CN113308706A - 制氢氧气体的水电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制氢氧气体的水电解槽，包括膜电极、正极流场结构、负极流场结构及端板，正极流场结构及负极流场结构分布于膜电极的相对两侧，端板分别设置于正极流场结构及负极流场结构背离膜电极的一侧且相互固定；正极流场结构及负极流场结构沿远离膜电极的方向均依次分布有扩散层、电解腔板、电极板及泄压结构，泄压结构包括电极板顶块及泄压板；电解腔板的中部设置有电解腔，电极板上间隔分布有多个贯穿通孔，电极板顶块具有镂空结构；电极板顶块位于泄压板内或端板内，泄压板位于端板和电极板之间，电极板、泄压结构及端板之间形成泄压储水腔。本发明有助于提高电解槽的性能及延长膜电极的使用寿命。

Description

制氢氧气体的水电解槽

技术领域

本发明涉及水电解技术领域，特别是涉及一种制氢氧气体的水电解槽。

背景技术

近年来，氢不仅在能源方面展现出越来越广阔的应用前景，同时在人体健康保健方面也得到成功应用，有文献表明吸入一定剂量的氢气对重症肺炎类疾病有一定的辅助疗效。这使得安全便捷地制取高纯氢气越来越受到重视，对制氢技术的研究越来越多。在各种制氢方式中，直接电解纯水制氢是目前获得高纯氢气最简单的方法。基于质子交换膜的电解水技术是目前几种电解水路线中效果最好的。电解纯水制取氧气和氢气所用的膜式电解槽的原理是，由两块端板通过螺栓将导电极板、电解腔和涂布有催化剂的质子膜电极等紧密的压在一起。在催化剂作用下，水在膜两侧表面分别电解析出氢气和氧气。由于一方面要保证电极和催化剂有足够的接触面积，以便导电，另一方面又要提供足够的孔隙让水能顺利均匀地分布到膜电极表面参与反应并让生成的气体能顺利导出，而现有的常用做法是在电极板朝向膜电极的一面雕刻复杂的流道，然后在电极板及膜电极之间夹一层金属材质的微细网孔结构，共同构成腔体以提供水流道和气流道以及尽可能大的电接触面积。此类电解槽通常会在上部设置一个出水口，下部设置一个进水口，在电解槽的负极侧设有一个出氢口，通过一个水泵来完成反应中水的持续供给。为了保证高的电导率，同时也为了降低成本，电极板及金属网组成的腔体不宜太厚，通常在1-3mm左右。由于前述金属网和流道复杂的孔隙形貌，微细且极长的流道在工作时会导致非常大的水流阻和气流阻，流场头尾及局部的水分散布极度不均，散热条件差异巨大，从而导致电解槽的性能下降，电解槽局部散热困难，使得系统过热失效。而且由于流道本身的特性限制了水流量，当电解槽的膜电极面积很大时，比如大于100cm²时，即使额外增加散热装置也很难有效解决膜电极界面上的局部过热。特别是当多个单元串联叠压在一起，以高电流密度(>1A/cm²)运行时，电解槽的过热问题尤其严重，同时多单元下更高的气阻造成膜电极界面处的压力极高，极有可能导致电解槽的性能及膜电极的使用寿命下降。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种制氢氧气体的水电解槽，用于解决现有技术中在电极板朝向膜电极的一面雕刻复杂的流道，然后在电极板及膜电极之间夹一层钛毡或钛网类的微细网孔结构，共同构成腔体以提供水流道和气流道以及尽可能大的电接触面积等导致的水流阻和气流阻增大，流场头尾及局部的水分散布极度不均，散热条件差异巨大，从而导致电解槽的性能下降，电解槽局部散热困难，使得系统过热失效等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种制氢氧气体的水电解槽，包括膜电极、正极流场结构、负极流场结构及端板，所述正极流场结构及负极流场结构分布于所述膜电极的相对两侧，所述端板分别设置于所述正极流场结构及负极流场结构背离所述膜电极的一侧，所述膜电极、正极流场结构、负极流场结构及端板相互固定；所述正极流场结构及负极流场结构沿远离所述膜电极的方向均依次分布有扩散层、电解腔板、电极板及泄压结构，所述泄压结构包括电极板顶块及泄压板；所述电解腔板的中部设置有贯穿其厚度的电解腔，所述电极板上间隔分布有多个贯穿通孔，所述电极板顶块具有镂空结构；所述电极板顶块位于所述泄压板内或所述端板内，所述泄压板位于所述端板和电极板之间，所述电极板、泄压结构及端板之间形成泄压储水腔。

