一种带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统及方法，其中电解制氢系统，包括若干带有氢氧再结合功能层的电解制氢单元；若干带有氢氧再结合功能层的电解制氢单元均包括依次设置的阴极、具有氢氧再结合功能的阴极功能层、隔膜、具有氢氧再结合功能的阳极功能层和阳极，且阴极、阴极功能层、隔膜、阳极功能层和阳极相互紧密贴合，形成零间距的密封结构。本发明专利技术所述的带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统，在电极和隔膜之间增加氢氧再结合功能层(阴极功能层和阳极功能层)，使少量过膜气体与产品气体在相应的催化层内重新结合成水分子，被产品气体带出系统，能够避免电解槽产品气体过膜掺混产生爆炸混合物。品气体过膜掺混产生爆炸混合物。品气体过膜掺混产生爆炸混合物。

【技术实现步骤摘要】
一种带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统及方法


[0001]本专利技术属于氢能
，尤其涉及一种带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统及方法。

技术介绍

[0002]水电解制氢是目前绿氢生产的唯一可商业化实现的技术手段。目前的水电解制氢系统是由电解槽和辅助系统组成的，水在电解槽内通过电化学反应被分解为氢气和氧气，产氢和产氧反应分别发生在电解槽的阴极侧和阳极侧，同时电解槽中有隔膜或离子膜，用以隔开阴极和阳极产生的气体。由于氢气和氧气混合会发生爆炸(氢气在氧气中的燃烧极限为4％
‑
76％)，因此隔膜或离子膜的阻气作用对系统安全性十分关键，为了达到较好的阻气效果，隔膜需要有一定的厚度(一般在几十到几百微米)，而这会造成隔膜电阻的增加，导致产氢电耗增加，增加了电解制氢的成本。另外，为了降低气体的过膜扩散，电解槽往往需要维持阴极侧和阳极侧的压力平衡，这会增加系统的控制复杂性，给操作带来了不稳定性，尤其是在以可再生能源作为电源输入的不稳定工况下，系统的控制难度较大。
[0003]氢气产品对纯度有一定的要求，电解槽产生的氢纯度一般能够达到99.8％，氧纯度能够达到98％左右。而当前燃料电池用氢对氢气纯度要求达到99.97％，国标对纯氢的纯度要求是99.99％，对纯氧的纯度要求是99.99％。为了提高产品的使用价值，需要在电解槽后面增加氢气和氧气纯化系统，这增加了系统的复杂性和占地面积，并且降低了系统的操作灵活性，不利于对波动性可再生能源的适应。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的一个目的在于提出一种带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统，在常规电解槽的电极和隔膜之间增加氢氧再结合功能层(阴极功能层和阳极功能层)，使少量过膜气体与产品气体在相应的催化层内重新结合成水分子，被产品气体带出系统，能够避免电解槽产品气体过膜掺混产生爆炸混合物，降低了系统控制的复杂度；对隔膜厚度要求降低，隔膜可以更薄，从而降低了电解制氢的整体能耗；从电解槽产生的氢气和氧气纯度增加，可省去系统中的氢气和氧气纯化单元，降低系统占地面积和复杂度，从而节约整体投资。
[0005]本专利技术的第二个目的在于提出一种制备上述带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统中阴极功能层或阳极功能层的制备方法。
[0006]本专利技术的第三个目的在于提出一种带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统中带有氢氧再结合功能层的电解制氢单元的装配方法。
[0007]本专利技术的第四个目的在于提出另一种带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统中带有氢氧再结合功能层的电解制氢单元的装配方法。
[0008]本专利技术的第五个目的在于提出又一种带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统中带有氢氧再结合功能层的电解制氢单元的装配方法。
[0009]本专利技术的第六个目的在于提出又一种带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统中带有氢氧再结合功能层的电解制氢单元的装配方法。
[0010]为达到上述目的，本专利技术第一方面实施例提出了一种带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统，该系统包括若干带有氢氧再结合功能层的电解制氢单元；若干带有氢氧再结合功能层的电解制氢单元均包括依次设置的阴极、具有氢氧再结合功能的阴极功能层、隔膜、具有氢氧再结合功能的阳极功能层和阳极，且阴极、阴极功能层、隔膜、阳极功能层和阳极相互紧密贴合，形成零间距的密封结构。
[0011]本专利技术实施例的带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统，在常规电解槽的电极和隔膜之间增加氢氧再结合功能层，使少量过膜气体与产品气体在相应的催化层内重新结合成水分子，被产品气体带出系统，能够避免电解槽产品气体过膜掺混产生爆炸混合物，降低了系统控制的复杂度；对隔膜厚度要求降低，隔膜可以更薄，从而降低了电解制氢的整体能耗；从电解槽产生的氢气和氧气纯度增加，可省去系统中的氢气和氧气纯化单元，降低系统占地面积和复杂度，从而节约整体投资。
[0012]另外，根据本专利技术上述实施例提出的带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统还可以具有如下附加的技术特征：
[0013]在本专利技术的一个实施例中，每个带有氢氧再结合功能层的电解制氢单元中，阴极、阴极功能层、隔膜、阳极功能层和阳极通过垫片、螺栓和螺母紧密贴合。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，每个带有氢氧再结合功能层的电解制氢单元中，阴极、阴极功能层、隔膜、阳极功能层和阳极通过热压或冷压的方式安装在一起。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，所述阴极功能层和所述阳极功能层均包括载体和负载在载体上的气体结合催化剂。
