CN105951118B - 一种高差压水电解器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明提供了一种高差压水电解器，包括电解芯体，所述电解芯体包括阴极板和阳极板，所述阴极集电器和所述阴极膜电极为阴极一体化结构，所述阳极集电器和所述阳极膜电极为阳极一体化结构；所述阴极板和所述阳极板任意一个极板上设置有凹槽，当所述凹槽设置在阴极板上时，所述凹槽可嵌入对应的所述阴极一体化结构，且所述凹槽的深度为所述阴极一体化结构的厚度；当所述凹槽设置在阳极板上时，所述凹槽可嵌入对应的所述阳极一体化结构，且所述凹槽的深度为所述阳极一体化结构的厚度。上述结构，避免了常压侧与产出高压气体侧产生高压差的情况，出现固体聚合物电解质膜受力不均导致的剪切或机械损伤的问题。

Description

一种高差压水电解器

技术领域

本发明涉及水电解技术领域，尤其涉及一种高差压水电解器。

背景技术

固体聚合物电解质水电解器的功能是将纯水电解成氧气和氢气，是水电解系统的核心部件。

固体聚合物电解质水电解器单电解池通常依次由阴极板1(即阴极流场板)、阳极板2(即阳极流场板)、阴极集电器3、阴极膜电极4、阳极集电器5、阳极膜电极6、固体聚合物电解质膜7等功能部件叠加在一起，周围用上下两个密封垫8密封而构成，如图1所示。其中，阴、阳极流场板的作用是固定或支撑集电器和电极、传递电子、提供水气流通分布的通道，阴、阳集电器起着将电流均匀分布到电极上的作用，固体聚合物电解质膜7集电解质和隔膜于一身，在电解质的两侧分别是电解池的阴极和阳极。由这种材料组成的电解池是一种酸性电解池，水在阳极电解产生氧气、氢离子和电子，氧气从阳极析出，氢离子在电场作用下通过聚合物电解质到达阴极，电子则通过外电路到达阴极并与氢离子发生电化结合生成氢气，现电的导通。

固体聚合物电解质水电解器的电解质通常为Nafion膜，为一种全氟磺酸薄膜，膜内含有磺酸基团，当被水饱和后具有优良的离子导电能力。由于系统既不要酸，也不要碱，水是体系中唯一的液体，彻底排除了腐蚀性的液体，保证了系统的安全性。

全氟磺酸膜的骨架为聚四氟乙烯，故膜的强度很高，能承受很高压力，可以直接输出高压的氢气或氧气。通常，固体聚合物电解质水电解器的氢氧两侧同时输出同等压力的高压氧气和高压氢气，由于水电解器的阴阳两极都工作在高压下，系统的供水、水循环回路也都需要在高压下工作，系统流程复杂，对操作要求高。

根据固体聚合物电解质膜的特性，水电解器可以在差压下工作，该技术能够实现一侧常压补水并输出常压气体，另一侧直接输出高压气体，既可以输出高压氧气，也可以输出高压氢气，供水和水循环回路通常为常压，通过水电解器的差压工作能力实现了常压和高压的隔离，因此，高差压水电解器技术可简化固体聚合物电解质(SPE)水电解系统的流程，降低操作的复杂性，提高可靠性，是技术发展的方向。

但是现有的高差压水电解器，由于在运行过程中阴阳两侧的高差压，导致的SPE膜受力不均匀，容易出现剪切或机械损伤。

综上所述，如何解决高差压水电解器运行过程中SPE膜容易出现剪切或机械损伤的问题，已成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高差压水电解器，以避免了高差压水电解器运行过程中SPE膜出现剪切或机械损伤的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高差压水电解器，包括电解芯体，所述电解芯体包括阴极板和阳极板，靠近所述阴极板一侧设置有阴极集电器和阴极膜电极，靠近所述阳极板一侧设置有阳极集电器和阳极膜电极，所述阴极集电器和所述阳极集电器之间设置有固体聚合物电解质膜，所述阴极集电器和所述阴极膜电极为阴极一体化结构，所述阳极集电器和所述阳极膜电极为阳极一体化结构；所述阴极板和所述阳极板任意一个极板上设置有凹槽，当所述凹槽设置在阴极板上时，所述凹槽可嵌入对应的所述阴极一体化结构，且所述凹槽的深度为所述阴极一体化结构的厚度；当所述凹槽设置在阳极板上时，所述凹槽可嵌入对应的所述阳极一体化结构，且所述凹槽的深度为所述阳极一体化结构的厚度。