可选地，所述正极流场结构和所述负极流场结构以所述膜电极为中心呈对称分布。

可选地，所述扩散层包括导电金属网和/或导电金属毡。

可选地，所述电极板的贯穿通孔的面积不小于1mm²，相邻的贯穿通孔的最小间距不大于50mm。

可选地，所述电极板顶块包括弹性塑料板，所述电极板包括钛板，所述泄压板包括特氟龙板，所述电解腔板包括特氟龙板。

可选地，所述电极板顶块与电极板相邻的一侧平行间隔分布有多个第一镂空槽，所述多个第一镂空槽沿纵向延伸，所述电极板顶块背离电极板的一侧平行间隔分布有多个第二镂空槽，所述多个第二镂空槽沿横向延伸；或所述电极板顶块与电极板相邻的一侧分布有相互垂直的第一镂空槽和第二镂空槽。

可选地，所述电极板顶块、泄压板及端板中的任意两个或多个为一体结构。

可选地，所述电解腔板、电极板、泄压板及端板的周向间隔分布有多个螺栓孔，以通过螺栓将所述膜电极、正极流场结构、负极流场结构及端板相固定。

可选地，所述水电解槽还包括散热水槽，所述散热水槽与所述泄压储水腔相连通。

可选地，所述膜电极、正极流场结构及负极流场结构均为多个，且正极流场结构和负极流场结构交替设置以形成多级串联。

如上所述，本发明的制氢氧气体的水电解槽，具有以下有益效果：本发明经改善的结构设计，在电极板上打孔，并增加泄压储水腔彻底改变水及气的流场方向，将平行于膜电极表面的水气流场变更为垂直于膜电极表面的流场，大大缩短了进水出气的路径，使得电解反应中水的散布更快更均匀、膜电极界面上的气压更低，同时由于泄压储水腔中的流道简单顺畅，可以和外部以很高的效率进行水交换，可以显著改善散热，有助于提高电解槽的性能及延长膜电极的使用寿命。

附图说明

图1显示为现有技术中的水电解槽在电解水过程中的气流和水流流向示意图。

图2显示为本发明实施例一提供的水电解槽于一示例中的分解结构示意图。

图3显示为图2的组装结构示意图。

图4显示为实施例一中提供的水电解槽在电解水过程中的气流和水流流向示意图。

图5显示为本发明提供的水电解槽中的电极板的于一示例中的结构示意图。

图6及图7显示为本发明实施例一提供的水电解槽于不同示例中的分解结构示意图。

图8显示为本发明实施例一提供的水电解槽于又一示例中的结构示意图。

图9及图10显示为本发明实施例二中提供的水电解槽于一示例中的结构示意图。

元件标号说明

1 膜电极

2 正极流场结构

3 负极流场结构

21,31 扩散层

211，311 导电金属网

212，312 导电金属毡

22，32 电解腔板

221，321 电解腔

23,33 电极板

231 极耳

24,34 电极板顶块

25,35 泄压板

251,351 泄压储水腔

4 端板

5 螺栓孔

6 散热水槽

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图2至图8。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容的变更下，当亦视为本发明可实施的范畴。

