一种PBI质子交换膜电解模组及海水电解制氢装置的制作方法

本实用新型涉及水电解制氢领域，尤其涉及一种pbi质子交换膜电解模组及海水电解制氢装置。

背景技术：

利用可再生能源电解水制氢是解决未来氢能供应的清洁方案，在海上利用海上风能、太阳能进行海水直接电解更是具有极大吸引力的方案。

但目前常用的水电解制氢技术如直接碱性电解与基于nafion质子交换膜的膜电解技术均难以直接电解，均存在析氯以及海水对电极、催化剂的腐蚀，电解装置的长期稳定性难以达到要求。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种pbi质子交换膜电解模组及海水电解制氢装置，旨在解决现有的海水电解制氢制氢存在海水对电极、催化剂腐蚀的问题。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

第一方面，一种pbi质子交换膜电解模组，其包括：

pbi质子交换膜层，设置在所述pbi质子交换膜层上表面的阳极催化层，设置在所述pbi质子交换膜层下表面的阴极催化层，设置在所述阳极催化层上表面的第一气体扩散层，设置在所述阴极催化层下表面的第二气体扩散层以及设置在所述第二气体扩散层下表面的聚四氟乙烯防水膜层。

优选地，所述的pbi质子交换膜电解模组，所述pbi质子交换膜耐受温度为150-250℃。

第二方面，一种海水电解制氢装置，包括：

壳体，设置在所述壳体内部的扁管式氢气管，所述扁管式氢气管的侧壁上沿长度方向设有开口方向向下的开口；设置在所述开口处的pbi质子交换膜电解模组，所述pbi质子交换膜电解模组与所述开口相适配；所述pbi质子交换膜电解模组为上述所述的pbi质子交换膜电解模组。

优选地，所述的海水电解制氢装置，所述扁管式氢气管的外侧壁上设置有用于挡水的挡水肋。

优选地，所述的海水电解制氢装置，所述壳体上部还设置有海水进口，用于抽出所述壳体内的气体的抽气口以及设置在所述壳体下部的海水出口。

所述的海水电解制氢装置，还包括端板，所述端板与所述壳体可拆卸连接。

优选地，所述的海水电解制氢装置，所述pbi质子交换膜电解模组的第一气体扩散层靠近所述扁管式氢气管的开口。

优选地，所述的海水电解制氢装置，所述扁管式氢气管材料为不锈钢材质。

优选地，所述的海水电解制氢装置，所述扁管式氢气管为盲管结构，所述扁管式氢气管的开口端穿过所述端板露于端板外部。

优选地，所述的海水电解制氢装置，所述扁管式氢气管的开口端与所述端板接触部位设置有密封环。

有益效果：本实用新型所提出的装置中的pbi质子电解膜组，用耐高温ptfe(聚四氟乙烯)防水透气膜作为防护层避免了海水与pbi膜的直接接触，且保证了模组内海水蒸气的充足供应，减缓pbi膜催化剂的失效。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的pbi质子交换膜的结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的基于pbi质子交换膜的海水电解制氢装置的结构示意图。

图3是本实用新型实施例提供的基于pbi质子交换膜的海水电解制氢装置的横截面结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型公开一种pbi(聚苯并咪唑)质子交换膜电解模组30，其包括五层，最外为基于碳纸的气体扩散层(内外共两层，内部的为第二气体扩散层320、外部为第一气体扩散层360)，作为举例气体扩散层的厚度可以为1mm，阴极催化层330在膜组的海水蒸气室侧，厚度可以为0.3mm。阳极催化层350在膜组的氢气管内部侧，厚度可以为0.3mm。阴、阳极催化层均负载商业铂碳催化剂。中间的pbi膜340为磷酸掺杂的商业pbi(聚苯并咪唑)质子膜10，厚度为可以0.1mm。

现有技术中利用海水电解制氢制备氢气，存在析氯以及海水对电极、催化剂的腐蚀等问题，电解装置长期的稳定性不能满足要求。

为了解决海水对电极的腐蚀的问题，本实用新型提供一种用于海水电解制氢的pbi质子交换膜电解模组，该模组主要用于电解(海)水蒸汽制氢即将待电解的海水通过加热生成海水蒸汽，对海水蒸汽进行电解来制备氢气，其中pbi质子交换膜能够在高温下使用。同时采用ptfe(聚四氟乙烯)防水膜对pbi质子交换膜电解模组进行防护，防止海水直接与pbi质子交换膜、阴极催化层直接接触对其造成腐蚀。水蒸气在质子交换膜内催化层处电解成氧气与质子，质子通过交换膜达到交换膜的外侧阳极催化层，生成获得电子并生成氢气。实现海水蒸发-电解制氢。

在本实施方式中，pbi质子交换膜耐受温度可以为150-250℃(如200℃)。由于电解过程中，随着温度的提高，电极动力学过程加快，电解效率也相比低温nafion质子交换膜电解的效率要高。

如图2-3所示，基于相同的实用新型构思，本实用新型还提供了一种海水电解制氢装置，装置包括，壳体10，壳体的材质可以是耐腐蚀的金属，也可以是耐腐蚀具有一定强度的工程塑料。当然为了防止海水的腐蚀可以在壳体上涂覆保护涂层等。壳体10的形状可以视实际的使用环境进行适应性设计，在此壳体的具体形状不做限制。例如可以设计成横截面为椭圆形的形状，一端封闭，一端开口的椭圆形壳体。设置在壳体10内部的扁管式氢气管20，扁管式氢气管20具有盲管结构，在扁管式氢气管20的侧壁上沿长度方向设有开口方向向下的开口210，开口210的宽度小于等于扁管式氢气管的宽度。还包括设置在开口210处的用于对海水蒸汽进行电解的pbi质子交换膜电解模组30，pbi质子交换膜电解模组30从下至上依次包括，耐高温防水透气ptfe膜层310，叠设在耐高温防水透气ptfe膜层310上的第二气体扩散层320，设置在第二气体扩散层320上的阴极催化层330，阴极催化层330上负载有铂碳催化剂。pbi质子交换膜层340，阳极催化层350以及第一气体扩散层360。第一气体扩散层360靠近所述扁管式氢气管的开口210，即pbi质子交换膜电解模组30的安装方式是第一气体扩散层360朝向扁管式氢气管的开口。

