一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法

本发明涉及电解池，特别是涉及一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法。

背景技术：

1、氢作为一种清洁能源载体，其分子结构显示出其强大的发展潜力，并有望取代传统化石燃料能源，建立无碳能源的未来。氢能通常与可再生能源相结合以实现无碳能量循环，而水电解制氢技术被认为是未来可持续能源系统的关键要素。

2、质子交换膜电解池是电解水制氢技术的一种，其可以在低温下工作，具有较高的能量效率、更高的气体纯度、更大的负荷范围、更紧凑的结构，以及更快的可再生能源响应速度等优点。然而，随着大规模可再生能源的发展，对电解池的成本和性能要求越来越高。膜电极是质子交换膜电解池最大的成本贡献者，约占总成本的40％，这主要是由于质子交换膜电解池中大量使用铂族金属作为催化剂而造成的。

3、质子交换膜电解池需要在酸性环境下工作，而只有铂族金属可以承受工作过程中恶劣的氧化环境并实现催化效果，特别是在高电流密度下工作时。但有限的年开采能力和铂族金属的高成本限制了质子交换膜电解池技术的发展。通常，铂黑催化剂用于阴极析氢反应，而铱基催化剂用于阳极析氧反应，且催化剂用量很大：商业质子交换膜电解槽中使用的铂族金属约为2～3mg/cm2，其中阴极上使用0.5～1mg/cm2铂黑，在阳极上使用1.5～2.5mg/cm2铱或钌(氧化物)。而由于铂族金属的稀缺性，这种催化剂负载过高，无法满足能源市场以及可再生能源发展的长期成本目标。

4、近年来，人们为减少铂族金属的用量和降低材料成本做出了一些努力。一种解决方案是使用大比表面积的电催化剂载体。这种负载型催化剂可以在保持铂族金属的催化活性的同时减少铂族金属的用量，从而在保持电解池性能的同时降低催化剂的成本；一些减少催化剂层中铂族金属催化剂负载的制备方法和技术也被广泛研究，如原子层沉积法、低温显微样品制备方法、改性易溶熔盐法、反应喷雾沉积技术等。另一种解决方案是开发无铂或超低铂负载的催化剂，使其具有竞争性的催化活性、耐用性和低成本。一些层状过渡金属硫化物如mos2已经被开发出来，并且被证明是铂催化剂的潜在替代品。

5、以上方法都是从材料层面提高催化剂的催化性能从而降低成本，而通常情况下，电解池中的水分布是极其不均匀的，这导致了在整个电解池催化层表面，催化剂的利用率是不高的，从而使得多余的催化剂没有充分发挥其性能，造成了催化剂材料的浪费以及成本的提高。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法，以解决上述现有技术存在的问题。本发明针对电解池中反应物的分布情况，提供了一种催化层分区方法，该种分区方法通过改变催化剂载量的分布以匹配电解池中水含量的分布，能够在基本不牺牲电解池性能的前提下降低催化剂总载量，对于提高催化剂的利用率，降低催化剂的总载量，提高质子交换膜电解池的性价比具有巨大潜力和应用前景。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明目的之一：提供一种基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区方法，包括以下步骤：

4、对质子交换膜电解池的催化层进行催化剂载量分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行正相关匹配；本发明的这种载量与电解池内部水含量正相关匹配的分区设计方式不限于质子交换膜电解池本身的流道结构或电极结构；

5、按照不同催化层区域上催化剂的载量要求调控各分区的催化剂载量。

6、本发明在具体催化层分区操作中，既可以通过配备一系列不同浓度的催化剂墨并分别沉积到指定分区，也可以通过使用同一种催化剂墨但控制不同分区的沉积时间或次数，来实现催化剂载量的差异化分配。

7、进一步地，本发明所述质子交换膜电解池催化层分区方法按照如下方法一进行：

8、(1)按照质子交换膜电解池内部水分布的情况对质子交换膜电解池的催化层进行催化剂载量分区匹配设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量适配；

