CN220034680U - 低成本的高效能电解水制氢模块 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种低成本的高效能电解水制氢模块，包括五合一膜电极板，五合一膜电极板两侧由内向外依次对称设有气液两相扩散板、极板、绝缘密封垫片和端板；五合一膜电极板包括依次设置的阴极催化层、AEM交换膜和阳极催化层，阴极催化层边缘设有阴极边框膜，阳极催化层边缘设有阳极边框膜；本实用新型的低成本的高效能电解水制氢模块，成本低，电解效率高，拆卸简单、使用灵活，其独特的模块化结构可应用于诸多电化学合成领域，如水电解制氢氧、电催化二氧化碳还原、电催化氮还原合成氨和电催化氧还原(如金属空气电池)等。
Description
技术领域
本实用新型属于氢能源技术领域，具体涉及一种低成本的高效能电解水制氢模块。
背景技术
氢能作为最理想的能源载体正成为人们关注的焦点，氢能的绿色制取(水电解技术)也成为未来氢能技术研发的关键。传统的碱液电解制氢氧电解槽存在着体积大、能耗高(5kWh/Nm3H2)、效率低(50％-70％)、制取的氢气纯度低等问题；现有的PEM电解装置虽然相较于碱液电解槽具有一定优势，但也受制于膜电极技术的发展，存在成本高、维护时催化剂和膜无法单独替换等问题；还有一种固体氧化物电解池尚处于研究阶段，其也受到工作温度高(800-1000℃)装置复杂等限制。因此，需研究一种新型电解设备，来克服这些问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种成本低、效能高、可大规模商业化应用的模块化电解水制氢模块。
为了解决上述技术问题，本实用新型公开了一种低成本的高效能电解水制氢模块，包括五合一膜电极板，五合一膜电极板至少包括阴极催化层、阳极催化层以及设于阴极催化层和阳极催化层之间的AEM交换膜(Anion-ExchangeMembrane)。
优选的是，环绕所述阴极催化层边缘设有阴极边框膜，环绕阳极催化层边缘设有阳极边框膜，阴极边框膜和阳极边框膜叠合并对阴极催化层、AEM交换膜和阳极催化层形成密封和支撑。
优选的是，所述五合一膜电极板两侧由内向外依次对称设有气液两相扩散层、极板、绝缘密封垫片和端板。
优选的是，所述五合一膜电极板和极板间还设有电极绝缘密封框，电极绝缘密封框中部设有开口，气液两相扩散层露出于开口并与极板相接触。
优选的是，所述电极绝缘密封框和绝缘密封垫片采用PTFE、硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶、PEN或PET材料中的一种或几种复合。
优选的是，所述气液两相扩散层采用Ni基、Ti基或碳基多孔材料中的一种。
优选的是，所述阴极催化层和/或阳极催化层采用Ni、Fe、Mn、Zn、A1、Mg或Co基催化材料中的一种。
优选的是，所述极板为带有镀层的金属板，极板近气液两相扩散层一侧表面加工有气液流道。
优选的是，所述五合一膜电极板、电极绝缘密封框、极板、绝缘密封垫片和端板的近边缘处设有若干导气孔，导气孔与气液流道相连通。
优选的是，所述五合一膜电极板、电极绝缘密封框、极板、绝缘密封垫片和端板边缘设有多个固定孔。
本实用新型的低成本的高效能电解水制氢模块，至少具有以下优点：
1.核心组件为五合一膜电极，采用电催化剂直接成膜技术(CCF)，将AEM交换膜，电极催化剂，电极边框膜，密封垫片直接制备成五合一结构膜电极，与PEM电解模块相比，便于后期维护更换；对比采用隔膜的碱液电解模块，基于AEM的电极可以极大程度隔绝氢气和氧气，产出的氢气纯度≥99.8％；基于AEM的膜电极，其催化电流密度可达10000-30000A/m3，因此可达到较高的电解水催化效率(85％-95％)
2.极板主体可采用较为廉价的合金板，表面镀层的存在可提高碱性环境与电化学条件下的抗腐蚀性能，稳定性更强；同时镀层选用和气液两相扩散层更匹配的材料，可降低接触电阻，降低电解槽能耗，约为4.3-4.8kWh/Nm3。
3.在相同产氢量下，本申请的高效能电解水制氢模块(AEM电解模块)对比传统碱液电解槽体积更小，体积和重量约为传统碱液电解模块的一半。
附图说明
图1为一种低成本的高效能电解水制氢模块的爆炸图。
图2为图1中端板、极板、五合一膜电极板的结构示意图。
图中标号为：1、端板，2、绝缘密封垫片，3、极板，4、电极绝缘密封框，5、气液两相扩散层，6、五合一膜电极板。
具体实施方式
下面通过实施例对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”，“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
如图1-2所示，一种低成本的高效能电解水制氢模块，包括五合一膜电极板6，五合一膜电极板至少包括阴极催化层、阳极催化层以及设于阴极催化层和阳极催化层之间的AEM交换膜。阴极催化层、AEM交换膜和阳极催化层构成了五合一膜电极的有效区，AEM交换膜替代常用的、昂贵的质子交换膜，不仅具有很好催化性能，极大提高电解槽的催化性能上限，还能大幅降低成本。本实用新型中，膜电极是由依次设置的阴极边框膜/阴极催化层/AEM交换膜/阳极催化层/阳极边框膜在一定压力(20-40kgf/cm2)下封装而成(电催化剂直接成膜(CCF)技术)。其中AEM交换膜起到离子传输作用，同时可以隔绝氢气和氧气，保障高纯度制备；催化层可提高电解水的效率，降低电解水过电位，催化层优选Ni基，Co基，Fe基等高效催化材料；利用边框膜进行封装，边框膜可选用PEN、PET等材质。
