[發(fā)明專利]用于PEM電解制氫裝置中的陽極阻擋層及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011345027.6
• 申請日: 2020-11-26
• 公開（公告）號: CN112609206B
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡飛;熊宇杰;李睿
• 申請（專利權(quán)）人: 新余市金通科技有限公司;中氫能源科技（廣東）有限公司
• 主分類號: C25B11/052
• 分類號: C25B11/052;C25B11/061;C25B11/081;C25B1/04
• 代理公司: 廣州新諾專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 44100
• 代理人: 許英偉

本發(fā)明提供一種用于PEM電解制氫裝置中的陽極阻擋層及其制備方法，涉及電催化材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的陽極阻擋層包括合金塊體和活性層，所述活性層負(fù)載于所述合金塊體表面；所述合金塊體由金屬元素組成，或由金屬元素和非金屬元素組成；所述金屬元素選自：Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Os，所述非金屬元素選自：B、P、C；所述活性層包含貴金屬元素。本發(fā)明的陽極阻擋層可降低陽極極板或集電體的腐蝕，同時具有析氧反應(yīng)活性，有利于質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電催化材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于PEM電解制氫裝置中的陽極阻擋層及其制備方法。

背景技術(shù)

氫能是一種二次能源，根據(jù)制氫的原料不同，可以將氫能的來源分為化石燃料轉(zhuǎn)換制氫、生物質(zhì)制氫，以及水電解制氫。化石燃料制氫的原料有煤、天然氣、甲醇等?；剂现茪溥m用于大規(guī)模制氫，但也受限于原料的供應(yīng)，并且具有污染性。電解水制氫的原料是水，其優(yōu)點(diǎn)是綠色環(huán)保，缺點(diǎn)是耗電量大、成本高，現(xiàn)有的電解槽單位制氫量較低。

現(xiàn)有的商用PEM電解制氫的電流密度為0.5～1.5A/cm²，堿性電解制氫通常為0.3A/cm²的電流密度。然而，PEM電解制氫裝備一般采用貴金屬催化劑和昂貴的質(zhì)子交換膜，使其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于堿性電解制氫裝備。為降低PEM電解制氫裝備的成本，研究學(xué)者致力于降低貴金屬催化劑的使用量，同時提高陽極催化劑的反應(yīng)電流密度。

貴金屬材料被認(rèn)為是析氧反應(yīng)最好的電催化劑，這是由于質(zhì)子交換膜是一種固體電解質(zhì)，其酸性相當(dāng)于0.5M H₂SO₄或1M HClO₄，具有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)性、優(yōu)異的氣體分離性、良好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，適宜于發(fā)展高電流密度電解技術(shù)。PEM電解制氫的陰極一般采用Pt系貴金屬為催化劑，陽極的析氧標(biāo)準(zhǔn)電位為1.229V，電解制氫的反應(yīng)發(fā)生電位＞2.0V，且電極處于強(qiáng)氧化環(huán)境，使得陽極的腐蝕非常嚴(yán)重?，F(xiàn)在一般采用Ti代替貴金屬作為集電板，但是Ti容易被氧化而喪失導(dǎo)電性。

發(fā)明內(nèi)容

基于此，有必要針對上述問題，提供一種用于PEM電解制氫裝置中的陽極阻擋層，該陽極阻擋層材料可降低陽極極板或集電體的腐蝕，同時具有析氧反應(yīng)活性，有利于質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。

一種用于PEM電解制氫裝置中的陽極阻擋層，所述陽極阻擋層包括合金塊體和活性層，所述活性層負(fù)載于所述合金塊體表面；

所述合金塊體由金屬元素組成，或由金屬元素和非金屬元素組成；所述金屬元素選自：Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Os，所述非金屬元素選自：B、P、C；

所述活性層包含貴金屬元素。

上述陽極阻擋層，包括高熔點(diǎn)合金和活性層，可有效降低陽極極板或集電體的腐蝕，同時該阻擋層還具有析氧反應(yīng)活性，在PEM析氧反應(yīng)條件下(電壓2.0V)具有超高的穩(wěn)定性，解決了酸性析氧反應(yīng)電催化劑長期服役穩(wěn)定性不足的問題。

在其中一個實施例中，所述合金塊體中金屬元素與非金屬元素的原子百分比分別為x和y，30％≤x≤100％，0％≤y≤70％。

在其中一個實施例中，所述合金塊體的金屬元素選自：Ti、Nb和W中的一種或兩種以上；所述非金屬元素選自：B和/或P。

在其中一個實施例中，所述合金塊體的組成為TiNbB或WBP。

在其中一個實施例中，所述合金塊體的形狀為長方體板狀或棒狀。優(yōu)選地，長方體板狀尺寸為：(50～500)mm×(50～500)mm×(1～5)mm。

在其中一個實施例中，所述活性層的貴金屬選自：銥、釕和鉑中的一種或兩種以上。

本發(fā)明還提供一種上述用于PEM電解制氫裝置中的陽極阻擋層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：