CN110129818B - 质子交换膜水电解槽 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜水电解槽，包括质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、阴极扩散层和阳极扩散层，阴极催化层和阳极催化层分别喷涂在质子交换膜两侧，形成三合一结构的膜电极，膜电极安装在中间基板的中部，中间基板的两侧分设有阴极流场板和阳极流场板，阴极流场板的左端设有左环氧树脂板，阳极流场板的右端设有右环氧树脂板，左环氧树脂板和右环氧树脂板的中部均嵌设有集流板，左端板、左环氧树脂板、阴极流场板、中间基板、阳极场流板、右环氧树脂板和右端板上设有相通的气液体孔道。本发明可以提高电解效率，降低电流损耗，减小水电解槽质量及体积，降低装配难度、延长水电解槽使用寿命。

Description

质子交换膜水电解槽
技术领域
本发明涉及质子交换膜电解水领域，更具体地说，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，被视作最理想的能源载体。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相结合，电解水可以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。
质子交换膜电解水技术是通过电解水生成氧气和氢气，去离子水通过去离子水流入通道、经过扩散层扩散到质子交换膜阳极侧，在催化剂作用下电解产生氧气和氢离子，氧气随着未参加电解的去离子水通过含氧去离子水通道流出电解槽，而氢离子则穿过质子交换膜到阴极侧，然后生成氢气，并通过阴极扩散层流入氢气排出通道，随后流出电解槽。
质子交换膜电解水技术是目前几种电解水技术中效果最好的，20世纪70年代由美国通用公司研究发展起来的基于纯水电解的技术，目前尚处于研发阶段。质子交换膜作为电解质具有良好的机械强度和化学稳定性、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。但是现有技术中的质子交换膜水电解槽中需要设计各种不同流道的流场板，结构复杂、体积庞大，导致加工困难，并制造成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种结构紧凑的质子交换膜水电解槽，可以提高电解效率，降低电流损耗，减小水电解槽质量及体积，降低装配难度、延长水电解槽使用寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种质子交换膜水电解槽，包括质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、阴极扩散层和阳极扩散层，所述阴极催化层和阳极催化层分别喷涂在质子交换膜两侧，形成三合一结构的膜电极，所述膜电极安装在中间基板的中部，所述中间基板的两侧分设有阴极流场板和阳极流场板，所述阴极扩散层镶嵌在阴极流场板的中部，所述阳极扩散层镶嵌在阳极流场板的中部，所述阴极流场板的左端设有左环氧树脂板，所述阳极流场板的右端设有右环氧树脂板，所述左环氧树脂板和右环氧树脂板的中部均嵌设有集流板，所述左环氧树脂板的左侧设有左端板，所述右环氧树脂板的右侧设有右端板；所述左端板、左环氧树脂板、阴极流场板、中间基板、阳极场流板、右环氧树脂板和右端板固定连接，并且都设有相通的气液体孔道。
上述方案中，所述阳极扩散层采用多层钛网加钛毛毡结构，钛网孔径从阴极流场板侧到膜电极侧是逐渐变小，钛网孔径从阳极流场板侧到膜电极侧是逐渐变小。
上述方案中，所述阴极扩散层采用多层碳纸结构。
上述方案中，所述阴极扩散层与流场板过盈配。
上述方案中，所述阴极流场板和阳极流场板的表面微凸。
上述方案中，所述集流板边缘设有用于连接电源的连接耳板。
