一种渐变孔隙的碱水电解制氢电极结构

本发明涉及碱水电解制氢，具体涉及一种渐变孔隙的碱水电解制氢电极结构。

背景技术：

1、氢能具有能量密度高、清洁无污染等优点，是理想的绿色能源。以新能源电力为驱动的电解水制氢作为电能的储存媒介，可以很好地整合风能和太阳能等时域性和地域性强的一次清洁能源，实现区域清洁能源的持续稳定供应。碱性水电解技术成熟、成本低，但是随着电流密度的增加，能耗急剧上升。电解水制氢通常在0.2a/cm2左右的低电流密度下运行，随着电流密度的进一步增加，能耗急剧上升，这也是限制其大规模商业应用的重要因素。在大电流密度下，电极表面产生大量气泡，附着在电极表面的气泡阻止了电解液和电极之间的接触，减少了电极的有效工作面积，导致欧姆电阻增加，能耗上升。

2、现有的碱水电解制氢电极，通常为泡沫镍或镍编织网。泡沫镍孔隙随机，电解产生的气体容易捕获在泡沫镍内部，妨碍电解液到达电极表面，造成电解能耗上升。镍编织网孔隙形状大小均匀，电极靠近隔膜一侧的孔隙形状大小和远离隔膜一侧的孔隙形状大小一致，不利于气泡的及时分离。

3、本发明的渐变孔隙的碱水电解制氢电极结构，电极靠近隔膜一侧的孔隙较小，远离隔膜一侧的孔隙较大，便于气泡及时从电极表面脱出，减小气泡覆盖率，节约能耗。

技术实现思路

1、本发明目的：在于提供一种渐变孔隙的碱水电解制氢电极结构，便于气泡的产生和分离，节约电解能耗。

2、为实现以上功能，本发明设计一种渐变孔隙的碱水电解制氢电极结构，所述电极结构由冲孔的金属薄层构成，金属薄层的一侧和隔膜接触，另一侧流过电解液；

3、所述金属薄层上具有按预设规律排列的通孔，各通孔的孔径沿金属薄层厚度方向渐变，且各通孔在和隔膜接触一侧的孔径小于流过电解液一侧的孔径。

4、作为本发明的一种优选技术方案：所述金属薄层的厚度为0.1mm-5mm。

5、作为本发明的一种优选技术方案：所述各通孔截面形状包括圆形、方形、椭圆形。

6、作为本发明的一种优选技术方案：所述各通孔沿金属薄层厚度方向上的形状包括锥形孔、双曲线型孔、抛物线型孔。

7、作为本发明的一种优选技术方案：所述各通孔在金属薄层表面按行列交错规律排列或按行列对齐规律排列。

8、作为本发明的一种优选技术方案：所述金属薄层厚度和孔径的关系为，金属薄层厚度0.5mm，以远离隔膜一侧为背面，其表面孔径范围为0.3-0.6mm，以隔膜接触一侧为正面，其表面孔径范围为0.05-0.1mm，金属薄层厚度增加，孔径亦随之增大，背面孔径与金属薄层厚度之比范围为0.6-1.2。

9、作为本发明的一种优选技术方案：所述金属薄层背面相邻两孔之间的间距为背面孔径的1.1倍。

10、作为本发明的一种优选技术方案：渐变孔边缘切线方向与垂直方向的夹角为0-75°。

11、作为本发明的一种优选技术方案：所述金属薄层为对碱性环境稳定的金属材料。

12、有益效果：相对于现有技术，本发明的优点包括：

13、(1)根据大电流密度下，气体快速产生，难于从电极表面脱附，导致气阻增加的特点，设计与反应过程相匹配的电极结构，能够有效降低电解能耗。

14、(2)电极正面，即靠近隔膜一侧，设置较小的孔径，能够提供更多反应位点，加速气体生成，提高产氢效率。

15、(3)电极背面，即远离隔膜一侧，设置较大的孔径，能够促进气泡分离，并从电极表面脱出，减小气阻，降低能耗。

16、(4)沿电极厚度方向，渐变的孔径设计，适应气泡的生长规律，加速气泡从电极表面的脱离，促进电化学反应过程的进行。

17、(5)开孔的形状尺寸设计符合气泡运动规律，便于气泡及时快速逸出。

技术特征：

1.一种渐变孔隙的碱水电解制氢电极结构，其特征在于，所述电极结构由冲孔的金属薄层构成，金属薄层的一侧和隔膜接触，另一侧流过电解液；

2.根据权利要求1所述的一种渐变孔隙的碱水电解制氢电极结构，其特征在于，所述金属薄层的厚度为0.1mm-5mm。

3.根据权利要求1所述的一种渐变孔隙的碱水电解制氢电极结构，其特征在于，所述各通孔截面形状包括圆形、方形、椭圆形。

4.根据权利要求1所述的一种渐变孔隙的碱水电解制氢电极结构，其特征在于，所述各通孔沿金属薄层厚度方向上的形状包括锥形孔、双曲线型孔、抛物线型孔。

5.根据权利要求1所述的一种渐变孔隙的碱水电解制氢电极结构，其特征在于，所述各通孔在金属薄层表面按行列交错规律排列或按行列对齐规律排列。

6.根据权利要求1所述的一种渐变孔隙的碱水电解制氢电极结构，其特征在于，所述金属薄层厚度和孔径的关系为，金属薄层厚度0.5mm，以远离隔膜一侧为背面，其表面孔径范围为0.3-0.6mm，以隔膜接触一侧为正面，其表面孔径范围为0.05-0.1mm，金属薄层厚度增加，孔径亦随之增大，背面孔径与金属薄层厚度之比范围为0.6-1.2。

7.根据权利要求1所述的一种渐变孔隙的碱水电解制氢电极结构，其特征在于，所述金属薄层背面相邻两孔之间的间距为背面孔径的1.1倍。

8.根据权利要求1所述的一种渐变孔隙的碱水电解制氢电极结构，其特征在于，渐变孔边缘切线方向与垂直方向的夹角为0-75°。

9.根据权利要求1所述的一种渐变孔隙的碱水电解制氢电极结构，其特征在于，所述金属薄层为对碱性环境稳定的金属材料。

技术总结本发明公开了一种渐变孔隙的碱水电解制氢电极结构，电极结构由冲孔的金属薄层构成，金属薄层的一侧和隔膜接触，另一侧流过电解液。金属薄层上的孔为通孔，靠近隔膜一侧的孔径较小，沿金属薄层厚度方向，孔径渐变，金属薄层另一侧孔径较大，渐变孔形状为锥形、抛物线型、双曲线型等。与现有技术相比，沿电极厚度方向，渐变孔的设计，适应气泡的生长特点，能够加速气泡从电极表面的分离，释放更多反应位点，促进电化学反应过程的进行，减小气阻，降低电解能耗。技术研发人员：段慧玲,王沛,张烁,马浩宇,吴谆受保护的技术使用者：河海大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18