[实用新型]一种电解水制氢装置及其构成的制氢装置堆

说明书

本实用新型涉及电解水制氢技术领域，更具体地，涉及一种电解水制氢装置及其构成的制氢装置堆。本实用新型的目的在于解决现有电解水制氢装置的阳极催化层导电性差以及阳极催化层和多孔扩散层之间接触电阻大的问题。具体是提供一种电解水制氢装置，包括膜电极(1)，膜电极(1)由质子交换膜(11)以及分设于质子交换膜两侧的阳极催化层(12)和阴极催化层(13)组成，阳极催化层(12)的外侧自内而外设有阳极多孔扩散层(2)和阳极极板(4)，阴极催化层外侧自内而外设有阴极多孔扩散层(3)和阴极极板(5)，其中，阳极催化层和所述阳极多孔扩散层之间还设有金属网层(6)。本实用新型有效降低装置内阻，提升装置制氢性能。

技术领域

本实用新型涉及电解水制氢技术领域，更具体地，涉及一种电解水制氢装置及其构成的制氢装置堆。

背景技术

氢气是一种清洁、安全、高效的能源体系，广泛地应用于各行各业。其中产生氢气的主要方式有天然气制氢、碱性电解水制氢、固体氧化物电解水制氢、阴离子质子膜电解水制氢、质子交换膜电解水制氢等。在众多制氢方式中，质子交换膜电解水制氢因其电流密度大、装置体积小、绿色清洁、能源消耗低、产氢纯度高和更高的安全性等优点被认为是最有发展前景的大规模制备绿氢途径。

质子交换膜电解水制氢装置(PEMWE)是以质子交换膜(PEM)为电解质，纯水作为反应物，通过外界施加电压分解水得到氢气和氧气。现有PEMWE主要由膜电极(CCM)、多孔扩散层(PTL)、密封圈和双极板组成。其中，CCM上的阳极催化层(ACL)自身传质电阻较大以及ACL与PTL之间接触电阻大是影响PEMWE性能的主要因素。这是由于CCM 中ACL主要成分是Ir、Ru等贵金属的氧化物，是一类导电性较差的材料，由这类金属氧化物构成的阳极催化层的电子导电能力较差，传质电阻较大，极大地限制阳极催化剂电化学反应活性，导致阳极催化剂利用率和效率降低；ACL与PTL为两种不同的材料且接触面不均匀导致两者之间的接触电阻较大。

Gaoqiang Yang等(Role of electron pathway in dimensionally increasingwater splitting reaction sites in liquid electrolyte，Electrochimica Acta 2020(362)137113)公开了一种增强ACL 导电性可以提高PEMWE性能的方法，通过将金纳米片的插入ACL下部增加催化层导电性并显著降低了催化层的平面电阻，催化层内有更多的催化剂参与到了反应中，提高了催化剂的利用率以及装置的电解水性能。但金纳米片是全封闭，在ACL中会影响质子的传导，增加传质阻力，且没有降低ACL与PTL之间的接触电阻。

Shule Yu等(Tuning catalyst activation and utilization via controlledelectrode patterning for low-loading and high-efficiency water electrolyzers，Small 2022(18)2107745)公开了一种将阳极催化剂沉积到PTL上，有效地提升了CCM催化层的导电性，同时将催化层与PTL紧密结合，减少了ACL与PTL之间的接触电阻，提升了PEMWE性能。该方法的工艺制备流程复杂，不适用于批量化生产。

因此，有必要开发一种新的电解水制氢装置，用以降低催化层的质子电阻、提升催化层导电性，以及降低ACL与PTL接触电阻，从而提升PEMWE的性能。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种新的电解水制氢装置，用于解决阳极催化层导电性差以及阳极催化层和多孔扩散层之间接触电阻大的问题。