一种差压式膜电极及电解槽结构的制作方法

本发明涉及水电解，具体涉及一种差压式膜电极及电解槽结构。

背景技术：

1、随着日益增长的低碳减排需求，氢的绿色制取技术受到广泛的重视。氢能在能源转型的过程中的主要作用是：实现大规模、高效可再生能源的消纳，在不同行业和地区间进行能量再分配，充当能源缓冲载体以提高能源系统韧性，降低交通运输过程中的碳排放，代替焦炭用于冶金工业，降低建筑采暖的碳排放。

2、pem(质子交换膜)电解水技术近年来产业发展迅速，pem电解水制氢技术的运行电流密度高、能耗低、产氢压力高，适应可再生能源发电的波动性特征、易于与可再生能源相结合，是电解水制氢的适宜方案。pem水电解槽以pem为电解质，以纯水为反应物，加之pem的氢气渗透率较低，产生的氢气纯度高，仅需脱除水蒸气；电解槽采用零间距结构，欧姆电阻较低，显著提高电解过程的整体效率，且体积更为紧凑；压力调控范围大，氢气输出压力可达到数兆帕，适应快速变化的可再生能源电力输入。

3、针对于pem水电解装置的寿命，经研究发现，催化剂和膜的脱落、水流量的变化、供水管路的腐蚀等会导致欧姆阻抗的提高，膜电极结构被破坏后会导致欧姆阻抗提高，膜电极结构被破坏后会诱发两侧气体泄漏并造成氢气纯度降低，温度/压力变化、电流密度和功率负载循环也会影响部件衰减速率。

4、高压pem制氢技术分为均压式与差压式两类，差压式制氢的氢侧工作在高压状态，氧侧工作在常压状态。差压式制氢过程中，高压差直接作用在质子交换膜上，氢气在高压差下的渗透是关键问题之一。氢气渗透除降低效率之外，阳极的氧中氢含量过高将引发安全问题。另外，渗透会导致燃料电池开路电压(ocv)降低，进一步影响寿命。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的差压式pem水电解制氢在高压下的氢气渗透率高，设备寿命短和成本高的缺陷，从而提供一种差压式膜电极及电解槽结构。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、一种差压式膜电极，包括：壳体和质子交换膜；所述质子交换膜安装于所述壳体内，所述质子交换膜以宽度方向的中线为轴，左右两侧沿同一个方向自内而外卷绕以形成螺线结构，所述质子交换膜的第一侧表面围合形成第一过流通道，所述质子交换膜的第二侧表面围合形成第二过流通道，所述第一过流通道和所述第二过流通道交替设置，水流通入第一过流通道内电解生成氢气，水流通入第二过流通道内生产氧气。

4、根据本发明的一些实施例，所述质子交换膜卷绕的纵截面呈阿基米德螺线结构。

5、根据本发明的一些实施例，所述质子交换膜卷绕的纵截面呈费马螺线结构。

6、根据本发明的一些实施例，所述质子交换膜以宽度方向的中线为对称轴，所述第一侧表面的至少一侧设有多个第一导流柱，所述第二侧表面的至少一侧设有多个所述第二导流柱。

7、根据本发明的一些实施例，所述第一导流柱和所述第二导流柱均匀排列分布。

8、根据本发明的一些实施例，还包括设于所述壳体两侧的第一连接法兰和第二连接法兰，所述质子交换膜沿长度方向的两侧分别设有第一极耳和第二极耳，所述第一连接法兰设有与所述第一极耳连接的第一卡槽，所述第二连接法兰设有与所述第二极耳连接的第二卡槽，所述第一连接法兰和所述第二连接法兰将所述质子交换膜密封于所述壳体内。

9、根据本发明的一些实施例，所述第一卡槽和所述第二卡槽均为螺线卡槽，所述第一卡槽和所述第二卡槽的螺线性质与所述质子交换膜的螺线性质一致。

10、根据本发明的一些实施例，所述第一连接法兰或所述第二连接法兰上设有第一料口和第二料口，所述壳体上设有第三料口和第四料口，所述第一料口通过所述第一过流通道与所述第三料口连通，所述第二料口通过所述第二过流通道与所述第四料口连通。

11、根据本发明的一些实施例，所述质子交换膜的第二侧表面设有pt基催化层。

12、本发明还提供了一种电解槽结构，装配有上述的差压式膜电极。

13、本发明技术方案，具有如下优点：

14、1.本发明提供的一种差压式膜电极，通过将质子交换膜卷绕形成螺线结构，质子交换膜的第一侧表面和第二侧表面分别围合形成第一过流通道和第二过流通道，水流通入第一过流通道和第二过流通道内，由于质子交换膜的上第二侧表面分别涂布不同的功能层，以将第一过流通道和第二过流通道内的水流进行电解，使得第一过流通道内产生氢气，第二过流通道内产生氧气，第一过流通道和第二过流通道之间形成压差。将质子交换膜卷绕，使得第一过流通道和第二过流通道均为螺线结构，水流在第一过流通道和第二过流通道内流动的过程中，水流压力在径向上呈梯度分布，从而在径向上的压力相互抵消，从而减小氢气从第一过流通道至第一过流通道的渗透量，提高安全性，延长使用寿命，降低成本。

