CN114592200B - 一种适用于电解质膜电解水蒸气的金属电极板 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种适用于电解质膜电解水蒸气的金属电极板，包括金属板和接线柱，接线柱固定在金属板上；金属板上开设有一个或多个通孔以形成流体域，通孔所形成的流体域面积不小于金属板面积的54％，当开设多个通孔时，多个通孔均匀设置在金属板上或围绕金属板的中心点呈放射分布。该金属板为电解反应提供必要的反应电势及机械性能，所述通孔为水(水蒸气)到达催化层表面提供传输通道，并促进电解质膜与水(水蒸气)之间的传热传质。本发明提供的金属电极板提供的电流密度分布、反应电势及机械性能较好，同时增强了水(水蒸气)传输面积以提升电化学反应速率，使得膜电极内部温度、湿度分布更加均匀稳定。

Description

一种适用于电解质膜电解水蒸气的金属电极板

技术领域

本发明属于电解水蒸气领域，特别涉及一种适用于电解质膜电解水蒸气的金属电极板。

背景技术

固体电解质膜电解水蒸气用于空气除湿可实现便携、快捷、智能的湿度控制，并具有清洁产氢的潜力，极具发展前景。而目前电解水蒸气过程中效率较低，是制约电解质膜除湿商业化及产业化发展的关键。

金属电极板具导电性，为电解反应提供电势，还可用于密封及提高膜电极的机械性能。电极板平面结构不仅可引导电流密度分布，还为反应物(水蒸气)到达催化层表面发生反应提供了传输通道，从而成为电解池性能和能效的关键决定因素。

近年来，各种电极板结构被开发用于电解池相关系统，现有电解池中阳极金属电极板平面结构一般为板状、孔洞状、网状等。中国发明专利“电解池及电解池用电极板(CN111032919A)”公布的一种电解池，包括多个具有大致圆形的电极部的电极板、和支承该电极板的多个电极板支承体，该发明的电解池及用于其的电解池用电极板，可使氢气排出顺畅，因此，能够提高电极的性价比。中国实用新型专利“一种电解槽用电极板(CN201990737U)”公布了一种含有若干通孔的电极板结构应用于电解槽，该电极结构与平板式电极相比，极板表面无通孔，所生成的阳离子和阴离子只能通过极板两侧进入到阳极槽或阴极槽的，使得交换能力有所减弱和消耗。中国实用新型专利“用于电解槽的电极板CN211771597U”公布了一种网状结构的电极板结构用于电解槽，增大了电解反应速率，提高了电流密度。但这些结构流体域面积不充足，反应物(水蒸气)难以和膜电极充分接触，且内部电势分布不均，易出现热点、干点等问题。因此，通过优化电极板平面结构，设计更高效的金属电极板框架结构，改善膜电极内部电势分布的均匀性及传热传质性能，对提升现有固体电解质电解水蒸气技术性能、促进其商业化发展具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术方案的不足，提供一种适用于电解质膜电解水蒸气的金属电极板，该金属电极板结构具有良好的机械性能，增大了电势分布的均匀性及反应物与膜电极的接触面积，提高电解池运行能效。

本发明提供的一种适用于电解质膜电解水蒸气的金属电极板，可为膜电极表面电解反应提供均匀的电流密度分布，及充分的反应物传输通道，包括金属板和接线柱，接线柱固定在金属板上；金属板上开设有一个或多个通孔以形成流体域，通孔所形成的流体域面积不小于金属板面积的54％，当开设多个通孔时，多个通孔均匀设置在金属板上或围绕金属板的中心点呈放射分布。

