一种基于非均匀电沉积的碱水电解槽分区电极及制备方法

1.本发明涉及碱水电解制氢技术领域，尤其是涉及一种基于非均匀电沉积的碱水电解槽分区电极及制备方法。


背景技术：

2.电解水制氢是目前最常用的制氢技术之一，其中碱水电解制氢技术相对成熟，已经实现了商业化，随着市场需求的增加，碱水电解槽的尺寸和产能不断增大，未来单台套的电解槽直径将超过2m，产能超过1500nm3/h。电极是电解槽的核心部件，尺寸和产能的增加对电极提出了更高的要求，需要在现有镍网电极的基础上，增大电极面积，负载高性能催化剂等。
3.电解槽的大型化必然会导致电解槽径向温度分布不均匀，靠近碱液进口测温度较低，靠近出口测温度较高。进口测方向温度低，反应活性低，产氢效率低，而出口测方向温度高使得产氢速率过快导致气阻。因此不同位置对电极反应过程的需求也不同。
4.针对上述问题，结合电解液内部的反应特点，亟需对于大面积电解槽使用的电极在径向分布进行设计，以迎合大型电解槽不同位置的反应需求，从而提升电解槽的产氢效率。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种产氢效率高的基于非均匀电沉积的碱水电解槽分区电极及制备方法，以迎合大型电解槽电极不同位置的反应需求。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.根据本发明的第一方面，提供了一种基于非均匀电沉积的碱水电解槽分区电极，包括电极基体和用于给电极基体提供电流输入的电极接线柱；所述电极基体的两端分别对应电解槽的进口测和出口测，所述电极基体表面沉积有催化剂层，所述催化剂层中的催化剂密度沿着电解槽的进口测至出口测方向梯度降低。
8.优选地，所述电极基体为金属编织网基体，其材质包括镍基、铁基或合金。
9.优选地，所述电极基体的形状包括圆形和方形。
10.优选地，所述电极基体上的催化剂密度等梯度降低。
11.优选地，所述电极接线柱的数量至少为1。
12.根据本发明的第二方面，提供了一种用于上述基于非均匀电沉积的碱水电解槽分区电极的制备方法，该方法包括：将电极基体垂重悬挂，利用电极接线柱向电极基体输入电流，将电极基体分n次逐步浸入电解液，进行电沉积，结束后得到梯度分布电极。
13.优选地，所述n为1～50。
14.优选地，所述n为3-20。
15.优选地，每一步的电沉积时间范围为1min～24h。
16.优选地，每一步的电沉积时间范围为5min～2h。
17.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
18.本发明通过电极结构设计和梯度分布催化剂电极制备，进口测催化剂密度高，一方面能够增加欧姆电阻提升进口处产热，提升电解液温度，另一方面增加催化剂密度能够增加反应活性位点，提升产氢效率；随着电解液温度升高降低催化剂密度，避免出现产氢速率过快导致气阻；出口测催化剂密度较低能够显著降低产氢效率和产热，避免气阻发生，有效提升电解槽的综合产氢效率提升电极的综合产氢效率，符合电解槽进出口温度特性及电极反应需求，能够从本质上提升电极产氢效率。
附图说明
19.图1为本发明的基于非均匀电沉积的碱水电解槽分区电极示意图；
20.图2为实施例2中的电极电沉积过程示意图；其中，图2a为x1时间电沉积电极结构示意图；图2b为x1+x2时间电沉积电极结构示意图；图2c为x1+x2+x3时间电沉积电极结构示意图；图2d为x1+x2+x3+x4时间电沉积电极结构示意图；
21.其中，1-电极基体，2-电极接线柱。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
23.实施例1
24.本实施例给出了一种基于非均匀电沉积的碱水电解槽分区电极，包括电极基体1和用于给电极基体1提供电流输入的电极接线柱2；所述电极基体1的两端分别对应电解槽的进口测和出口测，所述电极基体1表面沉积有催化剂层，所述催化剂层中的催化剂密度沿着电解槽的进口测至出口测方向梯度降低。
25.所述电极基体1为金属编织网基体，可以为均匀分布的金属丝基体也可延伸为非均匀结构。其材质可以为镍基、铁基及其它不同金属或金属合金材料。
26.所述电极基体1的形状包括圆形和方形以及其他任何几何形状。
27.所述电极接线柱2的数量至少为1。
28.接下来给出本发明的方法实施例，一种用于上述基于非均匀电沉积的碱水电解槽分区电极的制备方法，该方法包括：将电极基体1垂重悬挂，利用电极接线柱2向电极基体1输入电流，将电极基体1分n次逐步浸入电解液，进行电沉积，结束后得到梯度分布电极。其中，电极下端的电沉积时间长，催化剂密度高，依次往上逐级递减。
29.其中，n为1～50，尤其是3-20；每一步的电沉积时间范围为1min～24h，尤其是5min～2h。
30.实施例2
31.以镍金属丝均匀编织的镍网为电极基体1，在电极基体1表面沉积催化剂，电流通过电极接线柱2从电极基体1顶端输入，其中，电极接线柱2数量为1。将电极基体的1/4浸入
含镍、铁的电解液中，通过电沉积在镍网表面沉积镍铁合金，沉积时间为20min-2h；沉积结束后，将电极基体进一步往下，直至电极基体的1/2浸入含镍、铁的电解液中，通过电沉积在镍网表面沉积镍铁合金，沉积时间为20min-2h；沉积结束后，将电极基体进一步往下，直至电极基体的3/4浸入含镍、铁的电解液中，通过电沉积在镍网表面沉积镍铁合金，沉积时间为20min-2h；沉积结束后，将电极基体进一步往下，直至电极基体全部浸入含镍、铁的电解液中，通过电沉积在镍网表面沉积镍铁合金，沉积时间为20min-2h，最终获得梯度分布的电极。
32.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。


