CN116200775A - 一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，包括阴极涂层电极和阳极涂层电极，所述阴极涂层电极、阳极涂层电极分别包括电极网片和设置在所述电极网片四周边缘的用于嵌入式安装的翻边，所述翻边设置在电极网片的同一面且与电极网片相垂直；作为阴极涂层电极的电极网片表面设置有由钌氧化物、铈氧化物和铂氧化物组成的复合涂层，作为阳极涂层电极的电极网片表面设置有由铁氧化物和铂氧化物组成的复合涂层。本发明一方面嵌入式安装结构的改进，使得电极的安装、拆卸及维护较为便捷，有利于电极网片的可循环利用；通过在阳极与阴极的表面涂覆特殊的金属氧化物涂层，达到了提高电解电流密度、降低电解槽电压、降低电耗的目的。

Description

一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极
技术领域
本发明涉及电解水制氢涂层电极技术领域，具体涉及一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极。
背景技术
电解碱水(氢氧化钾或氢氧化钠溶液)制取高纯度氢气是目前应用最广泛的工艺之一，在可再生资源发电(光伏、水力及水力等发电)的迅速发展及减碳目标促进下，电解水制氢行业得到了迅猛发展。
在电解水制氢产量及能耗要求下，作为电解反应中重要组件的电极迫切需要承担起加大电流密度、降低电压的责任。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，结合现有电解碱水制氢装置，一方面进行嵌入式安装结构的改进，另一方面通过在阳极与阴极的表面涂覆特殊设计的金属氧化物涂层，达到提高电解电流密度、降低电解槽电压，进而降低电耗的目的。具体的技术方案如下：
一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，包括阴极涂层电极和阳极涂层电极，所述阴极涂层电极、阳极涂层电极分别包括电极网片和设置在所述电极网片四周边缘的用于嵌入式安装的翻边，所述翻边设置在所述电极网片的同一面且与所述电极网片相垂直；其中，作为所述阴极涂层电极的电极网片表面设置有第一金属氧化物复合涂层，作为所述阳极涂层电极的电极网片表面设置有第二金属氧化物复合涂层；其中，所述第一金属氧化物复合涂层为由钌氧化物、铈氧化物和铂氧化物组成的复合涂层，所述第二金属氧化物复合涂层为由铁氧化物和铂氧化物组成的复合涂层。
优选的，所述第一金属氧化物复合涂层为依次设置在所述电极网片表面的钌氧化物涂层、钌氧化物与铈氧化物的混合氧化物涂层、钌氧化物与铂氧化物的混合氧化物涂层、钌氧化物涂层。
优选的，所述第二金属氧化物复合涂层为依次设置在所述电极网片表面的铁氧化物涂层和铂氧化物涂层。
作为本发明中电极网片的优选方案之一，所述电极网片为圆形电极网片。
作为本发明中电极网片的优选方案之二，所述电极网片为矩形电极网片。
优选的，所述电极网片为采用镍冲孔板或镍编织网制成的电极网片。
本发明中，所述阴极涂层电极安装在电解槽的阴极室板框上，所述阴极室板框上设置有与所述电极网片的翻边相适配的环形安装槽，所述阴极涂层电极的电极网片的翻边嵌置安装在所述阴极室板框的环形安装槽上。
本发明中，所述阳极涂层电极安装在电解槽的阳极室板框上，所述阳极室板框上设置有与所述电极网片的翻边相适配的环形安装槽，所述阳极涂层电极的电极网片的翻边嵌置安装在所述阳极室板框的环形安装槽上。
本发明中，在所述电解槽的阴极涂层电极与所述阳极涂层电极之间设置有隔膜。
本发明中，所述电解水制氢涂层电极为采用如下制备方法制成的电解水制氢涂层电极：
(1)镍基材加工：采用镍冲孔板或镍编织网作为镍基材，通过冲压级进模将镍基材冲压加工成带有翻边的电极网片；
(2)电极网片预处理：电极网片进行除油、喷砂、水洗、烘干处理；
(3)阴极涂层电极的涂液配制：采用三氯化钌、三氯化铈、氯铂酸、正丁醇、松油醇和水为原料，配制阴极涂液，所述阴极涂液包括第一层阴极涂液、第二层阴极涂液、第三层阴极涂液和第四层阴极涂液，各层阴极涂液的配比如下：
第一层阴极涂液为由三氯化钌和水配置的钌涂液，所述钌涂液中钌和水的摩尔比为10：(50～100)；
第二层阴极涂液为由三氯化钌、三氯化铈和水配置的钌铈涂液，所述钌铈涂液中钌、铈和水的摩尔比为10：(1～2)：(50～100)；