进一步地，金属电极板的材料为钛、钛合金和镍中任一种。具有良好的耐腐蚀性能及导电性。

进一步地，通孔所形成的流体域面积不小于9×10^-4m²。

进一步地，当开设一个通孔时，通孔的轮廓形状为多边形。

进一步地，当开设一个通孔时，通孔设置在金属板的中心处。

进一步地，当开设的通孔为4个时，4个通孔在金属板上呈X字型排布。

进一步地，当开设的通孔超过4个时，通孔在金属板上呈米字型排布。

进一步地，金属电极板可通过激光切割，3D打印等技术进行加工制造。

进一步地，所述金属电极板应用于电解质膜电解水蒸气膜组件结构，其电化学除湿速率为：

式中，为电解质膜除湿系统除湿速率，/>为空气质量流量，ω为空气中的含湿量，下标p代表阳极侧，out和in分别代表出口和入口。

与现有技术相比，本发明至少能够实现以下有益效果：

本发明的创新之处在于金属电极板平面设计可以对多孔电极层起到支撑作用，降低对质子交换膜的力学性能要求；进一步地更好地提供了电化学反应所需要的均匀电势，降低了多孔电极层所带来的电压降，同时电解质电解水蒸气膜组件内部电场分布的均匀性也得到了改善。此外，金属电极板作为中间介质，为反应物(水蒸气)到达催化剂层界面提供了更大的流通面积，增大了反应物与催化剂层的接触面积，改善了电解质电解水蒸气膜组件内部温湿度分布的均匀性，提高了系统性能及能效。

附图说明

图1为电解质膜除湿组件结构示意图。

图2和图3为本发明实施例2提供的金属电极板俯视图。

图4和图5为本发明实施例3提供的金属电极板俯视图。

图6-图10为本发明实施例4提供的金属电极板俯视图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

电解质膜电解水蒸气膜组件结构包括质子交换膜5和整流电源，质子交换膜5两侧分别依次设置有空气流道1、金属电极板2、气体扩散层3、催化剂层4，其中一侧为阳极侧另一侧为阴极侧，位于阴极侧的空气流道1、金属电极板2、气体扩散层3、催化剂层4分别定义为阴极侧空气流道、阴极侧金属电极板、阴极气体扩散层和阴极催化剂层，位于阳极侧的空气流道1、金属电极板2、气体扩散层3、催化剂层4分别定义为阳极空气流道、阳极侧金属电极板、阳极气体扩散层、阳极催化剂层，如图1所示。

气体扩散层的材料可选择碳纸、碳布、碳纤维毡等，为催化剂层输送相应的反应所需要的反应物(水蒸气)，影响电解质膜除湿过程中的传质、传热以及欧姆电阻，从而间接的影响系统的除湿性能。阳极侧催化剂层的材料为IrO₂等析氧反应催化剂，在该层阳极侧的水分子被电解生成氢质子和氧气。所述质子交换膜为具备选择性交换阳离子及阴离子能力的高性能电解质膜，包括双极膜或两性膜，如杜邦公司生产的Nafion膜，为质子传递提供传输通道。所述阴极侧催化剂层的材料为Pt/C等析氢反应催化剂，在该层氢质子与氧气结合生成水。电解水蒸气池阳极侧金属电极板和阴极侧金属电极板对多孔电极层起支撑作用，同时为反应物(水蒸气)到达催化剂层界面提供传输通道。此外，两极的金属电极板为本发明提供的金属电极板结构，板内嵌有接线柱用于连接整流电源，用以提供电化学反应所需的电势。阳极空气流道和阴极空气流道均设置有空气进出口，且流道内设有温湿度传感器和微孔流量计；实验测试中空气流量，温湿度及除湿过程中电流值均由计算机采集。

用上述含有本发明提供的新型金属电极板结构的电解质膜电解水蒸气膜组件结构进行电化学除湿实验进一步理解本发明，所述系统在如下条件下运行操作：操作电压为3V；阳极侧空气入口相对湿度为90％RH的湿空气；阴极侧空气入口相对湿度为70％RH的湿空气；操作温度为22℃。

下面结合实施例对本发明提供的新型金属电极板结构应用于电解质膜电解水蒸气膜组件结构的实验结果进行展示，本发明的保护范围不受以下实施例的限制，所述流体域面积即金属电极板孔道面积，所述电化学除湿速率计算如下：

式中为电解质膜电解水蒸气膜组件结构除湿速率，/>为空气质量流量，ω为空气中的含湿量，下标p代表阳极侧，out和in分别代表出口和入口。

电流密度的均匀性u，即电流密度最大值Imax与最小值Imin的差值与电流密度最大值的比值，计算如下，电流密度的均匀性u的值越小，组件内部电势分布的均匀性越好。

实施例1

本发明提供的一种适用于电解质膜电解水蒸气的金属电极板，金属板为电解反应提供必要的反应电势及机械性能，所述通孔为水(水蒸气)到达催化层表面提供传输通道，并促进电解质膜与水(水蒸气)之间的传热传质，金属电极板包括金属板10和接线柱20，接线柱20固定在金属板10上；金属板10上开设有一个或多个通孔30以形成流体域，通孔30所形成的流体域面积为金属板面积的54％，当开设多个通孔时，多个通孔均匀设置在金属板上或围绕金属板的中心点呈放射分布。金属板对形成流体域的通孔起着支撑作用同时提供电化学反应所需的电势，流体域(通孔)为反应物(水蒸气)到达催化剂层界面提供传输通道，接线柱则用来连接整流电源。该金属电极板可为膜电极表面电解反应提供均匀的电流密度分布，及充分的反应物传输通道。

