CN115341230A - 一种pem电解槽电解小室结构 - Google Patents

一种pem电解槽电解小室结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PEM电解槽电解小室结构，包括双极板、阳极组件、极框结构、以及阴极组件；极框结构中部形成为中空区域，且极框结构的截面尺寸与双极板匹配，且中空区域与双极板的传质区域截面尺寸匹配；双极板的边缘区域具有双极板主流道，双极板主流道用以反应物和产物的进出；极框结构具有极框主流道，极框主流道通过分支通道与双极板的传质区域连通以向传质区域内传输反应物。本发明的电解小室结构结合了常规的两种电解小室结构的特征，结合了两种常规结构的优势，在相同的电流密度下，使得电解小室电压更低。

Description

一种PEM电解槽电解小室结构
技术领域
本发明涉及电解槽技术领域，尤其涉及一种PEM电解槽电解小室结构。
背景技术
PEM电解槽是由若干个电解小室串联组成，电解槽的总电压是电解小室的电压的集合。电解小室作为发生电化学反应的场所，电解小室的结构和影响到小室内的传质过程，进而影响到小室电压，这在高电流密度的时候影响尤为显著，因此，如何设计一种合理的电解小室结构以增强传质过程，是目前电解槽高电流密度的发展趋势下尤为重要。
传统的PEM电解槽的电解小室根据双极板是否含有流道而分为有流道型电解槽和无流道型电解槽。但是，现有技术中没有能够将两种形式电解槽结合为一体的结构。
因此，基于上述技术问题，本领域的技术人员亟需研发一种新型PEM电解槽电解小室结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种结合两种电解小室结构特征、在相同电流密度下，电解小室的电压更低的PEM电解槽电解小室结构。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种PEM电解槽电解小室结构，该电解小室结构包括：
双极板，所述双极板的外圈被配置为边缘区域，所述双极板的内圈被配置为位于所述边缘区域内侧的传质区域；
阳极组件；
极框结构；以及
阴极组件；
所述极框结构中部形成为中空区域，且所述极框结构的截面尺寸与所述双极板匹配，且所述中空区域与所述双极板的传质区域截面尺寸匹配；
所述双极板的边缘区域具有双极板主流道，所述双极板主流道用以反应物和产物的进出；
极框结构具有极框主流道，所述极框主流道通过分支通道与所述双极板的传质区域连通以向所述传质区域内传输反应物。
进一步的，所述双极板的边缘区域为环形结构；
所述双极板的传质区域分为：
靠近所述边缘区域的过渡区域、以及位于所述过渡区域内侧的均匀区域；
所述均匀区域具有凸出于所述双极板表面的凸起，且相邻所述凸起之间的通道形成为流道；
所述流道与所述过渡区域连通；
所述双极板的边缘区域和所述过渡区域的厚度均为H1，且所述H1＝0.1mm～1.0mm；
所述凸起的高度为H2，且所述H2＝0.5mm～1.5mm。
进一步的，所述双极板由钛板组成，且所述双极板的表面具有涂层。
进一步的，所述阳极组件包括：
阳极三维网和阳极扩散层；
所述阳极三维网的材质为钛，所述阳极三维网的表面具有涂层；
所述阳极三维网的截面尺寸与所述双极板的传质区域匹配，所述阳极三维网的厚度为H4，且所述H4＝0.4mm～1.0mm；
所述阳极扩散层的材质为钛纤维毡，且所述阳极扩散层的表面具有涂层；
所述阳极扩散层的截面尺寸与所述双极板的传质区域匹配，所述阳极扩散层的厚度为H5，且所述H5＝0.2mm～0.5mm；
所述阳极扩散层的孔隙率为40％～70％。
进一步的，所述极框结构包括：
第一极框和第二极框；
所述第一极框和所述第二极框的材质均为工程塑料；
所述第一极框和所述第二极框的极框主流道均中心对称布置，且所述极框主流道通过所述分支通道将反应物导流至极框的中空区域内；
所述第一极框和所述第二极框的厚度均为H6，且H6＝1.5mm～2.5mm。
进一步的，所述第一极框一侧、以及第二极框一侧均设置有密封垫；
