一种碱性阴离子交换膜电解槽

本发明涉及水电解制氢，尤其涉及一种碱性阴离子交换膜电解槽。

背景技术：

1、随着经济社会的发展和能源消费水平的提升，传统化石能源的不可持续性和环境问题加速了全球能源结构的变革。氢气因其清洁无污染、高能量密度(140mj·kg-1)的特点，成为传统化石能源最理想的替代品。而制取氢气有各种各样的方法，但水电解是最有前途的，因为其他低碳制氢方法相比，电解水制氢更纯净、更节能、成本更低。

2、目前电催化水分解制氢可分为传统碱式电解槽水分解(awe)系统，质子交换膜水分解系统(pemwe)和阴离子交换膜水分解(aemwe)系统。尽管awe系统使用非贵金属催化剂，但极板间距过大，系统欧姆降过大，限制了运行电流密度；另外awe系统庞大需要大量的土地面积，限制了大规模推广应用。pemwe系统的出现虽然解决了awe系统的缺陷，但其需要耐酸的电解槽组件，贵金属催化剂，极大的提高了应用成本，限制实际应用。aemwe系统结合上述两种制氢方式的优点。在碱性条件下，使用廉价、高活性的非贵金属催化剂。然而，aemwe系统仍处于研究阶段，aem电解槽设备开发缓慢，影响阴离子交换膜、阴阳极催化剂等相关关键材料在工况条件下的性能考核和寿命测试，也导致aem技术的产业化应用发展缓慢。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术中存在的问题，提供了一种加工简单、低成本、高效率的碱性阴离子交换膜电解槽。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种碱性阴离子交换膜电解槽，包括阴极端板、阴极极板、垫圈、阳极极板和阳极端板；所述阴极端板、所述阴极极板、所述垫圈、所述阳极极板和所述阳极端板通过四周的螺孔用螺丝进行紧固。

4、进一步地，所述阴极端板、所述阴极极板、所述垫圈、所述阳极极板和所述阳极端板均为圆形，所述电解槽为圆柱形结构。

5、进一步地，将膜电极嵌入所述垫圈内，所述膜电极包括阳极气体扩散层、阳极催化剂层、阴离子交换膜、阴极催化剂层和阴极气体扩散层。

6、进一步地，所述阴离子交换膜包括以下至少之一：聚苯醚类阴离子交换膜、聚芳醚砜类阴离子交换膜、聚烯烃类阴离子交换膜、聚苯并咪唑类阴离子交换膜以及其他类聚醚酮、聚芳醚腈、聚芳烯类聚合物或无醚氧键的芳香聚合物阴离子交换膜。

7、进一步地，所述阳极催化剂材料包括镍、铜钴氧过渡金属基催化剂，所述阴极催化剂材料包括镍、镍合金过渡金属基催化剂，对应涂覆于或直接置于所述阴离子交换膜两侧表面。

8、进一步地，在所述阳极催化剂和所述阴离子交换膜中间放置了一个环形硅胶垫片，在所述阴极催化剂和所述阴离子交换膜中间也放置了一个环形硅胶垫片。

9、进一步地，所述阴极端板、所述阴极极板、所述阳极极板、所述阳极端板对称设置在所述膜电极的两侧，用于固定所述膜电极。

10、进一步地，所述阴极极板和所述阳极极板包括不锈钢双极板、钛双极板中的一种。

11、进一步地，所述阳极端板开设有至少一个阳极电解液进口和至少一个阳极氧气和电解液出口；所述阴极端板开设有至少一个阴极氢气出口。

12、进一步地，所述阳极极板开设有至少一个阳极电解液进口和至少一个阳极氧气和电解液出口，以及用所述阳极极板右上角凸起处连接外部电路正极；所述阴极极板开设有至少一个氢气出口，以及用所述阴极极板左上角凸起处连接外部电路负极。