实施例2

为了优化系统性能，提出了图2和图3的新型金属电极板结构，在金属电极板中心开设一个通孔，增大金属电极板的流体域面积。在电极板中心以图2所示新型电极板结构为例，金属电极板中心开设了一个正方形的通孔，图3中的金属电极板上所开设的通孔呈多边形。与原始金属电极板结构相比，新型金属电极板结构使得流体域面积提高了1～2.5倍，使得反应物(水蒸气)到达催化剂层界面的空气传输面积增大，改善了膜电极的传热传质，提高了系统性能，同时改善了固体电解质电解水蒸气膜组件内部温湿度分布的均匀性。结果如下：

由表1可知，系统的除湿性能随金属电极板流体域面积的增大先增大后降低，当流体域面积达到一定值即流体域面积为9×10^-4m²时，系统的除湿性能最优，即在该结构下流体域面积为金属电极板总面积的54％时，系统的除湿性能最优，提高了约35％。原因可能是受到该电极板结构下组件内部电势分布不均匀的影响，当流体域面积足够大时，电化学反应速率不再随流体域面积的增大而增大。

表1金属电极板电解结果汇总表

实施例3

由于新型金属电极板结构使得组件内部的电势分布不均匀，因此，进一步提出了如图4和图5所示的金属电极板结构，以金属电极板中心点放射开设多个通孔。以图5中适用于电解水蒸气系统的金属电极板2为例，由于金属电极板内部中心及对角位置的电流密度较低。因此，本实施例的金属电极板2保留对角位置处的金属板材，多个通孔在金属电极板2上呈“X”字型排布，改善了组件内部中心及对角位置的电势分布，提高了阳极侧水电解速率，优化了系统性能，结果如下：

由表2可知，系统的电解水蒸气性能随金属电极板流体域面积的增大而增大，当流体域面积为9.61×10^-4m²时，新型金属电极板2与现有金属电极板相比，系统的除湿性能提高了约40％。此外，由于本实施例提供的金属电极板2与实施例2所提供的结构相比，改善了组件内部的电势分布，因此相同的流体域面积下，本实施例提供的型金属电极板2与实施例1提供的金属电极板2相比，系统除湿性能更好。

表2进一步优化的金属电极板结构电解结果汇总表

实施例4

尽管实施例3提供的金属电极板2在实施例2提供的金属电极板2的基础上在一定程度上优化了组件内部的电势分布，但在金属电极板2通孔边缘处对应位置电流密度仍较高，因此，为了进一步优化组件内部的电流密度分布，增加通孔个数，如图6和图7所示的新型金属电极板结构，多个通孔均匀排布在金属板上，以及在实施例3的金属电极板的基础上开设更多通孔，提出了如图8、图9和图10所示的金属电极板2。以图|9中适用于电解水蒸气系统的金属电极板2为例，该金属电极板2在实施例3提供的金属电极板2的基础上，增加通孔个数，其中流体域面积的减少可忽略不计。进一步优化了金属金属板2上通孔的排布设计，提出了“米”字型金属导电板结构，改善了组件内部的电流密度分布，使得组件内部电流密度峰值降低，从而令电流密度的均匀性u提高，优化了系统性能，提高了系统能效，结果如下：

由表3可知，系统的除湿性能随金属电极板结构流体域面积的增大而增大，当流体域面积为9.61×10^-4m²时，新型金属电极板2与原金属电极板相比，系统的除湿性能提高了约45.5％。此外，由于新型金属电极板2通过优化电极板基底层结构的排布进一步改善了组件内部的电势分布，因此，相同的流体域面积下，本实施例提供的金属电极板2相对于实施例2提供的金属电极板2、实施例3提供的金属电极板2，系统的除湿性能又有了进一步的提高。

