CN219861605U - 一种pem电解槽 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种PEM电解槽，涉及电解槽的技术领域，包括依次层叠的阳极端板、阳极板、阳极边框、阳极多孔运输层、膜电极层、阴极多孔运输层、阴极边框、阴极板和阴极端板，还包括流板，流板位于阳极端板和阳极板之间，流板的内部设置有一条流道，流板的端部安装有进水管，进水管与流道连通，流板一侧面的左侧均匀分布有一列水流出口，流道与一列水流出口均相连通；阳极板和阴极板的左右两侧及上下两侧均开设有呈长条状的歧管进出口。本实用新型的流板上具有流道和一列水流出口，通过歧管流向阳极板的反应流场的流量会非常均匀的分配，减轻了水在单电池上供给的压力，还可避免在膜电极层的有效面积内产生多余的气泡，压力分布更均衡。

Description

一种PEM电解槽

技术领域

本实用新型涉及PEM电解槽的技术领域，具体为一种用于PEM电解槽和边框。

背景技术

PEM电解槽是利用电解原理是通过质子交换膜将水分子分解成将氢离子和氧离子，然后将氢离子和氧离子分别转移到阳极和阴极上，最终生成氢气和氧气。PEM电解水的核心是质子交换膜，它是一种特殊的膜材料，具有良好的离子选择性和电化学稳定性，只允许氢离子通过，阻止氧离子通过，从而实现了氢气和氧气的分离。

PEM电解槽制氢具有很多优点，比如效率高、环保和安全等，与碱性水电解槽相比，PEM电解水利用纯水电解，不产生任何有害物质，对环境没有污染，且能耗低，可以在波动电压下工作，节约能源，操作简单，安全可靠。

PEM电解槽的阳极板和阴极板上的反应流场是电堆极板的重要组成部分，用于在质子交换膜催化电极上产生均匀分布的流场。如果电堆极板上的反应流场不均匀流动分布，可能导致催化电极的催化剂材料不均衡使用，质子交换膜电解槽的整体效率较低。

因此，必须在阳极板和阴极板上设计反应流场，反应流场的形状与结构直接影响着水分布的均匀性和流道的热管理效率，经过多年的技术迭代，反应流场设计已经日趋完善；一般反应流场通过最外部的端板输入水，导致输入到反应流场内的水流分布不均匀。

比如，专利号为202010278696.X的中国发明专利，公开了一种用于制备富氢水的电解槽，包括阳极端压板和阴极端压板，阴极端压板上设置阴极出水管和阴极进水管，分别与阴极板上的阴极出水口和阴极进水口连通；阳极端压板上设置阳极进水管和阳极出水管，分别与阳极板上的阳极进水口和阳极出水口连通。该专利通过端压板向阳极板和阴极板输水。

专利号为202210534397.7的中国发明专利，公开了一种PEM电解槽，包括阳极板和阴极板，在阳极板及阴极板的外侧设有第一端板及第二端板，在第一端板的一侧开设有多个进水孔及回水孔。因此，该专利也是通过端板向阳极板输水，不易对供水的流量进行均匀的分配。

因此，亟需发明一种对水流均匀分配的PEM电解槽。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种对水流均匀分配的的PEM电解槽。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种PEM电解槽，包括依次层叠的阳极端板、阳极板、阳极边框、阳极多孔运输层、膜电极层、阴极多孔运输层、阴极边框、阴极板和阴极端板，其中：还包括流板，所述流板位于阳极端板和阳极板之间，所述流板的内部设置有一条流道，所述流板的端部安装有进水管，所述进水管与流道连通，所述流板一侧面的左侧均匀分布有一列水流出口，所述流道与一列水流出口均相连通；

所述阳极板和阴极板的左右两侧及上下两侧均开设有呈长条状的歧管进出口，所述流板上的一列水流出口与阳极板左侧的歧管进出口连通，所述阳极板和阴极板的一侧面均设有与歧管进出口连通的反应流场。

通过采用上述技术方案，设计一个单独的流板，流板上均布的一列水流出口，水流出口通过歧管均匀的向阳极板的反应流场内分配水，提高了反应流场内的水分布的均匀性，另外流板可以减轻水在单电池上供给的压力，避免在膜电极层有效面积内产生多余的气泡，压力分布更平衡。

