一种水电解制氢设备用的复合电极制造技术

本实用新型专利技术涉及一种水电解制氢设备用的复合电极，包含多孔载体层、催化剂层、以及气液流场分布层。多孔载体与气液流场分布层通过焊接方式连接在一起，或者在制氢电解槽内通过挤压的方式贴合在一起。多孔载体表面通过粗糙化处理形成微孔，所述的催化剂设置于其表面。本实用新型专利技术的技术方案所制备的复合电极，具备优异的析氢活性，以及良好的流场分布特性，能有效提高水电解的效率。效提高水电解的效率。效提高水电解的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种水电解制氢设备用的复合电极


[0001]本技术涉及水电解制氢领域，特别涉及一种水电解制氢设备用的复合电极。

技术介绍

[0002]氢能作为一种可持续的新型清洁能源，因具有高效、可压缩存储运输、产物无污染等优点而成为近来新能源领域新方向。将太阳能、风能等间歇性能源制取得到的电能，通过电解水析氢反应转化为可存储、可运输的氢能，被认为是解决当今环境污染和能源危机最有效的途径之一。电解水反应可分为两个半反应，即：阳极析氧反应(OER)和阴极析氢反应(HER)。从热力学角度来讲，水分解是一个标准吉布斯自由能变(ΔGd
°
)高达237.22kJ/mo l的非自发反应。因此，理论上，要通过电解装置驱动水分解反应，标准条件下电解槽的槽压需大于1.23V。如果考虑到实际电解槽是一个开放体系，需要消耗部分电能产生热量来满足等温条件，那么标准条件下驱动水分解反应的理论槽压应大于1.48V。在实际情况下，电解池的槽压远大于理论值1.23V。额外的电能消耗主要来自以下几个方面：
①
电解槽集流板等外部电路电阻；
②
催化层内部电阻；
③
电子转移电阻(电化学极化)；
④
与溶液相关的电阻；
⑤
气泡电阻；
⑥
与隔膜相关的电阻。这些因素可以被大致归为三类：反应电阻(
③
)，传质电阻(
④
+
⑤
+
⑥
)和电力电阻(
①
+
②
>)因此，电解水效率的提升，取决于上述各个方面能耗的降低。为了减少能耗、降低工作电压，拥有低的过电位和塔菲尔值的铂等贵金属催化电极被开发利用，但稀缺性和高成本的缺点限制了贵金属基催化剂的商业化使用。为了获得更高的经济利益，工业制氢机用的催化电极大部分都是使用高效稳定的非贵金属。其中，价格低廉、储量丰富的过渡金属及其合金因其独特的电子结构在制氢行业越来越受到重视。
[0003]人们在发展水电解催化剂时发现通过将水电解催化剂负载于多孔基底可以有效改善非贵金属基水电解催化剂的导电性差的问题，提高水电解析氢/析氧效率，也可以增加水电解催化剂的稳定性。而且可以利用导电基底的高比表面积来增大催化剂的活性位点暴露率，以此提高非贵金属基水电解催化剂的催化活性。目前成熟可利用的多孔基底有泡沫镍、碳布、镍网、铜网等。泡沫镍是一个三维网状结构的材料，具有导电性好、孔隙率高、比表面积大、活性位点暴露充分等优点，它作为基底材料负载水电解催化剂已被广泛应用在水电解制氢领域。
[0004]申请号为201611115439的专利技术专利“一种析氢电极及其制备和应用”，公开了“一种以泡沫金属为基底，将泡沫镍经过清洗处理后，在其表面电化学沉积一层颗粒状镍、钴、钼的一种或两种以上的合金，在含氯离子溶液中经过室温陈化，是电镀层表面形成一层纳米级厚度的纳米片状氢氧化物，氢氧化物为电沉积金属对应的氢氧化物，再电化学沉积微量铂，继续陈化已增加氢氧化物的厚度，得到多级孔道结构的析氢电极”。“该专利技术采用电镀的方法在泡沫金属表面形成球状颗粒镀层，进一步增加了泡沫镍的比表面积，为析氢催化剂提供良好的载体”。该专利技术的技术方案使用厚度为0.5
‑
3.0mm，孔道数目为50
‑ꢀ
200ppi的泡沫金属，这个孔数范围的泡沫金属，由于孔相对较小，反应产物气体在其中的传质效率不高。
[0005]申请号为202010455229.X的专利技术专利“一种基于过渡金属磷/氮化物异质结催化剂的制备方法及高效电解水析氢研究”，公开了“以硝酸钴、镍、铁等粉末为原料，通过电沉积、水热合成或化学气相沉积技术，在泡沫镍、钴、铁、铜和碳布等上制备出镍、铁或钴单金属或两种金属氧化物纳米结构(纳米线、纳米片等)阵列；将这些纳米阵列进行氮化处理，获得高导电的纳米多孔材料；以此为生长载体，原位生长镍、铁或钴基过渡金属磷化物纳米结构，制备出最终异质结催化剂”。该专利技术的技术方案是在泡沫镍上制备金属氮化物和金属磷化物纳米线作为催化剂，增加表面积。这种技术方案没有对泡沫镍电极进行结构优化，无法平衡在制氢过程中电解液与气体产物的逆向流动对传质过程的影响。
[0006]真正的水电解反应是在发生电极表面，伴随着电荷转移而发生的不均一接触反应。电化学反应进行时，反应物离子首先扩散至电极表面发生化学反应，随后生成物脱离并扩散到电解液中。因此，电解水电极的设计需要考虑电解质至电极表面的扩散电阻、电极表面反应电阻以及气泡覆盖导致的电阻。这些因素要求电解水电极不仅需要具有良好的催化反应性能，同时还必须具有含大量离子及气体传输通道的电极结构。尤其在工业电解电流密度下(3000
‑
5000A /m2)，电极表面反应十分剧烈，导致反应物离子供应不足以及产物迅速生成并滞留在电极表面的问题，使得反应难以持续高效地进行。因而对于电解水工业电极的设计，首要的问题是构建合适的电极结构以确保高效稳定的反应区。
[0007]目前工业制氢机上常用多种不同形状结构的电极，如网状、冲拉扩张金属网、多孔板等，这些结构电极的空气背压较大，从而增加了一定的动力消耗。因此人们又把目光投向具有三维网状结构的多孔材料。
[0008]目前商用的泡沫镍的孔径较大，一般＞300μm，而且表面比较光滑，不利于提高催化剂负载量。如果使用较小孔径的泡沫镍，或者通过其他办法把泡沫镍的孔径做小，虽然提高了表面积，增加了催化剂的负载量，但是安装到制氢机上之后，由于较小孔径的泡沫金属的流阻比较大，会减小电解液的循环量，同时也不利于电解生成的氢气、氧气在泡沫金属表面脱附，降低电解效率。
[0009]对于工业应用的催化电解电极来说，催化析氢/析氧活性并不是其唯一的要求，同时需要兼顾电解液压力、稳定性以及总体经济性的平衡。因此，现阶段需要寻找一种既能增大作为催化剂载体的多孔材料的表面积，又不影响电解液流阻和电解产物脱附速度的一种析氢/析氧电极材料。