表3本实施例提供的金属电极板电解结果汇总表

此外，由表4相同的流体域面积下，不同的金属电极板结构系统除湿过程中组件内部电流密度及其分布均匀性比较可以看出，由实施例2提供的到实施例4提供的金属电极板2，系统除湿过程中电流密度的峰值逐渐降低且组件内部电流密度分布的均匀性逐渐提高。原因是由实施例2到实施例4提供的金属电极板2，在流体域面积基本保持不变时，通过优化金属电极板结构，改善了组件内部的电势分布。

表4不同的金属电极板结构除湿过程中的电流密度及其分布均匀性比较

本发明首先提出了如图2和图3的新型金属电极板结构，通过优化金属电极板结构的流体域面积使得反应物(水蒸气)到达催化剂层界面的空气传输面积大大增大，电化学反应速率增大，除湿过程中的热质传递增强，组件内部温湿度分布的均匀性得到改善。此外为进一步优化系统性能，针对组件内部电势分布均匀性较差的问题，在保持流体域面积不变时，通过优化金属电极板基底层的结构及其排布，有针对性地改善组件内部的电势分布，提出了如图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示的新型金属电极板结构，进一步提高了组件内部电流密度分布的均匀性及系统能效。以上结果证明本发明所提出的适用于固体电解质电解水蒸气的新型金属电极板结构，较原金属电极板结构相比，能获得了良好的除湿效果，系统除湿性能及电流密度分布的均匀性有了很大提高。

金属极板平面结构是影响固体电解质电解水蒸气技术的传热传质性能，运行效率及组件内部电流密度和温湿度分布的关键部分。金属框架为电化学反应提供电势，流体域提供电化学反应过程中的反应物。本发明实施例提供了几种不同结构的金属电极板，通过优化金属板上通孔的形状、尺寸及排列，改善了操作过程中的电流密度分布，优化了流体域的面积大小。由此，为电解反应提供更均匀的反应电势，并可使到达催化剂层界面的反应物及生成物传输顺畅，提高电解水蒸气的电化学反应速率及系统能效。能够更好地提高除湿能效，优化组件内部电流密度及温度分布的均匀性。由实施例2到实施例4提供的金属电极板2，系统的除湿性能逐渐提高，除湿过程中的电流密度峰值逐渐降低，电流密度的均匀性逐渐提高。除湿过程电流密度分布越均匀，组件内的温湿度分布也会更均匀，且在相同的除湿速率下，电流密度越低，能源利用效率越高，因此，本发明提供的新型金属电极板结构除湿组件的除湿性能及能效与原始金属电极板结构的除湿组件相比均有了很大提高。

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。

Claims (6)

1.一种适用于电解质膜电解水蒸气的金属电极板，其特征在于，包括金属板和接线柱，接线柱固定在金属板上；金属板上开设有一个或多个通孔以形成流体域，通孔所形成的流体域面积不小于金属板面积的54％，金属电极板的结构为方形；

当开设一个通孔时，通孔的轮廓形状为多边形；通孔设置在金属板的中心处；

当开设的通孔为4个时，4个通孔在金属板上呈X字型排布，通孔均匀设置在金属板上；

当开设超过4个通孔时，多个通孔均匀设置在金属板上或围绕金属板的中心点呈放射分布。

2.根据权利要求1所述的一种适用于电解质膜电解水蒸气的金属电极板，其特征在于：金属电极板的材料为钛、钛合金和镍中任一种。

3.根据权利要求1所述的一种适用于电解质膜电解水蒸气的金属电极板，其特征在于：通孔所形成的流体域面积不小于9×10^-4m²。

4.根据权利要求1所述的一种适用于电解质膜电解水蒸气的金属电极板，其特征在于：所述金属电极板采用激光切割制成。

5.根据权利要求1所述的一种适用于电解质膜电解水蒸气的金属电极板，其特征在于：所述金属电极板采用3D打印技术制成。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种适用于电解质膜电解水蒸气的金属电极板，其特征在于：所述金属电极板应用于电解质膜电解水蒸气膜组件结构，其电化学除湿速率为：

式中，为电解质膜除湿系统除湿速率，/>为空气质量流量，ω为空气中的含湿量，下标p代表阳极侧，out和in分别代表出口和入口。