[发明专利]一种质子交换膜水电解装置

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜水电解装置，具体涉及质子交换膜水电解装置的结构设计以及流场设计。

背景技术

氢能作为一种原料无限的清洁、高效能源和载能体，可与太阳能发电以及氢氧燃料电池联用，是清洁、高效利用可再生能源的关键环节。其中，PEM纯水电解技术是目前制氢领域重点发展、甚至首选的方法。

采用质子交换膜水电解装置可获得高纯的氢气、氧气，其原理为质子交换膜两侧设有电极催化层，而得到电解质膜-电极结构体，其两侧与多孔钛网扩散层紧密接触构成膜电极，膜电极两侧配设有流场板，起到导电体、气液传输的作用。流场板两端施加电压，并且向阳极侧供电体供给水后，在膜电极阳极侧，水进行分解而生成氢离子和氧气，氢离子透过质子交换膜到达阴极侧，与电子结合生成氢气。所有气、液流均通过扩散层进入流场后，经流道导流下排出。为提高质子交换膜水电解装置的产气量的方法为增加水电解装置中单元数目或者膜电极的实际工作面积。

目前，质子交换膜水电解装置槽体的结构主要采用串联结构，中国专利公开号：CN 1966777A，名称“质子交换膜电解水装置”的专利申请，依次通过端板、扩散板、导电板、特殊板、将多个电解水单元进行串联，组装成水电解堆。各电解水单元高度集成，且可调节电解水单元的数目，具有产气量大、组装简易的优点。然而由于各单元串联，可能接触阻抗过大进而导致整个电解装置的内阻过大，从而降低电解效率。此外一旦一个单元出现异常，整电解水装置将无法工作。

增加水电解装置中膜电极的实际工作面积的增加会增加气液管理的难度，流场工作面积过大极易造成“死区”。因此，大流场面积需要更为严格的流场设计。中国专利公开号：CN 102086520 A，名称“水电解装置”的专利申请，带有弯头的平行流场设计提供了一种能够向各水通路均匀地分配水，能够对水流路整体均匀且可靠地供给所述水而良好地进行水分解处理的水电解装置。

此外，中国专利公开号：CN 101768752 A，名称“一种固体聚合物电解质膜水电解槽”的专利申请，其阳极流场板上具有一个水的进入通道和一个水与氧气的流出通道，其阴极流场板上具有一个一个水的进入通道和一个水与氢气的流出通道，现有的水电解装置均设有阳极侧水流路与阴极侧水流路。然而，对于固体聚合物电解质膜两侧的电极，仅阳极侧是消耗水的。因此，原理上仅需在阳极侧供应水，阳极侧水会渗透到阴极保持固体聚合物电解质膜湿润传输质子，阴极侧水流的存在会对多孔电极产生破坏，导致寿命降低。

发明内容

本发明目的在针对现有技术所存在的不足，提供一种具备全新的槽体结构以及流场设计的水电解装置。本发明涉及的水电解装置具有较高的电解效率、良好工作寿命。

本发明为解决已公开技术中存在的技术问题所采用的技术方案是：所述质子交换膜水电解装置，包括两个阳极板、一个阴双极板以及两个阳极板与阴双极板之间的膜电极。此外阳极板两端依次排列有阳极端板、绝缘垫片，阳极板与膜电极以及膜电极与阴双极板之间有密封垫片，有螺杆和螺母紧固成一体。

在槽体结构上，其特点是紧固在一体的水电解装置两端均为阳极侧，设有阳极水进口以及水氧出口；水电解装置的中间为双阴极侧，衔接两个阳极侧，水电解过程产生氢气在阴双极板流道内汇集后由氢气出口排出。该设计可使膜电极两侧压力处于平衡状态，降低气压不平衡对膜电极的损伤。

在流场结构上，所述阳极板、阴双极板具有多个平行流道，每个平行流道进、出口均采用与外圆弧呈90度的弯头与主流道连通，构成气液单相或两相流的通路。该设计能均衡各液、气液通道的沿程阻力，能够均匀的向各通道分配水，使得膜电极更好地进行电解。

本发明还采用如下的技术措施：所述质子交换膜水电解装置，其特点是：阳极板、阴双极板以及端板为经过表面处理的钛板或者镀钽的不锈钢板材料。

所述质子交换膜水电解装置，其特点是：所述的两个阳极板上各设有一个水进口和一个水氧出口；其中一侧阳极板上设有一个氢气流出通道；其所有气液进出口均为直径为6 mm的圆孔；其主流道宽度为3-4 mm，平行流道宽度为1.5-2 mm，流道深度为1.5 mm，流场板厚度为4 mm；每个平行流道进、出口均采用与外圆弧呈90度的弯头与主流道连通。

所述质子交换膜水电解装置，其特点是：所述的阴双极板上只设有氢气出口；平行流道与弯头部分为贯通设计，主流道为非贯通设计，其他流场设计参数均与阳极板相同；阴双极板内无水通入，仅为气体流道。