CN216838210U - 一种质子交换膜水电解槽 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种质子交换膜水电解槽，属水电解设备技术领域。质子交换膜水电解槽包括依次层叠的阳极电极板、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层以及阴极电极板。其中，满足以下条件(a)和(b)中的一个或两个：(a)阳极电极板靠近阳极扩散层的一侧以及阴极电极板靠近阴极扩散层的一侧均设有流场结构，流场结构设有多个并排分布且相互连通的流道；(b)阴极电极板的基底材质为不锈钢。该质子交换膜水电解槽结构简单，且能高效率电解水；阴极电极板采用不锈钢基底时还能极大地节约成本。

Description

一种质子交换膜水电解槽

技术领域

本申请涉及水电解设备技术领域，具体而言，涉及一种质子交换膜水电解槽。

背景技术

氢能以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视为最理想的能源载体。电解水制氢是目前获得纯氢最简单的方法,如果将其与可再生资源发电技术，如光伏发电、水力发电和风力发电相结合，电解水可作为大规模制氢技术，对环境的污染小、温室气体排放少、经济性较好，具有良好的应用前景。以PEM作为电解质的水电解器能在1～3A/cm²的高电流密度下工作，生成的氢气纯度可高达到99.999％，被认为是最有前景的水电解技术。质子交换膜作为电解质，具有良好的机械强度、良好的化学稳定性、高的质子传导性以及良好的气体分离性等优点，可以使PEM电解槽在较高的电流下工作而不降低电解效率。采用纯水电解则避免了电解液对槽体的腐蚀，是一种安全性很高的水电解技术。

但是，现有技术中，质子交换膜水电解槽的结构复杂，导致体积庞大、加工困难且制造成本高。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种质子交换膜水电解槽，其结构简单，且能高效率电解水；阴极电极板采用不锈钢基底时还能极大地节约成本。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种质子交换膜水电解槽，包括依次层叠的阳极电极板、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层以及阴极电极板。

其中，满足以下条件(a)和(b)中的一个或两个：

(a)阳极电极板靠近阳极扩散层的一侧以及阴极电极板靠近阴极扩散层的一侧均设有流场结构，流场结构设有多个并排分布且相互连通的流道。

(b)阴极电极板的基底材质为不锈钢。

上述技术方案中，在阳极电极板和阴极电极板的内侧表面均设置流场结构，能降低欧姆极化和传质极化，有效降低运行槽压，从而能高效率电解水；其中，流场结构的流道并排分布，结构简单。阴极电极板采用不锈钢基底时，还能极大地节约阴极电极板的成本。质子交换膜水电解槽中，仅需设置依次层叠的阳极电极板、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层以及阴极电极板，进一步简化结构。

在一些可选的实施方案中，阴极电极板的基底表面具有至少一个涂层；涂层的材质为钛、金、银和铂中的一种金属，或者为钛、金、银和铂中的至少两种组成的合金。

在一些可选的实施方案中，每个流道包括在长度方向上的第一端和第二端；任意两个流道的第一端相互连通，且任意两个流道的第二端相互连通。

上述技术方案中，流道设置方便，多个流道间之间均能够有效地连通，便于气体和液体的流通传质，且有效降低流动压力损失。

在一些可选的实施方案中，多个流道依次连通。

上述技术方案中，流道设置方便，多个流道间的连通方式简单，便于气体和液体的流通传质，能避免流体在流道内短路或堵塞。

在一些可选的实施方案中，阳极电极板和阴极电极板均沿厚度方向贯穿开设有第一进出口和第二进出口，第一进出口和第二进出口均与流场结构连通。

第一进出口和第二进出口分布在质子交换膜水电解槽在宽度方向上的两侧，且二者分布在质子交换膜水电解槽在高度方向上的两端。

上述技术方案中，将第一进出口和第二进出口呈对角线方式分布在电极板的顶端和底端，保证在工作时能较好地实现流场结构中的液体灌满和气体排空。

在一些可选的实施方案中，阳极电极板和阴极电极板的外壁均设有测温孔。

上述技术方案中，测温孔用于插入热电偶等测温元件，方便对电极板进行较为准确的测温，便于更好地进行水电解的控制。

在一些可选的实施方案中，测温孔的开口位于阳极电极板和阴极电极板的顶部端面。

上述技术方案中，测温孔的开口位于电极板的顶部端面，方便测温元件的取放和固定。

在一些可选的实施方案中，阳极电极板和阴极电极板的外壁均开设有加热孔。

上述技术方案中，加热孔用于插入加热棒等加热元件，方便对电极板加热，能够根据水电解的控制要求进行温度调控。

在一些可选的实施方案中，加热孔的开口位于阳极电极板和阴极电极板在宽度方向上的侧壁。

上述技术方案中，加热孔的开口位于电极板的侧面，避免误触插入加热孔的加热元件，安全性更高。

在一些可选的实施方案中，质子交换膜水电解槽还包括阳极垫片和阴极垫片；阳极垫片的中部沿厚度方向贯穿开设有阳极扩散腔，阳极扩散层嵌设于阳极扩散腔内；阴极垫片的中部沿厚度方向贯穿开设有阴极扩散腔，阴极扩散层嵌设于阴极扩散腔内。

