[发明专利]一种水电解制氢用双层电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种水电解制氢用双层电极及其制备方法和应用，其中水电解制氢用双层电极，包括集电体；所述集电体表面设有至少一层氢/氧发生多孔催化层，氢/氧发生多孔催化层包括导电多孔载体和分散在载体表面的氢/氧发生催化剂颗粒；最外层的氢/氧发生多孔催化层表面设有至少一层气体除杂多孔催化层，气体除杂多孔催化层包括导电多孔载体和分散在载体表面的气体除杂催化剂颗粒。本发明所述的水电解制氢用双层电极，具有电催化、气体扩散和气体纯化的功能，能够节省电解槽空间，降低能耗，提高波动性电力输入下的设备稳定性。

技术领域

本发明属于氢能技术领域，尤其涉及一种水电解制氢用双层电极及其制备方法和应用。

背景技术

用可再生能源发电进行电解水制氢是一种绿色、清洁的氢气生产方式，是未来氢能产业发展的主流技术选择。目前电解水制氢技术的主要问题在于单位制氢电耗过高和对波动性可再生能源的适应性不强。

电解水制氢的电极是电化学反应发生的场所，对制氢能耗和波动适应性起到决定性的作用。目前，电解水制氢的电极一般由集电体和电极催化层组成，集电体为具有一定强度的导电材料，催化层为具有催化活性的颗粒，通过涂覆、沉积等方式负载在集电体表面。催化层负载过程中，往往伴随着颗粒的聚结，造成活性位点的损失以及传质阻力，导致电耗升高；气体产生过程中，气泡对催化层的冲击会造成催化层脱落，尤其是在波动性可再生能源输入的条件下，气体产量的不稳定性增加，会造成催化层脱落和活性位点损失。另外，气体在电极和隔膜之间会形成气阻，造成电耗的提升。

在波动性可再生能源输入下，气体产量和纯度的不稳定性增加，从安全上对隔膜的阻气效果提出了更高的要求。目前，在30％低负荷运行时，电解槽产生的氧气中氢气杂质的含量可增加到满负荷运行时的5到10倍。为了适应波动工况的需求，需对电解槽产品气体的过膜掺混进行控制。隔膜的阻气效果一般与膜厚度成正比，但是增加隔膜厚度会造成隔膜电阻增加，提升整体电耗，也会导致电解槽体积增大，尤其是在大规模电解槽中，不利于电解制氢设备的大型化发展。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种水电解制氢用双层电极，由于在集电体上依次设置了采用导电多孔载体骨架的氢/氧发生多孔催化层和气体去除多孔催化层，使得整个电极具有电催化、气体扩散和气体纯化的功能，能够节省电解槽空间，降低能耗，提高波动性电力输入下的设备稳定性。

本发明的第二个目的在于提出一种制备水电解制氢用双层电极的方法。

本发明的第三个目的在于提出又一种制备水电解制氢用双层电极的方法。

本发明的第四个目的在于提出一种电解制氢单元。

本发明的第五个目的在于提出一种水电解制氢系统。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种水电解制氢用双层电极，包括集电体；所述集电体表面设有至少一层氢/氧发生多孔催化层，氢/氧发生多孔催化层包括导电多孔载体和分散在载体表面的氢/氧发生催化剂颗粒；最外层的氢/氧发生多孔催化层表面设有至少一层气体除杂多孔催化层，气体除杂多孔催化层包括导电多孔载体和分散在载体表面的气体除杂催化剂颗粒。

另外，根据本发明上述实施例提出的水电解制氢用双层电极还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，当氢/氧发生多孔催化层的层数在2层以上时，各层氢/氧发生多孔催化层的催化剂负载量和孔容从靠近集电体的方向到靠近气体除杂多孔催化层的方向依次降低。

在本发明的一个实施例中，当气体除杂多孔催化层的层数在2层以上时，各气体除杂多孔催化层的催化剂负载量从靠近氢/氧发生多孔催化层的方向向远离氢/氧发生多孔催化层的方向依次升高，孔容依次降低。

在本发明的一个实施例中，气体除杂多孔催化层的孔容低于氢/氧发生多孔催化层的孔容。