一种用于碱性水电解的电极结构及其制备方法

本发明属于碱性电解水，具体涉及一种用于碱性水电解的电极结构及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，国家有关部门出台了《氢能产业发展中长期规划》，明确了氢的能源属性，同时明确氢能是战略性新兴产业的重点方向，是构建绿色低碳产业体系、打造产业转型升级的新增长点。氢是一种极佳的能量载体，具有实现清洁可持续能源系统的巨大潜力。氢能应用领域广泛，在交通运输上，氢基燃料电池可能会取代重型柴油发动机；化工上，氢气被用于合成化学品的原料，包括氨和钢铁生产。随着制氢、氢能储运及燃料电池技术的发展，氢能正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。我国是世界上最大的制氢国，年制氢产量约3300万吨，其中，达到工业氢气质量标准的约1200万吨，我国氢能产业长期发展受到市场看好。

2、目前我国制取氢气以“灰氢”为主，工业上技术成熟的天然气重整制氢在生产过程中造成大量二氧化碳排放。随着可再生能源发电成本持续降低，绿氢占比逐年上升，预计2050年将达到70%。水电解制氢能够实现制氢过程的零碳排放，符合国家发展战略，操作简单，技术相对成熟，制取氢气纯度高，是实现大规模氢气生产的重要手段。与其他电解制氢技术相比，pem（质子交换膜）电解水制氢技术设备成本要远高于碱性电解水制氢技术，pem电解无法离开贵金属催化剂，对铱、铂和/或钛贵金属依赖性高，高成本阻碍了pem的产业化。而aem（阴离子交换膜）电解水制取氢气技术由于处于发展初期阶段，因此目前aem的产品寿命和/或产氢规模方面是否能够满足商业化运行，还存在疑问。由于我国碱性电解水制氢技术更为成熟，单机规模更大，同时，碱性电解水操作条件简易、投资费用低、使用寿命长及维护费用低，是目前工业化应用最多的一种技术，因此，国内碱性水电解在行业中占主导地位。

3、碱性水电解制氢是指在碱性电解质环境下进行水电解制取氢气的过程。在直流电的作用下，阴极侧的水得到电子发生析氢反应，生成氢气和氢氧根离子，氢氧根离子在电场和氢氧侧浓度差的作用下穿过物理隔膜，在阳极侧失去电子发生析氧反应，生成氧气和水。但是，碱性水电解制氢面临工作电流密度低（低于0.5a/cm2（安培每平方厘米））、电解槽效率低（63%～71%）、负荷操作范围窄（20～100%）以及大规模状态下多设备协调控制策略复杂和体积大的瓶颈。

4、针对碱性水电解效率低的瓶颈，往往从过电位的角度分析。在碱性水电解过程中，实际所需电位始终高于理论电位，除催化过程中电催化剂在阳极和阴极的过电位外，电极的电子转移、电解质和膜的离子扩散以及气泡所产生的欧姆电阻，进一步增加了碱性水电解的应用电位。通过合理设计电极结构，不仅能够提高电催化剂的质量负载，而且能促进生成气体的解吸和扩散，有利于碱性水电解的发展。

5、碱性水电解反应要求电极结构对氢原子具有良好的吸附和脱附能力，否则在电解过程中，阳极板表面将堆积一定量的氧气而形成气泡，气泡的产生使得离子传输通道畸变，从而导致电解质电导率的降低，气泡大量形成更会进一步使电解液从电极表面排出，减少电解液与阳极板的接触面积，使得阳极板上气泡聚集区反应效率大幅降低，严重影响碱性电解水制氢的效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种用于碱性水电解的电极结构及其制备方法，能够提高碱性电解水的制氢效率。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用于碱性水电解的电极结构，包括：电极功能层和电极支撑层；所述电极功能层设置在所述电极支撑层的顶部；所述电极功能层设置成海绵状多孔结构；所述电极支撑层设置成条形横孔掺杂密集小孔状结构；所述条形横孔设置成中部鼓起且两侧由靠近所述中部向远离所述中部的位置呈逐渐收拢状。

3、在一个具体的实施例中，所述电极功能层和所述电极支撑层的外表面均用于与电解液接触，所述电极功能层和所述电极支撑层均用于与直流电源连接。

4、在一个具体的实施例中，所述电极功能层和所述电极支撑层均采用镍基材制成，所述电极功能层涂覆在所述电极支撑层的顶部。

5、在一个具体的实施例中，所述电极功能层的厚度为5～100微米。

6、在一个具体的实施例中，所述电极支撑层的厚度为50～1000微米。

7、在一个具体的实施例中，所述条形横孔的长度为40～150微米，所述条形横孔的宽度和厚度均为5～30微米。

8、在一个具体的实施例中，所述密集小孔的孔径为0.05～3微米。

9、在一个具体的实施例中，所述海绵状多孔结构的孔径为0.05～3微米。

10、一种用于碱性水电解的电极结构的制备方法，包括以下步骤：制备电极功能层浆料；将所述电极功能层浆料流延成型并获取电极功能层生料；制备电极支撑层浆料；将所述电极支撑层浆料流延成型并获取电极支撑层生料；将所述电极功能层生料和所述电极支撑层生料压片成初始电极；将所述初始电极加工成目标生料部件；对所述目标生料部件进行煅烧；将煅烧后的所述目标生料部件还原，获得目标电极。