上述技术方案中，将扩散层嵌设于垫片中部，垫片方便扩散层的安装固定，还能在扩散层边缘发挥密封圈的效果。

在一些可选的实施方案中，阳极催化层和阴极催化层涂覆于质子交换膜在厚度方向上的两个表面。

上述技术方案中，将阳极催化层和阴极催化层涂覆于质子交换膜的表面，使得结构更简单和紧凑。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种质子交换膜水电解槽的爆炸图；

图2为本申请实施例提供的第一种阳极电极板的示意图；

图3为图1中III处的局部放大图；

图4为图2中IV处的局部放大图；

图5为本申请实施例提供的第二种阳极电极板的示意图；

图6为申请实施例提供的一种阳极电极板远离阳极扩散层的一侧的结构示意图；

图7为申请实施例提供的一种阳极电极板的剖视图。

图标：100-质子交换膜水电解槽；110-阳极电极板；111-流场结构；1111-流道；1112-第一端；1113-第二端；1114-流场凹槽；1115-导流凸起；112-集点耳；113-第一进出口；114-第二进出口；115-进出口接头；116-测温孔；117-加热孔；120-阳极扩散层；140-质子交换膜；160-阴极扩散层；170-阴极电极板；180-阳极垫片；190-阴极垫片；a-厚度方向；b-高度方向；c-宽度方向。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，“垂直”、“平行”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参阅图1～图5，本申请提供一种质子交换膜水电解槽100，包括沿厚度方向a依次层叠的阳极电极板110、阳极扩散层120、阳极催化层(图未示)、质子交换膜140、阴极催化层(图未示)、阴极扩散层160以及阴极电极板170。

其中，作为示例，阴极电极板170的基底材质为不锈钢或钛金属，不锈钢基底相较于钛金属基底，能够极大地节约成本。阴极电极板170的基底表面具有至少一个涂层，也就是说，涂层可以是一个，也可以是层叠分布的两个、三个甚至更多。其中，当涂层设置为至少两个时，每个涂层的材质可以相同也可以不同。

作为一种示例，涂层的材质为钛、金、银和铂中的一种金属；或者，涂层的材质为钛、金、银和铂中的至少两种组成的合金。

阳极电极板110靠近阳极扩散层120的一侧设有流场结构111，且阴极电极板170靠近阴极扩散层160的一侧均设有流场结构111。流场结构111设有多个并排分布且相互连通的流道1111。

本申请中，在阳极电极板110和阴极电极板170的内侧表面均设置流场结构111，能降低欧姆极化和传质极化，有效降低运行槽压，从而能高效率电解水。其中，流场结构111的流道1111并排分布，结构简单。在本申请的质子交换膜水电解槽100中，仅需设置依次层叠的阳极电极板110、阳极扩散层120、阳极催化层、质子交换膜140、阴极催化层、阴极扩散层160以及阴极电极板170，进一步简化结构。

可以理解的是，在本申请的实施例中，当阴极电极板170的基底材质为不锈钢时，阳极电极板110和阴极电极板170的内侧表面可以设置流场结构111，也可以不设置流场结构111。当阳极电极板110和阴极电极板170的内侧表面设置流场结构111时，阴极电极板170的基底材质可以为不锈钢，也可以为钛金属。

本申请提供的质子交换膜水电解槽100，其各层结构例如采用螺栓串在一起，然后使用螺母锁紧。另外，可以根据需要增设与螺母配合的弹性垫圈和/或弹性密封件，用于防止螺母松动。作为一种示例，该螺栓沿质子交换膜水电解槽100高度方向b上的两侧边缘以及宽度方向c上的两侧边缘间隔分布。

请继续参阅图1，在一些可选的实施方案中，质子交换膜水电解槽100还包括阳极垫片180和阴极垫片190。阳极垫片180的中部沿厚度方向a贯穿开设有阳极扩散腔，阳极扩散层120嵌设于阳极扩散腔内。阴极垫片190的中部沿厚度方向a贯穿开设有阴极扩散腔，阴极扩散层160嵌设于阴极扩散腔内。该设置方式中，将扩散层嵌设于垫片中部，垫片的设置方便扩散层的安装固定，垫片还能在扩散层边缘发挥密封圈的效果。

