CN116949474A - 一种水电解制氢单电池及电堆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水电解制氢单电池及电堆，涉及水电解制氢技术领域，包括：膜电极，膜电极的阳极侧和阴极侧分别设有阳极流场板和阴极流场板，阳极流场板的朝向膜电极的一侧设有流场区，相对的另一侧设有分配区，流场区和分配区的端部通过贯穿阳极流场板厚度方向的过桥孔连通；阴极流场板内置氢气气道；阳极扩散层，设于阳极流场板与膜电极之间；阴极扩散层，设于阴极流场板与膜电极之间。有益效果是水电解制氢单电池中采用分布式流场单元，增加制氢速率，电堆中采用多个水电解制氢单电池组成电池组增加制氢输出气体压力；提升电解性能，降低膜电极破坏风险；采用伸缩结构安装单电池连接便于安装、维修更换。
Description
技术领域
本发明涉及水电解制氢技术领域，尤其涉及一种水电解制氢单电池及电堆。
背景技术
在碳中和背景下，开发利用可再生能源是必经之路。但可再生能源固有的波动性和周期性，导致可再生能源产生的电力难以直接并网输送，由此造成大量的弃风弃光。采用电解水制氢可以实现大规模、长周期、跨地域的能量存储和运输。质子交换膜水电解制氢技术具备快速动态响应能力，能够与可再生能源良好结合。但现有的质子交换膜电解槽装配复杂，单片电池出现故障后较难替换，同时氢气输出压力较低。现有的质子交换膜电解槽由多片膜电极、多孔传输层、流场板逐一堆叠而成，装配复杂；单片电池出现故障后，需要整体将电解槽拆开，因此较难替换故障电池。因此有必要提出一种具备高输出压力、快速拆装能力的电解槽。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种水电解制氢单电池，包括：
膜电极，
所述膜电极的阳极侧和阴极侧分别设有阳极流场板和阴极流场板，所述阳极流场板的朝向所述膜电极的一侧设有流场区，相对的另一侧设有分配区，所述流场区和所述分配区的端部通过贯穿所述阳极流场板厚度方向的过桥孔连通；所述阴极流场板内置氢气气道；
阳极扩散层，设于所述阳极流场板与所述膜电极之间；
阴极扩散层，设于所述阴极流场板与所述膜电极之间。
优选的，所述流场区包括多个流场单元之间，多个所述流场单元延所述阳极流场板的长边方向顺次设置；
对应于每个所述流场单元两端的位置，所述阳极流场板和所述阴极流场板设有一对通水孔，延所述阳极流场板或所述阴极流场板的长边方向，所述通水孔等间隔设置。
优选的，所述分配区设置在所述通水孔和所述过桥孔间隙空间的位置，所述分配区为梯形结构，所述分配区的一端与所述通水孔连通，另一端与所述流场单元端部设置的所述过桥孔连通；平行于所述阳极流场板的长边方向，所述通水孔的径向尺寸小于所述流场单元端部的宽度。
优选的，所述流场单元中包括平行流场或蛇形流场；
或/和，位于所述流场单元一端的所述通水孔为进水孔，位于所述流场单元另一端的所述通水孔为排水孔和氧气排放孔。
优选的，还包括设置在所述阳极流场板或所述阴极流场板的宽边方向的排气孔，所述排气孔与所述氢气气道相通。
本发明还提供一种电堆，包括：
多个如上述的水电解制氢单电池，所述单电池自下而上按相同的方向堆叠形成电池组；
所述电池组的阳极侧由内向外依次设有阳极集电板、阳极绝缘板和阳极端板；
所述电池组的阴极侧由内向外依次设有阴极集电板、阴极绝缘板和阴极端板；
还包括伸缩结构和多个螺栓连接件，所述伸缩结构装配在所述电池组的侧面，与每一个所述单电池的边缘连接；所述螺栓连接件自所述阳极端板，穿透所述伸缩结构直至连接至所述阴极端板。
优选的，所述伸缩结构的一侧具有多个安装槽，所述单电池插入所述安装槽中；
其中，所述单电池的边缘厚度小于所述单电池在内部中间区域的厚度，所述安装槽的槽宽与所述单电池的边缘厚度相匹配。
优选的，所述伸缩结构相对于所述安装槽的另一侧，沿着伸缩方向等间距的设置了多个延伸部，所述延伸部所在的平面与延申方向垂直；
所述伸缩延伸部上设有用于所述螺栓穿过的开孔，所述电堆通过所述螺栓连接件紧固时，所述螺栓连接件与所述开孔的一侧内壁抵接。
优选的，相邻的两个所述延伸部之间形成调节槽，位于所述伸缩结构两侧的所述调节槽和所述安装槽交错设置。
优选的，所述螺栓连接件设置在电堆的边缘位置，沿着电堆的长边方向间隔设置，所述伸缩延伸部沿着所述电堆的长边方向对应的开设多个所述开孔。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