第三层阴极涂液为由三氯化钌、氯铂酸和水配置的钌铂涂液，所述钌铂涂液中钌、铂和水的摩尔比为10：(1～2)：(50～100)；
第四层阴极涂液为由三氯化钌和水配置的钌涂液，所述钌涂液中钌和水的摩尔比为10：(50～100)；
(4)阳极涂层电极的涂液配制：采用三氯化铁、氯铂酸、正丁醇、松油醇和水为原料，配制阳极涂液，所述阳极涂液包括第一层阳极涂液和第二层阳极涂液，各层阳极涂液的配比如下：
第一层阳极涂液为由三氯化铁和水配置的铁涂液，所述铁涂液中铁和水的摩尔比为5：(50～100)；
第二层阳极涂液为由氯铂酸、正丁醇和松油醇配置的铂涂液，所述铂涂液中铂、正丁醇和松油醇的摩尔比为(1～2)：50：50；
(5)涂覆与氧化烧结：包括阴极涂层电极的涂覆与氧化烧结，以及阳极涂层电极的涂覆与氧化烧结，具体如下：
阴极涂层电极的涂覆与氧化烧结：经过预处理的电极网片，依次分别涂覆作为第一层阴极涂液的钌涂液、作为第二层阴极涂液的钌铈涂液、作为第三层阴极涂液的钌铂涂液各三遍后再涂覆一遍作为第四层阴极涂液的钌涂液，每涂覆一遍后经过由室温升至460～500℃后保温5～15min，再冷却至室温后涂覆下一遍，最后一遍涂覆后450～550℃烧结10～60min；
阳极涂层电极的涂覆与氧化烧结：采用作为第一层阳极涂液的铁涂液，将经过预处理的电极网片分次浸入铁涂液10-40min后取出，经过由室温升至450～470℃后保温5～15min，再冷却至室温后涂覆作为第二层阳极涂液的铂涂液五遍，每涂覆一遍后由室温升至480～550℃后保温5～15min，最后一遍涂覆后450～550℃烧结10～60min。
本发明的有益效果是：
第一，本发明的一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，电极网片采用改进的嵌入式翻边设计，并与改进结构的阴极室板框、阳极室板框上的环形安装槽进行适配安装，其安装、拆卸及维护较为便捷，有利于电极网片的可循环利用。
第二，本发明的一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，电极网片的表面涂覆有特殊设计的金属氧化物涂层，达到提高电解电流密度、降低电解槽电压，进而降低电耗的目的。
第三，本发明的一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，作为阴极涂层电极的电极网片表面为由钌氧化物、铈氧化物和铂氧化物组成的复合涂层，作为阳极涂层电极的电极网片表面为由铁氧化物和铂氧化物组成的复合涂层，实现了阴极涂层电极和阳极涂层电极表面涂层的优化匹配，有利于提高整个电解水制氢装置的使用寿命，延长维修周期。
第四，本发明的一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，涂层所使用的原料三氯化钌、三氯化铁、三氯化铈、氯铂酸、正丁醇、松油醇及水等具很好的相溶性，有利于提高涂层的质量，进而提高涂层电极的电解性能。
附图说明
图1是本发明的一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极的结构示意图；
图2是电极网片的翻边嵌置安装在电解槽的阴极室板框、阳极室板框的环形安装槽上的结构示意图。
图中：1、电极网片，2、复合涂层，3、翻边，4、阴极室板框，5、阳极室板框，6、环形安装槽，7、隔膜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1至2所示为本发明的一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极的实施例，包括阴极涂层电极和阳极涂层电极，所述阴极涂层电极、阳极涂层电极分别包括电极网片1和设置在所述电极网片1四周边缘的用于嵌入式安装的翻边3，所述翻边3设置在所述电极网片1的同一面(背面)且与所述电极网片1相垂直；其中，作为所述阴极涂层电极的电极网片1表面设置有第一金属氧化物复合涂层2，作为所述阳极涂层电极的电极网片1表面设置有第二金属氧化物复合涂层2；其中，所述第一金属氧化物复合涂层2为由钌氧化物、铈氧化物和铂氧化物组成的复合涂层，所述第二金属氧化物复合涂层2为由铁氧化物和铂氧化物组成的复合涂层。
