碱性电解水制氢用的碱性膜电极式电解槽及其制备方法与流程

本发明涉及碱性电解水制氢，特别涉及一种碱性电解水制氢用的碱性膜电极式电解槽及其制备方法。

背景技术：

1、随着全球对环保脱碳的日益关注以及可再生能源发电技术的进步，利用风电、光电和水电等可再生能源制氢是实现绿色氢能经济的重要途径。氢能可广泛应用于甲醇生产、油品加氢、合成氨、金属冶炼、供热及车用运输等。可再生能源总量增速显著，将成为主要能源之一，其发电成本随着技术的成熟和规模的扩大在不断下降，可再生能源制氢有望具备市场竞争力。另外，可再生能源制氢可消纳弃风、弃光和弃水电力，获得低成本氢气。

2、电解水制氢技术包括碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、阴离子交换膜电解水制氢和固体氧化物电解水制氢。其中，碱性电解水制氢技术最为成熟，已广泛应用于火电厂和精密电子产品生产等领域。传统的碱性电解槽的电解小室结构示意图参见图4，其包括依次堆叠的双极板、阳极镍网电极、隔膜、阴极镍网电极、双极板，其中所用的镍网电极如图5所示。碱性电解水制氢技术具有设备成本低、寿命长和稳健的优点，适于大规模制取绿色氢气，但现有的碱性电解水制氢用电解槽仍存在电流密度低和电解能耗高的缺点。降低碱性电解水的小室电压是提高电解能效和电流密度的关键。

3、专利申请cn104364425a公开了一种双极式碱性水电解单元和电解槽，其提供的双极式碱性水电解单元组装在用于对由碱性水构成的电解液进行电解而得到氧和氢的电解槽中，该双极式碱性水电解单元具备析氧用的阳极、析氢用的阴极、分隔阳极和阴极的导电性隔壁、包围导电性隔壁的环状的外框，在导电性隔壁和或外框的上部设置有气体和电解液的通过部，在导电性隔壁和或外框的下部设置有电解液的通过部。该方案通过设置包围双极式碱性水电解单元的隔壁的外框，即使以3ka/m2以上的高电流密度进行电解，也不会使离子透过性隔膜或电极(阳极和阴极)破损，能够简便地安装，还能够抑制设备费用。该方案的主要改进目的在于如何提供设备费用低、能够进行稳定的电解的双极式碱性电解水单元及电解槽。

技术实现思路

1、本发明提供一种碱性电解水制氢用的碱性膜电极式电解槽及其制备方法，该碱性膜电极式电解槽在碱性电解水制氢中具有较低的小室电压，有利于降低碱性电解水的能耗。

2、本发明为达到其目的，提供如下技术方案：

3、本发明一方面提供一种碱性电解水制氢用的碱性膜电极式电解槽，所述碱性膜电极式电解槽包括电解单元和设于所述电解单元两侧的端板，所述电解单元包括电解小室，所述电解小室包括依次堆叠设置的双极板、阳极扩散层、膜电极、阴极扩散层和双极板；

4、其中，所述膜电极包括隔膜和分别负载于所述隔膜的两侧表面的阳极催化剂层、阴极催化剂层；所述隔膜为多孔隔膜或碱性阴离子交换膜；

5、所述双极板的厚度为1-3mm，所述阳极扩散层和所述阴极扩散层的厚度分别为0.02-4mm，且所述阳极扩散层和所述阴极扩散层的目数分别为50-500目。

6、优选地，所述阳极催化剂层、所述阴极催化剂层的厚度分别为2-50μm，优选≥2μm且小于10μm；进一步优选地，所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层的厚度之比为1-3。

7、一些实施方式中，所述多孔隔膜的材质选自聚醚砜、聚砜、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯中的一种或多种。

8、一些实施方式中，所述碱性阴离子交换膜的材质选自季铵盐型阴离子交换膜、聚醚砜类阴离子交换膜或聚苯醚类阴离子交换膜。

9、一些实施方式中，所述隔膜的孔隙率为30-80％，厚度为0.05-0.7mm。

10、优选地，所述双极板为镀镍的钢板或钛板；优选地，所述双极板具有1-200μm厚的镀镍层。

11、优选地，所述阳极扩散层和所述阴极扩散层分别选自镍网、镍毡、有孔镍板、有孔镍箔、镀镍的钢网、镀镍的有孔钢板、镀镍的钛网或镀镍的有孔钛板。

12、优选地，所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层中的催化剂分别选自包括镍元素的金属、包括镍元素的金属氧化物中的一种或多种；优选地，所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层中的催化剂负载量分别为0.5-20mg/cm2。

13、优选地，所述电解单元包括两个以上所述电解小室。

14、优选地，在所述电解小室中，依次堆叠的所述双极板、阳极扩散层、膜电极、阴极扩散层和双极板之中，相邻的两个组件之间分别设有密封垫。

15、优选地，所述双极板的厚度分别为2-3mm，所述阳极扩散层和所述阴极扩散层的厚度分别为0.1-0.2mm，且所述阳极扩散层和所述阴极扩散层的目数分别为150-250目。