1)阳极流场板中采用分布式设计，设有多个流场单元，通过通水孔、分配区和过桥孔对应配合使液态水分别流入各个流场单元中，可提高制氢的规模和能力，增加制氢输出，；
2)阴极扩散层采用钛毡，阴极采用碳布及钛毡，能够实现膜电极均匀受力，降低接触电阻，提升电解性能，降低膜电极破坏风险；
3)电堆中包括多个水电解制氢单电池，水电解制氢单电池的边缘安装于可以伸缩调节的伸缩结构的安装槽中，便于安装、维修更换。
附图说明
图1为本发明的较佳的实施例中，一种水电解制氢单电池的拆解结构示意图；
图2为本发明的较佳的实施例中，阳极流场板朝向膜电极一侧的结构示意图；
图3为本发明的较佳的实施例中，阳极流场板背离模电极一侧的结构示意图；
图4为本发明的较佳的实施例中，一种电堆中的液态水和氧气的流向示意图；
图5为本发明的较佳的实施例中，阴极流场板朝向膜电极一侧的结构示意图；
图6为本发明的较佳的实施例中，一种电堆中的氢气的流向示意图；
图7为本发明的较佳的实施例中，一种电堆的剖面方向为延单电池长度方向的剖面结构示意图；
图8为本发明的较佳的实施例中，一种电堆的侧面结构示意图；
图9、图10为图8中D区的局部放大图；
图11为本发明的较佳的实施例中，伸缩结构的结构示意图。
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。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种水电解制氢单电池，如图1和图3所示，包括：
膜电极1，
膜电极1的阳极侧和阴极侧分别设有阳极流场板2和阴极流场板3，阳极流场板2的朝向膜电极1的一侧设有流场区21，相对的另一侧设有分配区22，流场区21和分配区22的端部通过贯穿阳极流场板2厚度方向的过桥孔23连通；阴极流场板3内置氢气气道31；
阳极扩散层4，设于阳极流场板2与膜电极1之间；
阴极扩散层5，设于阴极流场板3与膜电极1之间。
具体的，本实施例中，水电解制氢单电池由涂布阳极催化剂和阴极催化剂的膜电极1、阴极扩散层5、阳极扩散层4、阳极流场板2和阴极流场板3组成。阳极催化剂优选铱或氧化铱，阴极催化剂优选铂黑或碳载铂。阳极扩散层4采用钛纤维毡或粉末烧结钛，阴极扩散层5采用钛纤维毡51(或粉末烧结钛)与碳布52的组合，实现水电解制氢单电池内部应力的较均匀分布，从而降低接触电阻，提升电解性能；
如图3所示，流场区21和分配区22的端部通过贯穿阳极流场板2厚度方向的过桥孔23连通，阳极流场板2具有分配区的一面为B面，另一面为A面，过桥孔23将AB面连通。
本发明的较佳的实施例中，流场区21包括多个流场单元211，多个流场单元211延阳极流场板2的长边方向顺次设置；
对应于每个流场单元211两端的位置，阳极流场板2和阴极流场板3设有一对通水孔24，延阳极流场板2或阴极流场板3的长边方向，通水孔24等间隔设置。
具体的，本实施例中，阳极流场板2采用分布式流场设计，整体流场由多个流场单元211阵列排布而成，流场形式可以为平行流场、或蛇形流场、或其他形式。
如图2所示，本实施例中采用四个流场单元211，则对应的分配区22和通水孔24则也为四组(每组两个，共八个)分布在流场区21的两端，如图3所示，水先通过流场单元211一端的通水孔24流入，再流经分配区22，使得液态水通过对应的过桥孔23从阳极流场板2的外侧(即背离膜电极1的一侧)流入阳极流场板2内侧(即朝向膜电极1的一侧)，随后流入对应的流场单元211中，在膜电极1上发生水电解反应产生氢气和氧气，氧气随着液态水从流场单元211另一端的过桥孔23流经分配区22最后通过通水孔24排出，多个流场单元可以提高制氢效率，增大氢气输出压力。
本发明的较佳的实施例中，流场单元211中包括平行流场或蛇形流场；
或/和，位于流场单元211一端的通水孔24为进水孔，位于流场单元22另一端的通水孔24为排水孔和氧气排放孔。
具体的，本实施例中，如图4所示，为在一种电堆中使用多个本实施例中的水电解制氢单电池时的剖面图，剖面方向A->A平行于流场单元211，图中箭头方向代表液态水流动方向，可以看出对于每个水电解制氢单电池的液态水按照上述描述过程流动，液态水从右端的通水孔24流入，膜电极1上产生的氧气随液态水从左端的通水孔24流出。
