[实用新型]一种电解水制氢装置的CCM结构及膜电极结构及装置

说明书

本实用新型涉及电解水制氢领域，提供一种电解水制氢装置的CCM结构及膜电极结构及装置，所述CCM结构包括：第一质子交换膜、阴极催化层和阳极催化层，所述阴极催化层和阳极催化层设于所述第一质子交换膜两侧，所述阳极催化层和第一质子交换膜之间设有分隔结构，所述分隔结构由相连的第二质子交换膜和氢气氧化层组成，所述氢气氧化层设于近阴极催化层的一侧。本实用新型的优点是：本实用新型通过将质子交换膜分开设置，减小其厚度，从而减小电阻，降低电解能耗；同时通过氢气氧化层的设置，防止氢气渗透过质子交换膜进入阳极催化层，如此实现在降低氢气渗透率的情况下提高了电解水制氢装置的整体性能和效率。

技术领域

本实用新型涉及电解水制氢领域，更具体地，涉及一种电解水制氢装置的CCM结构及膜电极结构及装置。

背景技术

随着我国双碳目标的提出，氢能源作为达成双碳目标必然解决方案已经被社会各界广泛接受认可，而可再生能源制氢作为氢能源的上游产业被认为是无可替代的发展选项。因此，在目前可再生能源发电的强劲势头下发展电解水制氢是必不可少的。PEM电解水制氢具有非常强力而众多的优势，如：系统响应快、能耗低、污染小、安全性高、氢气纯度高(可达99.99999％)、出口压力大(35bar)、占地面积小、配套设施少等。

膜电极是PEM电解水制氢装置中最主要的反应场所，是PEM水电解槽的核心部件，其直接影响电解池制氢效率，决定了电解反应的安全及性能稳定。其主要由位于最中间的质子膜，位于质子膜两侧与质子膜紧密接触的阴、阳催化层以及位于催化层外侧的气体扩散层组成。位于质子交换膜一侧的催化层是阳极催化层，另一侧的为阴极催化层。在电解水装置工作时，水在阳极催化剂(OER)的催化下发生析氧反应，产生并释放氧气，同时释放出电子和质子；质子通过质子交换膜从阳极迁移到阴极，并在阴极催化剂的催化下发生析氢反应，释放出氢气。

在电解槽中，目前电解水膜电极中的质子交换膜都比较厚，如Nafion117、Nafion115和Nafion212膜，厚度分别为178μm、127μm或51μm。虽然较厚的质子交换膜可以降低气体的透过率，但质子交换膜越厚，膜的电阻越高，电解能耗越高。若是为了提高电解装置的性能减小质子交换膜的厚度，阴极产生的氢气会在压力作用下通过质子交换膜渗透到阴极，不仅会影响电解性能，当积累到一定浓度时还会造成安全问题。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种电解水制氢装置的CCM结构及膜电极结构及装置，用于在不增加氢气透过率的情况下提高电解水制氢装置的性能。

本实用新型的目的是提供一种电解水制氢装置的CCM结构，所述CCM结构包括：第一质子交换膜、阴极催化层和阳极催化层，所述阴极催化层和阳极催化层设于所述第一质子交换膜两侧，所述阳极催化层和第一质子交换膜之间设有分隔结构，所述分隔结构由相连的第二质子交换膜和氢气氧化层组成，所述氢气氧化层设于近阴极催化层的一侧。

质子交换膜在电解水制氢装置中不仅能将阴阳极的气体阻隔分开，也能起到传导质子的作用，即水在阳极侧电解释放出质子，质子通过质子交换膜传递至阴极。具体而言，第一质子交换膜为与阴极催化层紧贴的主要传导膜，第二质子交换膜为将气体进一步阻隔的辅助传导膜。阴极催化层上的催化剂用于催化阴极的析氢反应，阳极催化层用于催化阳极的析氧反应。

所述分隔结构起到了将阴极和阳极的气体分隔开，传导质子，并将从阴极渗透过第一质子交换膜的氢气消除的作用。分隔结构由第二质子交换膜和氢气氧化层层叠连接组成，一个CCM结构中可包含一个或多个分隔结构，所述氢气氧化层为近阴极催化层的一侧，可理解为，当分隔结构只有一个时，CCM结构包括依次层叠连接的阳极催化层、第二质子交换膜、氢气氧化层、第一质子交换膜和阴极催化层。氢气氧化层优选为通过双面直涂的方式涂布于第一质子交换膜上。