现有的一种常见的传统膜式电解槽的结构如图1所示，其由两块端板将导电极板和涂布有催化剂的质子膜电极紧密的压在一起，电解槽上部设置一个出水口，下部设置一个进水口，通过一个水泵来完成反应中水的持续供给，在电解槽的负极侧还设有一个出口排出氢气，电极板及膜电极之间夹有一层金属材质的微细导电网孔来提供流道，有时还在钛电极板朝向膜电极的一面雕刻复杂的流道。由于钛金属价格比较昂贵，故钛电极通常做得很薄，使得雕刻的流道通常都很浅，一般不会超过1mm深，整体流场可以认为是平行于膜电极表面(图1中的箭头方向示意了流场方向)。由于前述金属网和流道复杂的孔隙形貌，微细且极长的流道在工作时会导致非常大的水流阻和气流阻，流场头尾及局部的水分散布极度不均，散热条件差异巨大，从而导致电解槽的性能下降，电解槽局部散热困难，使得系统过热失效。本申请对此提出了一种改善对策。

具体地，如图2至图10所示，本发明提供一种制氢氧气体的水电解槽，包括膜电极1、正极流场结构2、负极流场结构3及端板4，所述正极流场结构2及负极流场结构3分布于所述膜电极1的相对两侧，所述端板4分别设置于所述正极流场结构2及负极流场结构3背离所述膜电极4的一侧，所述膜电极1、正极流场结构2、负极流场结构3及端板4相互固定；所述正极流场结构2及负极流场结构3沿远离所述膜电极1的方向均依次分布有扩散层(包括位于正极侧的扩散层21和位于负极侧的扩散层31)、电解腔板(包括位于正极侧的电解腔板22和位于负极侧的电解腔板32)、电极板(包括位于正极侧的电极板23和位于负极侧的电极板33)及泄压结构，泄压结构包括电极板顶块(包括位于正极侧的电极板顶块24和位于负极侧的电极板顶块34)及泄压板(包括位于正极侧的泄压板25和位于负极侧的泄压板35)；所述电解腔板的中部设置有贯穿其厚度的电解腔(包括正极侧的电解腔221和负极侧的电解腔321)，所述电极板上间隔分布有多个贯穿通孔，所述电极板顶块具有镂空结构，所述电极板顶块位于所述泄压板内(比如电极板顶块24收容于泄压板25的容纳腔内，电极板顶块34收容于泄压板35的容纳腔内)，或电极板顶块位于所述端板内，所述泄压板位于所述端板和电极板之间，以将端板和电极板相隔离，所述电极板顶块不仅用于形成气流和水流通道，同时为电极板提供支撑，且可以保证水在常压下能自由流动，所述电极板、泄压结构及端板之间形成泄压储水腔(正极侧的泄压储水腔251和负极侧的泄压储水腔351)，且较佳地，泄压储水腔的容积大于电解腔的容积，比如泄压储水腔的容积为电解腔的容积的5倍及以上，可在正极流场结构2的泄压储水腔251的底部设置进水口以及在其顶部设置氧气出气口，而在负极流场结构3的泄压储水腔351的顶部设置出水口和氢气排气口。

工作时，在正极流场结构2的泄压板25内注入纯净水，并在水电解槽的电极板上施加直流电压(电极板23与正极相连，电极板33与负极相连接)，此时在电解腔中，膜电极的两面分别析出氢气和氧气，析出的氢气和氧气各自迅速穿过电极板33和电极板23上的贯穿通孔进入泄压储水腔351和泄压储水腔251中，具体可以参考图4所示。由于泄压储水腔的容积远大于电解腔，且有很大的空隙，气体会在垂直膜电极表面的方向快速降至常压。相比现有技术中电解气体的平行膜电极表面排出的方式，本发明大大降低了膜电极表面的气体压力，有利于电解反应顺利稳定进行。同时，泄压储水腔内的水能够迅速透过电极板上的孔洞进入电解腔，同时对整片膜电极表面补水，这一方面加快了反应水的补充，另一方面也大大降低了水穿越高流阻电解腔时产生的压力差，使得电解反应在膜电极表面上分布地更加均匀。当泄压储水腔的容积足够大时，泄压储水腔中的水也能够迅速带走反应热，防止系统过热。本发明通过将电极板打孔，并增加泄压储水腔彻底改变水及气的流场方向，将平行于膜电极表面的水气流场变更为垂直于膜电极表面的流场，大大缩短了进水出气的路径，使得电解反应中水的散布更快更均匀、膜电极界面上的气压更低，同时由于泄压储水腔中的流道简单顺畅，可以和外部以很高的效率进行水交换，可以显著改善散热，有助于提高电解槽的性能及延长膜电极的使用寿命。

