[发明专利]水电解系统

说明书

本申请提供一种水电解系统，其包括：水电解堆、储水器、水循环泵和控制单元；所述储水器连接至水电解堆以向水电解堆提供水，所述水循环泵将储水器中的水提供至电解堆，所述控制单元配置为在电解系统的工作停止期间控制水循环泵的驱动，使电解堆中的水从酸性条件转变成中性条件并将电解堆的单元电池电压调节为不发生电解反应并且阳极催化剂维持化学稳定状态的电压。

技术领域

本申请涉及一种水电解系统，更具体地，涉及这样一种水电解系统，其中在该水电解系统停止时阳极催化剂维持稳定状态，从而在提高水电解系统耐久性的同时确保水电解系统的持续性能和长寿命。

背景技术

使用聚合物电解质膜(PEM)的水电解系统是一种通过电化学反应将水分解为氢气和氧气的装置。由于其具有高产氢率、产生的氢气纯度高以及操作灵活等优点，水电解系统已被视为确保清洁氢气的下一代技术。

此外，为了电化学反应而向水电解系统提供的电力被生态友好型可再生能源(例如太阳能、风能等)代替时，可以利用多余的电力生产氢气而不会造成环境污染，因此水电解系统可以最大限度地利用新能源和可再生能源。

通常，为了满足所需的制氢，使用聚合物电解质膜的水电解系统采用水电解堆，其中多个单元电池堆叠并组装。

电解堆的单元电池包括膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件由能够转移氢离子(质子)的全氟磺酸离聚物类膜和分别堆叠在电解质膜相对侧的阳极和阴极组成。

水电解系统的电化学反应发生在由全氟磺酸离聚物类电解质膜和阳极/阴极组成的膜电极组件中，其中提供至阳极的水被分解为氧离子、氢离子(质子)和电子，接着氢离子通过电解质膜移动到作为还原电极的阴极，电子通过外部电路和提供的电力而移动到阴极，因此氢离子和电子在阴极相互反应从而产生氢气。

此时，对于用于制氢的电化学反应，阳极主要使用Ir类催化剂(例如IrO₂)，阴极主要使用Pt催化剂。

在这样的水电解系统的电化学反应中，开路电压(OCV)为1.23V，单元电池在电化学反应中的工作电压为1.23V或更高；当电解系统停止时，单元电池的电压下降至1.23V或更低，并且由于氢离子的产生和移动，阳极和阴极的周围变为酸性。

另一方面，当水电解系统停止工作时，电压和作为阳极催化剂主要成分的Ir在酸性条件下的特性的关系将参照图1(相关领域)的甫尔拜图(Pourbaix diagram)描述如下。

如图1所示，当水电解系统停止工作时，在电解堆的pH维持不变的条件下，工作电压沿路径A下降到开路电压(OCV)状态，接着沿路径B从开路电压(OCV)状态进一步下降至0V。

此时，当阳极和阴极在电压下降的状态下处于酸性条件(如路径B)时，作为阳极催化剂主要组分的IrO₂倾向于处于Ir离子或金属状态。这可能导致阳极催化剂溶解，或导致电解堆的析氧反应(OER)的活性降低，从而导致电解系统的性能和寿命降低。

另外，当电解系统反复启动和停止时，阳极催化剂IrO₂频繁暴露于使其变为离子或金属状态的环境中，这导致电解堆的性能和寿命迅速降低。

因此，当水电解系统停止时，维持IrO₂原来状态的最佳方法是向每个单元电池持续施加约1.23V的电压直至进行下一次工作。然而，对于由数百或更多个单元电池组成的电解堆，会形成数百V的电压，这可能在电能效率和电气安全性方面引起问题。

因此，需要一种水电解系统技术，该技术能够在工作停止时使电解堆的电压下降至0V，同时尽可能地使阳极的IrO₂催化剂维持化学稳定状态。

发明内容