CN115747849A - 一种pem电解水制氢单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PEM电解水制氢单元，包含膜电极、阴极密封圈、阳极密封圈、分别与阴极密封圈和阳极密封圈对应的阴极侧金属隔板和阳极侧金属隔板，电解水通过公共入口、阳极连接通道进入阳极密封腔体，并通过阳极连接通道流出公共出口，所述阳极侧金属隔板的阳极反应区内部水流流过多根流道至膜电极对应的反应区中进行反应，在阴极侧密封腔体内产生氢气，氢气自氢气出口排出。与现有技术相比，本发明在金属隔板阳极侧的圆形反应区内设置蛇形流道，匹配烧结金属毡和金属网可以提电解单元的反应效率。

Description

一种PEM电解水制氢单元

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种PEM电解水制氢单元。

背景技术

电解水制氢以水为反应物，在电解装置中施加直流电即可产生氢气和氧气，设备简单，产生氢气纯度高，可以大规模技术推广和使用。电解水主要有三种方式：碱性电解水制氢、固体氧化物电解水制氢和质子交换膜电解水制氢。其中，质子交换膜电解水制氢具有电流密度高、灵活性强、效率高、能量容量大等特点，能很好的匹配可再生能源(如风能、太阳能)，并且由于结构紧凑，可以在高达350bar的高压下运行，有利于氢气的存储和输运，可以有效降低压缩和存储带来的损耗。质子交换膜电解池(Proton ExchangeMembraneElectrolysis Cell，PEMEC)主要由膜电极、气体扩散层和双极板构成。

膜电极作为PEMEC的核心部件主要由阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层构成。阳极催化剂主要将水分解为氧气、电子和质子；质子交换膜作为固体电解质，能够有效的隔绝阴阳两极生成的气体，但质子能够以水合氢离子的形式通过；阴极催化剂促使氢离子反应生成氢气。

现有PEM电解水制氢单元存在阳极反应区通常采用简单直流道，或者直接用金属网来形成电解水的流通路径，此情况下容易是电解水在阳极腔体内流动具有随机性和不稳定性，致使反应区内各个区域域反应效率不一致，进一步的损害膜电极的使用寿命。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种PEM电解水制氢单元，通过流道的设计解决各个区域域反应效率不一致的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的目的是提供一种PEM电解水制氢单元，包含膜电极、阴极密封圈、阳极密封圈、分别与阴极密封圈和阳极密封圈对应的阴极侧金属隔板和阳极侧金属隔板，所述阴极侧金属隔板与阴极侧密封圈、膜电极形成阴极密封腔体，此腔体内填充一定压缩率的气体扩散层(通常为碳纸)，阳极侧金属隔板与阳极测密封圈、膜电极形成阳极密封腔体，此腔体内填充烧结金属板和拉伸金属网；

所述阴极侧金属隔板连接电源负极，所述阳极侧金属隔板连接电源正极，电解水通过公共入口、阳极连接通道进入阳极密封腔体，并通过阳极连接通道流出公共出口，所述阳极侧金属隔板的阳极反应区内部水流流过多根流道至膜电极对应的反应区中进行反应，在阴极侧密封腔体内产生氢气，氢气自氢气出口排出，所述流道呈折弯式设置于反应区中。

进一步地，所述阳极侧金属隔板的反应区上布设有5～15根流道，且每根流道中心线长度相同，且每根流道中心线长度相同，且整体的流道折弯排布呈镜像对称结构。

进一步地，所述阳极侧金属隔板的反应区为圆形。

进一步地，所述阳极侧金属隔板的反应区中设有多条流道脊。

进一步地，通过多条流道脊的分隔使得反应区生成多个流道沟槽。流道脊(209)与流道沟槽的组合构成折弯式的流道排布结构。

进一步地，所述流道沟槽的宽度为0.5～1mm，所述流道脊的宽度0.5～1mm，所述流道沟槽的深度为0.2～0.5mm。

进一步地，所述阳极连接通道的宽度为0.5～1mm，高度为0.3～1mm。

进一步地，所述阳极连接通道的顶部设有阳极金属盖板。

进一步地，所述阳极金属盖板的厚度为0.1～0.4mm，所述阳极金属盖板胶黏或焊接于所述阳极连接通道上。

进一步地，所述阴极侧金属隔板和阳极侧金属隔板为钛合金材料，所述阴极侧金属隔板和阳极侧金属隔板表面镀设有铂或碳化铂涂层。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