在本实施例中，还包括用于电解的供电装置。供电装置为现有常用的电路装置，在此不做限定。

在本实施例中，扁管式氢气管其材料为不锈钢材质，其可作为膜电极阳极集流体的同时可作为氢气输出管道，气密封简单，安全性高；此外扁管式的设计增加了与上部喷淋的海水的接触换热面积，增加了海水汽化的速率，提升海水蒸发腔内海水蒸气浓度，减少电解的浓差损失。

在本实施例中，壳体10的上部还设有用于海水注入的海水进口110，用于抽出所述壳体内的气体的抽气口120以及设置在所述壳体下部的海水出口130。

在本实施例中，扁管式氢气管架设在壳体的内部，即壳体的内部空间被扁管式氢气管分成上下两个部分。通过海水进口110将海水注入到壳体10内，为了更好的实现换热和蒸发，由海水进口进入的海水通过喷淋的方式喷洒在扁管式氢气管上。未蒸发的海水位于壳体的底部，可以通过海水出口130排出，避免腔体内部的海水内盐分结晶结垢腐蚀壳体。因为所排出的海水盐分浓度较高，可以作为海水制氯制盐的卤水原料，实现海水的循环。

在本实施例中，在电解运行前，即电解海水前，通过抽气口120抽除壳体10内部的空气，降低壳体内部的压力，通过减压蒸发的方式降低海水蒸发温度，提升蒸发量。此外在电解运行时定压排除电解水过程中的氧气产物，降低海水腔氧气浓度，从而降低电解过程的浓差损失。

在一种或多种实施方式中，扁管式氢气管20的外侧壁上设置有用于阻挡海水与电解模组直接接触防止海水将催化剂颗粒冲刷脱落的挡水肋220。挡水肋沿扁管式氢气管的侧壁向斜上方倾斜设置，如图3所示，扁管式氢气管的两侧均设置有挡水肋，同一侧的挡水肋可以是间隔设置，也可以是一个整体，具体设置形式可以根据具体情况进行设置。挡水肋的材质可以与扁管式氢气管的材质相同，也可以与扁管式氢气管的材质不相同。

在一种实施方式中，海水电解制氢装置还包括端板40，端板40可以通过螺钉与壳体10可拆卸连接在一起。设置端板可以方便对海水电解制氢装置进行维护。端板40上设置有用于扁管式氢气管氢气出口230穿过的通孔(图中未标出)，即具有盲管结构的扁管式氢气管的开口端穿过所述端板露于端板外部。在扁管式氢气管开口端与端板上的通孔之间设置有密封环50。

采用如图2所示的海水电解制氢装置电解海水的具体过程如下：

当海上风力发电机产生的直流电经过简单调制后输入电解膜阴阳极，如图1所示，在电解开始前抽除壳体内的空气，(在电解时定压持续排气)，控制蒸发腔压力为0.2mpa，控制蒸发温度在120度左右，使维持系统工作的外围加热热负荷减少。在耐高温ptfe防水透气膜内部的高温pbi质子电极膜组有五层，最外为基于碳纸的气体扩散层(内外共两层)，其厚度为1mm，阴极催化层在膜组的海水蒸气室侧，厚度为0.3mm。阳极催化层在膜组的氢气管内部侧，厚度为0.3mm。阴阳极催化层均负载商业铂碳催化剂。中间的pbi膜为磷酸掺杂的商业pbi(聚苯并咪唑)质子膜，厚度为0.1mm。膜组电解池将设计工作在1.3至1.5v下，电解电流将海水蒸汽电解。其中，阴极侧发生海水蒸气的电解半反应：

2h2o→4h⁺+o2+4e^-

产生的质子通过pbi膜组，到达阳极，发生的另一半反应：

4h⁺+4e-→2h2

膜组的水电解总反应如下所示：

2h2o→2h2+o2

综上所述，本实用新型提供一种pbi质子交换膜电解模组及海水电解制氢装置，所提供的pbi质子交换膜电解模组，包括pbi质子交换膜层，设置在所述pbi质子交换膜层上表面的阳极催化层，设置在所述pbi质子交换膜层下表面的阴极催化层，设置在所述阳极催化层上表面的第一气体扩散层，设置在所述阴极催化层下表面的第二气体扩散层以及设置在所述第二气体扩散层下表面的ptfe防水膜层。其中pbi质子交换膜为耐受温度为150-250℃的磷酸掺杂的pbi(聚苯并咪唑)质子膜。海水电解制氢装置，包括：壳体，以及设置在所述壳体内部的扁管式氢气管，所述扁管式氢气管的侧壁上沿长度方向设有开口方向向下的开口；设置在所述开口处的pbi质子交换膜电解模组，所述pbi质子交换膜电解模组与所述开口相适配。该海水电解制氢装置基于高温质子交换膜制备而成，可以通过电解海水蒸汽制氢，其对湿度要求低，水管理简单，并且由于是在高温下进行，电极的动力学过程加快，电解效率也相比低温nafion质子交换膜电解的效率要高。解决了现有技术中电解海水制氢时，存在析氯以及海水对电极、催化剂的腐蚀，长期稳定性差的问题。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。