一种表面分形强化的水电解制氢装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种表面分形强化的水电解制氢装置及方法，属于电解制氢技术领域。该装置包括阳极板和阴极板，由阳极板至阴极板的方向，阳极板和阴极板之间依次设置有第一气体扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层以及第二气体扩散层；第一气体扩散层的表面和第二气体扩散层的表面设有凸凹结构，和/或，第一催化剂层的表面和第二催化剂层的表面设有凸凹结构。通过设置凸凹结构，分形处理为亲水疏气性，有助于气泡从孔口脱离，降低催化剂层和气体扩散层表面的气体覆盖率，促进反应产生的气泡快速到达极板流道，提高电解效率。相应方法即使用上述水电解制氢装置进行电解即可。方法即使用上述水电解制氢装置进行电解即可。方法即使用上述水电解制氢装置进行电解即可。

【技术实现步骤摘要】
一种表面分形强化的水电解制氢装置及方法


[0001]本专利技术涉及电解制氢
，具体而言，涉及一种表面分形强化的水电解制氢装置及方法。

技术介绍

[0002]由于原油的劣质化趋势、原油资源的匮乏和环境保护要求油品品质的升级等原因使得炼厂对氢气的需求量不断增加。且随着技术的不断进步，氢能可为更多交通工具提供动力来源，氢能需求也会进一步加速。
[0003]制氢的方法主要有煤气化法、蒸汽转化法及电解水法等，其中，电解水法是最易大规模应用的制氢方法，且所用设备简单，制备过程无污染，制备的氢气纯度较高。自从1800年尼尔森等人成功地将水电解制成氢气和氧气以来，水电解制氢技术得到了飞速的发展。目前，电解水制氢的产量已达到世界氢气总产量的4％，然而其生产耗能巨大，实现大规模电解水制氢的关键是降低电解能耗，因此开发出更适合的电极材料一直是科学家们的奋斗目标，也是一个研究的热点。
[0004]当前电解水制氢技术根据电解质的不同主要分为三类，即碱性电解水制氢技术、固体氧化物电解水制氢技术和质子交换膜(PEM)电解水制氢技术。固体氧化物电解水技术在以上三种电解技术中效率最高，但需要相对苛刻的应用条件，普适性不强，在高温制氢领域有很好的发展前景，目前尚处于开发阶段。碱性电解水制氢是一种技术最成熟，结构最简单，生产成本最低的技术，但是同时也伴随着制氢效率低、氢气纯度不够以及由于电解质的酸碱性而导致的安全系数较低等一系列问题。相对上述两种电解水制氢技术而言，质子交换膜电解水技术用质子交换膜代替石棉膜，气体的交叉扩散问题得到了明显改善，能够获得更高纯度的氢气，同时也使得装置能够在较高的压力下安全工作。质子交换膜电解水技术由于其电流密度大、产氢率高、氢纯度高、设备体积小的突出特点引起了全世界的研究热情，因此也被认为是最有前景的电解水技术。
[0005]质子交换膜电解水核心组件是膜电极组件，即在离子交换膜的两侧嵌入催化剂作为电极，使得电极与膜成为一体，极大地缩短了极间距，有效降低了析氢和析氧过电位，使得质子交换膜电解水技术能耗更低，催化剂的存在也降低了反应活化能，制氢效率更高。但是在PEM电解池中，质子交换膜所提供的酸性环境要求使用一些特定的耐腐蚀材料，又要满足导电性或者电催化性能等要求，只有少数几种材料可供选择，如Pt、Ir、Ru、Ti等贵金属。因此关于质子交换膜电解水技术的研究主要集中于催化电极的研究，催化电极高昂的价格也是质子交换膜电解水技术大规模应用的瓶颈。
[0006]在质子交换膜电解水制氢过程中，水分解化学反应在电极表面发生，通过电化学反应产生氢气和氧气分子，并形成气泡扩散到电解液中。若气泡不能快速脱离电极表面，将会降低电解质与催化剂的接触面积，影响催化效果，大量的气泡在电解质中会影响电解质导电性。
[0007]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的之一在于提供一种表面分形强化的水电解制氢装置，该装置能够降低催化剂层和/或气体扩散层表面的气体覆盖率，促进反应产生的气泡快速到达极板流道并快速脱离电极表面，提高电解效率。
[0009]本专利技术的目的之二在于提供一种使用上述水电解制氢装置进行电解制氢的方法。
[0010]本申请可这样实现：
[0011]第一方面，本专利技术提供一种表面分形强化的水电解制氢装置，其包括阳极板和阴极板，由阳极板至阴极板的方向，阳极板和阴极板之间依次设置有第一气体扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层以及第二气体扩散层；第一气体扩散层的表面和第二气体扩散层的表面设有凸凹结构，和/或，第一催化剂层的表面和第二催化剂层的表面设有凸凹结构。
