一种具有双原位参比电极的电解槽及应用制造技术

本发明专利技术公开一种具有双原位参比电极的电解槽及应用，包括：阴极区域引出导线、阳极区域引出导线以及氢气流道中的氢气源及温湿度/流量控制装置、氢气背压阀、涂敷铂黑的微孔质子交换膜区域、双原位参比电极等。通过在电解槽内设置两个工作环境相同的“Pt/H

【技术实现步骤摘要】
一种具有双原位参比电极的电解槽及应用


[0001]本专利技术涉及电解水
，具体涉及一种具有双原位参比电极的电解槽及应用。

技术介绍

[0002]中国是世界最大的碳排放国之一，也是能源资源稀缺、化石能源对外依存度较高的国家，亟需发展“低碳”甚至“零碳”能源体系。氢气作为一种清洁环保的二次能源，是解决日益严重的能源危机和环境污染的重要手段，是实现“双碳”目标的重要途径。利用可再生能源制氢则是发展氢能最重要、最基础的技术环节。目前主要的制氢工艺包括化石燃料制氢、电解水制氢、光/热催化制氢以及生物质制氢等。其中，质子交换膜电解水制氢可用于消纳光伏、风电等可再生能源产生的波动性较大的绿电或弃电，将电能转化为氢能，具有氢气纯度高、生产流程无污染、制氢规模灵活可调等特点，但其设备成本高等问题限制了大规模商业化应用。
[0003]近年来，国内外关于质子交换膜电解水催化剂的研究取得了一系列显著的成果，但研究工作大都在实验室条件下完成，通常将催化剂涂于玻碳电极表面或生长在特定基底表面，测试其在电解池中半反应的电化学性能。这些研究成果实际应用于电解水膜电极器件时，性能往往并不理想。因为催化剂层的制备工艺对催化活性有较大影响，且催化剂工作的膜电极真实环境与实验室环境差异较大，存在众多影响因素。此外，膜电极实际组装过程工艺复杂、测试成本高、尚无器件层面的催化性能表征技术等问题也阻碍了先进材料在质子交换膜电解水领域的实际应用。如何有效实现电解水催化剂在膜电极环境下的性能精确评估，并针对性进行优化改进，是加速电解水技术发展必不可少的关键环节。
[0004]现有的质子交换膜电解槽结构可参见公开号为CN211556049U、CN216891243U等中国专利申请。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种具有双原位参比电极电解槽及其应用。
[0006]为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案。
[0007]一种具有双原位参比电极的电解槽，包括：质子交换膜，在所述质子交换膜的电解活性区域两侧分别设有催化剂层、气体
‑
液体扩散层和极板；其中，在所述质子交换膜上设有远离所述电解活性区域的参比电极区域，在所述参比电极区域上设有铂黑层和围绕所述铂黑层设置的穿透微孔。
[0008]对应所述参比电极区域还设有氢气流道，在所述氢气流道上设有氢气源、温湿度/流量控制装置、氢气背压阀、参比电极，所述温湿度/流量控制装置位于氢气入口处、用来控制氢气源流入氢气的温湿度和流量，所述氢气背压阀位于氢气出口处、用来调整参比电极区域环境，所述参比电极为两个、分设于所述参比电极区域两侧构成双原位参比电极。
[0009]工作时，1）通过所述温湿度/流量控制装置对氢气加湿实现湿润氢气的均匀分布并润湿所述质子交换膜，使参比电极区域与电解活性区域形成离子通路。
[0010]2）通过所述温湿度/流量控制装置及所述氢气背压阀来调整参比电极区域环境，使之与电解活性区域保持一致，然后进行性能检测，达到催化剂真实活性的准确测量目的。
[0011]本专利技术提供的一种具有双原位参比电极的电解槽，其采用铂黑与氢气接触形成的可逆氢参比电极的“零电位”基准，可实现双参比电极自我校正。其通过设置穿透微孔可以使得双参比电极的两侧能够形成相同的条件状态。
[0012]测试时，使用内建双参比电极能够直接测量同侧氢参比电极与被测电极的电位差，并可通过PEM（质子交换膜）两侧参比电极环境相同、电位相同的原理，交换连接方式进行对侧二次交叉验证，提高测试数据的可信度及精度。该测试装置中MEA（燃料电池膜电极）参比电极区域的面积小，具有广泛的应用范围，可以用于研究多种活性面积的MEA。该方法研究MEA能采集不同电流密度下的数据，且不受反应物流量大小的影响，能够实时精确表征电解槽在真实工况条件下的析氢/析氧过电位。
[0013]更为优选的是，所述铂黑层为圆形区域，所述穿透微孔围绕所述铂黑层的周围设置。通过精确设计微孔的每个点位周边避开铂黑涂布从而避免铂黑透过微孔形成短路。