1)本技术方案通过折弯式流道的对称式设计，并进一步设计流道数量、流道的基槽宽以及深度来调整阳极腔体内电解水的流动速度和流阻，从而提高电解单元的效率和CCM的使用寿命。

2)本技术方案中的金属盖板简化了金属极板反应区与公共口之间的连接通道的加工工艺，节省了成本。

附图说明

图1为本技术方案中PEM电解水制氢单元的爆炸图；

图中：101阳极侧密封圈；102阴极侧密封圈；200阴极侧金属隔板；300膜电极；400阳极侧金属隔板；301电解水公共入口；302电解水公共出口；303、304氢气出口；阴极气体扩散层50；阳极多孔金属扩散层60；

图2为本技术方案中阳极侧金属隔板的结构示意图；

图中：201电解水入口；202电解水出口；203&204氢气出口；205密封圈固定槽；206螺栓安装孔；207电源连接端子；208阳极反应区；217阳极侧安装面；

图3为图2中I区域的放大图；

图中：209流道脊；210流道沟槽；211电解水流向；212水腔密封盖板；

图4为图2中A-A截面图；

图中：212阳极金属盖板；213阳极连接通道；

图5为阴极侧金属隔板的结构示意图；

213阴极侧密封盖板；214阴极侧密封槽；215阴极连接通道；216阴极侧反应区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

如图1所示为本技术方案中一个PEM电解水制氢单元爆炸图，包含一个膜电极300、阴极密封圈101、阳极密封圈102、金属隔板200、金属隔板400、阴极气体扩散层50、阳极多孔金属扩散层60，金属隔板材料通畅为钛合金(TA1/TA2)材料。表面镀铂或碳化铂等特殊涂层。金属隔板200阴极侧与阴极侧密封圈101以及膜电极形成阴极密封腔体；金属隔板400阳极侧与阳极测密封圈102以及膜电极形300成阳极密封腔体。

如图1的零件压装到要求压力下，将金属隔板200连接电源负极，金属隔板400连接电源正极，电源为直流电源，电压约为1.5V。将电解水通过公共入口201以及阳极连接通道213进入阳极密封腔体，通过阳极连接通道流出202公共出口。隔板阳极反应区内部水流流过10根流道与膜电极对应的反应区进行反应。在阴极侧密封腔体内产生氢气，氢气从氢气出口203和204排出。

本发明在金属隔板阳极侧的圆形反应区内设置蛇形流道，匹配烧结金属毡和金属网可以提电解单元的反应效率。

如图2所示金属隔板阳极侧反应区如图示布置10根流道，反应区为圆形，流道槽宽度为0.5～1mm，脊宽度0.5～1mm，流道深度0.2～0.5mm。图示10根流道中心线长度均等长度；阳极侧反应区208高度比阳极侧安装面217小0.2～0.3mm。

如图3和图4所示金属隔板阳极侧反应区与公共口之间布置有阳极侧连接通道213，通道宽度为0.5～1mm，通道高度0.3～1mm。本技术方案通过折弯式流道的对称式设计，并进一步设计流道数量、流道的基槽宽以及深度来调整阳极腔体内电解水的流动速度和流阻，从而提高电解单元的效率和CCM的使用寿命。