优选的，所述流板的上下两侧和右侧均开设有呈长条状的歧管进出口，所述流板与阳极端板为相互独立或者集成在一起。

通过采用上述技术方案，将流板集成在阳极端板上，阳极端板上开设流道和一列水流出口，相比单独设置流板的形式，能够降低PEM电解槽的厚度。

优选的，所述反应流场为平行流场，所述反应流场内具有多个并排分布的流道。

通过采用上述技术方案，阳极板和阴极板上均通过长条状的歧管进出口与反应流场连通，因此反应流场设为平行流场，便于从歧管进出口的水均匀分布在反应流场的各个流道内。

优选的，所述膜电极层的侧面上涂覆有催化剂电极。

通过采用上述技术方案，膜电极层的两侧面的催化剂电极分别为析氢催化剂和析氧催化剂，膜电极层用于将水分子分解成将氢离子和氧离子，然后将氢离子和氧离子分别转移到阳极和阴极上，最终生成氢气和氧气。

优选的，所述阳极多孔运输层采用钛毡或者涂覆有铂金的钛网，所述阴极多孔运输层采用钛毡或者涂覆有铂金的钛网或者碳纸或者碳毡。

通过采用上述技术方案，在酸性和高阳极电位下，钛的腐蚀性最小，因此阳极优选钛网和钛毡，碳材料易受腐蚀，且机械强度低，可用于阴极。目前对多孔运输层的优化主要集中在对其孔隙和结构的调整，孔隙大小和结构对流体运移影响很大，较大的孔隙促进了气体的去除，但降低了电子传输效率，减少了催化剂电极的水分；小孔隙阻碍了气体的排出，增加了传质阻力。

优选的，所述阳极边框的上下两侧均开设有呈长条状的歧管进出口，所述阴极边框的左右两侧均开设有呈长条状的歧管进出口，所述阳极边框和阴极边框的中部均形成中空区域。

所述膜电极层位于阳极边框和阴极边框之间，所述阳极多孔运输层安置于阳极边框的中空区域内，所述阴极多孔运输层安置于阴极边框的中空区域内。

通过采用上述技术方案，阳极边框和阴极边框上的歧管进出口分别与阳极板及阴极板的歧管进出口位置对应；阳极边框和阴极边框用于固定膜电极层，中部的中空区域即节约了边框材料，同时有效的发挥了膜电极层的作用，也不浪费膜电极上昂贵的催化剂电极，另外，阳极多孔运输层和阴极运输层可以非常便捷的安装在两个中空区域内。

与相关技术相比较，本实用新型提供的一种PEM电解槽具有如下有益效果：

本实用新型的流板上具有流道和一列水流出口，通过歧管流向阳极板的反应流场的流量会非常均匀的分配，同时减轻了水在单电池上供给的压力，还可避免在膜电极层的有效面积内产生多余的气泡，压力分布更均衡。

附图说明

图1为本实用新型的流板的立体图；

图2为本实用新型的流板的主视图；

图3为图2中A-A处的剖面图；

图4为本实用新型的PEM电解槽的爆炸图；

图5为本实用新型的阳极板、阳极边框、阳极多孔运输层、膜电极层、阴极多孔运输层、阴极边框、阴极板的剖面示意图。

附图标记：1、阳极板；11、反应流场；2、阳极边框；3、阳极多孔运输层；4、膜电极层；5、阴极多孔运输层；6、阴极边框；7、阴极板；8、流板；81、流道；82、进水管；83、水流出口；9、歧管进出口；10、定位安装孔。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本实用新型作进一步详细说明。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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，不能理解为对本实用新型的限制。

实施例

请参阅图4、图5所示，本实用新型的实施例提供的一种PEM电解槽，包括依次层叠的阳极端板(图中未示出)、阳极板1、阳极边框2、阳极多孔运输层3、膜电极层4、阴极多孔运输层5、阴极边框6、阴极板7和阴极端板(图中未示出)。阳极端板和阴极端板设置在PEM电解槽的外侧，用于固定阳极板1和阴极板7，阳极板1和阴极板7用于与电源输入端连接，阳极板1和阴极板7之间的空间为阳极边框2、阳极多孔运输层3、膜电极层4、阴极多孔运输层5、阴极边框6的放置空间。

进一步，如图1至图4所示，还包括流板8，流板8设置在阳极端板和阳极板1之间，用于向阳极板1输水；具体的，流板8的内部设置有一条流道81，流板8的端部安装有进水管82，进水管82的一端与流道81连通，进水管82的另一端与水箱的出口连通。在流板8的一侧面的左侧均匀分布有一列水流出口83，水流出口83具有多个，且间距相同，多个水流出口83位于流道81的正上方，且多个水流出口83与流道81均相互连通，多个水流出口83均通过歧管与阳极板1的反应流场11连通；通过进水管82输入流道81的水，再通过多个水流出口83向歧管输水，流向歧管的流量会非常均匀的分配，可以减轻了水在单电池上供给的压力，还可避免在膜电极有效面积内产生多余的气泡压力分布更平衡。