所述膜电极1通常由在质子交换膜的相对两个表面喷涂正极催化层和负极催化层而形成，不仅便于装配，而且有助于降低催化剂载量，还可以显著提高催化剂的活性表面积及化学稳定性，降低质子传导阻力。正极流场结构2固定于喷涂正极催化层的一侧，负极流场结构3固定于喷涂负极催化层的一侧，且所述正极流场结构2和所述负极流场结构3优选以所述膜电极1为中心呈对称分布。对称的概念是指正极流场结构2和负极流场结构3的组件构成、组件尺寸和连接方式都相同，这有助于降低水电解槽的组装难度及成本，提高槽内水压均匀性。

作为示例，所述扩散层21/31包括导电金属网211/311及导电金属毡212/312，比如导电金属毡位于所述导电金属网211/311和所述膜电极1之间，导电金属网上间隔分布有多个细小的网孔以作为气流通道和液体通道。所述导电金属网和导电金属毡可以为各自独立的结构，也可以固定在一起形成金属毡网。进一步的示例中，正极流场结构2的扩散层21的导电金属网211为钛网，导电金属毡212为钛毛毡，且导电金属网211和导电金属毡212均可以为多层结构，这样的设计有利于增大水气传输和扩散层21与膜电极1的接触，从而可以降低接触电阻，提高水电解性能。所述负极流场结构3的扩散层31的导电金属网311也可以采用钛网，导电金属毡312也可以钛毛毡，当然也可以采用多层碳纸结构，具体不做限制。

作为示例，所述正极流场结构2的电极板23和负极流场结构3的电极板33包括但不限于纯钛板，表面可设有涂层，这有助于降低直流电流损耗，且使电极板具有耐腐蚀、使用寿命长等优点。且电极板上设置有凸出于整个水电解槽表面的极耳(比如图5中示意出的电极板23上的极耳231)以便于连接直流电源。当然，在其他示例中，也可以仅正极流场结构2的电极板23采用钛板而负极流场结构3的电极板33采用一般的导电金属板。

作为示例，所述电极板的贯穿通孔的面积不小于1mm²，相邻的贯穿通孔的最小间距不大于50mm，以确保水流和气流能均匀通过。贯穿通孔的形状可以是圆形、多边形等任意的几何形状。本发明中，由于无需在电极板表面形成微流道，故而电极板的厚度可以进一步缩小，比如为1mm以下，不仅可以有效降低整个水电解槽的重量和体积，同时由于电极板通常需采用钛金属板，故而通过减小其厚度，可以降低装置成本。

所述电极板顶块24/34优选绝缘板。作为示例，所述电极板顶块包括但不限于弹性塑料板，或为其他软质的具有一定弹性的绝缘板，以经由端板4提供对电极板的弹性支撑。

作为示例，所述端板4包括但不限于铝合金板，以确保端板4的刚度及强度，并且减轻整个水电解槽的重量。

作为示例，所述泄压板25/35包括但不限于特氟龙板，但优选特氟龙板，以确保其具有较好的密封性能，同时有助于提高水电解槽的性能和使用寿命。

作为示例，所述电解腔板22/32包括但不限于特氟龙板、硅胶板和塑胶板中的任意一种或几种。电解腔板的厚度通常比较小，比如为1～5mm厚，故而电解腔板中间的电解腔的容积相应也比较小。