技术特征：
1.一种基于非均匀电沉积的碱水电解槽分区电极，其特征在于，包括电极基体(1)和用于给电极基体(1)提供电流输入的电极接线柱(2)；所述电极基体(1)的两端分别对应电解槽的进口测和出口测，所述电极基体(1)表面沉积有催化剂层，所述催化剂层中的催化剂密度沿着电解槽的进口测至出口测方向梯度降低。2.根据权利要求1所述的一种基于非均匀电沉积的碱水电解槽分区电极，其特征在于，所述电极基体(1)为金属编织网基体，其材质包括镍基、铁基或合金。3.根据权利要求1所述的一种基于非均匀电沉积的碱水电解槽分区电极，其特征在于，所述电极基体(1)的形状包括圆形和方形。4.根据权利要求1所述的一种基于非均匀电沉积的碱水电解槽分区电极，其特征在于，所述电极基体(1)上的催化剂密度等梯度降低。5.根据权利要求1所述的一种基于非均匀电沉积的碱水电解槽分区电极，其特征在于，所述电极接线柱(2)的数量至少为1。6.一种用于权利要求1所述的基于非均匀电沉积的碱水电解槽分区电极的制备方法，其特征在于，该方法包括：将电极基体(1)垂重悬挂，利用电极接线柱(2)向电极基体(1)输入电流，将电极基体(1)分n次逐步浸入电解液，进行电沉积，结束后得到梯度分布电极。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述n为1～50。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述n为3-20。9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，每一步的电沉积时间范围为1min～24h。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，每一步的电沉积时间范围为5min～2h。

技术总结
本发明涉及一种基于非均匀电沉积的碱水电解槽分区电极及制备方法，所述电极包括电极基体和用于给电极基体提供电流输入的电极接线柱；所述电极基体的两端分别对应电解槽的进口测和出口测，所述电极基体表面沉积有催化剂层，所述催化剂层中的催化剂密度沿着电解槽的进口测至出口测方向梯度降低。与现有技术相比，本发明具有产氢效率高的优点。本发明具有产氢效率高的优点。本发明具有产氢效率高的优点。


技术研发人员：张存满 金黎明 吕洪 耿振
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2022.04.29
技术公布日：2022/8/22