优选地，所述阴极板和所述阳极板的水气进出的通道均设置在各自的内部。

优选地，所述阴极板或所述阳极板与固体聚合物电解质膜之间设置有密封垫。

优选地，所述密封垫为网布增强的高强度氟橡胶复合材料结构。

优选地，所述阴极板1和所述阳极板2的密封面上还均设置有密封薄层。

优选地，所述密封薄层通过沉积或喷涂的方式形成。

优选地，所述固体聚合物电解质膜的边缘设置有增强涂层。

优选地，当所述阴极板设置有所述凹槽时，所述阳极板的对应的外围边缘设置有密封支撑；当所述阳极板设置有所述凹槽时，所述阴极板的对应的外围边缘设置有密封支撑。

优选地，当所述阴极板设置有凹槽时，所述阳极一体化结构的尺寸比所述阴极一体化结构的尺寸大；当所述阳极板设置有凹槽时，所述阴极一体化结构的尺寸比所述阳极一体化结构的尺寸大。

优选地，所述阴极一体化结构的尺寸与所述阳极一体化结构的尺寸偏差为沿周向偏差2mm。

在上述技术方案中，相比于背景技术中所介绍的内容，上述高差压水电解器中，通过阴极一体化平面结构和阳极一体化平面结构，使得阴极膜电极表面与阴极板之间和阳极膜电极与阳极板之间的密封面保持平整，以及通过设置对应深度的凹槽可嵌入阴极一体化结构或阳极一体化结构，使得嵌入凹槽侧的集电器与固体聚合物电解质膜接触的部分为一个平整的整体，进而开设有凹槽侧的极板(阴极板或阳极板)产出高压气体时，可避免了常压侧与产出高压气体侧产生高压差的情况，出现固体聚合物电解质膜受力不均导致的剪切或机械损伤的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为传统的等压水电解器的爆炸结构示意图；

图2为本发明实施例提供的高差压水电解器的爆炸结构示意图；

图3为本发明实施例提供的阴极板的俯视结构的示意图；

图4为图3的A-A的剖视结构示意图；

图5为本发明实施例提供的阳极板的俯视结构的示意图；

图6为图5的B-B的剖视结构示意图。

上图1-6中：

阴极板1、阳极板2、阴极集电器3、阴极膜电极4、阳极集电器5、阳极膜电极6、固体聚合物电解质膜7、密封垫8、阴极一体化结构9、阳极一体化结构10、增强涂层11、水气进出的通道12、密封支撑13。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种高差压水电解器，以避免了高差压水电解器运行过程中SPE膜出现剪切或机械损伤的问题。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图2-6所示，本发明实施例提供的高差压水电解器，包括电解芯体，电解芯体包括阴极板1和阳极板2，靠近阴极板1一侧设置有阴极集电器3和阴极膜电极4，靠近阳极板2一侧设置有阳极集电器5和阳极膜电极6，阴极集电器3和阳极集电器5之间设置有固体聚合物电解质膜7，阴极集电器3和阴极膜电极4为阴极一体化结构9，阳极集电器5和阳极膜电极6为阳极一体化结构10；阴极板1和阳极板2任意一个极板上设置有凹槽，当凹槽设置在阴极板1上时，凹槽可嵌入对应的阴极一体化结构9，且凹槽的深度为阴极一体化结构9的厚度；当凹槽设置在阳极板2上时，凹槽可嵌入对应的阳极一体化结构10，且凹槽的深度为阳极一体化结构10的厚度。