9、(2)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；

10、(3)按照催化剂的浓度要求，根据阴极和阳极的催化剂材料，分别配制出满足浓度需求的催化剂墨；

11、(4)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将对应浓度的催化剂墨沉积在基质材料表面设定的催化区域上，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区。

12、进一步地，本发明所述质子交换膜电解池催化层分区方法按照如下方法二进行：

13、(1)按照质子交换膜电解池内部水分布的情况对质子交换膜电解池的催化层进行催化剂载量分区匹配设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量适配；

14、(2)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；

15、(3)针对阴极和阳极，对步骤(2)获得的一系列浓度值分别确定出浓度的最大公因数，作为标准催化剂浓度；

16、(4)使用阴极催化材料和阳极催化材料，分别配制出阴极和阳极的标准浓度催化剂墨；

17、(5)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将标准载量浓度的催化剂墨，在基质材料的不同区域上进行不同次数的沉积，沉积次数根据沉积区域要求的催化剂墨浓度与标准载量浓度的比来确定，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的质子交换膜电解池催化层分区。

18、更进一步地，质子交换膜电解池中流道包括蛇形流道、平行流道、叉指流道、蛇形-平行混合流道、螺旋流道、网状流道或是特殊设计的圆形流道等一切适配于质子交换膜电解池的流道结构。

19、本发明目的之二：提供一种基于催化剂载量调控的蛇形流道质子交换膜电解池催化层分区方法，包括以下步骤：

20、(1)按照蛇形流道质子交换膜电解池内部水分布的情况对蛇形流道质子交换膜电解池催化层进行分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行匹配：

21、将一个电解池宽度作为一个蛇形流道分区的衡量单元，以个电解池宽度为一个蛇形流道分区单元，沿流体流动方向对蛇形流道进行分区；其中m，n为≥1的整数；

22、(2)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；

23、(3)按照催化剂的浓度要求，根据阴极和阳极的催化剂材料，分别配制出满足浓度需求的催化剂墨；

24、(4)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将对应浓度的催化剂墨沉积在基质材料表面设定的催化区域上，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的蛇形流道质子交换膜电解池催化层分区。

25、本发明目的之三：提供另一种基于催化剂载量调控的蛇形流道质子交换膜电解池催化层分区方法，包括以下步骤：

26、(1)按照蛇形流道质子交换膜电解池内部水分布的情况对蛇形流道质子交换膜电解池催化层进行分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行匹配：

27、将一个电解池宽度作为一个蛇形流道分区的衡量单元，以个电解池宽度为一个蛇形流道分区单元，沿流体流动方向对蛇形流道进行分区；其中m，n为≥1的整数；

28、(3)针对阴极和阳极，对步骤(2)获得的一系列浓度值分别确定出浓度的最大公因数，作为标准催化剂浓度；

29、(4)使用阴极催化材料和阳极催化材料，分别配制出阴极和阳极的标准浓度催化剂墨；

30、(5)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将标准载量浓度的催化剂墨，在基质材料的不同区域上进行不同次数的沉积，沉积次数根据沉积区域要求的催化剂墨浓度与标准载量浓度的比来确定，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的蛇形流道质子交换膜电解池催化层分区。

31、进一步地，本发明上述蛇形流道质子交换膜电解池催化层分区方法为，从蛇形流道的入口到出口，分区单元的催化剂载量依次以5％的梯度逐级递减。

32、本发明目的之四：提供一种基于催化剂载量调控的平行流道质子交换膜电解池催化层分区方法，包括以下步骤：

33、(1)按照平行流道质子交换膜电解池内部水分布的情况对平行流道质子交换膜电解池催化层进行分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行匹配：

