CN111041510A - 一种pem电解槽复合极板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PEM电解槽复合极板，采用石墨板作为阴极板和阳极板，在阴极板和阳极板之间设置金属薄片来提高复合极板的强度和阻气性，且密封性好，安全性高。通过三个方面提高复合极板的密封性：采用插嵌的方式完成金属薄片的固定并使其具有多方向的阻气能力；在双极板上设置凹槽来填充树脂导电胶，通过胶粘进一步提高金属薄片与双极板结合的牢固性，且降低气体对金属板的冲击力，提高内部稳定性；用密封圈将金属薄片包围使其包裹于双极板内部，确保密封性的同时避免了外部环境对金属薄片的影响，延长使用寿命。此外，石墨板和金属薄片的成本相对低，有效降低整个PEM电解槽的成本。

Description

一种PEM电解槽复合极板
技术领域
本发明属于水电解技术领域，具体涉及一种PEM电解槽复合极板。
背景技术
氢气以其高效、清洁、可储存运输等优点，被视为最理想的能源载体。作为目前制备纯氢最为简便高效的方法，质子交换膜 ( proton exchange membrane，PEM) 水电解技术受到越来越多的关注。PEM水电解装置由于其高能效、高产气纯度以及小型、轻量而具有广阔的应用前景，PEM水电解装置的关键技术是电解槽，它的性能参数直接影响水电解制氢的效果。电解槽主要由阴极板、阳极板、膜电极、阴极集电器和阳极集电器等构成，其中极板用于支撑集电器与膜电极、传递电子及提供物质流通的通道，是PEM电解槽的关键部件。
目前国外较为成熟的PEM电解槽的极板一般采用金属（钛材）材料加工而成，由于钛极板加工工艺的复杂性和特殊性，所以极板成本极高，占到了电解槽总成本的40%—50%，相比其他的水电解技术，PEM金属电解槽在经济性方面没有太大的优势。国内尽管已开展了多年的电解槽极板研究，但目前基础技术还是很薄弱，技术较为成熟的大多还是以石墨型极板的电解槽为主，这类电解槽的极板以石墨材质为主，通过压铸成型、雕刻、浸胶等工艺制备，但因为石墨本身特性（板体存在致密的微孔结构）和加工工艺的特殊性（浸胶处理步骤）所致，石墨板在长期耐压工作下存在气体穿透板体的风险，再加上石墨质脆易断，其使用寿命和安全性存在隐患。
复合双极板可以改善上述状况，主要分为两种，一种是复合材料型双极板，以石墨为主要材料，与树脂混合后制板，树脂在增强石墨板力学强度的同时也提高了其阻气性，但是这种双极板制作工艺复杂，耗时久且成本偏高。另一种是多层复合型双极板，以薄金属为分隔板，石墨板为流场板，将金属与石墨板用导电胶黏合制成，薄金属提高了双极板的强度和阻气性，且与复合材料型双极板相比，制作简单、成本低、导电性好，但是仅简单地将金属板与石墨板黏合难以保证双极板的密封性，一方面，当气体在石墨板内部扩散，其路径并无规律，虽然在厚度方向可以通过金属板阻挡气体，但气体有通过其他方向泄漏的可能性；另一方面，气体穿透石墨板时对导电胶和金属板的冲击力大，可能会使导电胶脱离，破坏石墨板与金属板的结合。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种PEM电解槽复合极板，能有效阻隔气体，密封性好，避免气体的泄漏以及阴阳极气体的混合，使用寿命和安全性得到明显提升，且强度高，成本低。
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种PEM电解槽复合极板，包括阴极板、阳极板以及设于所述阴极板和阳极板之间的阻隔件，所述阴极板远离阻隔件的一侧设有氢气流体通道，所述阳极板远离阻隔件的一侧设有氧气流体通道，所述阻隔件的面积至少能覆盖整个氢气流体通道区域和整个氧气流体通道区域；所述阴极板和阳极板设有供阻隔件嵌入的卡槽，阴极板与阻隔件贴合的一侧以及阳极板与阻隔件贴合的一侧开设有若干凹槽。