在一示例中，所述电极板顶块与电极板相邻的一侧平行间隔分布有多个第一镂空槽，所述多个第一镂空槽沿纵向延伸(纵向是指气体上升方向)，所述电极板顶块背离电极板的一侧平行间隔分布有多个第二镂空槽，所述多个第二镂空槽沿横向延伸，也即第一镂空槽和第二镂空槽的长度延伸方向相互垂直，通过这样的设计，可以使气流及水流沿水平方向自电解腔中进入泄压储水腔后沿竖直方向向上排出。当然，在其他示例中，电极板顶块的镂空结构还可以有其他设置，比如相互垂直的第一镂空槽和第二镂空槽分布于电极板顶块的同一表面，比如所述电极板顶块与电极板相邻的一侧分布有相互垂直的第一镂空槽和第二镂空槽，或同时分布于电极板顶块的两个相对的表面，形成沟壑状镂空槽，具体可以参考图6和7。

所述电极板顶块、泄压板及端板可以为各自独立的结构，经组装后固定在一起，比如电极板顶块位于泄压板内而泄压板固定于端板表面，具体可以参考图2中所示，当电极板位于泄压板内时，泄压板内相应设置有容纳电极板顶块的容纳腔。在另一示例中，如图6中所示，所述电极板顶块和所述泄压板为一体结构，共同位于端板表面。在又一示例中，如图7所示，所述电极板顶块位于所述端板内且电极板顶块和端板可以为一体结构(可以理解为端板内形成有沟槽)，而泄压板位于端板表面，以确保将端板和电极板隔离。在图7的示例中，泄压板的结构可以为表面分布有多个泄压孔的板状结构，泄压孔构成流体通道以使气液流体能进入电极块顶板的镂空结构中。当然，在其他示例中，也可以是泄压板和端板为一体结构，即所述电极板顶块、泄压板及端板中的任意两个或多个可以为一体结构，可以减少装配工作量。

作为示例，所述电解腔板、电极板、泄压板及端板的周向间隔分布有多个螺栓孔5，以通过螺栓将所述膜电极、正极流场结构、负极流场结构及端板相固定，膜电极和扩散层则被电解腔板的周向夹持固定。所述端板的周向上还可以进一步设置定位孔，以利于装配时的精准对位。

如图8所示，在一示例中，所述水电解槽还包括散热水槽6，所述散热水槽6与所述泄压储水腔相连通，比如在正极流场结构2的泄压储水腔251的两端接上外置的散热水槽6进行补水散热，在进一步的示例中还可以设置水泵以促进水的流动，进一步增强补水散热的效果。必要时，负极流场结构的泄压储水腔351也可以同时接外置散热水槽加强散热效果。

发明人对本申请的水电解槽和图1中所示的现有技术中的水电解槽进行了对比实验。实验发现，在相同条件下，本发明的水电解槽电压会比现有技术中的电解槽的电压低5％左右，这意味着本发明的电解槽的效率相较于现有技术可以提升约5％。另外，传统的电解槽由于系统过热通常不能连续运行超过2小时，而本发明的水电解槽实现了不间断运行，同时使用寿命也可以延长一倍以上。

实施例二

如图9及图10所示，本实施例提供另一种结构的水电解槽。本实施例与实施例一的区别主要在于，实施例一中的水电解槽仅包括单个膜电极1、单个正极流场结构2和单个负极流场结构3，而本实施例中，所述膜电极1、正极流场结构2及负极流场结构3均为多个，且正极流场结构2和负极流场结构3交替设置以形成多级串联。正极流场结构2和负极流场结构的数量优选一致，两两为一组分布于膜电极的相对两侧，而其中一组的正极流场结构与相邻一组的负极流场结构相邻，正负极交替连接以确保电解反应的均衡。除数量不同之外，本实施例的水电解槽的正极流场结构和负极流场结构的具体构造与实施例一基本相同，并且同样可以设置与泄压储水腔相连通的散热水槽，具体请参考实施例一中的描述，出于简洁的目的不赘述。由于前述改进的结构设计，使得本实施例中将多个正极流场结构和负极流场结构串联以提升电解槽产气量时，本发明也能很好地保证良好的系统散热及极低的膜界面气压，从而提升电解槽电效率及寿命。