如图3和图4所示，在连接通道顶部布置有阳极金属盖板，材质钛(TA1/TA2)，厚度约为0.1～0.4mm。通过焊接或者密封胶粘接在金属隔板上确保密封。本技术方案中的金属盖板简化了金属极板反应区与公共口之间的连接通道的加工工艺，节省了成本。

如图5所示，金属隔板阴极侧反应区无流道，反应区216高度比阴极侧安装面218高度小0.2～0.3。

如图5所示，金属隔板阴极侧密封圈沟槽布置与阳极侧密封圈沟槽布置角度差90°。

如图5所示，金属隔板阴极侧反应区与公共口203和204之间布置有连接通道，参数同阳极侧连接通道。

如图5所示，金属隔板阴极侧连接通道顶部布置有金属密封盖板，材质钛(TA1/TA2)，通过焊接或者密封粘接胶水粘接在金属隔板上确保密封。

如图1所示，密封圈材料可选用硅胶、EPDM、氟橡胶等橡胶材料。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种PEM电解水制氢单元，包含膜电极(300)、阴极密封圈(101)、阳极密封圈(102)、分别与阴极密封圈(101)和阳极密封圈(102)对应的阴极侧金属隔板(200)和阳极侧金属隔板(400)、阴极气体扩散层(50)、阳极多孔金属扩散层(60)，其特征在于，所述阴极侧金属隔板(200)与阴极侧密封圈(101)、膜电极(300)形成阴极密封腔体，阳极侧金属隔板(400)与阳极测密封圈(102)、膜电极(300)形成阳极密封腔体；

所述阴极侧金属隔板(200)连接电源负极，所述阳极侧金属隔板(400)连接电源正极，电解水通过公共入口(201)、阳极连接通道(213)进入阳极密封腔体，并通过阳极连接通道(213)流出公共出口(202)，所述阳极侧金属隔板(400)的阳极反应区内部水流流过多根流道至膜电极对应的反应区中进行反应，在阴极侧密封腔体内产生氢气，氢气自氢气出口排出，所述流道呈折弯式设置于反应区中。

2.根据权利要求1所述的一种PEM电解水制氢单元，其特征在于，所述阳极侧金属隔板(400)的反应区上布设有5～15根流道，且每根流道中心线长度相同，且整体的流道折弯排布呈镜像对称结构。

3.根据权利要求1所述的一种PEM电解水制氢单元，其特征在于，所述阳极侧金属隔板(400)的反应区为圆形。

4.根据权利要求1所述的一种PEM电解水制氢单元，其特征在于，所述阳极侧金属隔板(400)的反应区中设有多条呈折弯式设置流道脊(209)。

5.根据权利要求4所述的一种PEM电解水制氢单元，其特征在于，通过多条流道脊(209)的分隔使得反应区生成多个流道沟槽(210)，流道脊(209)与流道沟槽(210)的组合构成折弯式的流道排布结构。

6.根据权利要求5所述的一种PEM电解水制氢单元，其特征在于，所述流道沟槽(210)的宽度为0.5～1mm，所述流道脊(209)的宽度0.5～1mm，所述流道沟槽(210)的深度为0.2～0.5mm。

7.根据权利要求1所述的一种PEM电解水制氢单元，其特征在于，所述阳极连接通道(213)的宽度为0.5～1mm，高度为0.3～1mm。

8.根据权利要求5所述的一种PEM电解水制氢单元，其特征在于，所述阳极连接通道(213)的顶部设有阳极金属盖板(213)。

9.根据权利要求8所述的一种PEM电解水制氢单元，其特征在于，所述阳极金属盖板(213)的厚度为0.1～0.4mm，所述阳极金属盖板(213)胶黏或焊接于所述阳极连接通道(213)上。

10.根据权利要求1所述的一种PEM电解水制氢单元，其特征在于，所述阴极侧金属隔板(200)和阳极侧金属隔板(400)为钛合金材料，所述阴极侧金属隔板(200)和阳极侧金属隔板(400)表面镀设有铂或碳化铂涂层。

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