13、本发明具有以下有益效果：

14、本发明的碱性阴离子交换膜电解槽具有结构简单、组装过程方便、响应快的优势，能够很好地适应可再生能源的波动性，应用于可再生能源制氢领域，可提高经济性。该装置可在碱性或纯水条件下工作，无需使用昂贵的贵金属作为电极催化剂，极大程度地降低制氢系统成本。

技术特征：

1.一种碱性阴离子交换膜电解槽，其特征在于，包括阴极端板、阴极极板、垫圈、阳极极板和阳极端板；所述阴极端板、所述阴极极板、所述垫圈、所述阳极极板和所述阳极端板通过四周的螺孔用螺丝进行紧固。

2.根据权利要求1所述的碱性阴离子交换膜电解槽，其特征在于，所述阴极端板、所述阴极极板、所述垫圈、所述阳极极板和所述阳极端板均为圆形，所述电解槽为圆柱形结构。

3.根据权利要求1所述的碱性阴离子交换膜电解槽，其特征在于，将膜电极嵌入所述垫圈内，所述膜电极包括阳极气体扩散层、阳极催化剂层、阴离子交换膜、阴极催化剂层和阴极气体扩散层。

4.根据权利要求3所述的碱性阴离子交换膜电解槽，其特征在于，所述阴离子交换膜包括以下至少之一：聚苯醚类阴离子交换膜、聚芳醚砜类阴离子交换膜、聚烯烃类阴离子交换膜、聚苯并咪唑类阴离子交换膜以及其他类聚醚酮、聚芳醚腈、聚芳烯类聚合物或无醚氧键的芳香聚合物阴离子交换膜。

5.根据权利要求3所述的碱性阴离子交换膜电解槽，其特征在于，所述阳极催化剂材料包括镍、铜钴氧过渡金属基催化剂，所述阴极催化剂材料包括镍、镍合金过渡金属基催化剂，对应涂覆于或直接置于所述阴离子交换膜两侧表面。

6.根据权利要求1所述的碱性阴离子交换膜电解槽，其特征在于，在所述阳极催化剂和所述阴离子交换膜中间放置了一个环形硅胶垫片，在所述阴极催化剂和所述阴离子交换膜中间也放置了一个环形硅胶垫片。

7.根据权利要求1所述的碱性阴离子交换膜电解槽，其特征在于，所述阴极端板、所述阴极极板、所述阳极极板、所述阳极端板对称设置在所述膜电极的两侧，用于固定所述膜电极。

8.根据权利要求1所述的碱性阴离子交换膜电解槽，其特征在于，所述阴极极板和所述阳极极板包括不锈钢双极板、钛双极板中的一种。

9.根据权利要求1所述的碱性阴离子交换膜电解槽，其特征在于，所述阳极端板开设有至少一个阳极电解液进口和至少一个阳极氧气和电解液出口；所述阴极端板开设有至少一个阴极氢气出口。

10.根据权利要求1所述的碱性阴离子交换膜电解槽，其特征在于，所述阳极极板开设有至少一个阳极电解液进口和至少一个阳极氧气和电解液出口，以及用所述阳极极板右上角凸起处连接外部电路正极；所述阴极极板开设有至少一个氢气出口，以及用所述阴极极板左上角凸起处连接外部电路负极。

技术总结
本发明公开了一种碱性阴离子交换膜电解槽，包括阴极端板、阴极极板、垫圈、阳极极板和阳极端板；所述阴极端板、所述阴极极板、所述垫圈、所述阳极极板和所述阳极端板通过四周的螺孔用螺丝进行紧固。本发明的碱性阴离子交换膜电解槽具有结构简单、组装过程方便、响应快的优势，能够很好地适应可再生能源的波动性，应用于可再生能源制氢领域，可提高经济性。该装置可在碱性或纯水条件下工作，无需使用昂贵的贵金属作为电极催化剂，极大程度地降低制氢系统成本。

技术研发人员：刘栋梁,李严波,佘香花
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21