一种阳极处理方法及水解氢单元技术

本发明专利技术涉及电解水制氢领域，涉及一种阳极处理方法及水解氢单元，将由钛构成的或含钛的阳极基材通过以下方法进行表面处理，具体方法如下：S1.对阳极基材进行等离子表面处理；S2.对经过等离子表面处理的阳极基材进行水或稀酸处理。本发明专利技术的优点是：(1)本发明专利技术通过对阳极基材的表面进行等离子轰击处理，使其活化从而具有亲水性，如此水可以更加顺畅地通过阳极基材到达反应场所，从而在不需要引入化学试剂的情况下，提高水解氢装置的电解性能。(2)本发明专利技术通过水或稀酸将被等离子处理过的阳极基材进行二次处理，延长水解氢装置高性能运行状态的时间，进一步避免了传质损失导致的反应物浪费和水解氢装置失效导致的经济损失。和水解氢装置失效导致的经济损失。和水解氢装置失效导致的经济损失。

【技术实现步骤摘要】
一种阳极处理方法及水解氢单元


[0001]本专利技术涉及电解水制氢领域，更具体地，涉及一种阳极处理方法及水解氢单元。

技术介绍

[0002]质子交换膜(PEM)电解水制氢技术是一种新兴的电解水制氢技术。相比于目前其他的制氢技术，PEM电解槽作为制氢装置具有更高的效率和更高的电流密度，同时使用PEM作为隔膜，减少了阴阳极气体的互串，提高了气体的纯度和生产的安全性。此外电解槽可承受一定的压力，可制备带压的氢气，有利于氢气的储存，优点显而易见，因此PEM电解水制氢技术被认为是极具发展前景的。
[0003]PEM电解槽主要由CCM、多孔传输层(PTL)、双极板和端板等组成。在电解槽运行时，水通过阳极侧的端板进入PEM电解槽内，并沿着流道被输送到整个活性区域。然后水穿过阳极PTL，到达阳极催化剂层，被氧化形成质子和氧气。质子通过PEM从阳极侧迁移到阴极侧，在阴极催化层处被还原生成氢气。氧气则必须从阳极催化层，通过阳极PTL，返回到流道里，此时氧气与从流场到催化层的水呈逆流，若氧气不能被有效的排出，氧气气泡会在PTL的孔体中积累，阻碍反应物水到达催化剂位点，导致传质过电位大大增加，并最终使得电池失效。因此，高效的气体和液体通过PTL的传输对于PEM电解槽的稳定运行至关重要。
[0004]在PEM电解槽运行时，阳极处于高电势、强酸和析氧的电解环境下，因此一般稳定性较好的钛材料会被用作阳极的PTL，例如钛毡、钛烧结板等。Benzhong Zhao等(Superhydrophilic porous transport layer enhances efficiency ofpolymer electrolyte membrane electrolyzers，Cell Reports Physical Science 2021(2)100580)公开了一种提高PTL亲水性可以改善PEM电解槽传质的方法，将钛烧结板(PTL)置于氨水和过氧化氢溶液中处理，然后通过超纯水清洗干净，制备出表面超亲水钛烧结板(PTL)，与未处理的PTL相比，超亲水PTL组装的电解槽在较高的电流密度下电压更低。但是此方法是使用化学方法进行处理，后处理步骤比较麻烦，且使用氨水气味较大，不利于工作人员的操作处理，也不够环保，因此不适合大批量应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种阳极处理方法及水解氢单元，以环保的方式提高阳极基材的传质效率，从而提高水解氢装置的电解性能。
[0006]本专利技术的一个目的是提供一种阳极处理方法，将由钛构成的或含钛的阳极基材通过以下方法进行表面处理，具体方法如下：
[0007]S1.对阳极基材进行等离子表面处理；
[0008]S2.对经过等离子表面处理的阳极基材进行水或稀酸处理。
[0009]钛构成的或者含钛的阳极基材虽然稳定性较高，能够适应阳极高电势、强酸和析氧的电解环境，但其内部孔道结构通常是分布随机，导致反应物水和反应产物氧气泡在其内部传输阻力较大，尤其是在大电流之下，传质损失会更加明显。
[0010]本方案在步骤S1中通过对阳极基材的表面进行等离子轰击处理，使其活化从而具有亲水性，如此水可以更加顺畅地通过阳极基材到达反应场所，提高传质效率，从而在不需要引入化学试剂的情况下，提高水解氢装置的电解性能。此方法灵活环保，且操作过程简单，适用于工业化批量生产使用。
[0011]本方案在步骤S2中将被等离子处理过的阳极基材进行二次处理，水分子或稀酸与阳极基材处于高能状态的活性基团反应或结合，从而稳定阳极基材表面亲水性的活化状态，延长水解氢装置高性能运行状态的时间，进一步避免了传质损失导致的反应物浪费和水解氢装置失效导致的经济损失。