所述密封垫的截面尺寸与所述双极板的边缘区域匹配，所述密封垫的厚度为H3，且H3＝0.1mm～0.2mm。
进一步的，所述H6＝H2+H4+H5-H3。
进一步的，所述阴极组件包括：
阴极三维网和阴极扩散层；
所述阴极三维网的材质为金属网，且所述阴极三维网的厚度为H8，且H8＝0.5mm～1.5mm；
所述阴极扩散层的材质为金属毡，所述阴极扩散层的厚度为H7，且H7＝0.1mm～0.8mm，所述阴极扩散层的孔隙率为40％～70％；
H6＝H2+H7+H8-H3。
进一步的，两个极框之间具有膜电极；
所述膜电极靠近所述阳极组件一侧为膜电极阳极侧，且所述膜电极阳极侧为铱基催化剂；
所述膜电极靠近所述阴极组件一侧为膜电极阴极侧，且所述膜电极阴极侧为铂基催化剂；
所述膜电极的铱基催化剂的区域、以及铂基催化剂的区域的截面尺寸与所述双极板的传质区域匹配。
在上述技术方案中，本发明提供的一种PEM电解槽电解小室结构，具有以下有益效果：
本发明的电解小室结构结合了常规的两种电解小室结构的特征，利用极框作为反应物的导流通道，利用分支通道将反应物传输至双极板的传质区域，同时，双极板也设置有能够进出反应物和产物的双极板主流道，该电解小室结构结合了两种常规结构的优势，在相同的电流密度下，使得电解小室电压更低。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种PEM电解槽电解小室结构的结构爆炸图；
图2为本发明实施例提供的一种PEM电解槽电解小室结构的双极板的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种PEM电解槽电解小室结构的双极板的剖视图。
附图标记说明：
1、双极板；2、密封垫；
101、边缘区域；102、过渡区域；103、均匀区域；104、凸起；105、双极板主流道；
301、阳极三维网；302、阳极扩散层；
401、第一极框；402、第二极框；403、极框主流道；404、分支通道；405、中空区域；
5、膜电极；
601、阴极三维网；602、阴极扩散层。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
参见图1至图3所示；
本实施例的一种PEM电解槽电解小室结构，该电解小室结构包括：
双极板1，双极板1的外圈被配置为边缘区域101，双极板1的内圈被配置为位于边缘区域内侧的传质区域；
阳极组件；
极框结构；以及
阴极组件；
极框结构中部形成为中空区域405，且极框结构的截面尺寸与双极板1匹配，且中空区域405与双极板1的传质区域截面尺寸匹配；
双极板1的边缘区域101具有双极板主流道105，双极板主流道105用以反应物和产物的进出；
极框结构具有极框主流道403，极框主流道403通过分支通道404与双极板1的传质区域连通以向传质区域内传输反应物。
其中，本实施例的双极板1的边缘区域101为环形结构；
双极板1的传质区域分为：
靠近边缘区域101的过渡区域102、以及位于过渡区域102内侧的均匀区域103；
均匀区域103具有凸出于双极板1表面的凸起104，且相邻凸起104之间的通道形成为流道；
流道与过渡区域102连通；
双极板1的边缘区域101和过渡区域102的厚度均为H1，且H1＝0.1mm～1.0mm；
凸起104的高度为H2，且H2＝0.5mm～1.5mm。
首先，本实施例公开的电解小室结构主要包括双极板1、极框结构、阳极组件、阴极组件；其中，其中，双极板1划分出边缘区域101和传质区域，双极板1的边缘区域101开设有双极板主流道105，该双极板主流道105用于反应物和产物的进出的通道。本实施例的传质区域的均匀区域103具有多个凸起104，且相邻凸起104之间的空间为流道，而本实施例的双极板1的两侧均形成为均匀区域103。
优选的，本实施例的双极板1由钛板组成，且双极板1的表面具有涂层。双极板1表面的涂层采用耐腐蚀、耐氧化的涂层。
优选的，本实施例的阳极组件包括：
阳极三维网301和阳极扩散层302；
阳极三维网301的材质为钛，阳极三维网301的表面具有涂层；阳极三维网301表面的涂层采用耐腐蚀、耐氧化的涂层。
