[发明专利]电解水膜电极及其制备方法、制氢装置

说明书

本申请涉及一种电解水膜电极及其制备方法、制氢装置，电解水制氢技术领域。该电解水膜电极包括依次层叠设置的阴极催化剂层、质子交换膜、消氢催化剂层和阳极催化剂层。其中，消氢催化剂层中的催化剂为包括Pt、Pd元素中至少一种元素的物质。该电解水膜电极能够达到阳极侧消氢的目的，以提高阳极侧氧气的纯度；同时还可以减少阳极侧氧气扩散至阴极侧的量(甚至可以消除)，提高了阴极侧氢气的纯度。

技术领域

本申请涉及电解水制氢技术领域，且特别涉及一种电解水膜电极及其制备方法、制氢装置。

背景技术

电解水膜电极是PEM(聚合电解质膜)电解水装置的重要组成部分，其包括质子交换膜、质子交换膜阳极侧的阳极催化剂层以及质子交换膜阴极侧的阴极催化剂层。该电解水膜电极的工作原理如下：

阴极：2H⁺+2e^-→H₂ (1)

阳极：H₂O→¹/₂O₂+2H⁺+2e^- (2)

总反应：H₂O→H₂+¹/₂O₂ (3)

所以，质子交换膜的阳极侧具有氧气，阴极侧具有氢气，目前电解水膜电极中的质子交换膜基本采用Nafion117、Nafion115或Nafion212膜，厚度分别为178μm、127μm或51μm。虽然膜越薄越能降低膜内阻的电压损失，从而降低电解槽电压，提高电解效率，但是更薄的Nafion膜增加了气体透过率，在高压工作环境下阴极产物氢气会通过膜渗透到阳极侧，导致氧气中混有少量氢气，当积累到一定浓度会造成安全问题。

传统的消氢方法包括两种：一种是外部消氢，在电解水装置的电解槽氧气出口处增加一套消氢装置，但当氧气湿度较大、氢含量较多、流速过快时，消氢装置不能将氢气完全除去，且外部消氢装置不利于系统简化。

发明内容

针对现有技术的不足，本申请实施例的目的包括提供一种电解水膜电极及其制备方法、制氢装置，对膜电极进行改进，以实现消氢，从而增加阳极侧氧气的纯度以及阴极侧氢气的纯度。

第一方面，本申请实施例提供了一种电解水膜电极，包括依次层叠设置的阴极催化剂层、质子交换膜、消氢催化剂层和阳极催化剂层。其中，消氢催化剂层中的催化剂包括含有Pt、Pd元素中至少一种元素的物质。

氢气穿过质子交换膜进入到质子交换膜的阳极侧时，首先与阳极侧的消氢催化剂层接触(消氢催化剂层位于质子交换膜的阳极侧且与质子交换膜接触)，通过消氢催化剂层中的催化剂将氢气转化成氢离子，同时，阳极侧产生的氧气会有一部分扩散至消氢催化剂层130中，消氢催化剂层中的催化剂还能够将扩散至消氢催化剂层中的氧气转化成O^2-，使氢离子和O^2-反应生成水。所以，消氢催化剂层中的催化剂为含有Pt、Pd元素中至少一种元素的物质，从而可以满足氢气氧化和氧气还原的功能，以便将氢气和氧气反应得到水，从而达到阳极侧消氢的目的，以提高阳极侧氧气的纯度；同时还可以减少阳极侧氧气扩散至阴极侧的量(甚至可以消除)，提高了阴极侧氢气的纯度。

在本申请的部分实施例中，消氢催化剂层中的催化剂包括Pt、Pd及其合金中的至少一种。

在本申请的部分实施例中，阴极催化剂层中的催化剂为含有贵金属元素和过渡金属元素中至少一种元素的物质。

在本申请的部分实施例中，贵金属元素包括Pt、Pd、Au元素中至少一种元素。

在本申请的部分实施例中，贵金属包括Pt单质、Pd单质、Au单质及其合金中的至少一种。