上述方案中，所述左端板、左环氧树脂板、阴极流场板、中间基板、阳极场流板、右环氧树脂板和右端板的接触面都设有密封槽，所述密封槽内安装密封圈。
上述方案中，所述气液体孔道包括位于下方去离子水进入电解槽通道、位于上方的含氧去离子水流出电解槽通道和位于左右两侧的为氢气排出电解槽通道。
上述方案中，所述阴极流场板、阳极流场板、左环氧树脂板、右环氧树脂板、左端板、右端板的边缘均设置有螺栓孔。
上述方案中，所述阴极流场板、阳极流场板、左环氧树脂板、右环氧树脂板、左端板、右端板的边缘设置有定位孔。
实施本发明的质子交换膜水电解槽，具有以下有益效果：
1、本发明通过各板之间对应的气液体孔道，实现气体和液体的流通，无需设置复杂的流道，采用无流道的流场板可以降低加工难度及成本。
2、采用无流道设计，阴阳极气体扩散层镶嵌在流场板内，且阴极扩散层与流场板过盈配合，保证碳纸有一定压缩率，有利于扩散层与膜电极的接触和气体排出。
3、本发明流场板采用微凸设计，可以在电解槽组装时提高质子交换膜与扩散层的接触效果，防止质子交换膜溶胀变形，从而提高电解效率。
4、本发明阳极扩散层采用多层钛网加钛毛毡结构，并且钛网孔径从流场板侧到膜电极侧是逐渐变小的，此外在钛网和膜电极之间放置钛毛毡。阴极扩散层采用多层碳纸结构，有利于水气传输和扩散层与膜电极的接触，降低接触电阻，提高水电解性能，还可以防止扩散层的腐蚀。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明质子交换膜水电解槽的结构示意图；
图2是图1的零件***示意图；
图3是质子交换膜的结构示意图；
图4是阴极流场板的结构示意图；
图5是阳极流场板的结构示意图；
图6是集流板的结构示意图；
图7是左端板或右端板的结构示意图；
图8是流场板另一实施例的结构示意图。。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-7所示，本发明质子交换膜1水电解槽，包括质子交换膜1、阴极催化层、阳极催化层、阴极扩散层2、阳极扩散层3、阴极流场板4、阳极流场板5、左环氧树脂板6、右环氧树脂板7、左端板8和右端板9。左端板8、左环氧树脂板6、阴极流场板4、中间基板10、阳极场流板、右环氧树脂板7和右端板9固定连接，并且都设有相通的气液体孔道。
阴极催化层和阳极催化层分别喷涂在质子交换膜1两侧，形成三合一结构的膜电极，便于装配，膜电极安装在中间基板10的中部。电解质为质子交换膜1，是目前技术比较成熟的质子交换膜1，其优点在于质子电导率高、电化学稳定性好、具有一定机械强度、隔气性能高。将阴极催化层、阳极催化层分别喷涂到质子交换膜1两侧形成三合一结构，这种结构可以降低催化剂载量，还可以显著提高催化剂的活性表面积、化学稳定性，降低质子传导阻力。
中间基板10的两侧分设有阴极流场板4和阳极流场板5，阴极扩散层2镶嵌在阴极流场板4的中部，阳极扩散层3镶嵌在阳极流场板5的中部。阳极扩散层3采用多层钛网加钛毛毡结构，并且钛网孔径从流场板侧到膜电极侧是逐渐变小的，此外在钛网和膜电极之间放置钛毛毡，有利于水气传输和扩散层与膜电极的接触，降低接触电阻，提高水电解性能。阴极扩散层2采用多层碳纸结构，有利于水气传输和扩散层与膜电极的接触，降低接触电阻，提高水电解性能。根据其与流场板的配合确定碳纸层数、粘连在一起，不影响扩散性能，降低组装难度。
阴极流场板4和阳极流场板5为纯钛材质，表面涂层，其优点在于可以降低直流电流损耗，耐腐蚀，使用寿命长。阴极流场板4和阳极流场板5采用微凸形设计，保证整体受力平衡，防止质子交换膜1不规则变形，提高水电解性能。阴极流场板4和阳极流场板5采用无流道设计，阴极气体扩散层、阳极气体扩散层镶嵌在流场板内，且阴极扩散层2与阴极流场板4过盈配合，保证碳纸有一定压缩率，有利于阴极扩散层2与膜电极的接触和气体排出。
本实施例中的质子交换膜1水电解槽结构为单片质子交换膜1电解槽结构，但是对于多片质子交换膜1串联的电解槽也同样适用，多片结构主要区别在于流场板两侧是作为两个相邻单电解槽结构的阴阳极流场板5，即将阴极侧流场与阳极侧流场整合到一块流场板上，如图8所示。