优选的，所述阻隔件端侧设有接合部与所述阴极板和阳极板设置的卡槽匹配，将所述阻隔件固定于阴极板和阳极板之间。
优选的，所述凹槽填充有树脂导电胶。
优选的，所述凹槽开设方向与流体通道方向一致，截面形状为弧形、三角形或者不规则多边形。
优选的，所述阴极板和阳极板之间还设有将所述阻隔件密封的密封圈。
优选的，所述阴极板和阳极板为石墨板，所述阻隔件为金属薄片。
优选的，所述石墨板的厚度为1～4mm，开设的凹槽深度为所述石墨板厚度的5～15%。
优选的，所述金属薄片材质为钛、铜、铝或不锈钢，厚度为0.1～1.0mm。
本发明PEM电解槽复合极板的结构以“石墨板+金属薄片+石墨板”的组合形式存在，石墨板开设通道供气体流通，金属薄片主要起阻隔气体穿透的作用，因为金属薄片的存在，即使一侧石墨流场内产生的气体穿透了板体，在金属薄片的阻隔下，气体也难以进入到另一侧的石墨流场内，这样有效防止了阴阳极气体的混合，在使用寿命和安全性方面得到了有效提升，且金属薄片可以有效增加极板的强度。为克服现有多层复合型双极板的不足（背景技术有详述），本发明从以下三个方面来提高双极板的密封性：①采用插嵌的方式完成金属薄片的固定并提高其阻气能力，具体的，在金属薄片两端设置接合部用来对应嵌入阴极板和阳极板设置的卡槽，结合部的作用不仅是完成金属薄片的固定，更重要的是可以阻挡向其他方向（除厚度方向外）扩散的气体，提高金属薄片多方向的阻气性；②在双极板上设置凹槽，并在凹槽内填充树脂导电胶，在上述插嵌的基础上通过胶粘方式进一步提高金属薄片与双极板结合的牢固性，此外，树脂导电胶也具备一定的阻气能力，且凹槽限定了树脂导电胶的形状，气体扩散至树脂导电胶周围会难以透过并会因其不平的表面形状使作用力得到分解，力度下降，从而大大降低气体对金属板的冲击力，提高了稳定性；③采用石墨板包裹金属薄片的方式进一步确保密封性，金属薄片的面积至少能覆盖整个氢气流体通道区域和整个氧气流体通道区域但小于阴极板和阳极板的面积，四周未覆盖的区域用来设置密封圈将金属薄片四周包围并密封，避免外部环境对其造成影响，延长使用寿命。
本发明的有益效果如下：
本发明采用石墨板作为阴极板和阳极板，在阴极板和阳极板之间设置金属薄片，与普通的石墨极板相比，有效提高复合极板的强度和阻气性，并且密封性好，安全性高。通过三个方面提高复合极板的密封性：采用插嵌的方式完成金属薄片的固定并使其具有多方向的阻气能力；在双极板上设置凹槽来填充树脂导电胶，通过胶粘进一步提高金属薄片与双极板结合的牢固性，并且利用导电胶的阻气性降低气体对金属板的冲击力，提高内部稳定性；用密封圈将金属薄片包围使其包裹于双极板内部，确保密封性的同时避免了外部环境对金属薄片的影响，延长使用寿命。
此外，与具有阻气功能的金属极板和复合材料型双极板相比，石墨板和金属薄片的成本相对低，价格仅为金属极板的10%～20%，制作工艺较复合材料型双极板更加简单，有效降低整个PEM电解槽的成本，在经济性方面有了较大的提升。
附图说明
图1：PEM电解槽复合极板的整体结构示意图。
图2：图1的俯视剖面图。
图3：阴极板凹槽开设面示意图。
图中：1-阴极板，2-阳极板，3-阻隔件，4-密封圈，11-氢气流体通道，12-凹槽，21-氧气流体通道，22-凹槽，31-接合部。
具体实施方式
以下结合具体附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
一种PEM电解槽复合极板，如图1～3所示，包括阴极板1、阳极板2以及设于所述阴极板1和阳极板2之间的阻隔件3，所述阴极板1远离阻隔件3的一侧设有氢气流体通道11，所述阳极板2远离阻隔件3的一侧设有氧气流体通道21，所述阻隔件11的面积至少能覆盖整个氢气流体通道11区域和整个氧气流体通道21区域；所述阴极板1和阳极板2设有供阻隔件3嵌入的卡槽，所述阻隔件3端侧设有接合部31与所述阴极板1和阳极板2设置的卡槽匹配，将所述阻隔件3固定于阴极板1和阳极板2之间；阴极板1与阻隔件3贴合的一侧设有凹槽12，阳极板2与阻隔件3贴合的一侧开设有凹槽22，凹槽12和凹槽22填充有树脂导电胶；阻隔件3四周未覆盖双极板的区域用于设置密封圈4将阻隔件3包裹密封。