34、在入口总管下的催化区域给予最大的催化剂载量权重(100％)，在出口总管下的催化区域给予所述最大的催化剂载量权重一半的催化剂载量权重(50％)；针对平行子通道催化区域，最靠近出口的两个区域相对入口总管从外向内以10％梯度逐级递减，其余平行子通道催化区域采用两头多中间少的抛物状催化剂载量分布，且两头催化剂载量由靠近出口的两个子通道催化区域下的催化载量以10％梯度递减确定，而从两边到中间催化载量以10％梯度逐级递减；

35、(2)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；

36、(3)按照催化剂的浓度要求，根据阴极和阳极的催化剂材料，分别配制出满足浓度需求的催化剂墨；

37、(4)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将对应浓度的催化剂墨沉积在基质材料表面设定的催化区域上，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的平行流道质子交换膜电解池催化层分区。

38、本发明目的之五：提供另一种基于催化剂载量调控的平行流道质子交换膜电解池催化层分区方法，包括以下步骤：

39、(1)按照平行流道质子交换膜电解池内部水分布的情况对平行流道质子交换膜电解池催化层进行分区设计，使不同分区催化层上的催化剂载量与当地水含量进行匹配：

40、在入口总管下的催化区域给予最大的催化剂载量权重(100％)，在出口总管下的催化区域给予所述最大的催化剂载量权重一半的催化剂载量权重(50％)；针对平行子通道催化区域，最靠近出口的两个区域相对入口总管从外向内以10％梯度逐级递减，其余平行子通道催化区域采用两头多中间少的抛物状催化剂载量分布，且两头催化剂载量由靠近出口的两个子通道催化区域下的催化载量以10％梯度递减确定，而从两边到中间催化载量以10％梯度逐级递减；

41、(2)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，按照不同催化区域上催化剂的载量要求，确定出阴极和阳极总共需要的催化剂浓度的种类；

42、(3)针对阴极和阳极，对步骤(2)获得的一系列浓度值分别确定出浓度的最大公因数，作为标准催化剂浓度；

43、(4)使用阴极催化材料和阳极催化材料，分别配制出阴极和阳极的标准浓度催化剂墨；

44、(5)根据步骤(1)确定的催化剂载量分区设计方案，将标准载量浓度的催化剂墨，在基质材料的不同区域上进行不同次数的沉积，沉积次数根据沉积区域要求的催化剂墨浓度与标准载量浓度的比来确定，得到基于催化剂载量调控的催化层，实现基于催化剂载量调控的平行流道质子交换膜电解池催化层分区。

45、本发明还进一步对所述平行子通道催化区域进行n级分区，各平行管道靠近入口总管的区域催化剂载量不变，且各平行管道催化区域的催化剂载量沿靠近出口总管方向以5％梯度逐级递减；其中n为≥2的整数。

46、本发明针对蛇形流道质子交换膜电解槽，采用沿流道逐渐减小催化剂载量的催化层分区方案，针对平行流道质子交换膜电解槽，采用入口总管大载量、出口总管小载量、中间子流道载量钩状抛物线分布的催化层分区方案。

47、本发明公开了以下技术效果：

48、1.本发明针对质子交换膜电解槽流道中物质运输的特性，采用了与通道水分布相适配的催化层分区设计，在保证电解池极化性能和产氢速率基本不变的同时，降低了催化剂材料的使用量，从而提升了电解池的整体性价比。

49、2.本发明催化层分区策略无需对质子交换膜电解槽的现有结构进行大的改动，也不需要增加额外的系统配件，仅需对催化剂沉积工艺进行小的改动即可实施，与现有的电解槽生产工艺十分兼容。

50、3.本发明催化层分区策略尤其适合大规模、高功率的质子交换膜电解槽，针对其较大的电极面积，可以降低催化剂分区沉积的技术难度与精度要求，从而降低该种特殊催化层的制造成本。

51、4.本发明的催化层分区策略可以全面应用于不同类型的流道结构，针对其特有的水分布特性进行相应的催化层分区设计，适用范围极广。