[发明专利]一种带有紊流强化模块的电解水制氢装置及方法

说明书

本发明属于水电解制氢技术领域，公开了一种带有紊流强化模块的电解水制氢装置及方法，端压极板包括阴极端压极板和阳极端压极板，端压极板内侧中央开设有用于安放流场模块的方形凹槽；流场模块包括阴极流场模块和阳极流场模块，一面光滑，另一面开设有蛇形螺纹流道；金属电极包括金属阴极、金属阳极，为多孔材质电极；隔膜位于阴极端压极板和阳极端压极板中间。本发明利用流场模块作为紊流强化模块，可以增强流道内的传质效果，电解液在流场内部冲刷电极，强化气液传质能力，提升水电解效率，便于清理流场，降低装配难度，可应对多种种类以及厚度的电极、可实现不同流场的切换、以及适应碱性阴离子交换膜水电解和质子交换膜两种水电解工况。

技术领域

本发明属于水电解制氢技术领域，尤其涉及一种带有紊流强化模块的电解水制氢装置及方法。

背景技术

目前，氢能作为理想的能源形式，可以加快能源结构的调整，帮助实现两碳目标。阴离子交换膜(AEM)以及质子交换膜(PEM)电解水制氢技术成为研究的重要方向。电解水制氢由于装置结构紧凑、制氢效率高被认为是最有潜力的一种制氢技术。电解槽运行时，内部同时涉及电化学反应、传质以及传热现象。

目前，碱性电解槽(AWE)的电解效率基本在60％左右，质子交换膜电解槽(PEM)电解效率在75％左右，这是由于为了保证达到目标电流密度，需要在电解小室两端施加过大的电压导致实际的效率偏低。为了降低电解小室实际加载的电压，从催化剂层面来看，需要性能更好的非贵金属催化剂来实现阴极与阳极较低的过电位；在电解槽结构层面上需要更多的研究来证实电解槽如流道结构参数对电解水性能的影响，支撑高性能电解槽的工业应用与发展。

极板是电解槽内部核心组件之一，极板上的流道流场结构对电解水效率有着关键的影响，流道结构能够决定电解液与电极的气液交换效率，通过电解液的流动及时带走电极表面生成的产物气泡，提升电解槽的电解效率。

合理的流道结构能够改善电解槽内部的水分布、压力分布以及热量的分布，提升产氢量的同时延长电解槽使用寿命。目前大量研究表明电极表面气泡覆盖不能及时脱离是导致电解效率降低的重要原因，而现有的流道设计在电解液入口流量不高的情况下，容易造成气泡堵塞、气液交换能力不足的问题。

传统单室电解槽是通过螺栓将端压电极板、隔膜、电极等部件多级堆叠后紧密的压在一起。通常在电解槽上部设置一个出气口，下部设置一个进水口，通过一个水泵来完成反应中电解液的持续供给。隔膜在两个电极之间起着分隔氢氧气体的作用。极板上雕刻有复杂的流道，目的是改善在电解槽内部的气液交换。然而在使用多孔结构的电极时，产生的氢氧气泡通常容易滞留在多孔电极内部，气泡的过多停留会导致电极实际与水的接触点位大幅降低，严重影响了电解水的实际性能。以往的研究表明，电极表面的气泡覆盖率是制约电极电流密度的关键因素。因此在电解过程中往往需要较高的压力和电解液流量来冲刷电极表面，及时排出多孔电极中的气泡，增加气液交换能力。

极板上的流道通常细长且窄(流道通常为约1mm宽，不超过1mm深的非贯通槽)，这种传统的流道对电极的冲刷能力较弱，在额定电解液流量下电解液将电极表面带走气泡的能力有限，并且在使用过程中一旦流道出现堵塞现象不便于拆卸清理。

极板的功能包括导电、提供水路、分离氧气和氢气、支撑电解槽和提供热传导。因此、板材材料要求导电性高、耐腐蚀、透气性低、机械强度强、导热系数高。镀有贵金属(如Au和Pt)的极板仍然是最好的选择，而引入贵金属大大增加了成本。在电解槽成本中，极板的成本占电解槽成本的60％以上，因此构建一种与极板分离的流道模块并改善极板的加工方式，对降低成本及提高可加工性非常重要。