本实施例中，阴极板1和阳极板2为石墨板，石墨板长400mm，宽300mm，厚度1.2mm，开设的流体通道区域面积为350mm×250mm；石墨板上的凹槽12和凹槽22开设方向与流体通道方向一致并与流体通道错开设置，截面形状为弧形，长度与流体通道相同，深度0.15mm；阻隔件3为薄钛片，长380mm，宽280mm，厚0.5mm，薄钛片两端（宽边）设置的接合部31插入石墨板的深度为1.0mm，薄钛片覆盖流体通道区域后四周用橡胶方形圈密封。
实施例2
与实施例1结构基本相同，区别在于石墨板厚度2mm，凹槽12和凹槽22截面形状为三角形，深度0.1mm。
实施例3
与实施例1结构基本相同，区别在于阻隔件3为不锈钢，厚度0.1mm。
对比例
为整体尺寸（长、宽、厚度）与实施例1相同的普通石墨双极板，改双极板两侧分别开设氢气流体通道和氧气流体通道，开设的流道尺寸同实施例1。
测试实施例1～3和对比例的抗压强度和透气率，具体方法参照GB/T 20042.6-2011（其中透气率在压力差0.2Mpa下测得），测试结果如下：
Figure 674160DEST_PATH_IMAGE001
由上表可知，实施例1～3抗压强度可达60Mpa以上，透气率低至10-6数量级，在强度和阻气能力上远优于普通的石墨双极板。
本具体实施方式仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制。本领域技术人员在阅读了本发明的说明书之后所做的任何改变，只要在本发明权利要求书的范围内，都将受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种PEM电解槽复合极板，其特征在于：包括阴极板、阳极板以及设于所述阴极板和阳极板之间的阻隔件，所述阴极板远离阻隔件的一侧设有氢气流体通道，所述阳极板远离阻隔件的一侧设有氧气流体通道，所述阻隔件的面积至少能覆盖整个氢气流体通道区域和整个氧气流体通道区域；所述阴极板和阳极板设有供阻隔件嵌入的卡槽，阴极板与阻隔件贴合的一侧以及阳极板与阻隔件贴合的一侧开设有若干凹槽。
2.根据权利要求1所述的PEM电解槽复合极板，其特征在于：所述阻隔件端侧设有接合部与所述阴极板和阳极板设置的卡槽匹配，将所述阻隔件固定于阴极板和阳极板之间。
3.根据权利要求1所述的PEM电解槽复合极板，其特征在于：所述凹槽填充有树脂导电胶。
4.根据权利要求1所述的PEM电解槽复合极板，其特征在于：所述凹槽开设方向与流体通道方向一致，截面形状为弧形、三角形或者不规则多边形。
5.根据权利要求1所述的PEM电解槽复合极板，其特征在于：所述阴极板和阳极板之间还设有将所述阻隔件密封的密封圈。
6.根据权利要求1所述的PEM电解槽复合极板，其特征在于：所述阴极板和阳极板为石墨板，所述阻隔件为金属薄片。
7.根据权利要求6所述的PEM电解槽复合极板，其特征在于：所述石墨板的厚度为1～4mm，开设的凹槽深度为所述石墨板厚度的5～15%。
8.根据权利要求6所述的PEM电解槽复合极板，其特征在于：所述金属薄片材质为钛、铜、铝或不锈钢，厚度为0.1～1.0mm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113981479A (zh) * 2020-07-09 2022-01-28 中国科学院大连化学物理研究所 一种具有内部气水分离功能的水电解双极板
WO2022241740A1 (zh) * 2021-05-20 2022-11-24 舍弗勒技术股份两合公司 用于pem电解装置的双极板以及pem电解装置

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