CN119392279A - 一种双极板和pem电解槽 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有三角形流道的PEM电解槽，其阳极板和阴极板内侧设三角形流道，顶角角度30°‑90°（优选45°‑60°），流道深度0.5‑5mm、宽度0.5‑5mm、间距1‑10mm，可采用平行、交错等排列方式。阳极板和阴极板可选金属（如不锈钢、钛合金）或石墨材料并外侧可设冷却通道。膜电极组件含质子交换膜（如全氟磺酸膜）、阳极催化剂层（如二氧化铱）和阴极催化剂层（如铂或铂合金）。该电解槽利用三角形流道增加流体扰动、改善气体排出，有效减少膜电极氢气附着，提升质子传导与电极反应活性，相比传统电解槽，在相同条件下电流密度、制氢效率和氢气纯度更高，能耗与成本更低，具有良好应用前景与经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜（PEM）电解槽技术领域，尤其涉及一种具有三角形流道的PEM 电解槽，旨在通过优化流道结构减少膜电极氢气附着并提高电解槽性能。
背景技术
随着全球对清洁能源的需求不断增长，氢能作为一种高效、清洁的能源载体，受到了广泛关注。PEM 电解槽作为一种高效的水电解制氢装置，具有启动快、响应迅速、电流密度高等优点，在氢能产业中具有重要地位。
在 PEM 电解槽运行过程中，膜电极上氢气的附着是一个关键问题。氢气的附着会阻碍质子传导、降低电极反应活性，进而影响电解槽的性能和制氢效率。传统的 PEM 电解槽流道多采用矩形或圆形等形状，在促进气体排出和减少氢气附着方面存在一定的局限性。因此，开发一种新型的流道结构以改善这一状况具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有三角形流道的 PEM 电解槽，通过三角形流道的独特结构增加流体扰动、改善气体排出，有效减少膜电极上氢气的附着，从而提高电解槽的性能。
本发明的具有三角形流道的 PEM 电解槽包括阳极板、阴极板以及位于阳极板和阴极板之间的膜电极组件。其中，阳极板和阴极板的内侧表面分别设置有三角形流道。
所述三角形流道的顶角角度为 30° - 90°，优选为 45° - 60°。流道的深度为0.5 - 5mm，宽度为 0.5 - 5mm，且流道之间的间距为 1 - 10mm。三角形流道可采用平行排列、交错排列或其他优化的排列方式，以确保电解液在流道内均匀流动并充分覆盖膜电极表面。
阳极板和阴极板可采用金属材料（如不锈钢、钛合金等）或石墨材料制成。金属材料具有良好的导电性和机械强度，石墨材料则具有较好的化学稳定性和耐腐蚀性。
膜电极组件包括质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层。质子交换膜可选用全氟磺酸膜等高性能材料，具有高质子传导率和良好的化学稳定性。阳极催化剂层可采用二氧化铱等催化剂，阴极催化剂层可采用铂或铂合金等催化剂，以提高电解反应的催化活性和效率。
本发明的具有三角形流道的 PEM 电解槽工作原理如下：当电解液（通常为纯水或稀碱溶液）进入阳极板的三角形流道后，在电场作用下，阳极发生氧化反应，水分子分解产生氧气和质子，质子通过质子交换膜向阴极迁移。在阴极，质子与电子结合发生还原反应生成氢气。由于三角形流道的特殊结构，电解液在流道内流动时产生强烈的流体扰动，使反应生成的气体（氧气和氢气）能够迅速从电极表面脱离并沿着流道排出，有效减少了氢气在膜电极上的附着，提高了质子传导效率和电极反应活性，从而提升了电解槽的整体性能。
附图说明
图 1 为PEM电解槽结构示意图；
其中：1 – 双极板，2 – 密封垫，3 – 阴极扩散层，4 – 第一极框，5 – 膜电极组件，6 – 第二极框，7 – 阳极扩散层。
图 2 PEM电解槽双极板的结构示意图；
其中：101 – 双极板三角形主流道。
图 3 PEM电解槽双极板剖视图
其中：a - 顶角角度，h - 流道深度，w - 流道宽度，d - 流道间距。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
实施例 1：
