本实用新型专利技术涉及电解水制氢技术领域，更具体地，涉及一种电解水制氢装置及其构成的制氢装置堆。本实用新型专利技术的目的在于解决现有电解水制氢装置的阳极催化层导电性差以及阳极催化层和多孔扩散层之间接触电阻大的问题。具体是提供一种电解水制氢装置，包括膜电极(1)，膜电极(1)由质子交换膜(11)以及分设于质子交换膜两侧的阳极催化层(12)和阴极催化层(13)组成，阳极催化层(12)的外侧自内而外设有阳极多孔扩散层(2)和阳极极板(4)，阴极催化层外侧自内而外设有阴极多孔扩散层(3)和阴极极板(5)，其中，阳极催化层和所述阳极多孔扩散层之间还设有金属网层(6)。本实用新型专利技术有效降低装置内阻，提升装置制氢性能。提升装置制氢性能。提升装置制氢性能。
【技术实现步骤摘要】
一种电解水制氢装置及其构成的制氢装置堆
[0001]本技术涉及电解水制氢
，更具体地，涉及一种电解水制氢装置及其构成的制氢装置堆。
技术介绍
[0002]氢气是一种清洁、安全、高效的能源体系，广泛地应用于各行各业。其中产生氢气的主要方式有天然气制氢、碱性电解水制氢、固体氧化物电解水制氢、阴离子质子膜电解水制氢、质子交换膜电解水制氢等。在众多制氢方式中，质子交换膜电解水制氢因其电流密度大、装置体积小、绿色清洁、能源消耗低、产氢纯度高和更高的安全性等优点被认为是最有发展前景的大规模制备绿氢途径。
[0003]质子交换膜电解水制氢装置(PEMWE)是以质子交换膜(PEM)为电解质，纯水作为反应物，通过外界施加电压分解水得到氢气和氧气。现有PEMWE主要由膜电极(CCM)、多孔扩散层(PTL)、密封圈和双极板组成。其中，CCM上的阳极催化层(ACL)自身传质电阻较大以及ACL与PTL之间接触电阻大是影响PEMWE性能的主要因素。这是由于CCM中ACL主要成分是Ir、Ru等贵金属的氧化物，是一类导电性较差的材料，由这类金属氧化物构成的阳极催化层的电子导电能力较差，传质电阻较大，极大地限制阳极催化剂电化学反应活性，导致阳极催化剂利用率和效率降低；ACL与PTL为两种不同的材料且接触面不均匀导致两者之间的接触电阻较大。
[0004]GaoqiangYang等(Roleofelectronpathwayindimensionallyincreasingwatersplittingreactionsitesinliquidelectrolyte，ElectrochimicaActa2020(362)137113)公开了一种增强ACL导电性可以提高PEMWE性能的方法，通过将金纳米片的插入ACL下部增加催化层导电性并显著降低了催化层的平面电阻，催化层内有更多的催化剂参与到了反应中，提高了催化剂的利用率以及装置的电解水性能。但金纳米片是全封闭，在ACL中会影响质子的传导，增加传质阻力，且没有降低ACL与PTL之间的接触电阻。
[0005]ShuleYu等(Tuningcatalystactivationandutilizationviacontrolledelectrodepatterningforlow
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loadingandhigh
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efficiencywaterelectrolyzers，Small2022(18)2107745)公开了一种将阳极催化剂沉积到PTL上，有效地提升了CCM催化层的导电性，同时将催化层与PTL紧密结合，减少了ACL与PTL之间的接触电阻，提升了PEMWE性能。该方法的工艺制备流程复杂，不适用于批量化生产。
[0006]因此，有必要开发一种新的电解水制氢装置，用以降低催化层的质子电阻、提升催化层导电性，以及降低ACL与PTL接触电阻，从而提升PEMWE的性能。
技术实现思路
[0007]本技术的目的之一在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种新的电解水制氢装置，用于解决阳极催化层导电性差以及阳极催化层和多孔扩散层之间接触电阻大的问题。