综上所述，本发明提供一种制氢氧气体的水电解槽，包括膜电极、正极流场结构、负极流场结构及端板，所述正极流场结构及负极流场结构分布于所述膜电极的相对两侧，所述端板分别设置于所述正极流场结构及负极流场结构背离所述膜电极的一侧，所述膜电极、正极流场结构、负极流场结构及端板相互固定；所述正极流场结构及负极流场结构沿远离所述膜电极的方向均依次分布有扩散层、电解腔板、电极板泄压结构，所述泄压结构包括电极板顶块及泄压板；所述电解腔板的中部设置有贯穿其厚度的电解腔，所述电极板上间隔分布有多个贯穿通孔，所述电极板顶块具有镂空结构；所述电极板顶块位于所述泄压板内或所述端板内，所述泄压板位于所述端板和电极板之间，所述电极板、泄压结构及端板之间形成泄压储水腔。本发明通过将电极板打孔，并增加泄压储水腔彻底改变水及气的流场方向，将平行于膜电极表面的水气流场变更为垂直于膜电极表面的流场，大大缩短了进水出气的路径，使得电解反应中水的散布更快更均匀、膜电极界面上的气压更低，同时由于泄压储水腔中的流道简单顺畅，可以和外部以很高的效率进行水交换，可以显著改善散热，有助于提高电解槽的性能及延长膜电极的使用寿命。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种制氢氧气体的水电解槽，其特征在于，包括：膜电极、正极流场结构、负极流场结构及端板，所述正极流场结构及负极流场结构分布于所述膜电极的相对两侧，所述端板分别设置于所述正极流场结构及负极流场结构背离所述膜电极的一侧，所述膜电极、正极流场结构、负极流场结构及端板相互固定；所述正极流场结构及负极流场结构沿远离所述膜电极的方向均依次分布有扩散层、电解腔板、电极板及泄压结构，所述泄压结构包括电极板顶块及泄压板；所述电解腔板的中部设置有贯穿其厚度的电解腔，所述电极板上间隔分布有多个贯穿通孔，所述电极板顶块具有镂空结构；所述电极板顶块位于所述泄压板内或所述端板内，所述泄压板位于所述端板和电极板之间，所述电极板、泄压结构及端板之间形成泄压储水腔。

2.根据权利要求1所述的水电解槽，其特征在于，所述正极流场结构和所述负极流场结构以所述膜电极为中心呈对称分布。

3.根据权利要求1所述的水电解槽，其特征在于，所述扩散层包括导电金属网和/或导电金属毡。

4.根据权利要求1所述的水电解槽，其特征在于，所述电极板的贯穿通孔的面积不小于1mm²，相邻的贯穿通孔的最小间距不大于50mm。

5.根据权利要求1所述的水电解槽，其特征在于，所述电极板顶块包括弹性塑料板，所述电极板包括钛板，所述泄压板包括特氟龙板，所述电解腔板包括特氟龙板。

6.根据权利要求1所述的水电解槽，其特征在于，所述电极板顶块与电极板相邻的一侧平行间隔分布有多个第一镂空槽，所述多个第一镂空槽沿纵向延伸，所述电极板顶块背离电极板的一侧平行间隔分布有多个第二镂空槽，所述多个第二镂空槽沿横向延伸；或所述电极板顶块与电极板相邻的一侧分布有相互垂直的第一镂空槽和第二镂空槽。

7.根据权利要求1所述的水电解槽，其特征在于，所述电极板顶块、泄压板及端板中的任意两个或多个为一体结构。

8.根据权利要求1所述的水电解槽，其特征在于，所述电解腔板、电极板、泄压板及端板的周向间隔分布有多个螺栓孔，以通过螺栓将所述膜电极、正极流场结构、负极流场结构及端板相固定。

9.根据权利要求1所述的水电解槽，其特征在于，所述水电解槽还包括散热水槽，所述散热水槽与所述泄压储水腔相连通。

10.根据权利要求1-9所述的水电解槽，其特征在于，所述膜电极、正极流场结构及负极流场结构均为多个，且正极流场结构和负极流场结构交替设置以形成多级串联。

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