相比于背景技术中所介绍的内容，上述高差压水电解器中，通过阴极一体化平面结构和阳极一体化平面结构，使得阴极膜电极表面与阴极板之间和阳极膜电极与阳极板之间的密封面保持平整，以及通过设置对应深度的凹槽可嵌入阴极一体化结构或阳极一体化结构，使得嵌入凹槽侧的集电器与固体聚合物电解质膜接触的部分为一个平整的整体，进而开设有凹槽侧的极板(阴极板或阳极板)产出高压气体时，可避免了常压侧与产出高压气体侧产生高压差的情况，出现固体聚合物电解质膜受力不均导致的剪切或机械损伤的问题。

需要说明的是，当需要产出高压氢气时，凹槽设置在阴极板上；当需要产出高压氧气时，凹槽设置在阳极板上。

进一步的技术方案中，上述阴极板1和阳极板2的水气进出的通道12均设置在各自的内部。(即阴极板的内部设置有水氢气进出的通道；阳极板的内部设置有水氧气进出的通道)通过将水气进出口通道12直接埋在阴极板和阳极板的内部，从而保证密封面的平整性和完整性。当然上述水气进出的通道还可以设置在阴极板和阳极板的外部，只不过本发明实施例优选采用设置在各自的内部而已。

进一步地，上述阴极板1或阳极板2与固体聚合物电解质膜7之间设置有密封垫8。当然可以理解的是，上述密封垫还可以是本领域技术人员常用的其他布置方式，只不过本发明实施例优选采用上述单侧布置的方式，通过上述密封垫8单侧布置的方式，简化了密封结构，减少了密封面。

具体地，上述密封垫8为网布增强的高强度氟橡胶复合材料结构。当然可以理解的是，上述密封垫还可以采用本领域技术人员常用的其他结构的密封垫，只不过本发明实施例优选采用上述结构而已。

更具体地，阴极板1和阳极板2的密封面上还设置有密封薄层。通过该密封薄层既实现了高压密封，又实现了阴、阳极的电绝缘。

更具体地，该密封薄层可以通过沉积或喷涂的方式形成。由于以沉积或喷涂的方式，形成的密封薄层更加薄，当然可以理解的是还可以采用本领域技术人员常用的其他获得密封薄层的方法获得，只不过本发明实施例优选采用上述方式而已。

需要说明的是，本领域技术人员都应该理解的是为了实现电解过程，上述密封垫、密封薄层和增强涂层形成的密封层不影响内部集电器、膜电极、与极板(阴极板或阳极板)之间良好的电接触，保证正常的电解性能。

进一步地，上述固体聚合物电解质膜7的边缘设置有增强涂层11。通过设置增强涂层与密封垫相结合，实现了硬密封结构和软密封结构相结合的复合密封结构，使得电解芯体的密封效果更优。举例说明，将SPE膜边缘密封部分通过涂覆或沉积的方式获得增强涂层，如利用PTFE乳液形成增强涂层，保证密封的可靠性。

更进一步地，当上述阴极板1设置有凹槽时，阳极板2的对应的外围边缘设置有密封支撑13；当阳极板2设置有凹槽时，阴极板1的对应的外围边缘设置有密封支撑13。通过上述密封支撑结构，使得电解芯体与外界的密封效果更好。

更进一步地，当阴极板1设置有凹槽时，阳极一体化结构10的尺寸比阴极一体化结构9的尺寸大；当阳极板2设置有凹槽时，阴极一体化结构9的尺寸比阳极一体化结构10的尺寸大。通过将未嵌入凹槽的阴极一体化结构或未嵌入凹槽的阳极一体化结构的尺寸设计稍大一些，进而保证固体聚合物电解质膜的承压支撑区的平整性，从而保证高差压运行的可靠性和安全性。

具体地，上述阴极一体化结构9的尺寸与阳极一体化结构10的尺寸偏差为沿周向偏差2mm。当然可以理解的，沿周向偏差还可以是其他尺寸，只不过本发明实施例优选采用偏差2mm而已。

下面结合具体的压差环境进行举例说明：

比如，阴极板的厚度和阳极板的厚度均为7mm，流道深度2mm，水气进出口通道的直径为2mm，阴极侧和阳极侧分别有4个直径2mm的水气进出通道；阴极一体化结构和阳极一体化结构的厚度均为1.0mm；Nafion117作为固体聚合物电解质膜；阴极一体化结构和阳极一体化结构直径偏差为2mm；以上结构可在阴阳两侧为1.6MPa压差时正常工作，即可常压供水直接输出1.6MPa的高压氢气或高压氧气。