优选的，所述第一金属氧化物复合涂层2为依次设置在所述电极网片表面的钌氧化物涂层、钌氧化物与铈氧化物的混合氧化物涂层、钌氧化物与铂氧化物的混合氧化物涂层、钌氧化物涂层。
优选的，所述第二金属氧化物复合涂层2为依次设置在所述电极网片表面的铁氧化物涂层和铂氧化物涂层。
作为本实施例中电极网片的优选方案之一，所述电极网片1为圆形电极网片。
作为本实施例中电极网片的优选方案之二，所述电极网片1为矩形电极网片。
优选的，所述电极网片1为采用镍冲孔板或镍编织网制成的电极网片。
本实施例中，所述阴极涂层电极安装在电解槽的阴极室板框4上，所述阴极室板框4上设置有与所述电极网片1的翻边3相适配的环形安装槽6，所述阴极涂层电极的电极网片1的翻边3嵌置安装在所述阴极室板框4的环形安装槽6上。
本实施例中，所述阳极涂层电极安装在电解槽的阳极室板框5上，所述阳极室板框5上设置有与所述电极网片1的翻边3相适配的环形安装槽6，所述阳极涂层电极的电极网片1的翻边3嵌置安装在所述阳极室板框5的环形安装槽6上。
本实施例中，在所述电解槽的阴极涂层电极与所述阳极涂层电极之间设置有隔膜7。
本实施例中，所述电解水制氢涂层电极为采用如下制备方法制成的电解水制氢涂层电极：
(1)镍基材加工：采用镍冲孔板或镍编织网作为镍基材，通过冲压级进模将镍基材冲压加工成带有翻边的电极网片；
(2)电极网片预处理：电极网片进行除油、喷砂、水洗、烘干处理；
(3)阴极涂层电极的涂液配制：采用三氯化钌、三氯化铈、氯铂酸、正丁醇、松油醇和水为原料，配制阴极涂液，所述阴极涂液包括第一层阴极涂液、第二层阴极涂液、第三层阴极涂液和第四层阴极涂液，各层阴极涂液的配比如下：
第一层阴极涂液为由三氯化钌和水配置的钌涂液，所述钌涂液中钌和水的摩尔比为10：(50～100)；
第二层阴极涂液为由三氯化钌、三氯化铈和水配置的钌铈涂液，所述钌铈涂液中钌、铈和水的摩尔比为10：(1～2)：(50～100)；
第三层阴极涂液为由三氯化钌、氯铂酸和水配置的钌铂涂液，所述钌铂涂液中钌、铂和水的摩尔比为10：(1～2)：(50～100)；
第四层阴极涂液为由三氯化钌和水配置的钌涂液，所述钌涂液中钌和水的摩尔比为10：(50～100)；
(4)阳极涂层电极的涂液配制：采用三氯化铁、氯铂酸、正丁醇、松油醇和水为原料，配制阳极涂液，所述阳极涂液包括第一层阳极涂液和第二层阳极涂液，各层阳极涂液的配比如下：
第一层阳极涂液为由三氯化铁和水配置的铁涂液，所述铁涂液中铁和水的摩尔比为5：(50～100)；
第二层阳极涂液为由氯铂酸、正丁醇和松油醇配置的铂涂液，所述铂涂液中铂、正丁醇和松油醇的摩尔比为(1～2)：50：50；
(5)涂覆与氧化烧结：包括阴极涂层电极的涂覆与氧化烧结，以及阳极涂层电极的涂覆与氧化烧结，具体如下：
阴极涂层电极的涂覆与氧化烧结：经过预处理的电极网片，依次分别涂覆作为第一层阴极涂液的钌涂液、作为第二层阴极涂液的钌铈涂液、作为第三层阴极涂液的钌铂涂液各三遍后再涂覆一遍作为第四层阴极涂液的钌涂液，每涂覆一遍后经过由室温升至460～500℃后保温5～15min，再冷却至室温后涂覆下一遍，最后一遍涂覆后450～550℃烧结10～60min；
阳极涂层电极的涂覆与氧化烧结：采用作为第一层阳极涂液的铁涂液，将经过预处理的电极网片分次浸入铁涂液10-40min后取出，经过由室温升至450～470℃后保温5～15min，再冷却至室温后涂覆作为第二层阳极涂液的铂涂液五遍，每涂覆一遍后由室温升至480～550℃后保温5～15min，最后一遍涂覆后450～550℃烧结10～60min。
实施例2-1：
阴、阳极镍基材预处理：镍材经机加工、除油、喷砂、水洗、烘干备用；
按钌与水摩尔比为10:50配制钌涂液，按钌、铈与水摩尔比10:1:50配制钌铈涂液，按钌、铂与水摩尔比10:1:50配制钌铂涂液，按铁与水摩尔比5:50配制铁涂液，按铂、正丁醇及松油醇摩尔比1:50:50配制铂涂液；
阴极基材依次分别涂覆钌涂液、钌铈涂液、钌铂涂液3遍后再涂覆1遍钌涂液，每遍经过由室温升至500℃后保温10min，再冷却至室温后涂覆，最后一遍530℃烧结60min；
阳极基材经过铁涂液浸渍10min后取出，经过由室温升至450℃后保温10min，再冷却至室温后涂覆铂涂液，再经过由室温升至490℃后保温10min后，重复5次，最后1次550℃烧结30min。
实施例2-2：