阳极三维网301的截面尺寸与双极板1的传质区域匹配，阳极三维网301的厚度为H4，且H4＝0.4mm～1.0mm；
阳极扩散层302的材质为钛纤维毡，且阳极扩散层302的表面具有涂层；
阳极扩散层302的截面尺寸与双极板1的传质区域匹配，阳极扩散层302的厚度为H5，且H5＝0.2mm～0.5mm；
阳极扩散层302的孔隙率为40％～70％。
优选的，本实施例的极框结构包括：
第一极框401和第二极框402；
第一极框401和第二极框402的材质均为工程塑料，本实施例的极框的材质优选由耐高温、耐氧化的工程塑料，如聚砜、聚四氟乙烯等材料制备；极框上中心对称的极框主流道403分别用以传输水和氢气，通过与极框主流道403连通的分支通道404将反应物导流至极框的中空区域4405，本实施例的分支通道404的接口与双极板1的传质区域的结构连通。
第一极框401和第二极框402的极框主流道403均中心对称布置，且极框主流道403通过分支通道404将反应物导流至极框的中空区域405内；
第一极框401和第二极框402的厚度均为H6，且H6＝1.5mm～2.5mm。
其中，第一极框401一侧、以及第二极框402一侧均设置有密封垫2；
密封垫2的截面尺寸与双极板1的边缘区域101匹配，密封垫2的厚度为H3，且H3＝0.1mm～0.2mm。
另外，本实施例的密封垫2由耐高温、耐氧化的材质组成，例如聚四氟乙烯。
优选的是：上述尺寸要求中，H6＝H2+H4+H5-H3。
优选的，本实施例的阴极组件包括：
阴极三维网601和阴极扩散层602；
阴极三维网601的材质为金属网，优选为不锈钢网，且阴极三维网601的厚度为H8，且H8＝0.5mm～1.5mm；
阴极扩散层602的材质为金属毡，即可以为碳毡、或不锈钢毡、或者其他金属毡，阴极扩散层602的厚度为H7，且H7＝0.1mm～0.8mm，阴极扩散层602的孔隙率为40％～70％；
H6＝H2+H7+H8-H3。
两个极框之间具有膜电极5；
膜电极5靠近阳极组件一侧为膜电极阳极侧，且膜电极阳极侧为铱基催化剂；
膜电极5靠近阴极组件一侧为膜电极阴极侧，且膜电极阴极侧为铂基催化剂；
膜电极5的铱基催化剂的区域、以及铂基催化剂的区域的截面尺寸与双极板的传质区域匹配。
在膜电极的垂直方向上构造了梯度的传质通道，按照距离膜电极距离逐渐增加依次为毡、网和双极板流道，也即流道越来越有序，有利于反应物水均匀分布到膜电极表面以及生成的气体的排出。与无流道结构的电解小室相比，本发明的电解小室结构更有利于反应物水均匀分布到膜电极表面；与有流道结构的电解小室相比，本发明的结构更有利于生成气体的排出，因此在相同的电流密度下电解小室电压更低。在2A/cm2的电流密度下，本发明的电解小室的电压约为1.80V，有流道结构的电解小室电压约为1.90V，而无流道的电解小室电压约为1.95V，本发明的电解小室电压分别下降了100mV和150mV。
在上述技术方案中，本发明提供的一种PEM电解槽电解小室结构，具有以下有益效果：
本发明的电解小室结构结合了常规的两种电解小室结构的特征，利用极框作为反应物的导流通道，利用分支通道404将反应物传输至双极板1的传质区域，同时，双极板1也设置有能够进出反应物和产物的双极板主流道403，该电解小室结构结合了两种常规结构的优势，在相同的电流密度下，使得电解小室电压更低。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (9)

1.一种PEM电解槽电解小室结构，其特征在于，该电解小室结构包括：
双极板(1)，所述双极板(1)的外圈被配置为边缘区域(101)，所述双极板(1)的内圈被配置为位于所述边缘区域(101)内侧的传质区域；
阳极组件；
极框结构；以及
阴极组件；
所述极框结构中部形成为中空区域(405)，且所述极框结构的截面尺寸与所述双极板(1)匹配，且所述中空区域(405)与所述双极板(1)的传质区域截面尺寸匹配；
所述双极板(1)的边缘区域(101)具有双极板主流道(105)，所述双极板主流道(105)用以反应物和产物的进出；
