等功率条件下，单位时间内产生氢气的速度；阴极扩散层和阳极扩散层为反应物料提供传质通道，并起到集流体的作用。

氢气氧化层将氢气电化学分解成质子，并且释放出电子，这样当有氢气从阴极催化层通过质子交换膜渗透时，首先到达氢气氧化层，在氢气氧化层中催化剂将氢气分解成质子，并且释放出电子，产生的质子和阳极催化层中产生的质子一起通过质子交换膜回到阴极催化层产生氢气，从而有效地解决质子交换膜电解槽中的氢气渗透问题。采用双面直涂的方式涂布氢气氧化层，在涂布效率、涂布层的耐久性以及性能上具有优异性。

优选地，氢气氧化层催化剂可以为Pt、Pt/Co、Pt/Pd、Pt/Ni中的一种或多种。

进一步的，所述氢气氧化层与所述阳极催化层的面积相同。

氢气氧化层与阳极催化层面积相同可使从阴极透过质子传导膜的氢气，在到达阳极催化层之前先被氢气氧化层分解，避免氢气与氧气混合。

进一步的，所述氢气氧化层厚度小于所述阳极催化剂的厚度。

进一步的，所述电解水制氢装置包括电解槽和上述电解水制氢膜电极结构，所述电解水制氢膜电极结构串联组装，所述膜电极结构两侧设有双极板，所述阳极扩散层的外侧为双极板的氧板，所述阴极扩散层的外侧为双极板的氢板，所述电解槽内两侧设有端极板。

双极板在电解水装置中主要起导电、导热、阻隔氢氧混合等作用。

进一步的，所述电解水制氢装置内设有若干个隔膜框，每个所述隔膜框内放置一个所述电解水制氢膜电极结构，所述隔膜框数量和所述电解水制氢膜电极结构数量相同。

隔膜框是构成各电解室的主要部分，每一个隔膜框构成一个电解室。

进一步的，所述隔膜框上部和下部均设有小孔。

隔膜框上部在阴极、阳极两侧均设有小孔，用以通过氢气和氧气，隔膜框下部的小孔用于通过电解液，保证电解槽的正常运转。

综上所述，由于采用了以上技术方案，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型在不增加电解能耗的前提下，降低了氢气的透过率，提高电解槽装置的整体性能，消除氢气和氧气混合造成的安全隐患。

(2)本实用新型通过进一步优化阳极催化层结构和厚度以及氢气氧化层结构和厚度，可以在不增加氢气透过率的前提下，进一步降低质子交换膜的厚度，从而降低电解能耗，提高电解槽装置的整体性能。

(3)本实用新型氢气在氢气氧化层上被分解成质子后回到阴极作为氢气产生的原料，提高了反应物料的利用率。

(4)本实用新型工艺性好，适用于批量生产。

附图说明

图1为本实用新型水电解制氢膜电极的结构示意图

附图标记说明：阳极催化层1，氢气氧化层2，质子交换膜3，阴极催化层4。

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所示，本实施例提供一种电解水制氢膜电极结构，包括质子交换膜3、阴极催化层4、阳极催化层1、阳极扩散层(图未示)和阴极扩散层(图未示)，阴极催化层4和阳极催化层1设于质子交换膜3两侧，在质子交换膜3和阳极催化层1之间采用双面直涂的方式涂敷有氢气氧化层2，氢气氧化层2的面积与阳极催化层1的面积相同，且厚度小于阳极催化层1的厚度。阳极扩散层设于阳极催化层外侧，阴极扩散层设于阴极催化层外。

氢气氧化层2将氢气电化学分解成质子，并且释放出电子。这样当有氢气从阴极催化层4通过质子交换膜渗透时，首先到达氢气氧化层2，在氢气氧化层2中催化剂将氢气分解成质子，并且释放出电子，产生的质子和阳极催化层中产生的质子一起通过质子交换膜3回到阴极催化层4产生氢气，从而有效地解决质子交换膜3电解槽中的氢气渗透问题。

实施例2

本实施例提供一种电解水制氢膜电极结构，与实施例1的结构十分相似，其区别点在于氢气氧化层2中的催化剂为Pt/Co。除了该区别点以外，本实施例中与实施例1具有相同的部件和设计，其定义、作用、优选或具体的实施方式，以及带来的有益效果均与实施例1中所描述的相同。

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 (6)

1.一种电解水制氢膜电极结构，所述膜电极结构包括：质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、阳极扩散层和阴极扩散层，所述阴极催化层和所述阳极催化层设于所述质子交换膜两侧，所述阳极扩散层设在阳极催化层外侧，所述阴极扩散层设在所述阴极催化层外侧，其特征在于，所述阳极催化层和所述质子交换膜之间设有双面直涂涂敷的氢气氧化层。

2.根据权利要求1所述的一种电解水制氢膜电极结构，其特征在于，所述氢气氧化层与所述阳极催化层的面积相同。

3.根据权利要求2所述的一种电解水制氢膜电极结构，其特征在于，所述氢气氧化层厚度小于所述阳极催化层的厚度。

4.一种电解水制氢装置，其特征在于，所述电解水制氢装置包括电解槽和权利要求1-3任一项所述的电解水制氢膜电极结构，所述电解水制氢膜电极结构串联组装，所述膜电极结构两侧设有双极板，所述阳极扩散层的外侧为双极板的氧板，所述阴极扩散层的外侧为双极板的氢板，所述电解槽内两侧设有端极板。

5.根据权利要求4所述的一种电解水制氢装置，其特征在于，所述电解水制氢装置内设有若干个隔膜框，每个所述隔膜框内放置一个所述电解水制氢膜电极结构，所述隔膜框数量和所述电解水制氢膜电极结构数量相同。

6.根据权要求5所述的一种电解水制氢装置，其特征在于，所述隔膜框上部和下部均设有小孔。

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