[发明专利]一种具有内部消氢功能的质子交换膜水电解器及其制作方法

说明书

技术领域

本方法属于水电解领域，特别涉及一种具有内部消氢功能、气体产物高纯度的质子交换膜水电解器的制作方法。

背景技术

质子交换膜水电解器是一种能够实现快速、大规模制氢的电化学装置，它具有能耗低、寿命长、体积小、气体纯度高的特点。由于质子交换膜水电解器使用的离子交换膜具有一定的气体渗透性，因此导致了两极间存在气体互窜现象，出现阳极产物氧气中混有少量的氢气，阴极产物氢气中含有少量的氧气的情况。一般质子交换膜水电解器芯体阳极出口处的氧气纯度在99％～99.5％(电流密度为1A/cm²，80℃，常压)之间，但如果水电解器进行加压运行，那么随着水电解器气体产物压力的增大，质子交换膜中的气体渗透率也会增大，这就导致了水电解器气体产物纯度的进一步下降，当氢氧混合达到一定比例后则容易引发安全问题。

为了提高气体产物的纯度，水电解系统中通常会在气水分离器外再增加一套气体干燥、纯化装置。纯化装置中放有能够促进氢氧复合的催化剂，气体经干燥处理后，少量的杂质气便可以在催化剂表面与产物反应生成水，达到增加气体纯度的目的。但此类方法却无法提高水电解器电堆以及气水分离器中的气体纯度，针对此问题很多研究人员通过对离子交换膜进行改性来减少水电解器内部的气体互窜。如在离子交换膜中添加无机质子导体阻挡气体的扩散与渗透，利用气体渗透率更低的聚醚酮于普通的离子交换膜合成复合膜材料，但前者制作工艺较复杂且会破坏离子交换膜的结构，后者使用的聚醚酮材料则存在化学稳定性不足的问题。

发明内容

本发明主要通过在水电解器的集电器与双极板表面修饰催化剂，利用水电解器运行时的电位，在产物气体流经集电器与双极板的过程中加速消除产物中少量的杂质气体，提供一个能够在电堆内部进行消氢处理的水电解器制作方法。此方法能够使水电解器电堆出口处即具有极高产物纯度，提高电堆在高压电解时的安全性，同时简化电解系统中气体纯化等后处理步骤，降低整个电解系统的成本、体积、重量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有内部消氢功能的质子交换膜水电解器，包括集电器、双极板和膜电极组件，其中集电器为多孔结构(如金属拉伸网、金属粉末轧制的多孔金属板、烧结金属多孔材料、格栅及带沟槽的金属基片等；当集电器为金属粉末轧制的多孔金属板时，用于轧制集电器的金属粉末粒径优选为50～100μm)，表面以及内孔均负载有催化剂；双极板表面负载有催化剂；所述催化剂为具有催化氢氧反应生成水功能的贵金属催化剂。膜电极组件为现有技术，由质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层等组成。

进一步地，上述集电器、双极板的材料均为纯钛(优选TA1型或TA2型纯钛)；集电器厚度为0.5～2mm，孔隙率为20％～60％；贵金属催化剂在集电器上的负载量为0.27～1.5mg/cm²，贵金属催化剂在双极版上的负载量为0.15～0.9mg/cm²。

进一步地，上述贵金属催化剂优选为铂基催化剂。

本发明还提供一种具有内部消氢功能的质子交换膜水电解器的制作方法，包括以下步骤：

(1)对集电器、双极板进行酸洗，去除其表面的氧化物；其中，集电器为多孔结构(如金属拉伸网、金属粉末轧制的多孔金属板、烧结金属多孔材料、格栅及带沟槽的金属基片，当集电器为金属粉末轧制的多孔金属板时，用于轧制集电器的金属粉末粒径优选为50～100μm)。具体可以采用以下步骤：将集电器与双极板放入浓度为10％的稀盐酸溶液中，加热至沸腾处理3～10分钟后放入到纯水中超声清洗5～30分钟，随后80℃下烘干。

(2)将催化剂前驱体与溶剂配制成催化剂前驱体溶液，并喷涂于步骤(1)酸洗后的集电器及双极板表面，利用多孔体的毛细力作用将催化剂前驱体引入到内孔中，所述催化剂为具有催化氢氧反应生成水功能的贵金属催化剂(催化剂前驱体溶液中贵金属含量经过换算后优选为1～80mg/ml)。烘干溶剂后，在200～350℃下加热，然后冷却，得到表面以及内孔均负载有催化剂的集电器与表面负载有催化剂的双极板。上述喷涂催化剂前驱体溶液、烘干溶剂、在200～350℃下加热、冷却这一过程，可以重复若干次以获得不同的催化剂负载量，优选2～10次。重复上述过程时，每次200～350℃下加热控制在5～20分钟。并在重复若干次后，在氮气气氛中同一温度下烧结1～3小时。

(3)将上述负载有催化剂的集电器、负载有催化剂的双极板与膜电极组件组装，得到所述具有内部消氢功能的质子交换膜水电解器。