本發(fā)明屬于電解制氫相關(guān)，更具體地，涉及一種基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置。

背景技術(shù)：

1、氫能作為重要的能源載體，具有能量密度高和燃燒無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是滿足可持續(xù)能源需求和實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的理想選擇，在未來(lái)能源發(fā)展與應(yīng)用中扮演重要角色。其中，在各種氫能獲取手段中，基于可再生能源直接電解海水制氫極具潛力，這是由于海洋可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等儲(chǔ)量極為豐富，且海洋海水資源儲(chǔ)量也極為豐富，約占地球水資源儲(chǔ)量的97％。然而，直接電解海水制氫面臨著一系列挑戰(zhàn)，這是由于海水成分復(fù)雜，cl-、ca2+、mg2+等離子均會(huì)影響電解水反應(yīng)的進(jìn)行和裝置的長(zhǎng)期運(yùn)行；同時(shí)電解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)遲緩，天然海水通常需要貴金屬催化劑才能具備較快分解速率。從而導(dǎo)致直接電解海水制氫體系能耗高、成本高、穩(wěn)定性差。

2、當(dāng)前常規(guī)電解海水制氫技術(shù)需通過(guò)除雜或淡化等方式對(duì)海水進(jìn)行預(yù)處理，并在普通堿性電解槽中進(jìn)行電解。然而，普通堿性電解槽電解反應(yīng)所需的驅(qū)動(dòng)能耗較大，使得電解海水制氫能耗進(jìn)一步高。同時(shí)，海水的預(yù)處理需要額外的廠房和設(shè)備建設(shè)，增加海水制氫成本。因此，需要對(duì)電解制氫體系進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，以降低制氫能耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，用于解決現(xiàn)有電解海水制氫電解槽電解反應(yīng)能耗較高的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，包括膜電極，所述膜電極包括依次排列的陰極催化層、陰離子交換膜和陽(yáng)極催化層，所述陰極催化層和所述陽(yáng)極催化層分別一體成型在所述陰離子交換膜的表面使得所述膜電極為一體結(jié)構(gòu)，所述膜電極與電解液接觸進(jìn)行電解反應(yīng)。

3、根據(jù)本發(fā)明提供的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，還包括陽(yáng)極集流板、陽(yáng)極側(cè)隔膜和海水腔室，所述陽(yáng)極集流板設(shè)在所述膜電極設(shè)置所述陽(yáng)極催化層的一側(cè)，所述海水腔室與所述陽(yáng)極集流板相接設(shè)置，所述陽(yáng)極集流板上設(shè)有陽(yáng)極通道，所述陽(yáng)極通道的一側(cè)連通至所述陽(yáng)極催化層處，所述陽(yáng)極通道的另一側(cè)與所述海水腔室連通，且所述陽(yáng)極通道和所述海水腔室之間通過(guò)所述陽(yáng)極側(cè)隔膜隔開(kāi)，所述陽(yáng)極通道用于通入所述電解液，所述海水腔室用于通入海水，所述陽(yáng)極側(cè)隔膜用于將海水中的水滲透至所述陽(yáng)極通道中。

4、根據(jù)本發(fā)明提供的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，所述海水腔室內(nèi)的氣壓用于驅(qū)動(dòng)海水中的水穿過(guò)所述陽(yáng)極側(cè)隔膜滲透至所述陽(yáng)極通道中，所述海水腔室提供的氣壓為0.15-5mpa。

5、根據(jù)本發(fā)明提供的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，還包括陰極集流板，所述陰極集流板設(shè)在所述膜電極設(shè)置所述陰極催化層的一側(cè)，所述陰極集流板上設(shè)有陰極通道，所述陰極通道連通至所述陰極催化層處，所述陰極通道內(nèi)無(wú)電解液。

6、根據(jù)本發(fā)明提供的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，所述陽(yáng)極通道在所述陽(yáng)極集流板上呈蛇形或回形分布，所述陽(yáng)極集流板上設(shè)有與所述陽(yáng)極通道連通的第一進(jìn)出口；所述陰極通道在所述陰極集流板上呈蛇形或回形分布，所述陰極集流板上設(shè)有與所述陰極通道連通的第二進(jìn)出口。