本发明的较佳的实施例中，分配区22设置在通水孔24和过桥孔23间隙空间的位置，分配区22为梯形结构，分配区22的一端与通水孔24连通，另一端与流场单元22端部设置的过桥孔23连通；平行于阳极流场板2的长边方向，通水孔24的径向尺寸小于流场单元211端部的宽度。
具体的，如图3所示，分配区22一侧连接一个通水孔24，一侧连接多个过桥孔23，分配区22中还设置有多个圆点结构221使流经的液态水均匀分布。
本发明的较佳的实施例中，还包括设置在阳极流场板2或阴极流场板3的宽边方向的排气孔25、26，排气孔25、26与氢气气道31相通。
具体的，本实施例中，如图2、图4和图6所示，在阳极流场板2或阴极场流板3上还分别设有排气孔25、26，在阴极场流板3上的排气孔25、26与氢气气道31连通，生成的氢气通过排气孔25、26排出水电解电解质单电池；
如图6所示，在一种电堆中使用多个本实施例中的水电解制氢单电池时的剖面图，剖面方向B->B垂直于流场单元211，为了使液态水在各单电池间流动，在阴极场流板3上也开设有通水孔24，与阳极场流板2上的通水孔24位置对应，所有通水孔24对应连接形成水道；图中箭头表示氢气流向，氢气气道31的形式为蛇形，目的是使阴极的液态水能较长时间的停留，从而浸润膜电极1，使其保持较高的电导率。当单电池尺寸增大时，阴极流场板3中的氢气气道31也可以采用类似阳极流场板2中多个流场单元21的阵列方法，避免单一流道中氢气流量过高造成的氢安全问题。
在水电解制氢单电池中，在阳极流场板2与膜电极1之间以及阴极场流板3与膜电极1之间还设有密封圈，采用密封圈进行密封可以防止产生的氧气或氢气泄露，提高气体输出压力，本实施例中的密封圈优选采用O型密封圈。
本发明还提供一种电堆，包括：
多个如上述的水电解制氢单电池，单电池自下而上按相同的方向堆叠形成电池组100；
电池组100的阳极侧由内向外依次设有阳极集电板200、阳极绝缘板300和阳极端板400；
电池组100的阴极侧由内向外依次设有阴极集电板500、阴极绝缘板600和阴极端板700；
还包括伸缩结构800和多个螺栓连接件900，伸缩结构800装配在电池组100的侧面，与每一个单电池的边缘连接；螺栓连接件900自阳极端板400，穿透伸缩结构800直至连接至阴极端板700。
具体的，本实施例中，如图7所示，为本实施例中的电堆的剖面图，剖面方向为单电池的长度方向相同，各水电解制氢单电池堆叠形成电池组100，电池组的两侧分别是(阳极集电板200、阳极绝缘板300、阳极端板400)和(阴极集电板500、阴极绝缘板600、阴极端板700)；
如图8所示为本实施例中的电堆的侧视图，可以看出还包括伸缩结构800装配在电池组100的侧面，与每一个单电池的边缘11连接；以及多个螺栓连接件900自阳极端板400，穿透伸缩结构800直至连接至阴极端板700以将整个电堆紧固；
在电堆中使用多个单电池堆叠的电池组100，可以提高电堆的制氢效率，提高氢气输出压力，各单电池通过与伸缩结构800配合安装，拆卸安装方便可以便于维护，减少维护成本。
本发明的较佳的实施例中，伸缩结构800的一侧具有多个安装槽810，单电池插入安装槽810中；
其中，单电池的边缘厚度小于单电池在内部中间区域的厚度，安装槽810的槽宽与单电池的边缘厚度相匹配。
具体的，本实施例中，如图9和10所示均为图8中D区的局部放大图，可以看出，在图10中的单电池的边缘11的边缘厚度小于所示单电池在内部中间区域的厚度，边缘11的厚度与安装槽810的槽宽相匹配，使各个单电池对应安装在安装槽中以安装在电堆中。
将水电解制氢单电池通过伸缩结构800安装于电堆内，如图10中箭头C所指位置还可以用热熔胶等材料粘接形成一个利于与安装槽装配的结合体。
本发明的较佳的实施例中，伸缩结构800相对于安装槽810的另一侧，沿着伸缩方向等间距的设置了多个延伸部820，延伸部820所在的平面与延申方向垂直；
伸缩延伸部820上设有用于螺栓连接件900穿过的开孔830，电堆通过螺栓连接件900紧固时，螺栓连接件900与开孔830的一侧内壁抵接。
具体的，本实施例中，如图11所示为伸缩结构800单独的结构示意图，左右分别展示了伸缩结构800伸展和收缩时的状态，在需要安装或更换水电解制氢单电池时，将螺栓连接件900旋松使伸缩结构800伸展，如图11中左侧所示，此时安装槽810间隙变大以将水电解制氢单电池的边缘11安装于安装槽810内，随后将螺栓连接900旋紧使伸缩结构800收缩，如图11中右侧所示，此时安装槽810间隙变小将水电解制氢单电池的边缘11夹紧，完成安装或更换，方便快捷。
