[发明专利]一种提高电解水制氢效率的方法及装置

说明书

本发明公开一种提高电解水制氢效率的方法及装置。本发明电解水制氢基本单元为依次顺序连接的双极板，密封圈，阳极扩散层，膜电极，阴极扩散层，密封圈，双极板连接组装而成。其中膜电极由作为水的解离层的双极膜及负载其两侧表面的阴极催化剂层和阳极催化剂层构成。若干个基本单元组成电解水制氢系统。此发明的电解水系统及装置具有以下优点：1.大幅度的降低了电解水分解电压；2.设备体积更加紧凑，提高了体积功率密度；3.催化剂采用非金属氧化物催化剂，成本大幅度降低；4、催化剂的制备过程中不需要高温焙烧工艺，进一步降低催化剂的制备成本，并保持载体的稳定性，得到比表面积大，活性高的催化剂；5.双极板、扩散层耐腐蚀的要求降低。

技术领域

本发明涉及新能源领域，特别是电解水制氢领域，具体涉及一种提高电解水制氢效率的方法及装置。

背景技术

碱性电解水制氢采用石棉隔膜加阴阳极结构电解水制氢，技术成熟，能耗也比较低。但由于石棉结构本身易造成氢氧互渗，限制了输出氢气的压力。由于电解液为碱性溶液，造成氢气夹带碱液，纯度不高。电极与膜的距离较远，易造成分解电压升高，导致能耗增加，且设备体积较大，体积功率密度较低等缺点突出。

质子膜电解水（PEM）设备体积小，制备氢气纯度高，输出压力高，单机功率大，对输入电源响应快，稳定性要求低等优势受到青睐。然而采用碳载铂、铱催化剂，双极板和扩散层材料均需要进行防腐、导电处理，而且主要以贵金属或者贵金属氧化物涂层为主，造成设备价格昂贵，稳定性差。同时由于膜电极的存在又提高了电解水的分解电压，导致能耗高。再者质子交换膜、催化剂、碳纸等材料都依赖进口，这些因素导致电解水成本居高不下，且设备稳定性较差。以上原因限制了质子交换膜电解水制氢设备的广泛推广应用。

电解水能耗高根本原因在于，电解水阳极为速控步骤，阳极析氧后，产生强酸性环境，化学和电化学作用加剧了阳极腐蚀。PEM电解水理论分解电压是1.23V，贵金属催化剂稳定性好，过电位较低（一般为200-300mV），满足电解水制氢的需求。双极膜是阴离子膜和阳离子膜构成的复合膜，阴离子膜带正电荷基团，导通阴离子，阳离子膜带负电基团，导通阳离子。阴阳离子膜复合在一起，中间有一类似PN节结构的界面层，在外加直流电场的作用下，中间形成巨大的电场，把水裂解成氢离子和氢氧根离子，在催化剂的作用下，生成氧气和氢气， 利用双极膜可以在低工作电压下电解解离水分子。专利（CN105483747 A），采用双极膜电解水制氢，双极膜把水裂解成氢离子和氢氧根离子，氢氧根离子在贵金属阳极上氧化生成氧气，氢离子在贵金属阴极还原成氢气，但贵金属的存在，造成设备价格昂贵，稳定性差，且需进行防腐性、导电性处理。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种提高电解水制氢效率的方法及装置，主要目的在于降低PEM电解水制氢的能耗，提高效率，降低设备成本，以便于大规模应用。传统的PEM电解水运行环境苛刻，对设备材质要求严格，催化剂成本高，市场应用受到了极大限制。双极膜把水裂解成氢离子和氢氧根离子，膜表面的催化剂把氢离子还原成氢气和氢氧根离子氧化成氧气，大大降低了催化剂直接氧化水所需的能量。此外，本发明将非贵金属催化剂与双极膜组合构成膜电极，所需扩散层和双极板无需特殊防腐处理，产氢效率高，能耗低，设备成本更低。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一种提高电解水制氢效率的装置，电解槽由一个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，其中：

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。