[发明专利]质子交换膜水电解槽、系统及方法

说明书

本发明提供一种质子交换膜水电解槽、系统及方法。电解槽包括膜电极、端板、正极流场组件及负极流场组件，至少一个端板上设置有用于排出气体和进出水的开孔，流场组件上均设置有与开孔相连通的导流孔，且流场组件沿远离膜电极的方向设置有扩散结构层、双极板、流道密封垫和流道板，双极板上设置有贯通槽，流道板上设置有贯通槽、浅槽以及连通窄槽，双极板和流道板之间设置有间隙，双极板的贯通槽、流道板的贯通槽、浅槽、连通窄槽、流道板及双极板之间的间隙互相连通而构成储水排气腔。本发明可以大大降低水电解槽的流场结构的加工难度，降低加工成本，有助于延长电解槽的使用寿命，实现水电解槽的无泵化运行。

技术领域

本发明涉及电解水技术领域，特别是涉及一种质子交换膜水电解槽、系统及方法。

背景技术

目前PEM(聚合物电解质膜，也叫质子交换膜)水电解制氢的瓶颈环节在于电解槽的寿命和成本。膜电极的寿命是决定电解槽寿命的主要原因。现有的膜电极寿命实际上受两个方面的制约，一个是催化剂的寿命，但催化剂的寿命在近年已有很大进展。另一个影响膜电极寿命的是电解槽的几何结构，特别是流场结构，不良的流场设计会导致膜电极出现缺水、过热等致命缺陷，从而使得膜电极过早失效。

传统PEM电解槽是由两块端板通过螺栓将钛双极板、钛毡集电器和涂布有催化剂的质子膜电极等部件多层堆叠串联后紧密的压在一起。通常在电解槽上部设置一个出水口，下部设置一个进水口，通过一个水泵来完成水的持续供给。双极板两侧或单侧需要雕刻复杂狭窄的流道(通常在1mm左右宽窄，深度0.3mm以上)。流道的做法目前有几种，一种是通过电火花加工蚀刻，另一种是利用雕铣机进行雕铣加工，另也有采用将0.05-0.8mm左右的钛箔通过冲压形成流道，然后在两侧焊接或胶接边框，以便密封并分隔两边的气体。但是前两种方法通常加工一片流场面积为100平方厘米的双极板就需要在高速CNC机床或电火花机上加工十几个小时，且也很难保证全面积上加工质量的一致性，更不用说大型电解槽上用的上千平方厘米的双极板了，其加工不但耗时，成品率也很难保证，加工成本极高。后一种冲压方法，由于钛的特性，太薄时冲压出的流道无法提供足够的支撑力，使用时造成流道坍塌，钛箔太厚时又无法冲压出平整且小间距(小于1mm)的深流道，其可实现性，以及双极板的电性能往往并不如意。

更致命的问题是，当电极面积很大时，由于流道深度不够(前述的窄而深的流道非常难加工)，电解槽在以大电流密度(1A·cm–2)运行时，生成的气流会挤占水道，从而造成局部，特别是造成电解槽上部缺水而导致过热，严重影响电解槽寿命。

专利CN 211556044 U中公布了一种电解槽及阳极电极板(即双极板)结构，其阳极电极板上留有2到100个条形槽，同时在阳极侧设置了导水板，其竖直使用的方式可能依旧会导致电解槽上部气体堆积而造成局部缺水。大型电解槽通常是多单元串联的，电极板同时起到提供流场和隔断两边气体的作用，同时多单元串联成一体时有严苛的密封要求，而该专利仅适用于单片电解槽时的情况，无法实现多单元的串联。且大型电解槽中阴极出氢侧的水路气路管理也极其重要，该专利显然并未对阴极侧加以改进。

因此发展出一种既能用于多级串联的，又能提供流畅流道的电解槽结构是非常关键的。同时，电解槽成本中，双极板约占48％，因此寻求一种新的流场结构并改善双极板的加工方式，以降低成本及提高可加工性非常重要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种质子交换膜水电解槽、系统及方法，用于解决现有技术中的PEM电解槽双极板加工难度大，加工成本高，电解槽中存在水路气路不畅、缺水等流场难题及电解槽容易局部缺水过热，导致电解槽使用寿命缩短等问题。