选用不锈钢作为阳极板和阴极板的材料，采用机械加工的方式在阳极板和阴极板内侧表面加工出三角形流道。三角形流道的顶角角度设置为 45°，流道深度为 1mm，宽度为1mm，流道间距为 2mm，采用平行排列方式。膜电极组件中，质子交换膜选用 Nafion 117 全氟磺酸膜，阳极催化剂层采用二氧化铱，阴极催化剂层采用铂。将阳极板、膜电极组件和阴极板按顺序组装成电解槽，并在阳极板和阴极板外侧设置冷却通道。在电解槽中注入浓度为 0.5mol/L 的氢氧化钾溶液作为电解液，施加 2V 的直流电压进行电解实验。实验结果表明，与传统矩形流道电解槽相比，本发明的电解槽在相同电压下电流密度提高了 15%，膜电极上氢气附着量减少了 25%，电解槽的制氢效率显著提升。
实施例 2：
采用石墨材料制作阳极板和阴极板，通过化学蚀刻工艺加工三角形流道。三角形流道顶角角度为 60°，流道深度为 2mm，宽度为 2mm，流道间距为 3mm，采用交错排列方式。膜电极组件中质子交换膜为 Nafion 212，阳极催化剂为二氧化铱与氧化钌的复合催化剂，阴极催化剂为铂 - 钴合金。组装好电解槽后，以纯水为电解液，在 1.8V 电压下进行电解。经检测，该电解槽的氢气纯度较传统电解槽提高了 5%，电解槽的能量转换效率提升了10%，且在长时间运行过程中性能稳定，膜电极未出现明显的氢气附着导致的性能衰减现象。
实施例 3：
阳极板和阴极板使用钛合金材料，利用 3D 打印技术制造具有三角形流道的极板。三角形流道顶角角度为 50°，流道深度为 3mm，宽度为 3mm，流道间距为 5mm，采用一种特殊的混合排列方式（结合平行与交错的特点）。膜电极组件采用新型的高性能质子交换膜，阳极催化剂为改性二氧化铱，阴极催化剂为纳米结构铂。以 0.3mol/L 的氢氧化钠溶液为电解液，在 2.2V 电压下运行电解槽。实验发现，本发明的电解槽能够在高电流密度（3A/cm²）下稳定工作，膜电极氢气附着量较传统电解槽降低了 30% 以上，制氢速率提高了20%，同时由于流道结构优化和材料的合理选择，电解槽的整体使用寿命预计可延长 30%。
Claims (10)
1.一种具有三角形流道的 PEM 电解槽，其特征在于，包括阳极板、阴极板以及位于阳极板和阴极板之间的膜电极组件，所述阳极板和阴极板的内侧表面分别设置有三角形流道。
2.根据权利要求 1 所述的具有三角形流道的 PEM 电解槽，其特征在于，所述三角形流道的顶角角度为 30° - 90°。
3.根据权利要求 2 所述的具有三角形流道的 PEM 电解槽，其特征在于，所述三角形流道的顶角角度优选为 45° - 60°。
4.根据权利要求 1 所述的具有三角形流道的 PEM 电解槽，其特征在于，所述三角形流道的深度为 0.5 - 5mm，宽度为 0.5 - 5mm，且流道之间的间距为 1 - 10mm。
5.根据权利要求 1 所述的具有三角形流道的 PEM 电解槽，其特征在于，所述三角形流道采用平行排列、交错排列或其他优化的排列方式。
6.根据权利要求 1 所述的具有三角形流道的 PEM 电解槽，其特征在于，所述阳极板和阴极板采用金属材料或石墨材料制成。
7.根据权利要求 6 所述的具有三角形流道的 PEM 电解槽，其特征在于，所述金属材料包括不锈钢、钛合金。
8.根据权利要求 1 所述的具有三角形流道的 PEM 电解槽，其特征在于，所述阳极板和阴极板的外侧设置有冷却通道。
9.根据权利要求 1 所述的具有三角形流道的 PEM 电解槽，其特征在于，所述膜电极组件包括质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层。
10. 根据权利要求 9 所述的具有三角形流道的 PEM 电解槽，其特征在于，所述质子交换膜选用全氟磺酸膜，所述阳极催化剂层采用二氧化铱，所述阴极催化剂层采用铂或铂合金。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN120330730A (zh) * | 2025-05-15 | 2025-07-18 | 内蒙古工业大学 | 一种基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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