阴、阳极镍基材预处理：镍材的机加工、除油、喷砂、水洗、烘干备用；
按钌与水摩尔比为10:70配制钌涂液，按钌、铈与水摩尔比10:1:70配制钌铈涂液，按钌、铂与水摩尔比10:1:70配制钌铂涂液，按铁与水摩尔比5:50配制铁涂液，按铂、正丁醇及松油醇摩尔比1:50:70配制铂涂液；
阴极基材依次分别涂覆钌涂液、钌铈涂液、钌铂涂液3遍后再涂覆1遍钌涂液，每遍经过由室温升至470℃后保温10min，再冷却至室温后涂覆，最后一遍490℃烧结40min；
阳极基材经过铁涂液浸渍10min后取出，经过由室温升至470℃后保温10min，再冷却至室温后涂覆铂涂液，再经过由室温升至480℃后保温10min后，重复5次，最后1次510℃烧结40min。
实施例2-3:
阴、阳极镍基材预处理：镍材的机加工、除油、喷砂、水洗、烘干备用；
按钌与水摩尔比为10:80配制钌涂液，按钌、铈与水摩尔比10:1:100配制钌铈涂液，按钌、铂与水摩尔比10:1:100配制钌铂涂液，按铁与水摩尔比5:50配制铁涂液，按铂、正丁醇及松油醇摩尔比1:50:100配制铂涂液；
阴极基材依次分别涂覆钌涂液、钌铈涂液、钌铂涂液3遍后再涂覆1遍钌涂液，每遍经过由室温升至460℃后保温10min，再冷却至室温后涂覆，最后一遍470℃烧结30min；
阳极基材经过铁涂液浸渍10min后取出，经过由室温升至450℃后保温10min，再冷却至室温后涂覆铂涂液，再经过由室温升至480℃后保温10min后，重复5次，最后1次500℃烧结40min。
实施例3：
对实施例2-1、实施例2-2和实施例2-3制成的阴极涂层电极和阳极涂层电极进行如下测试：
(1)强化失重率测试
阴极涂层电极和阳极涂层电极均为实施例2-1、2-2、2-3的制备电极，电流密度20000A/m2，溶液体系为35％的KOH溶液，温度为85±5℃，测试阴、阳极贵金属损失率。实验结果如下表：
样品 阳极强化失重率/％ 阴极强化失重率/％
实施例2-1 13.11 9.06
实施例2-2 13.32 9.11
实施例2-3 13.03 9.00
实验结果表明，实施例2-1、2-2、2-3均具有较低的失重率。
(2)阴极析氢电位及电解模拟寿命测试
采用三电极体系测试阴极析氢电位：工作电极为实施例2-1、2-2、2-3制备的阴极涂层电极，辅助电极为镍，参比电极为饱和甘汞电极，电流密度4000A/m2，溶液体系32％的KOH溶液，温度为85±5℃。实验结果如下表：
样品 析氢电位/V vs SCE
实施例2-1 1.1340
实施例2-2 1.1201
实施例2-3 1.0899
(3)强化失重率测试
阴极涂层电极和阳极涂层电极均为实施例2-1、2-2、2-3的制备电极，电流密度30000A/m2，溶液体系为32％的KOH溶液，温度为85±5℃，测试电压上升2V的时间。实验结果如下表：
样品 模拟测试寿命/h
实施例2-1 900
实施例2-2 908
实施例2-3 934
实验结果表明，实施例2-1、2-2、2-3均有较好的模拟测试寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，其特征在于，包括阴极涂层电极和阳极涂层电极，所述阴极涂层电极、阳极涂层电极分别包括电极网片和设置在所述电极网片四周边缘的用于嵌入式安装的翻边，所述翻边设置在所述电极网片的同一面且与所述电极网片相垂直；其中，作为所述阴极涂层电极的电极网片表面设置有第一金属氧化物复合涂层，作为所述阳极涂层电极的电极网片表面设置有第二金属氧化物复合涂层；其中，所述第一金属氧化物复合涂层为由钌氧化物、铈氧化物和铂氧化物组成的复合涂层，所述第二金属氧化物复合涂层为由铁氧化物和铂氧化物组成的复合涂层。
2.根据权利要求1所述的一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，其特征在于，所述第一金属氧化物复合涂层为依次设置在所述电极网片表面的钌氧化物涂层、钌氧化物与铈氧化物的混合氧化物涂层、钌氧化物与铂氧化物的混合氧化物涂层、钌氧化物涂层。
3.根据权利要求1所述的一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，其特征在于，所述第二金属氧化物复合涂层为依次设置在所述电极网片表面的铁氧化物涂层和铂氧化物涂层。