7、根據(jù)本發(fā)明提供的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，還包括陰極氣體擴(kuò)散層和陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層，所述陰極氣體擴(kuò)散層與所述陰極催化層相接設(shè)置，所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層與所述陽(yáng)極催化層相接設(shè)置。

8、根據(jù)本發(fā)明提供的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，所述陰極催化層和所述陽(yáng)極催化層分別通過(guò)噴涂或刷涂的方式一體成型在所述陰離子交換膜的表面。

9、根據(jù)本發(fā)明提供的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，所述電解液為水或堿溶液；

10、和/或，所述陰極催化層為含有cr、mn、fe、co、ni、cu以及mo元素中的一種或多種的非貴金屬催化劑；所述陽(yáng)極催化層為含有cr、mn、fe、co、ni、cu以及mo元素中的一種或多種的非貴金屬催化劑。

11、根據(jù)本發(fā)明提供的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，所述陰離子交換膜為聚芳基哌啶型陰離子膜、聚砜型陰離子交換膜、季銨鹽型陰離子膜、咪唑鹽型陰離子膜以及嵌段共聚物型陰離子膜中的一種或多種。

12、根據(jù)本發(fā)明提供的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，所述陽(yáng)極側(cè)隔膜的組分包括醋酸纖維素、聚酰胺、聚四氟乙烯以及殼聚糖中的一種或多種。

13、總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置：

14、1.設(shè)置陰極催化層與陽(yáng)極催化層分別一體成型在陰離子交換膜表面，形成接近“零間隙”的膜電極，采用零間隙的膜電極結(jié)構(gòu)能夠有效降低電解槽內(nèi)阻和歐姆極化，從而降低電解制氫反應(yīng)的能耗；

15、2.設(shè)置陽(yáng)極側(cè)隔膜可過(guò)濾海水中的雜質(zhì)離子，可實(shí)現(xiàn)原位的直接電解海水制氫，避免了對(duì)海水的前期預(yù)處理流程，有利于降低成本；另外陽(yáng)極側(cè)隔膜抑制了海水中cl-、ca2+、mg2+等雜質(zhì)離子對(duì)催化層的負(fù)面影響，有利于保證催化層活性從而保證反應(yīng)的順利進(jìn)行，降低反應(yīng)能耗，且有利于保持催化層使用壽命，從而提高電解反應(yīng)穩(wěn)定性；

16、3.設(shè)置陽(yáng)極通道內(nèi)填充電解液，而陰極通道內(nèi)無(wú)電解液，陰極催化層反應(yīng)生成的氫氣可直接流過(guò)陰極通道后傳出，可無(wú)需氣液分離過(guò)程，且氫氣流出無(wú)溶液阻力，陰極催化層處生成氫氣可即刻傳出，還有利于提高氫氣傳輸速度，從而有利于提高反應(yīng)速度，降低反應(yīng)能耗；

17、4.利用陰離子交換膜傳導(dǎo)oh-并提供水或堿溶液作為電解液，即提供局部堿性環(huán)境，能夠有效加速非貴金屬表面的海水分解動(dòng)力學(xué)，所用催化成分均為非貴金屬，有效降低催化劑成本；

18、5.該電解制氫裝置為擴(kuò)大電解海水制氫規(guī)模提供了新的選擇方案，在400ma·cm-2電流密度下的電位不超過(guò)1.8v，應(yīng)用價(jià)值巨大。

技術(shù)特征：

1.一種基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，其特征在于，包括膜電極，所述膜電極包括依次排列的陰極催化層、陰離子交換膜和陽(yáng)極催化層，所述陰極催化層和所述陽(yáng)極催化層分別一體成型在所述陰離子交換膜的表面使得所述膜電極為一體結(jié)構(gòu)，所述膜電極與電解液接觸進(jìn)行電解反應(yīng)。