15、2.本发明提供的差压式膜电极，通过将质子交换膜卷绕，减小水流流动的剪切力，提高质子交换膜的面积的使用率，从而提高电解速率，降低成本。

16、3.本发明提供的差压式膜电极，通过将质子交换膜卷绕呈阿基米德螺线或费马螺线，通过数学公式对第一过流通道的直径和第二过流通道的直径的参数进行描述，便于模拟过程，方便参数的优化和调节，以提供数字化生产，提高使用便利性。

17、4.本发明提供的差压式膜电极，在质子交换膜的第一侧表面和第二侧表面设置第一导流柱和第二导流柱，通过控制第一导流柱和第二导流柱的数量以及分布方式，对水流流量进行控制，从而达到减小压差的目的，同时增加了整体结构的稳定性。

18、5.本发明提供的差压式膜电极，第一连接法兰和第二连接法兰设置于壳体的两侧，以将质子交换膜的两侧进行密封，第一连接法兰设置的第一卡槽和第二连接法兰设置的第二卡槽均为螺线卡槽，通过将质子交换膜上的第一极耳和第二极耳分别安装在第一卡槽和第二卡槽内，有效地增加整个膜电极的密封性与机械性能，减少第一过流通道和第二过流通道的液体的渗漏。增加了膜电极的使用寿命。

19、6.本发明提供的差压式膜电极，质子交换膜的第二侧表面设有pt基催化层，使得从第一侧表面渗透至第二侧表面的氢气发生氧化反应，从而降低氧气中的氢含量，延长使用寿命。

20、7.本发明提供的电解槽结构，装配有上述的差压式膜电极，可提高电解效率，延长使用寿命，降低成本。

技术特征：

1.一种差压式膜电极，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的差压式膜电极，其特征在于，所述质子交换膜(2)卷绕的纵截面呈阿基米德螺线结构。

3.根据权利要求1所述的差压式膜电极，其特征在于，所述质子交换膜(2)卷绕的纵截面呈费马螺线结构。

4.根据权利要求2或3所述的差压式膜电极，其特征在于，所述质子交换膜(2)以宽度方向的中线为对称轴，所述第一侧表面的至少一侧设有多个第一导流柱(23)，所述第二侧表面的至少一侧设有多个第二导流柱(24)。

5.根据权利要求4所述的差压式膜电极，其特征在于，所述第一导流柱(23)和所述第二导流柱(24)均匀排列分布。

6.根据权利要求1所述的差压式膜电极，其特征在于，还包括设于所述壳体(1)两侧的第一连接法兰(5)和第二连接法兰，所述质子交换膜(2)沿长度方向的两侧分别设有第一极耳(21)和第二极耳(22)，所述第一连接法兰(5)设有与所述第一极耳(21)连接的第一卡槽(51)，所述第二连接法兰设有与所述第二极耳(22)连接的第二卡槽，所述第一连接法兰(5)和所述第二连接法兰将所述质子交换膜(2)密封于所述壳体(1)内。

7.根据权利要求6所述的差压式膜电极，其特征在于，所述第一卡槽(51)和所述第二卡槽均为螺线卡槽，所述第一卡槽(51)和所述第二卡槽的螺线性质与所述质子交换膜(2)的螺线性质一致。

8.根据权利要求7所述的差压式膜电极，其特征在于，所述第一连接法兰(5)或所述第二连接法兰上设有第一料口(31)和第二料口(41)，所述壳体(1)上设有第三料口(11)和第四料口(12)，所述第一料口(31)通过所述第一过流通道(3)与所述第三料口(11)连通，所述第二料口通过所述第二过流通道(4)与所述第四料口(12)连通。

9.根据权利要求1所述的差压式膜电极，其特征在于，所述质子交换膜(2)的第二侧表面设有pt基催化层。

10.一种电解槽结构，其特征在于，装配有权利要求1至9任一项所述的差压式膜电极。

技术总结
本发明公开了一种差压式膜电极及电解槽结构，差压式膜电极包括：壳体和质子交换膜。通过将质子交换膜卷绕形成螺线结构，质子交换膜的第一侧表面和第二侧表面分别围合形成第一过流通道和第二过流通道，水流通入第一过流通道内产生氢气，水流通入第二过流通道内产生氧气，第一过流通道和第二过流通道之间形成压差。将质子交换膜卷绕，使得第一过流通道和第二过流通道均为螺线结构，水流在第一过流通道和第二过流通道内流动的过程中，压力在径向上呈梯度分布，从而在径向上的压力相互抵消，从而减小氢气从第一过流通道至第一过流通道的渗透量，提高安全性，延长使用寿命，降低成本。

技术研发人员：朝木日丽格,谯耕,滕越,王缔,宋洁,叶青
受保护的技术使用者：全球能源互联网欧洲研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13