阴极流场板4的左端设有左环氧树脂板6，阳极流场板5的右端设有右环氧树脂板7，左环氧树脂板6和右环氧树脂板7的中部均嵌设有集流板11。集流板11为铜板，表面镀金，可以减小电阻，降低能耗，防止腐蚀。集流板11镶嵌于环氧树脂板内，可以增强绝缘性能，还有利于减小电解槽整体体积。并且集流板11设计有外延的连接耳板12，用于连接直流电源。
左环氧树脂板6的左侧设有左端板8，右环氧树脂板7的右侧设有右端板9。左端板8和右端板9采用铝合金材质，且端板外侧安装管道接头，用于气液体的传输，其优点在于可以保证端板的刚度及强度，并且减轻整个水电解槽质量。
左端板8、左环氧树脂板6、阴极流场板4、中间基板10、阳极场流板、右环氧树脂板7和右端板9的接触面都设有密封槽，密封槽内安装密封圈。
气液体孔道包括位于下方去离子水进入电解槽通道15、位于上方的含氧去离子水流出电解槽通道14和位于左右两侧的为氢气排出电解槽通道13。阴极流场板4、阳极流场板5、左环氧树脂板6、右环氧树脂板7、左端板8、右端板9的边缘均设置有螺栓孔16,用于安装紧固螺栓。阴极流场板4、阳极流场板5、左环氧树脂板6、右环氧树脂板7、左端板8、右端板9的边缘设置有定位孔17，可对电解槽组装时提供精确定位。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种质子交换膜水电解槽，包括质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、阴极扩散层和阳极扩散层，其特征在于，所述阴极催化层和阳极催化层分别喷涂在质子交换膜两侧，形成三合一结构的膜电极，所述膜电极安装在中间基板的中部，所述中间基板的两侧分设有阴极流场板和阳极流场板，所述阴极扩散层镶嵌在阴极流场板的中部，所述阳极扩散层镶嵌在阳极流场板的中部，所述阴极流场板的左端设有左环氧树脂板，所述阳极流场板的右端设有右环氧树脂板，所述左环氧树脂板和右环氧树脂板的中部均嵌设有集流板，所述左环氧树脂板的左侧设有左端板，所述右环氧树脂板的右侧设有右端板；所述左端板、左环氧树脂板、阴极流场板、中间基板、阳极场流板、右环氧树脂板和右端板固定连接，并且都设有相通的气液体孔道；所述阳极扩散层采用多层钛网加钛毛毡结构，钛网孔径从阳极流场板侧到膜电极侧是逐渐变小；所述阴极扩散层采用多层碳纸结构；所述阴极扩散层与流场板过盈配合；所述阴极流场板和阳极流场板的表面微凸；所述阴极流场板和阳极流场板上没有设置流道。
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，所述集流板边缘设有用于连接电源的连接耳板。
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，所述左端板、左环氧树脂板、阴极流场板、中间基板、阳极场流板、右环氧树脂板和右端板的接触面都设有密封槽，所述密封槽内安装密封圈。
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，所述气液体孔道包括位于下方去离子水进入电解槽通道、位于上方的含氧去离子水流出电解槽通道和位于左右两侧的为氢气排出电解槽通道。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，所述阴极流场板、阳极流场板、左环氧树脂板、右环氧树脂板、左端板、右端板的边缘均设置有螺栓孔。
6.根据权利要求5所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，所述阴极流场板、阳极流场板、左环氧树脂板、右环氧树脂板、左端板、右端板的边缘设置有定位孔。
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