2.如權(quán)利要求1所述的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，其特征在于，還包括陽(yáng)極集流板、陽(yáng)極側(cè)隔膜和海水腔室，所述陽(yáng)極集流板設(shè)在所述膜電極設(shè)置所述陽(yáng)極催化層的一側(cè)，所述海水腔室與所述陽(yáng)極集流板相接設(shè)置，所述陽(yáng)極集流板上設(shè)有陽(yáng)極通道，所述陽(yáng)極通道的一側(cè)連通至所述陽(yáng)極催化層處，所述陽(yáng)極通道的另一側(cè)與所述海水腔室連通，且所述陽(yáng)極通道和所述海水腔室之間通過(guò)所述陽(yáng)極側(cè)隔膜隔開(kāi)，所述陽(yáng)極通道用于通入所述電解液，所述海水腔室用于通入海水，所述陽(yáng)極側(cè)隔膜用于將海水中的水滲透至所述陽(yáng)極通道中。

3.如權(quán)利要求2所述的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，其特征在于，所述海水腔室內(nèi)的氣壓用于驅(qū)動(dòng)海水中的水穿過(guò)所述陽(yáng)極側(cè)隔膜滲透至所述陽(yáng)極通道中，所述海水腔室提供的氣壓為0.15-5mpa。

4.如權(quán)利要求2所述的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，其特征在于，還包括陰極集流板，所述陰極集流板設(shè)在所述膜電極設(shè)置所述陰極催化層的一側(cè)，所述陰極集流板上設(shè)有陰極通道，所述陰極通道連通至所述陰極催化層處，所述陰極通道內(nèi)無(wú)電解液。

5.如權(quán)利要求4所述的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，其特征在于，所述陽(yáng)極通道在所述陽(yáng)極集流板上呈蛇形或回形分布，所述陽(yáng)極集流板上設(shè)有與所述陽(yáng)極通道連通的第一進(jìn)出口；所述陰極通道在所述陰極集流板上呈蛇形或回形分布，所述陰極集流板上設(shè)有與所述陰極通道連通的第二進(jìn)出口。

6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，其特征在于，還包括陰極氣體擴(kuò)散層和陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層，所述陰極氣體擴(kuò)散層與所述陰極催化層相接設(shè)置，所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層與所述陽(yáng)極催化層相接設(shè)置。

7.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，其特征在于，所述陰極催化層和所述陽(yáng)極催化層分別通過(guò)噴涂或刷涂的方式一體成型在所述陰離子交換膜的表面。

8.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，其特征在于，所述電解液為水或堿溶液；

9.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，其特征在于，所述陰離子交換膜為聚芳基哌啶型陰離子膜、聚砜型陰離子交換膜、季銨鹽型陰離子膜、咪唑鹽型陰離子膜以及嵌段共聚物型陰離子膜中的一種或多種。

10.如權(quán)利要求2所述的基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，其特征在于，所述陽(yáng)極側(cè)隔膜的組分包括醋酸纖維素、聚酰胺、聚四氟乙烯以及殼聚糖中的一種或多種。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于電解制氫相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，其公開(kāi)了一種基于零間隙膜電極的電解海水制氫裝置，該電解海水制氫裝置包括膜電極，所述膜電極包括依次排列的陰極催化層、陰離子交換膜和陽(yáng)極催化層，所述陰極催化層和所述陽(yáng)極催化層分別一體成型在所述陰離子交換膜的表面使得所述膜電極為一體結(jié)構(gòu)，所述膜電極與電解液接觸進(jìn)行電解反應(yīng)。本發(fā)明設(shè)置陰極催化層與陽(yáng)極催化層分別一體成型在陰離子交換膜表面，形成接近“零間隙”的膜電極，采用零間隙的膜電極結(jié)構(gòu)能夠有效降低電解槽內(nèi)阻和歐姆極化，從而降低電解制氫反應(yīng)的能耗。

技術(shù)研發(fā)人員：王譚源
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6