阳极板1的阴极板7的左右两侧及上下两侧均开设有呈长条状的歧管进出口9，流板8上的一列水流出口83与阳极板1左侧的歧管进出口9连通，一列水流出口83通过歧管与阳极板1左侧的歧管进出口9连通，阳极板1和阴极板7的一侧面均设有与歧管进出口9连通的反应流场11。

以上仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围。

本实用新型在上述基础上还具有如下实施方式：

进一步，所述流板8的上下两侧和右侧均开设有呈长条状的歧管进出口9，流板8的上下两侧的歧管进出口9用于将反应产生的氢气与水蒸气输出，流板8的右侧的歧管进出口9用于将反应产生的氧气与水蒸气输出。

流板8与阳极端板为相互独立或者集成在一起，如果将流板8集成在阳极端板上，就是在阳极端板上开设流道81和一列水流出口83，相比单独设置流板8的形式，能够降低PEM电解槽的厚度。

还有，反应流场11为平行流场，反应流场11内具有多个并排分布的流道81。阳极板1和阴极板7上均通过长条状的歧管进出口9与反应流场11连通，因此反应流场11设为平行流场，便于从歧管进出口9的水均匀分布在反应流场11的各个流道81内。

另外，膜电极层4包括质子交换膜和在质子交换膜的两个侧面上涂覆有催化剂电极，质子交换膜靠近阴极板7的一侧为析氢催化剂，靠近阳极板1的一侧为析氧催化剂；膜电极层4用于将水分子分解成将氢离子和氧离子，然后将氢离子和氧离子分别转移到阳极和阴极上，最终生成氢气和氧气。

阳极多孔运输层3采用钛毡或者涂覆有铂金的钛网，阴极多孔运输层5采用钛毡或者涂覆有铂金的钛网或者碳纸或者碳毡。

如图4所示，阳极边框2的上下两侧均开设有呈长条状的歧管进出口9，阴极边框6的左右两侧均开设有呈长条状的歧管进出口9；阳极边框2和阴极边框6的中部形成中空区域。膜电极层4位于阳极边框2和阴极边框6之间，阳极多孔运输层3安置于阳极边框2的中空区域内，阴极多孔运输层5安置于阴极边框6的中空区域内。

如图1和图4所示，阳极端板、阳极板1、阳极边框2、膜电极层4、阴极边框6、阴极板7、阴极端板和流板8的四角处均开设有定位安装孔10，通过螺栓穿过定位安装孔10连接起来。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种PEM电解槽，包括依次层叠的阳极端板、阳极板(1)、阳极边框(2)、阳极多孔运输层(3)、膜电极层(4)、阴极多孔运输层(5)、阴极边框(6)、阴极板(7)和阴极端板，其特征在于：还包括流板(8)，所述流板(8)位于阳极端板和阳极板(1)之间，所述流板(8)的内部设置有一条流道(81)，所述流板(8)的端部安装有进水管(82)，所述进水管(82)与流道(81)连通，所述流板(8)一侧面的左侧均匀分布有一列水流出口(83)，所述流道(81)与一列水流出口(83)均相连通；

所述阳极板(1)和阴极板(7)的左右两侧及上下两侧均开设有呈长条状的歧管进出口(9)，所述流板(8)上的一列水流出口(83)与阳极板(1)左侧的歧管进出口(9)连通，所述阳极板(1)和阴极板(7)的一侧面均设有与歧管进出口(9)连通的反应流场(11)。

2.根据权利要求1所述的PEM电解槽，其特征在于：所述流板(8)的上下两侧和右侧均开设有呈长条状的歧管进出口(9)，所述流板(8)与阳极端板为相互独立或者集成在一起。

3.根据权利要求1所述的PEM电解槽，其特征在于：所述反应流场(11)为平行流场，所述反应流场(11)内具有多个并排分布的流道(81)。

4.根据权利要求1所述的PEM电解槽，其特征在于：所述膜电极层(4)的侧面上涂覆有催化剂电极。

5.根据权利要求1所述的PEM电解槽，其特征在于：所述阳极多孔运输层(3)采用钛毡或者涂覆有铂金的钛网，所述阴极多孔运输层(5)采用钛毡或者涂覆有铂金的钛网或者碳纸或者碳毡。

6.根据权利要求1所述的PEM电解槽，其特征在于：所述阳极边框(2)的上下两侧均开设有呈长条状的歧管进出口(9)，所述阴极边框(6)的左右两侧均开设有呈长条状的歧管进出口(9)，所述阳极边框(2)和阴极边框(6)的中部均形成中空区域。

7.根据权利要求6所述的PEM电解槽，其特征在于：所述膜电极层(4)位于阳极边框(2)和阴极边框(6)之间，所述阳极多孔运输层(3)安置于阳极边框(2)的中空区域内，所述阴极多孔运输层(5)安置于阴极边框(6)的中空区域内。