需要说明的是，在本申请中，扩散层不限于嵌设于垫片中部，例如也可以在扩散层的边缘围设密封圈。

进一步地，质子交换膜140的边缘也可以围设垫片或密封圈，方便安装固定和密封。

在一些可选的实施方案中，阳极催化层和阴极催化层涂覆于质子交换膜140在厚度方向a上的两个表面，该阳极催化层、质子交换膜140和阴极催化层组成三合一的整体结构，使得结构更简单和紧凑。

需要说明的是，在本申请中，阳极电极板110和阴极电极板170上设置的流场结构111可以相同，也可以不同。作为一种示例，阳极电极板110和阴极电极板170上设置的流场结构111相同。以下，将以阳极电极板110作为示例，对流场结构111的一些示例性的实施方式进行说明。

可选地，在阳极电极板110靠近阳极扩散层120的表面中，流场结构111位于中部区域，以使其能较好地与阳极扩散层120和质子交换膜140对应。

请参阅图2，作为第一种示例，每个流道1111包括在长度方向上的第一端1112和第二端1113。任意两个流道1111的第一端1112相互连通，且任意两个流道1111的第二端1113相互连通。该设置方式中，流道1111设置方便，多个流道1111间之间均能够有效地连通，便于气体和液体的流通传质，且有效降低流动压力损失。

可选地，每个流道1111的长度方向为质子交换膜水电解槽100的高度方向b。

请参阅图3和图4，作为一种可实现的方式，流道1111结构具有凹设于阳极扩散层120的流场凹槽1114。在流场凹槽1114内，并排设置有多个导流凸起1115，流道1111分布在导流凸起1115两侧。其中，每个导流凸起1115在长度方向上的一端与流场凹槽1114的内部具有一定的间隙，使得任意两个流道1111的第一端1112相互连通；每个导流凸起1115在长度方向上的另一端也与流场凹槽1114的内部具有一定的间隙，使得任意两个流道1111的第二端1113相互连通。

请参阅图5，作为第二种示例，多个流道1111依次连通，即该多个流道1111呈蛇形分布。该设置方式中，流道1111设置方便，多个流道1111间的连通方式简单，便于气体和液体的流通传质，且能避免流体在流道内短路或堵塞。

可选地，可选地，每个流道1111的长度方向为质子交换膜水电解槽100的宽度方向c。

请继续参阅图5，作为一种可实现的方式，流道1111结构具有凹设于阳极扩散层120的流场凹槽1114。在流场凹槽1114的一侧壁上，并排设置有多个导流凸起1115；在流场凹槽1114相对的另一侧壁上，并排设置有多个导流凸起1115。该相对的两个侧壁上的导流凸起1115交错分布，以使得多个流道1111呈蛇形分布。

可以理解的是，在本申请中，阳极电极板110和阴极电极板170可以按照常规要求设置用于水和气体通过的进出口。在本申请中，阳极电极板110和阴极电极板170均沿厚度方向a贯穿开设有第一进出口113和第二进出口114，第一进出口113和第二进出口114均与流场结构111连通。在具体实施方式中，第一进出口113和第二进出口114贯穿至与流场凹槽1114连通，该第一进出口113和第二进出口114可选地还可拆卸连接有进出口接头115。

可选地，第一进出口113和第二进出口114分布在质子交换膜水电解槽100在宽度方向c上的两侧，且二者分布在质子交换膜水电解槽100在高度方向b上的两端。以图2所示的阳极电极板110的摆放视角而言，其集点耳112设置于阳极电极板110的左上角，第一进出口113设靠近阳极电极板110的左上角设置，第二进出口114靠近阳极电极板110的右下角设置。该设置方式中，将第一进出口113和第二进出口114呈对角线方式分布在电极板的顶端和底端，保证在工作时能较好地实现流场结构111中的液体灌满和气体排空。

考虑到在水电解时，控制合适的温度有利于更好地进行电解水控制。因此，通过设置可测温和/或可加热的结构，有利于更好地进行电解水控制。

请参阅图6，在一些可选的实施方案中，阳极电极板110和阴极电极板170的外壁均设有测温孔116。测温孔116用于插入热电偶等测温元件，方便对电极板进行较为准确的测温，便于更好地进行水电解的控制。