[0016]在本专利技术的一个实施例中，所述载体为具有孔道结构的无机材料或有机材料。具体的，载体可以选择碳化硅、氧化硅、氧化铝、氧化钛、分子筛、石墨烯、金属
‑
有机框架(MOF)材料、高分子聚合材料(比如聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚醚砜等)等。其中，金属
‑
有机框架(MOF)材料是一种具有高度可调性的多孔材料，可以通过金属和有机配体前驱体控制、后合成修饰等方式调控孔道结构、比表面积、氢氧吸附能力和亲疏水性。
[0017]本专利技术的实施例中，金属
‑
有机框架(MOF)材料可以市购，也可以自行合成。如果是自行合成，以铁基MOF材料(记为Fe
‑
MOF)为例，其合成方法可以是：将Fe(NO3)3·
9H2O溶解在甲醇中，加入异丙醇，得混合溶液；然后将2
‑
甲基咪唑和甲醇的混合物加入上述溶液中并在室温下搅拌20
‑
28h；离心分离，用甲醇反复洗涤数次，50
‑
70℃下真空干燥10
‑
15h。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，所述气体结合催化剂为铂、钯、铑中的一种或两种以上结合的二元或三元合金。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，所述气体结合催化剂为铂、钯、铑中的一种或两种以上与其他金属构成的二元、三元或多元合金，这里其他金属包括钛、锆、铈、镍等。
[0020]在本专利技术的一个实施例中，所述阴极功能层和所述阳极功能层中气体结合催化剂的负载量均在5
‑
10wt％之间。
[0021]在本专利技术的一个实施例中，所述阴极功能层和所述阳极功能层的厚度均在10
‑
100nm之间。
[0022]在本专利技术的一个实施例中，所述阴极功能层的载体的氧气吸附自由能在
‑
1.0～
‑
1.8eV之间，且阴极功能层的载体与水的接触角在100
‑
150度之间。
[0023]在本专利技术的一个实施例中，所述阳极功能层的载体的氢气吸附自由能在
‑
0.4～0.4eV之间，且阳极功能层的载体与水的接触角在100
‑
150度之间。
[0024]在本专利技术的一个实施例中，隔膜可以选择质子交换膜电解槽的Nafion膜、碱性电解槽的Zirfon膜等。
[0025]在本专利技术的一个实施例中，带有氢氧再结合功能层的电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统，其特征在于，包括若干带有氢氧再结合功能层的电解制氢单元；若干带有氢氧再结合功能层的电解制氢单元均包括依次设置的阴极、具有氢氧再结合功能的阴极功能层、隔膜、具有氢氧再结合功能的阳极功能层和阳极，且阴极、阴极功能层、隔膜、阳极功能层和阳极相互紧密贴合，形成零间距的密封结构。2.根据权利要求1所述的带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统，其特征在于，所述阴极功能层和所述阳极功能层均包括载体和负载在载体上的气体结合催化剂；和/或，所述载体为具有孔道结构的无机材料或有机材料；和/或，所述气体结合催化剂为铂、钯、铑中的一种或两种以上结合的二元或三元合金；或者，所述气体结合催化剂为铂、钯、铑中的一种或两种以上与钛、锆、铈、镍中的一种或两种以上相互结合成的多元合金。3.根据权利要求2所述的带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统，其特征在于，所述阴极功能层和所述阳极功能层中气体结合催化剂的负载量均在5
‑
10wt％之间；和/或，所述阴极功能层和所述阳极功能层的厚度均在10
‑
100nm之间；和/或，所述阴极功能层的载体的氧气吸附自由能在
‑
1.0～
‑
1.8eV之间，且阴极功能层的载体与水的接触角在100
‑
150度之间；和/或，所述阳极功能层的载体的氢气吸附自由能在
‑
0.4～0.4eV之间，且阳极功能层的载体与水的接触角在100
‑
150度之间。4.一种制备如权利要求1至3任意一项所述的带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统中阴极功能层或阳极功能层的制备方法，其特征在于，包括制备载体的步骤和制备气体结合催化剂的步骤；其中，制备气体结合催化剂的步骤在制备载体的步骤之后，或者在制备载体过程中进行。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：当制备气体结合催化剂的步骤在制备载体的步骤之后时，气体结合催化剂通过浸渍、液相沉淀或电沉积方式负载在载体上；当制备气体结合催化剂的步骤在制备载体的过程中进行时，在载体合成的过程中引入气体结合催化剂前驱物，在载体合成的同时一步合成，并辅以活化处理。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：制备载体的方法为：合成载体粉末后，将载体粉末配制成浆液，再将浆液以涂覆的形式结合在电极或隔膜表面，并固化成型；或者，制备载体的方法为：以电极或隔膜为基体，使载体前驱物在电极或隔膜表面原位生长形成。7.一种如权利要求1至3任意一项所述的带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统中电解制氢单元的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备阴极功能层
‑
隔膜复合体或阳极功能层
‑
隔膜复合体；(2)在阴极...

【专利技术属性】
技术研发人员：张畅，郭海礁，徐显明，刘丽萍，王韬，潘龙，王金意，
申请(专利权)人：四川华能氢能科技有限公司华能集团技术创新中心有限公司四川华能太平驿水电有限责任公司四川华能宝兴河水电有限责任公司四川华能嘉陵江水电有限责任公司四川华能东西关水电股份有限公司四川华能康定水电有限责任公司四川华能涪江水电有限责任公司华能明台电力有限责任公司，
类型：发明
国别省市：