16、本发明还提供上文所述的碱性膜电极式电解槽的制备方法，在所述电解单元的两侧分别设置所述端板并进行组装得到所述碱性膜电极式电解槽。

17、一些实施方式中，所述电解单元中的所述膜电极的制备步骤包括：通过物理气相沉积法、转印法或直接涂布法在所述隔膜的两侧表面分别负载形成阳极催化剂层、阴极催化剂层，得到所述膜电极。

18、一些实施方式中，所述转印法包括如下操作：将分散有催化剂的催化剂浆料涂布于转印膜上，然后干燥；再将其放置于所述隔膜的两侧，经转印获得所述膜电极。

19、一些实施方式中，所述直接涂布法包括如下操作：将分散有催化剂的催化剂浆料涂布在所述隔膜的两侧表面，经干燥、热压，得到所述膜电极；优选地，所述干燥在80-150℃下进行，所述热压在130-210℃、0.5mpa-10mpa条件下进行。

20、一些实施方式中，所述催化剂浆料中，所用粘结剂选自聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚和全氟磺酸树脂中的一种或多种；

21、优选地，所述催化剂浆料中，所用溶剂选自酯类、酮类、酰胺类、醇类和水溶剂中的一种或多种；

22、进一步优选地，所述催化剂浆料中的催化剂：粘结剂：溶剂的质量比为1：0.01-5：0.4-50。

23、本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

24、本发明基于在多孔隔膜或碱性阴离子交换膜的两侧表面负载阴极、阳极催化剂层的膜电极，开发了一种用于碱性电解水制氢的电解槽，该电解槽配合特定厚度的双极板以及特定厚度和目数的阴极、阳极扩散层组装而成，应用于碱性电解水制氢中具有较低的小室电压，能够显著降低碱性电解水的能耗。

技术特征：

1.一种碱性电解水制氢用的碱性膜电极式电解槽，其特征在于，所述碱性膜电极式电解槽包括电解单元和设于所述电解单元两侧的端板，所述电解单元包括电解小室，所述电解小室包括依次堆叠设置的双极板、阳极扩散层、膜电极、阴极扩散层和双极板；

2.根据权利要求1所述的碱性膜电极式电解槽，其特征在于，所述阳极催化剂层、所述阴极催化剂层的厚度分别为2-50μm，优选≥2μm且小于10μm；

3.根据权利要求1所述的碱性膜电极式电解槽，其特征在于，所述多孔隔膜的材质选自聚醚砜、聚砜、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯中的一种或多种；

4.根据权利要求1-3任一项所述的碱性膜电极式电解槽，其特征在于，所述双极板为镀镍的钢板或钛板；优选地，所述双极板具有1-200μm厚的镀镍层；

5.根据权利要求1-3任一项所述的碱性膜电极式电解槽，其特征在于，所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层中的催化剂分别选自包括镍元素的金属、包括镍元素的金属氧化物中的一种或多种；

6.根据权利要求1-3任一项所述的碱性膜电极式电解槽，其特征在于，所述电解单元包括两个以上所述电解小室；

7.根据权利要求1-3任一项所述的碱性膜电极式电解槽，其特征在于，所述双极板的厚度分别为2-3mm，所述阳极扩散层和所述阴极扩散层的厚度分别为0.1-0.2mm，且所述阳极扩散层和所述阴极扩散层的目数分别为150-250目。

8.权利要求1-7任一项所述的碱性膜电极式电解槽的制备方法，其特征在于，在所述电解单元的两侧分别设置所述端板并进行组装得到所述碱性膜电极式电解槽。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述电解单元中的所述膜电极的制备步骤包括：通过物理气相沉积法、转印法或直接涂布法在所述隔膜的两侧表面分别负载形成阳极催化剂层、阴极催化剂层，得到所述膜电极。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述转印法包括如下操作：将分散有催化剂的催化剂浆料涂布于转印膜上，然后干燥；再将其放置于所述隔膜的两侧，经转印获得所述膜电极；

技术总结本发明提供一种碱性电解水制氢用的碱性膜电极式电解槽及其制备方法，本提供的碱性膜电极式电解槽在碱性电解水制氢中具有较低的小室电压。所述碱性膜电极式电解槽包括电解单元和设于所述电解单元两侧的端板，所述电解单元包括电解小室，所述电解小室包括依次堆叠设置的双极板、阳极扩散层、膜电极、阴极扩散层和双极板；其中，所述膜电极包括隔膜和分别负载于所述隔膜的两侧表面的阳极催化剂层、阴极催化剂层；所述隔膜为多孔隔膜或碱性阴离子交换膜；所述双极板的厚度为1‑3mm，所述阳极扩散层和所述阴极扩散层的厚度分别为0.02‑4mm，且所述阳极扩散层和所述阴极扩散层的目数分别为50‑500目。技术研发人员：邓甜音,刘艳莹,何广利受保护的技术使用者：国家能源投资集团有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/4/29