环绕所述阴极催化层边缘设有阴极边框膜，环绕阳极催化层边缘设有阳极边框膜，阴极边框膜和阳极边框膜叠合并对阴极催化层、AEM交换膜和阳极催化层形成密封和支撑。
所述五合一膜电极板两侧由内向外依次对称设有气液两相扩散层5、极板3、绝缘密封垫片2和端板1。气液两相扩散层5位于五合一膜电极板和极板之间，具有连接膜电极和极板的作用，同时促进气体和电解液的扩散，以便气体和电解液高效通过。本气液两相扩散层可根据实际需求，选择与膜电极匹配的材料，以便降低接触电阻，减少整体能耗；为降低成本，通常可选用碳基材料(碳纸，碳布等)，镍基材料(多孔镍，泡沫镍，镍网等)钛基材料(多孔钛，泡沫钛等)以及其他可满足气液扩散需求的多孔性材料。气液两相扩散层外围用电极绝缘密封框封装，该密封框可选用软质密封材料(如EPDM,PE,PP,CR,硅胶等材质)，硬质密封材料(如PTFE,改性PTFE材质)或同时结合软质&硬质材料。
所述五合一膜电极板6和极板3间还设有电极绝缘密封框4，电极绝缘密封框4中部设有开口，气液两相扩散层露出于开口并与极板相接触。
电极绝缘密封框4和绝缘密封垫片2可选择具有绝缘和密封的功能的软质材料、硬质材料或复合软质&硬质材料。具体的，所述电极绝缘密封框4和绝缘密封垫片2可采用PTFE、硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶、PEN或PET材料中的一种或几种复合。
端板1一般为合金板，可选铝合金板，不锈钢，碳钢等材料，对整个电解槽起到保护作用。
所述气液两相扩散层5采用Ni基或碳基多孔材料。
所述阴极催化层和/或阳极催化层采用Ni、Fe、Mn、Zn、A1、Mg或Co基催化材料中的一种。
所述极板3为带有镀层的金属板，极板近气液两相扩散层一侧表面加工有气液流道。本实施例中，极板为不锈钢板，表面经镀层处理，镀层可经由电镀，PECVD，MOCVD，CVD，PVD等方式制得，镀层厚度介于5μm与10mm之间，极板近气液两相扩散层一侧表面具有气液流道，极板起到导电的作用，极板一侧设有接线板。镀层可减小极板与气液两相扩散层的接触电阻，增大电流密度，降低制氢能耗；极板上的气液流道可有效促进气液流通。金属板优选铝合金板，不锈钢，碳钢等材料；镀层根据实际需求可选择Cu，Ni，Cr等材料或合金。
所述五合一膜电极板6、电极绝缘密封框4、极板3、绝缘密封垫片2和端板1的近边缘处设有若干导气孔(图中方孔为导气孔)，导气孔与气液流道相连通，在极板附近产生的气体经由气液流道汇至导气孔。
所述五合一膜电极板、电极绝缘密封框、极板、绝缘密封垫片和端板边缘设有多个固定孔(图中圆孔为固定孔)，在固定孔上安装紧固件即可将多块板子进行固定。
尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (10)
1.一种低成本的高效能电解水制氢模块，其特征在于，包括五合一膜电极板，五合一膜电极板至少包括阴极催化层、阳极催化层以及设于阴极催化层和阳极催化层之间的AEM交换膜。
2.如权利要求1所述的低成本的高效能电解水制氢模块，其特征在于，环绕所述阴极催化层边缘设有阴极边框膜，环绕阳极催化层边缘设有阳极边框膜，阴极边框膜和阳极边框膜叠合并对阴极催化层、AEM交换膜和阳极催化层形成密封和支撑。
3.如权利要求2所述的低成本的高效能电解水制氢模块，其特征在于，所述五合一膜电极板两侧由内向外依次对称设有气液两相扩散层、极板、绝缘密封垫片和端板。
4.如权利要求3所述的低成本的高效能电解水制氢模块，其特征在于，所述五合一膜电极板和极板间还设有电极绝缘密封框，电极绝缘密封框中部设有开口，气液两相扩散层露出于开口并与极板相接触。
5.如权利要求4所述的低成本的高效能电解水制氢模块，其特征在于，所述电极绝缘密封框和绝缘密封垫片采用PTFE、硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶、PEN或PET材料中的一种或几种复合。
6.如权利要求3所述的低成本的高效能电解水制氢模块，其特征在于，所述气液两相扩散层采用Ni基、Ti基或碳基多孔材料中的一种。
7.如权利要求1所述的低成本的高效能电解水制氢模块，其特征在于，所述阴极催化层和/或阳极催化层采用Ni、Fe、Mn、Zn、A1、Mg或Co基催化材料中的一种。
8.如权利要求3所述的低成本的高效能电解水制氢模块，其特征在于，所述极板为带有镀层的金属板，极板近气液两相扩散层一侧表面加工有气液流道。
9.如权利要求3所述的低成本的高效能电解水制氢模块，其特征在于，所述五合一膜电极板、电极绝缘密封框、极板、绝缘密封垫片和端板的近边缘处设有若干导气孔，导气孔与气液流道相连通。
10.如权利要求9所述的低成本的高效能电解水制氢模块，其特征在于，所述五合一膜电极板、电极绝缘密封框、极板、绝缘密封垫片和端板边缘设有多个固定孔。
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