[发明专利]一种提高电解水制氢效率的方法及装置

权利要求书

1.一种提高电解水制氢效率的装置，由电解槽以及数个电解水制氢基本单元组成，所述电解水制氢基本单元包括：膜电极、扩散层以及双极板，其特征在于：

所述膜电极由作为水的解离层的双极膜及负载在其两侧表面的阴极催化剂层和阳极催化剂层构成；

所述的扩散层包括阳极扩散层和阴极扩散层，设置在膜电极的两侧，所述阳极扩散层设置在阳极催化剂层一侧，所述阴极扩散层设置在阴极催化剂层一侧；

所述的双极板设置在阳极扩散层和阴极扩散层的外侧，靠近阳极扩散层的一面为双极板氧板，靠近阴极扩散层的一面为双极板的氢板，在双极板的外侧还设置有密封圈；

所述的电解水制氢基本单元为依次顺序连接的双极板氧板，密封圈，阳极扩散层，膜电极，阴极扩散层，密封圈，双极板氢板连接组装而成。

2.根据权利要求1所述的一种提高电解水制氢效率的装置，其特征在于，所述双极膜由阴离子膜和阳离子膜复合而成，阴离子膜解离水得到的氢氧根离子在阳极催化剂层的催化作用下产生氧气，通过阳极扩散层收集；阳离子膜解离水得到的氢离子在阴极催化剂层的催化作用下产生氢气，通过阴极扩散层收集。

3.根据权利要求1或2所述的一种提高电解水制氢效率的装置，其特征在于，所述双极膜两侧负载催化剂层，催化剂层通过采用超声喷涂、丝网印刷、转印热压、电沉积、化学还原方法中的一种负载在双极膜的两侧，所述阳极催化剂层负载在阴离子膜一侧，所述阴极催化剂层负载在阳离子膜一侧。

4.根据权利要求1所述的一种提高电解水制氢效率的装置，其特征在于，所述的阴极催化剂层和阳极催化剂层可以为同种催化剂，优选非贵金属催化剂。

5.根据权利要求1所述的一种提高电解水制氢效率的装置，其特征在于，催化剂的制备方法为：金属盐溶解到水中形成A，碳材料经过酸、碱预处理后分散到水中形成B，把B加入到A中搅拌一定时间后，用碱性缓冲溶液或者碱液调节至碱性后，在一定温度下老化一定时间，经过洗涤、过滤后干燥制备成催化剂。

6.根据权利要求5所述的一种提高电解水制氢效率的装置，其特征在于，所述金属盐为钴、锰、镍中的一种；所述碳材料为碳纳米管，石墨烯；所述碱性缓冲溶液为碳酸钾/氢氧化钾，碳酸钠/氢氧化钠，氨水/氢氧化钠；调节pH值为9-11；老化温度为40-90℃；干燥温度为50-120℃。

7.根据权利要求1所述的一种提高电解水制氢效率的装置，其特征在于，所述的扩散层，导电性好，疏水性强，孔隙率高，接触电阻低，优选碳纸，钛网，钛毡，不锈钢烧结网，复合材料中的一种；所述的双极板，导电性好，疏水性强，接触电阻低，重量轻，体积小，优选石墨双极板，金属双极板，复合双极板中的一种。

8.根据权利要求1所述的一种提高电解水制氢效率的装置，其特征在于，所述的膜电极结构为依次顺序连接的阳极催化剂层，阴离子膜，阳离子膜，阴极催化剂层，阳极催化剂靠近阳极扩散层，阴极催化靠近阴极扩散层组装，双极膜把催化剂层两侧隔断，阻断离子和气体相互扩散、迁移。

9.一种根据权利要求1-8任意一项所述的提高电解水制氢效率装置的制氢方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）催化剂制备：金属盐溶解到水中形成A，碳材料经过酸、碱预处理后分散到水中形成B，把B加入到A中搅拌一定时间后，用碱性缓冲溶液或者碱性溶液调节至碱性后，在一定温度下老化一定时间，经过洗涤、过滤后干燥制备成催化剂；

（2）膜电极制备：把步骤（1）制得的催化剂涂布到双极膜的两侧，优选的，采用超声喷涂的方法；

（3）组装及测试：依次按顺序将双极板氧板，密封圈，阳极扩散层，膜电极，阴极扩散层，密封圈，双极板氢板，连接组装成一个电解水制氢基本单元单元，若干电解水制氢基本单元串联形成电解装置；

（4）膜电极两侧充满水环境，启动电解水装置时，采用梯度电压的方式达到所需要设定电压，即先用低电压稳定一段时间，然后在所需电压下工作，并持续补充水，进行产氢性能测试。

10.根据权利要求9所述的一种提高电解水制氢效率的方法，其特征在于，所述金属盐为钴、锰、镍中的一种，所述碳材料为碳纳米管，石墨烯；所述碱性缓冲溶液为碳酸钾/氢氧化钾，碳酸钠/氢氧化钠，氨水/氢氧化钠；调节pH值为9-11；老化温度为40-90℃；干燥温度，50-120℃；所述阴阳极扩散层为碳纸或碳毡，钛网或钛毡；所述双极板为钛板、不锈钢板、铝合金板中的一种。