再比如，阴极板的厚度和阳极板的厚度均为7.5mm，流道深度2mm，水气进出口通道的直径为2mm，阴极侧和阳极侧分别有4个直径2mm的水气进出通道；阴极一体化结构和阳极一体化结构的厚度均为1.5mm；Nafion117作为固体聚合物电解质膜；阴极一体化结构和阳极一体化结构直径偏差为2mm；以上结构可在阴阳两侧为3.2MPa压差时正常工作，即可常压供水直接输出3.2MPa的高压氢气或高压氧气。

再比如，阴极板的厚度和阳极板的厚度均为8mm，流道深度2mm，水气进出口通道的直径为2mm，阴极侧和阳极侧分别有4个直径2mm的水气进出通道；阴极一体化结构和阳极一体化结构的厚度均为2mm；Nafion117作为固体聚合物电解质膜；以上结构可在阴阳两侧为5.0MPa压差时正常工作，即可常压供水直接输出5.0MPa的高压氢气或高压氧气。

以上对本发明所提供的高差压水电解器进行了详细介绍。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高差压水电解器，包括电解芯体，所述电解芯体包括阴极板(1)和阳极板(2)，靠近所述阴极板(1)一侧设置有阴极集电器(3)和阴极膜电极(4)，靠近所述阳极板(2)一侧设置有阳极集电器(5)和阳极膜电极(6)，所述阴极集电器(3)和所述阳极集电器(5)之间设置有固体聚合物电解质膜(7)，其特征在于，所述阴极集电器(3)和所述阴极膜电极(4)为阴极一体化结构(9)，所述阳极集电器(5)和所述阳极膜电极(6)为阳极一体化结构(10)；

所述阴极板(1)和所述阳极板(2)任意一个极板上设置有凹槽，当所述凹槽设置在阴极板(1)上时，所述凹槽可嵌入对应的所述阴极一体化结构(9)，且所述凹槽的深度为所述阴极一体化结构(9)的厚度；当所述凹槽设置在阳极板(2)上时，所述凹槽可嵌入对应的所述阳极一体化结构(10)，且所述凹槽的深度为所述阳极一体化结构(10)的厚度；

当所述阴极板(1)设置有凹槽时，所述阳极一体化结构(10)的尺寸比所述阴极一体化结构(9)的尺寸大；当所述阳极板(2)设置有凹槽时，所述阴极一体化结构(9)的尺寸比所述阳极一体化结构(10)的尺寸大。

2.如权利要求1所述的高差压水电解器，其特征在于，所述阴极板(1)和所述阳极板(2)的水气进出的通道(12)均设置在各自的内部。

3.如权利要求1所述的高差压水电解器，其特征在于，所述阴极板(1)或所述阳极板(2)与固体聚合物电解质膜(7)之间设置有密封垫(8)。

4.如权利要求3所述的高差压水电解器，其特征在于，所述密封垫(8)为网布增强的高强度氟橡胶复合材料结构。

5.如权利要求4所 述的高差压水电解器，其特征在于，所述阴极板(1)和所述阳极板(2)的密封面上还均设置有密封薄层。

6.如权利要求5所 述的高差压水电解器，其特征在于，所述密封薄层通过沉积或喷涂的方式形成。

7.如权利要求6所述的高差压水电解器，其特征在于，所述固体聚合物电解质膜(7)的边缘设置有增强涂层(11)。

8.如权利要求1所述的高差压水电解器，其特征在于，当所述阴极板(1)设置有所述凹槽时，所述阳极板(2)的对应的外围边缘设置有密封支撑(13)；当所述阳极板(2)设置有所述凹槽时，所述阴极板(1)的对应的外围边缘设置有密封支撑(13)。

9.如权利要求1所述的高差压水电解器，其特征在于，所述阴极一体化结构(9)的尺寸与所述阳极一体化结构(10)的尺寸偏差为沿周向偏差2mm。