进一步地，测温孔116的开口位于阳极电极板110和阴极电极板170的顶部端面，该设置方式方便测温元件的取放和固定。

可选地，测温孔116延伸至接近电极板的中部。作为示例，在电极板的高度方向b上，测温孔116的底部到电极板的中部的距离为L1，电极板高度L2，L1/L2≤5％。

需要说明的是，在本申请中，测温孔116可以设置一个，也可以设置多个，其可选地均匀分布。作为示例，当测温孔116设置为一个时，其开口位于电极板的顶部中间；当测温孔116设置为多个时，多个测温孔116的开口沿电极板的顶部均匀分布。

请参阅图7，在一些可选的实施方案中，阳极电极板110和阴极电极板170的外壁均开设有加热孔117。加热孔117用于插入加热棒等加热元件，方便对电极板加热，能够根据水电解的控制要求进行温度调控。

进一步地，加热孔117的开口位于阳极电极板110和阴极电极板170在宽度方向c上的侧壁。该设置方式避免误触插入加热孔117的加热元件，安全性更高。

需要说明的是，在本申请中，加热孔117可以贯穿电极板在宽度方向c上的两个侧壁，也可以仅贯穿电极板在宽度方向c上的一个侧壁。

另外，加热孔117有至少两个，例如为两个，该至少两个加热孔117沿电极板的高度方向b均匀分布。当然，加热孔117也可以仅设置一个，其例如设置于电极板在宽度方向c上的侧壁的中部。

实施例1

请参阅图1和图2，本实施例提供一种质子交换膜水电解槽100，包括沿厚度方向a依次层叠的阳极电极板110、阳极扩散层120、阳极催化层(图未示)、质子交换膜140、阴极催化层(图未示)、阴极扩散层160以及阴极电极板170。作为示例，质子交换膜140为质子交换膜。

阳极电极板110靠近阳极扩散层120的一侧设有流场结构111，且阴极电极板170靠近阴极扩散层160的一侧均设有流场结构111。流场结构111的设置方式如图2所示，每个流道1111包括在长度方向上的第一端1112和第二端1113，任意两个流道1111的第一端1112相互连通，且任意两个流道1111的第二端1113相互连通。其中，每个流道1111的长度方向为质子交换膜水电解槽100的高度方向b。

其中，流道1111的宽度为1.0mm，深度为1.0mm，相邻两个流道1111之间的间隔为1.0mm。质子交换膜水电解槽100的有效面积为25cm²，质子交换膜140和扩散层的尺寸稍大于50mm*50mm，以免膜被流道1111边缘切割。

实施例2

其与实施例1的不同之处在于：多个流道1111呈蛇形分布，使得该多个流道1111依次连通。其中，每个流道1111的长度方向为质子交换膜水电解槽100的宽度方向c。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种质子交换膜水电解槽，其特征在于，包括依次层叠的阳极电极板、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层以及阴极电极板；

所述阳极电极板靠近所述阳极扩散层的一侧以及所述阴极电极板靠近所述阴极扩散层的一侧均设有流场结构，所述流场结构设有多个并排分布且相互连通的流道；

所述阳极电极板和所述阴极电极板均沿厚度方向贯穿开设有第一进出口和第二进出口，所述第一进出口和所述第二进出口均与所述流场结构连通；

所述第一进出口和所述第二进出口分布在所述质子交换膜水电解槽在宽度方向上的两侧，且二者分布在所述质子交换膜水电解槽在高度方向上的两端。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，所述阴极电极板的基底表面具有至少一个涂层；所述涂层的材质为钛、金、银和铂中的一种金属。

3.根据权利要求1所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，满足以下条件(c)和(d)中的一个：

(c)每个所述流道包括在长度方向上的第一端和第二端；任意两个所述流道的所述第一端相互连通，且任意两个所述流道的所述第二端相互连通；

(d)多个所述流道依次连通。

4.根据权利要求1所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，所述阳极电极板和所述阴极电极板的外壁均设有测温孔。

5.根据权利要求4所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，所述测温孔的开口位于所述阳极电极板和所述阴极电极板的顶部端面。

6.根据权利要求1、4或5所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，所述阳极电极板和所述阴极电极板的外壁均开设有加热孔。

7.根据权利要求6所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，所述加热孔的开口位于所述阳极电极板和所述阴极电极板在宽度方向上的侧壁。

8.根据权利要求1所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，所述质子交换膜水电解槽还包括阳极垫片和阴极垫片；所述阳极垫片的中部沿厚度方向贯穿开设有阳极扩散腔，所述阳极扩散层嵌设于所述阳极扩散腔内；所述阴极垫片的中部沿厚度方向贯穿开设有阴极扩散腔，所述阴极扩散层嵌设于所述阴极扩散腔内。

9.根据权利要求1所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，所述阳极催化层和所述阴极催化层涂覆于所述质子交换膜在厚度方向上的两个表面。

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