11、在一个具体的实施例中，制备所述电极功能层浆料的步骤包括：获取第一研磨介质，并将所述第一研磨介质放入第一特定容器内；在所述第一特定容器内加入第一原材料，并利用所述第一研磨介质进行研磨，使得所述第一原材料混合；将所述第一原材料混合后的所述第一特定容器密封；将密封后的所述第一特定容器进行第一次球磨；在球磨后的所述第一特定容器内加入第二原材料，使得所述第二原材料与所述第一原材料混合；在所述第一特定容器内加入第三原材料，使得所述第三原材料与混合后的所述第二原材料及所述第一原材料混合；将所述第三原材料混合后的所述第一特定容器密封；将密封后的所述第一特定容器进行第二次球磨，获取所述电极功能层浆料。

12、在一个具体的实施例中，采用第一球磨机对密封后的所述第一特定容器进行所述第一次球磨和所述第二次球磨。

13、在一个具体的实施例中，所述第一原材料包括：氧化镍粉、二甲苯、乙醇以及鱼油；所述第二原材料包括：水性聚烷撑乙二醇和邻苯二甲酸丁基苄酯；所述第三原材料包括聚乙烯醇缩丁醛酯。

14、在一个具体的实施例中，将所述电极功能层浆料流延成型并获取流延成型后的所述电极功能层生料的步骤包括：将所述电极功能层浆料浇注在第一流延机的第一流延膜带上；采用第一刀具将浇注后的所述第一流延膜带的厚度调整到特定尺寸，并设定所述第一流延膜带的走速，完成流延；对流延后的所述第一流延膜带进行干燥处理，获得所述电极功能层浆料流延成型的所述第一流延膜带；将所述电极功能层生料从流延成型的所述第一流延膜带上剥离，获取流延成型后的所述电极功能层生料。

15、在一个具体的实施例中，制备所述电极支撑层浆料的步骤包括：获取第二研磨介质，并将所述第二研磨介质放入第二特定容器内；在所述第二特定容器内加入第四原材料，并利用所述第二研磨介质进行研磨，使得所述第四原材料混合；将所述第四原材料混合后的所述第二特定容器密封；将密封后的所述第二特定容器进行第三次球磨；在球磨后的所述第二特定容器内加入第五原材料，使得所述第五原材料与所述第四原材料混合；在所述第二特定容器内加入第六原材料，使得所述第六原材料与混合后的所述第五原材料及所述第四原材料混合；将所述第六原材料混合后的所述第二特定容器密封；将密封后的所述第二特定容器进行第四次球磨，获取所述电极支撑层浆料。

16、在一个具体的实施例中，采用第二球磨机对密封后的所述第二特定容器进行所述第三次球磨和所述第四次球磨。

17、在一个具体的实施例中，所述第四原材料包括：氧化镍粉、马铃薯淀粉、二甲苯、乙醇以及鱼油；所述第五原材料包括：水性聚烷撑乙二醇和邻苯二甲酸丁基苄酯；所述第六原材料包括聚乙烯醇缩丁醛酯。

18、在一个具体的实施例中，对所述电极支撑层浆料流延成型并获取流延成型后的所述电极支撑层生料的步骤包括：将所述电极支撑层浆料浇注在第二流延机的第二流延膜带上；采用第二刀具将浇注后的所述第二流延膜带的厚度调整到特定尺寸，并设定所述第二流延膜带的走速，完成流延；对流延后的所述第二流延膜带进行干燥处理，获得所述电极支撑层浆料流延成型的所述第二流延膜带；将所述电极支撑层生料从流延成型的所述第二流延膜带上剥离，获取流延成型后的所述电极支撑层生料。

19、在一个具体的实施例中，将所述电极功能层生料和所述电极支撑层生料压片成所述初始电极的步骤包括：采用热压叠片方式将所述电极功能层生料和所述电极支撑层生料压制成电极整体。

20、在一个具体的实施例中，采用所述热压叠片方式将所述电极功能层生料和所述电极支撑层生料压制成所述电极整体的步骤包括：将所述电极功能层生料和所述电极支撑层生料进行叠放形成叠片，将所述叠片放置在热压机中进行热压生成所述电极整体。

21、在一个具体的实施例中，将所述初始电极加工成所述目标生料部件的步骤包括：将所述初始电极进行冲压，获取具有目标大小和形状的所述目标生料部件。

22、在一个具体的实施例中，将所述目标生料部件进行煅烧的步骤包括：将所述目标生料部件放入第一炉体内煅烧一定时间。

23、在一个具体的实施例中，所述第一炉体包括马弗炉，所述第一炉体的温度为600～1100摄氏度，所述第一炉体的煅烧时间为3～5小时。

24、在一个具体的实施例中，将煅烧后的所述目标生料部件还原，获得所述目标电极的步骤包括：在还原环境下将煅烧后的所述目标生料部件放入第二炉体内还原一定时间，从而获得所述目标电极。

25、在一个具体的实施例中，所述第二炉体包括管式炉，所述第二炉体的温度为450～550摄氏度，所述第二炉体的还原时间为5.5～6.5小时。

26、在一个具体的实施例中，利用流动的超高纯度氢气提供所述还原环境。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

28、1、本发明的电极结构设置了电极功能层和电极支撑层，利用能够增大电极本体比表面积，增多反应活性位点，利用电极支撑层能够便于集流和气体扩散，提高气泡聚集区域反应速率，从而能够有效提高碱性电解水制氢的效率。

29、2、本发明的电极结构简单，使用方便，应用范围广，市场前景广阔。

30、3、本发明的电极结构的制备方法工艺简单，便捷高效，成本低，无污染，经济性好，安全性好。