极框结构具有极框主流道(403)，所述极框主流道(403)通过分支通道(404)与所述双极板(1)的传质区域连通以向所述传质区域内传输反应物。
2.根据权利要求1所述的一种PEM电解槽电解小室结构，其特征在于，所述双极板(1)的边缘区域(101)为环形结构；
所述双极板(1)的传质区域分为：
靠近所述边缘区域(101)的过渡区域(102)、以及位于所述过渡区域(102)内侧的均匀区域(103)；
所述均匀区域(103)具有凸出于所述双极板(1)表面的凸起(104)，且相邻所述凸起(104)之间的通道形成为流道；
所述流道与所述过渡区域(102)连通；
所述双极板(1)的边缘区域(101)和所述过渡区域(102)的厚度均为H1，且所述H1＝0.1mm～1.0mm；
所述凸起(104)的高度为H2，且所述H2＝0.5mm～1.5mm。
3.根据权利要求2所述的一种PEM电解槽电解小室结构，其特征在于，所述双极板(1)由钛板组成，且所述双极板(1)的表面具有涂层。
4.根据权利要求2所述的一种PEM电解槽电解小室结构，其特征在于，所述阳极组件包括：
阳极三维网(301)和阳极扩散层(302)；
所述阳极三维网(301)的材质为钛，所述阳极三维网(301)的表面具有涂层；
所述阳极三维网(301)的截面尺寸与所述双极板(1)的传质区域匹配，所述阳极三维网(301)的厚度为H4，且所述H4＝0.4mm～1.0mm；
所述阳极扩散层(302)的材质为钛纤维毡，且所述阳极扩散层(302)的表面具有涂层；
所述阳极扩散层(302)的截面尺寸与所述双极板(1)的传质区域匹配，所述阳极扩散层(302)的厚度为H5，且所述H5＝0.2mm～0.5mm；
所述阳极扩散层(302)的孔隙率为40％～70％。
5.根据权利要求4所述的一种PEM电解槽电解小室结构，其特征在于，所述极框结构包括：
第一极框(401)和第二极框(402)；
所述第一极框(401)和所述第二极框(402)的材质均为工程塑料；
所述第一极框(401)和所述第二极框(402)的极框主流道(403)均中心对称布置，且所述极框主流道(403)通过所述分支通道(404)将反应物导流至极框的中空区域(405)内；
所述第一极框(401)和所述第二极框(402)的厚度均为H6，且H6＝1.5mm～2.5mm。
6.根据权利要求5所述的一种PEM电解槽电解小室结构，其特征在于，所述第一极框(401)一侧、以及第二极框(402)一侧均设置有密封垫(2)；
所述密封垫(2)的截面尺寸与所述双极板(1)的边缘区域(101)匹配，所述密封垫(2)的厚度为H3，且H3＝0.1mm～0.2mm。
7.根据权利要求6所述的一种PEM电解槽电解小室结构，其特征在于，所述H6＝H2+H4+H5-H3。
8.根据权利要求7所述的一种PEM电解槽电解小室结构，其特征在于，所述阴极组件包括：
阴极三维网(601)和阴极扩散层(602)；
所述阴极三维网(601)的材质为金属网，且所述阴极三维网(601)的厚度为H8，且H8＝0.5mm～1.5mm；
所述阴极扩散层(602)的材质为金属毡，所述阴极扩散层(602)的厚度为H7，且H7＝0.1mm～0.8mm，所述阴极扩散层(602)的孔隙率为40％～70％；
H6＝H2+H7+H8-H3。
9.根据权利要求8所述的一种PEM电解槽电解小室结构，其特征在于，两个极框之间具有膜电极(5)；
所述膜电极(5)靠近所述阳极组件一侧为膜电极阳极侧，且所述膜电极阳极侧为铱基催化剂；
所述膜电极(5)靠近所述阴极组件一侧为膜电极阴极侧，且所述膜电极阴极侧为铂基催化剂；
所述膜电极(1)的铱基催化剂的区域、以及铂基催化剂的区域的截面尺寸与所述双极板的传质区域匹配。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117626311A (zh) * 2023-11-28 2024-03-01 广东卡沃罗氢科技有限公司 一种双极板、电解小室及电解槽

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