[0014]更为优选的是，所述温湿度/流量控制装置由加湿模块、升温模块和质量流量控制器组成。
[0015]更为优选的是，所述加湿模块为湿膜加湿器或鼓泡加湿器。
[0016]更为优选的是，所述升温模块为电加热模块。
[0017]更为优选的是，利用加湿氢气润湿所述质子交换膜时，加湿氢气的气体相对湿度控制范围为20%至过饱和。
[0018]更为优选的是，利用所述温湿度/流量控制装置及所述氢气背压阀来调整参比电极区域环境、使之与电解区域保持一致时，氢气温度范围控制在25~95℃，氢气通入流量控制在10~1000mL/minute，使两参比电极间的电位差稳定在零。
[0019]更为优选的是，在进行性能测试时，控制参比电极区域的氢气压力与电解区域压力相同。
[0020]更为优选的是，在进行性能测试时，使用参比电极测量同侧氢参比电极与被测电极的电位差，并通过交换连接方式测量氢参比电极与另一侧被测电极的电位差进行对侧二次交叉验证。
[0021]作为本专利技术的另一方面，还提供如上所述的一种具有双原位参比电极的电解槽在质子交换膜电解水催化剂性能测试中的应用。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果。
[0023]1）通常电解槽只能获取电极之间的整体电位差，无法测量单电极一侧的过电位。通过原位设置双参比电极即可实现独立研究析氢/析氧半电解槽的过电位。
[0024]2）在具有多微孔结构的双参比电极氢气流道中，可利用温湿度控制装置及氢气背压阀使参比电极处的工作环境与电解活性区域工作环境保持一致，使测试结果能反映催化剂的真实活性。
[0025]3）采用铂黑与氢气接触形成的可逆氢参比电极的“零电位”基准，可实现双参比电极自我校正，且能通过双原位参比电极的同侧及对侧交叉验证，提高测试数据的可信度及
精度，适合推广应用。
附图说明
[0026]图1所示为本专利技术提供的电解槽的结构示意图。
[0027]图2所示为本专利技术提供的电解槽在另一视角上的结构示意图。
[0028]图3所示为使两参比电极间的电位差稳定在零的测试连接图。
[0029]图4所示为使用参比电极测量同侧氢参比电极与被测电极的电位差的测试连接图。
[0030]图5所示为使用参比电极测量参比电极与与另一侧被测电极的电位差的测试连接图。
[0031]附图标记说明。
[0032]1‑
温湿度/流量控制装置，2
‑
氢气背压阀，3
‑
参比电极，4
‑
极板，5
‑
气体
‑
液体扩散层，6
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阳极催化层，7
‑
阴极催化层，8
‑
质子交换膜，9
‑
阳极区域引出导线，10
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有双原位参比电极的电解槽，包括：质子交换膜，在所述质子交换膜的电解活性区域两侧分别设有催化剂层、气体
‑
液体扩散层和极板；其特征在于，在所述质子交换膜上设有远离所述电解活性区域的参比电极区域，在所述参比电极区域上设有铂黑层和围绕所述铂黑层设置的穿透微孔；对应所述参比电极区域还设有氢气流道，在所述氢气流道上设有氢气源、温湿度/流量控制装置、氢气背压阀和参比电极，所述温湿度/流量控制装置位于氢气入口处，所述氢气背压阀位于氢气出口处，所述参比电极为两个、分设于所述参比电极区域两侧构成双原位参比电极；工作时，1）通过温湿度/流量控制装置对氢气加湿实现湿润氢气的均匀分布并润湿所述质子交换膜，使参比电极区域与电解活性区域形成离子通路；2）通过所述温湿度/流量控制装置及所述氢气背压阀来调整参比电极区域环境，使之与电解活性区域保持一致，然后进行性能检测，以达到催化剂真实活性的准确测量。2.根据权利要求1所述的一种具有双原位参比电极的电解槽，其特征在于，所述铂黑层为圆形区域，所述穿透微孔围绕所述铂黑层的周围设置。3.根据权利要求1所述的一种具有双原位参比电极的电解槽，其特征在于，所述温湿度/流量控制装置由加湿模块、升温模块和质量流量控制器组成。4.根据权利要求3所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：田文颖，张锐明，孟子寒，
申请(专利权)人：田文颖，
类型：发明
国别省市：