4.根据权利要求1所述的一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，其特征在于，所述电极网片为圆形电极网片。
5.根据权利要求1所述的一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，其特征在于，所述电极网片为矩形电极网片。
6.根据权利要求1所述的一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，其特征在于，所述电极网片为采用镍冲孔板或镍编织网制成的电极网片。
7.根据权利要求1所述的一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，其特征在于，所述阴极涂层电极安装在电解槽的阴极室板框上，所述阴极室板框上设置有与所述电极网片的翻边相适配的环形安装槽，所述阴极涂层电极的电极网片的翻边嵌置安装在所述阴极室板框的环形安装槽上。
8.根据权利要求7所述的一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，其特征在于，所述阳极涂层电极安装在电解槽的阳极室板框上，所述阳极室板框上设置有与所述电极网片的翻边相适配的环形安装槽，所述阳极涂层电极的电极网片的翻边嵌置安装在所述阳极室板框的环形安装槽上。
9.根据权利要求8所述的一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，其特征在于，在所述电解槽的阴极涂层电极与所述阳极涂层电极之间设置有隔膜。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的一种具有嵌入式安装结构的电解水制氢涂层电极，其特征在于，所述电解水制氢涂层电极为采用如下制备方法制成的电解水制氢涂层电极：
(1)镍基材加工：采用镍冲孔板或镍编织网作为镍基材，通过冲压级进模将镍基材冲压加工成带有翻边的电极网片；
(2)电极网片预处理：电极网片进行除油、喷砂、水洗、烘干处理；
(3)阴极涂层电极的涂液配制：采用三氯化钌、三氯化铈、氯铂酸、正丁醇、松油醇和水为原料，配制阴极涂液，所述阴极涂液包括第一层阴极涂液、第二层阴极涂液、第三层阴极涂液和第四层阴极涂液，各层阴极涂液的配比如下：
第一层阴极涂液为由三氯化钌和水配置的钌涂液，所述钌涂液中钌和水的摩尔比为10：(50～100)；
第二层阴极涂液为由三氯化钌、三氯化铈和水配置的钌铈涂液，所述钌铈涂液中钌、铈和水的摩尔比为10：(1～2)：(50～100)；
第三层阴极涂液为由三氯化钌、氯铂酸和水配置的钌铂涂液，所述钌铂涂液中钌、铂和水的摩尔比为10：(1～2)：(50～100)；
第四层阴极涂液为由三氯化钌和水配置的钌涂液，所述钌涂液中钌和水的摩尔比为10：(50～100)；
(4)阳极涂层电极的涂液配制：采用三氯化铁、氯铂酸、正丁醇、松油醇和水为原料，配制阳极涂液，所述阳极涂液包括第一层阳极涂液和第二层阳极涂液，各层阳极涂液的配比如下：
第一层阳极涂液为由三氯化铁和水配置的铁涂液，所述铁涂液中铁和水的摩尔比为5：(50～100)；
第二层阳极涂液为由氯铂酸、正丁醇和松油醇配置的铂涂液，所述铂涂液中铂、正丁醇和松油醇的摩尔比为(1～2)：50：50；
(5)涂覆与氧化烧结：包括阴极涂层电极的涂覆与氧化烧结，以及阳极涂层电极的涂覆与氧化烧结，具体如下：
阴极涂层电极的涂覆与氧化烧结：经过预处理的电极网片，依次分别涂覆作为第一层阴极涂液的钌涂液、作为第二层阴极涂液的钌铈涂液、作为第三层阴极涂液的钌铂涂液各三遍后再涂覆一遍作为第四层阴极涂液的钌涂液，每涂覆一遍后经过由室温升至460～500℃后保温5～15min，再冷却至室温后涂覆下一遍，最后一遍涂覆后450～550℃烧结10～60min；
阳极涂层电极的涂覆与氧化烧结：采用作为第一层阳极涂液的铁涂液，将经过预处理的电极网片分次浸入铁涂液10-40min后取出，经过由室温升至450～470℃后保温5～15min，再冷却至室温后涂覆作为第二层阳极涂液的铂涂液五遍，每涂覆一遍后由室温升至480～550℃后保温5～15min，最后一遍涂覆后450～550℃烧结10～60min。
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