技术实现思路

[0010]本技术的目的是提供一种水电解制氢设备用的复合电极，它是由多孔载体层、催化剂层、以及气液流场分布层组成，所述的多孔载体层是一种经过表面粗糙化处理后在其表面上形成微孔的三维多孔镍金属，所述的催化剂设置于多孔载体层表面。表面设置有催化剂层的多孔载体层通过整体焊接、部分焊接或者挤压的方式与气液流场分布层连接在一起。本技术的复合电极既具有极高的比表面积，表现出较高的析氢/析氧活性，又有较小的气液流动阻力。
[0011]本技术的技术方案如下：
[0012]一种水电解制氢设备用的复合电极，包含多孔载体层、位于多孔载体层表面的催化剂层、以及与多孔载体层相连接的气液流场分布层，其中：
[0013]所述的多孔载体层是经过表面粗糙化处理的三维多孔镍金属，所述的三维多孔镍金属厚度0.1
‑
5.0mm；
[0014]经过表面粗糙化处理的三维多孔镍金属具有两级或三级尺度孔径的结构，所述的两级本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水电解制氢设备用的复合电极，包含多孔载体层、位于多孔载体层表面的催化剂层、以及与多孔载体层相连接的气液流场分布层，其特征在于：所述的多孔载体层是经过表面粗糙化处理的三维多孔镍金属，所述的三维多孔镍金属厚度0.1
‑
5.0mm；经过表面粗糙化处理的三维多孔镍金属具有两级或三级尺度孔径的结构，所述的两级尺度孔径的结构为：第一级孔结构是三维多孔镍金属的丝网构成的三维网状孔，其平均孔径为200μm
‑
2000μm，第二级孔结构是三维多孔镍金属表面上的金属沉积层或涂覆层颗粒之间形成的孔，其平均孔径为1μm
‑
50μm；所述的三级尺度孔径的结构为：第一级孔结构是三维多孔镍金属的丝网构成的三维网状孔，其平均孔径为200μm
‑
2000μm，第二级孔结构是三维多孔镍金属表面上的金属沉积层或涂覆层颗粒之间形成的孔，其平均孔径为1μm
‑
50μm，第三级孔结构是上述金属沉积层或涂覆层颗粒上所形成的微孔，其平均孔径为0.05μm
‑
5μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆俊江，韦雁途，吴天和，卢忠莹，李青深，陈星，施普宁，欧文俊，钟志彬，李钊，莫自鸣，
申请(专利权)人：梧州三和新材料科技有限公司，
类型：新型
国别省市：