[0008]本技术采取的技术方案是，提供一种电解水制氢装置，包括膜电极，所述膜电极由质子交换膜以及分设于质子交换膜两侧的阳极催化层和阴极催化层组成，所述阳极催化层的外侧自内而外设有阳极多孔扩散层和阳极极板，所述阴极催化层外侧自内而外设有阴极多孔扩散层和阴极极板，所述阳极催化层和所述阳极多孔扩散层之间还设有金属网层。现有技术中，阳极催化层主要成分是Ir、Ru等贵金属的氧化物，导电性能相对较差，导致传质电阻较大，极大地限制阳极催化剂电化学反应活性，导致阳极催化剂利用率和效率降低。而且由于阳极催化层和多孔扩散层的材料不同，导致二者间的接触电阻较大，进一步增大了装置的内阻，对装置的制氢性能产生负面影响。本方案通过在阳极催化层和多孔扩散层之间设置导电的金属网层，达到提升阳极催化层的电子传导和催化层导电性的效果，提高阳极催化剂利用率同时降低多孔扩散层与阳极催化层之间接触电阻，有效地提升PEMWE的性能，提高制氢效率，整体上降低制氢成本。同时，本方案的金属网层为单独的零部件，便于生产制造，且组装时仅需要覆盖在多孔扩散层与阳极催化层之间，然后按照常规的制作工艺完成各个零件层之间的堆叠即可，整个工艺流程简单，适于批量化生产。
[0009]进一步地，所述金属网层的网孔直径为0.1～25mm。本方案中，设置具有所述孔径的网孔，可以确保装置电解水后产生的氢气和氧气快速通过金属导电网，避免发生堵塞，以确保多孔扩散层与阳极催化层之间可以长时间维持较好的导电性能。
[0010]进一步地，所述金属网层的厚度为50～300um。本方案中，设置金属网的厚度较小，能有效地降低阳极催化层与多孔扩散层之间的接触电阻，有助于减小整体内阻，提高装置的制氢性能。同时，由于实际运用时往往需要堆叠较多层的电解水制氢装置(PEMWE)才能实现较好的制氢效果，因此本方案中较小的厚度也有利于装置整体的轻薄化，更加符合实际使用要求。
[0011]进一步地，所述金属网层由耐腐蚀金属颗粒构成。由于装置在制氢时，阳极的pH可以降到2左右的强酸性条件，实际使用时磺酸根离子结合阳离子催化层上的金属导致腐蚀的情况。因此，本方案通过以耐腐蚀金属材料的颗粒形成金属网层，具体地，所述耐酸腐蚀材料是指在强酸条件下不被腐蚀的金属材料，可大大降低强酸环境的破坏，延长使用寿命，降低整体的制氢成本。
[0012]进一步地，所述金属网层由电导率≥2.34
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106S/m的金属材料的颗粒构成。
[0013]优选地，所述金属网层为Ag、Au、Ni、Co、Pt、Ir中的一种或多种金属颗粒构成。
[0014]本方案中，所述的金属颗粒形成金属网层后，导电能力强且耐酸腐蚀，可以促进电子在阳极催化层面内的快速传导，提升阳极催化层的电子传导率，有效地降低阳极催化层传质电阻，阳极催化层有更高的电化学反应效率，同时提升阳极催化层与多孔扩散层之间的接触性，降低两者之间电阻，增加两者之间的导电性，从而提升PEMWE的性能。
[0015]进一步地，所述阳极催化层为IrO2、Ir/Black、IrRuOx中的一种或多种催化剂涂覆在所述质子交换膜上形成的层。本方案中，将阳极浆料通过狭缝涂布、刮涂、超声喷涂、辊压等方式覆盖在质子交换膜上得到阳极催化层。所述阳极浆料由阳极催化剂、有机溶剂、去离子水和全氟磺酸树脂分散液分散得到。其中，IrO2、Ir/Black、IrRuOx为商业化容易得到的。所述有机溶剂为正丙醇、异丙醇、乙二醇、乙醇、丙二醇中的一种或多种溶剂。所述阳极浆料分散方式为珠磨机、超声粉碎机、均质机、行星式搅拌器进行分散混合。
[0016]优选地，所述阳极催化层的厚度为2～100um。本方案中，设置轻薄的催化层，利于
12和阴极催化层13组成，所述阳极催化层12的外侧自内而外层叠地设置有阳极多孔扩散层 2和阳极极板本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种电解水制氢装置，包括膜电极(1)，所述膜电极(1)由质子交换膜(11)以及分设于质子交换膜(11)两侧的阳极催化层(12)和阴极催化层(13)组成，所述阳极催化层(12)的外侧自内而外设有阳极多孔扩散层(2)和阳极极板(4)，所述阴极催化层(13)外侧自内而外设有阴极多孔扩散层(3)和阴极极板(5)，其特征在于，所述阳极催化层(12)和所述阳极多孔扩散层(2)之间还设有金属网层(6)。2.根据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述金属网层(6)的网孔直径为0.1～25mm。3.根据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述金属网层(6)的厚度为50～300um。4.根据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述金属网层(6)由耐腐蚀金属颗粒构成...
【专利技术属性】
技术研发人员：古建，敖洪亮，孙昭红，杨云松，唐军柯，邹渝泉，叶思宇，孙宁，
申请(专利权)人：鸿基创能科技佛山有限公司，
类型：新型
国别省市：
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