本发明的较佳的实施例中，相邻的两个延伸部820之间形成调节槽840，位于伸缩结构800两侧的调节槽840和安装槽810交错设置。
本发明的较佳的实施例中，螺栓连接件900设置在电堆的边缘位置，沿着电堆的长边方向间隔设置，伸缩延伸部820沿着电堆的长边方向对应的开设多个开孔830。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种水电解制氢单电池，其特征在于，包括：
膜电极，
所述膜电极的阳极侧和阴极侧分别设有阳极流场板和阴极流场板，所述阳极流场板的朝向所述膜电极的一侧设有流场区，相对的另一侧设有分配区，所述流场区和所述分配区的端部通过贯穿所述阳极流场板厚度方向的过桥孔连通；所述阴极流场板内置氢气气道；
阳极扩散层，设于所述阳极流场板与所述膜电极之间；
阴极扩散层，设于所述阴极流场板与所述膜电极之间。
2.根据权利要求1所述的水电解制氢单电池，其特征在于，所述流场区包括多个流场单元之间，多个所述流场单元延所述阳极流场板的长边方向顺次设置；
对应于每个所述流场单元两端的位置，所述阳极流场板和所述阴极流场板设有一对通水孔，延所述阳极流场板或所述阴极流场板的长边方向，所述通水孔等间隔设置。
3.根据权利要求1所述的水电解制氢单电池，其特征在于，所述分配区设置在所述通水孔和所述过桥孔间隙空间的位置，所述分配区为梯形结构，所述分配区的一端与所述通水孔连通，另一端与所述流场单元端部设置的所述过桥孔连通；平行于所述阳极流场板的长边方向，所述通水孔的径向尺寸小于所述流场单元端部的宽度。
4.根据权利要求2所述的水电解制氢单电池，其特征在于，所述流场单元中包括平行流场或蛇形流场；
或/和，位于所述流场单元一端的所述通水孔为进水孔，位于所述流场单元另一端的所述通水孔为排水孔和氧气排放孔。
5.根据权利要求1所述的水电解制氢单电池，其特征在于，还包括设置在所述阳极流场板或所述阴极流场板的宽边方向的排气孔，所述排气孔与所述氢气气道相通。
6.一种电堆，其特征在于，包括：
多个如权利要求1-5中任意一项所述的水电解制氢单电池，所述单电池自下而上按相同的方向堆叠形成电池组；
所述电池组的阳极侧由内向外依次设有阳极集电板、阳极绝缘板和阳极端板；
所述电池组的阴极侧由内向外依次设有阴极集电板、阴极绝缘板和阴极端板；
还包括伸缩结构和多个螺栓连接件，所述伸缩结构装配在所述电池组的侧面，与每一个所述单电池的边缘连接；所述螺栓连接件自所述阳极端板，穿透所述伸缩结构直至连接至所述阴极端板。
7.根据权利要求6所述的电堆，其特征在于，所述伸缩结构的一侧具有多个安装槽，所述单电池插入所述安装槽中；
其中，所述单电池的边缘厚度小于所述单电池在内部中间区域的厚度，所述安装槽的槽宽与所述单电池的边缘厚度相匹配。
8.根据权利要求7所述的电堆，其特征在于，所述伸缩结构相对于所述安装槽的另一侧，沿着伸缩方向等间距的设置了多个延伸部，所述延伸部所在的平面与延申方向垂直；
所述伸缩延伸部上设有用于所述螺栓穿过的开孔，所述电堆通过所述螺栓连接件紧固时，所述螺栓连接件与所述开孔的一侧内壁抵接。
9.根据权利要求8所述的电堆，其特征在于，相邻的两个所述延伸部之间形成调节槽，位于所述伸缩结构两侧的所述调节槽和所述安装槽交错设置。
10.根据权利要求8所述的电堆，其特征在于，所述螺栓连接件设置在电堆的边缘位置，沿着电堆的长边方向间隔设置，所述伸缩延伸部沿着所述电堆的长边方向对应的开设多个所述开孔。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310712071.3A CN116949474A (zh) | 2023-06-15 | 2023-06-15 | 一种水电解制氢单电池及电堆 |
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| CN202310712071.3A CN116949474A (zh) | 2023-06-15 | 2023-06-15 | 一种水电解制氢单电池及电堆 |
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