[發明專利]一種質子交換膜電解槽及其應用

在審

• 申請號: 202310585811.1
• 申請日: 2023-05-23
• 公開（公告）號: CN116575046A
• 公開（公告）日: 2023-08-11
• 發明（設計）人: 楊寧;白謹豪;管小平
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: C25B9/23
• 分類號: C25B9/23;C25B1/04
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 陳小龍

本發明提供了一種質子交換膜電解槽及其應用，所述質子交換膜電解槽包括陽極雙極板，所述陽極雙極板的表面設置有至少一條相互平行的流場通道，至少一條所述流場通道內設置有至少一個擋流板。本發明提供的質子交換膜電解槽的流場通道中設置有擋流板，能夠實現流場通道內氧氣的再分布，使得質子交換膜電解槽中靠近多孔介質層處的氧氣含量降低，從而加快了氧氣的快速移除；所述質子交換膜電解槽有效地提高了電解水制氫時電解槽內部的氣液傳輸能力，避免了高電流密度下氧氣移除不足帶來的傳質惡化問題。

技術領域

本發明屬于電解水制氫技術領域，涉及一種質子交換膜電解槽，尤其涉及一種質子交換膜電解槽及其應用。

背景技術

將太陽能與風能等可再生能源轉化為電能進行電解水制氫具有極大的發展潛力，能夠極大降低環境污染，實現無碳排放，是一條完全綠色的技術路線。質子交換膜電解槽(PEMWE)具有電解效率高、響應時間短、氣體純度高及易于處理等優點，已被廣泛認為是從可再生能源生產氧氣和氫氣的有效方式，但仍存在成本高(其中PEMWE電堆占電解系統總成本的37％)和電解效率低等問題。在成本方面，人們普遍認識到，提高工作電流密度是降低成本的有效技術手段。然而，隨著電流密度的增加，系統產氣量逐漸增大，使得陽極多孔介質層的氧氣無法有效移除，從而造成電解槽電解效率顯著下降。具體原因主要包括以下三個方面：(a)氧氣阻礙了反應物水分向催化層擴散；(b)氧氣覆蓋催化活性位點，減少了反應活性面積；(c)氧氣的導熱性差，催化層出現局部熱點，加速了隔膜的降解。

CN211556049U公開了一種質子交換膜電解槽及制氫模塊，該質子交換膜電解槽包括質子交換層，所述質子交換層的兩側皆設置有擴散層、雙極板、電極和端板，所述擴散層、雙極板、電極和端板從內到外依次設置，還包括氣體流道，所述氣體流道的第一端位于兩個所述端板之間，所述氣體流道的第二端伸出所述端板的外部，位于兩個所述端板之間的氣體流道至少部分呈彎曲設置；該質子交換膜電解槽及制氫模塊可以提高氣體管道內的氣體壓力，還有利于降溫。但是，該質子交換膜電解槽存在著氧氣無法有效移除，從而造成電解槽電解效率顯著下降的問題。

CN217009240U公開一種新型質子交換膜電解槽雙極板流場結構，通過設計自雙極板邊緣向雙極板中心逆時針旋繞而成的第一螺旋流道和自雙極板中心向雙極板邊緣順時針旋繞而成的第二螺旋流道，將第一螺旋流道的出口與第二螺旋流道的入口連通，第一螺旋流道與第二螺旋流道相互包圍的部分共用流道壁；純水自第一螺旋流道進口流入，再自第二螺旋流道的出口流出，由于第一螺旋流道與第二螺旋流道相互包圍的部分共用流道壁，因此新進入雙極板的純水通過流道壁與之前進入的純水進行熱交換，從而實現對電極進行全面的熱交換，避免電機的局部溫度過高的問題，保證對電極的冷卻效果。同樣的，該新型質子交換膜電解槽雙極板流場結構存在著氧氣無法有效移除，從而造成電解槽電解效率顯著下降的問題，同時，還新型質子交換膜電解槽雙極板流場結構的結構復雜且制造成本加高。

目前公開的質子交換膜電解槽都有一定的缺陷，存在著電解水制氫時陽極多孔介質層的中的氧氣無法被有效移除，隨著電解水的進行，質子交換膜電解槽的電解效率顯著下降的問題。因此，目前急需找到一種加快高電流密度下能夠實現陽極氧氣移除的新型質子交換膜電解槽。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種質子交換膜電解槽及其應用，本發明提供的質子交換膜電解槽的流場通道中設置有擋流板，能夠實現流場通道內氧氣的再分布，使得質子交換膜電解槽中靠近多孔介質層處的氧氣含量降低，從而加快了氧氣的快速移除；所述質子交換膜電解槽有效地提高了電解水制氫時電解槽內部的氣液傳輸能力，避免了高電流密度下氧氣移除不足帶來的傳質惡化問題。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

第一方面，本發明提供了一種質子交換膜電解槽，所述質子交換膜電解槽包括陽極雙極板，所述陽極雙極板的表面設置有至少一條相互平行的流場通道，至少一條所述流場通道內設置有至少一個擋流板。