[0012]在可选的实施方式中，凸凹结构包括一级分形结构，一级分形结构包括多个间隔设置的一级突起。
[0013]在可选的实施方式中，一级突起的表面设有二级分形结构，二级分形结构包括多个间隔设置的二级突起。
[0014]在可选的实施方式中，相邻2个一级突起之间的间距或相邻2个二级突起的间距为电解过程中形成的气泡直径的1
‑
10倍。
[0015]在可选的实施方式中，相邻2个一级突起之间的间距或相邻2个二级突起的间距为电解过程中形成的气泡直径的2
‑
5倍。
[0016]在可选的实施方式中，气泡的直径为0.3
‑
3mm，更优为0.5
‑
2mm。
[0017]在可选的实施方式中，一级突起或二级突起的表面的气液接触角为30
‑
80
°
。
[0018]在可选的实施方式中，第一气体扩散层的制作材料包括膨胀筛网、烧结所得的多孔介质、毡形式存在的钛或毡形式存在的贵金属；
[0019]和/或，第二气体扩散层的制作材料包括碳质材料。
[0020]在可选的实施方式中，碳质材料为碳纸或碳布。
[0021]在可选的实施方式中，第一催化剂层和第二催化剂层的制作材料均包括碳载贵金属颗粒。
[0022]在可选的实施方式中，阳极板的朝向阴极板的一侧表面具有第一流道，阴极板的朝向阳极板的一侧表面具有第二流道。
[0023]在可选的实施方式中，阳极板和阴极板的制作材料为压电材料；或，第一流道和第二流道的制作材料为压电材料；
[0024]在可选的实施方式中，第一流道与阳极板之间设有至少一层压电材料，第二流道与阴极板之间设有至少一层压电材料。
[0025]在可选的实施方式中，水电解制氢装置还包括超声波发生器，超声波发生器设置于阳极板和阴极板内；
[0026]阳极板和阴极板的制作材料为石墨或金属板。
[0027]在可选的实施方式中，质子交换膜为全氟磺酸质子膜。
[0028]第二方面，本申请提供一种水电解制氢方法，采用前述实施方式任一项的水电解制氢装置进行电解制氢。
[0029]在可选的实施方式中，电解制氢过程中，超声频率为10
‑
200kHz。
[0030]本申请的有益效果包括：
[0031]通过将催化剂层和/或气体扩散层表面设置凸凹结构，可使催化剂层和/或气体扩散层具有亲水疏气性，有助于气泡从孔口脱离，降低催化剂层和气体扩散层表面的气体覆盖率，可以促进反应产生的气泡快速到达极板流道，进而有利于后续气体的快速脱除，提高电解效率。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0033]图1为本申请提供的水电解制氢装置的结构图；
[0034]图2为水电解制氢过程中图1对应的水电解制氢装置中电子和质子的移动示意图；
[0035]图3为本申请提供的二级表面分形示意图；
[0036]图4为疏气材料表面的疏气气泡本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面分形强化的水电解制氢装置，其特征在于，所述水电解制氢装置包括阳极板和阴极板，由所述阳极板至阴极板的方向，所述阳极板和所述阴极板之间依次设置有第一气体扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层以及第二气体扩散层；所述第一气体扩散层的表面和所述第二气体扩散层的表面设有凸凹结构，和/或，所述第一催化剂层的表面和所述第二催化剂层的表面设有凸凹结构。2.根据权利要求1所述的水电解制氢装置，其特征在于，所述凸凹结构包括一级分形结构，所述一级分形结构包括多个间隔设置的一级突起；优选地，所述一级突起的表面设有二级分形结构，所述二级分形结构包括多个间隔设置的二级突起。3.根据权利要求2所述的水电解制氢装置，其特征在于，相邻2个所述一级突起之间的间距或相邻2个所述二级突起的间距为电解过程中形成的气泡直径的1
‑
10倍；优选地，相邻2个所述一级突起之间的间距或相邻2个所述二级突起的间距为电解过程中形成的气泡直径的2
‑
5倍；优选地，所述气泡的直径为0.3
‑
3mm，更优为0.5
‑
2mm；优选地，所述一级突起或所述二级突起的表面的气液接触角为30
‑
80
°
。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的水电解制氢装置，其特征在于，所述第一气体扩散层的制作材料包...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈强，李毅，蔡连波，盛维武，李小婷，魏嘉，陈险峰，刘茂增，赵晓青，
申请(专利权)人：中石化炼化工程集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：