[0012]进一步的，所述步骤S2中所述的水为超纯水，所述的稀酸为稀硫酸，所述的处理为浸泡处理。
[0013]进一步的，所述稀硫酸的浓度为0.05～0.15mol/L。
[0014]进一步的，所述浸泡处理的时间为8
‑
20分钟。
[0015]进一步的，所述步骤S1和S2之间的间隔不超过1分钟，所述步骤S1的处理时间不超过8分钟。
[0016]对步骤S1和S2之间的间隔时间进行限制，使步骤S2中稳固的是阳极基材活化效果较佳的状态，从而使水解氢装置保持高电解性能。
[0017]另外，对阳极基材进行一定时间的等离子轰击活化，开始阶段会使阳极基材接触角显著减小，轰击一定时间后对其影响较小。因此，本技术方案中将等离子轰击的时间进行限制，可在使活化效果达到较佳的情况下，缩短操作时间，简化步骤。
[0018]进一步的，所述步骤S1中采用常压等离子表面处理机对阳极基材的一面进行处理，处理完毕后再处理阳极基材的另一面。如此保证阳极基材每一面经过等离子处理之后都能达到较佳的活化效果。
[0019]进一步的，所述等离子表面处理机对阳极基材单面的处理时间不超过4分钟。典型但非限制性的处理时间为1分钟、2分钟、3分钟和4分钟。
[0020]进一步的，所述等离子表面处理机的喷嘴与阳极基材之间的距离为5
‑
15mm，调节气压为0.2
‑
2Mpa，功率为50
‑
300W，设定离子喷枪移动速度为0.5
‑
2m/s。
[0021]本专利技术的另一个目的是提供一种水解氢单元，包括CCM质子交换层、阴极PTL、阳极PTL、两块双极板和端板，所述阴极PTL和阳极PTL分别设置于CCM质子交换层两侧，所述两块双极板分别设置于阴极PTL和阳极PTL两侧，所述端板设置于双极板两侧，所述阳极PTL经过上述的阳极处理方法处理。
[0022]进一步的，所述阳极PTL为钛毡或钛烧结板结构。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0024](1)本专利技术通过对阳极基材的表面进行等离子轰击处理，使其活化从而具有亲水性，如此水可以更加顺畅地通过阳极基材到达反应场所，提高传质效率，从而在不需要引入化学试剂的情况下，提高水解氢装置的电解性能。此方法灵活环保，且操作过程简单，适用于工业化批量生产使用。
[0025](2)本专利技术通过水或稀酸将被等离子处理过的阳极基材进行二次处理，水分子或稀酸与阳极基材处于高能状态的活性基团反应或结合，从而稳定阳极基材表面亲水性的活化状态，延长水解氢装置高性能运行状态的时间，进一步避免了传质损失导致的反应物浪
费和水解氢装置失效导致的经济损失。
附图说明
[0026]图1为实施例1～2、对比例1提供的钛毡和实施例1步骤S1中的钛毡对应制备成的水解氢单元的极化曲线图。
[0027]图2为实施例1和对比例2提供的钛毡对应制备成的水解氢单元的极化曲线图。
[0028]图3为钛毡经过实施例1处理方法处理放置0h、24h和48h后的接触角变化。
[0029]图4为钛毡经过对比例1处理方法处理放置0h、24h和48h后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阳极处理方法，将由钛构成的或含钛的阳极基材通过以下方法进行表面处理，其特征在于，具体方法如下：S1.对阳极基材进行等离子表面处理；S2.对经过等离子表面处理的阳极基材进行水或稀酸处理。2.根据权利要求1所述的阳极处理方法，其特征在于，所述步骤S2中所述的水为超纯水，所述的稀酸为稀硫酸，所述的处理为浸泡处理。3.根据权利要求2所述的阳极处理方法，其特征在于，所述稀硫酸的浓度为0.05～0.15mol/L。4.根据权利要求2所述的阳极处理方法，其特征在于，所述浸泡处理的时间为8
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20分钟。5.根据权利要求1所述的阳极处理方法，其特征在于，所述步骤S1和S2之间的间隔不超过5分钟，所述步骤S1的处理时间不超过8分钟。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的阳极处理方法，其特征在于，所述步骤S1中采用常压等离子表面处理机对阳极基材的一面进行处理，处理完毕后再处理阳极基材的另一面。7.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙昭红，敖洪亮，古建，杨云松，唐军柯，邹渝泉，叶思宇，吴力杰，孙宁，
申请(专利权)人：鸿基创能科技佛山有限公司，
类型：发明
国别省市：