一种碱性水电解槽用多孔传输层的制作方法

本发明属于电解水制氢，尤其涉及到一种碱性水电解槽用多孔传输层。

背景技术：

1、水电解通过施加电能，在催化剂作用下，将水分解成氢气和氧气。根据工作温度和所用电解质的类型来区分，目前主要有四种不同类型的水电解技术路线：碱性水电解、质子交换膜水电解、阴离子交换膜水电解和固体氧化物水电解。

2、与其他电解水技术相比，碱性水电解槽技术最为成熟，且不含贵金属，成本低，同时还具有工作寿命长的优势，这使得碱性水电解技术成为现阶段电解水制氢市场最主要的技术路线。

3、碱性水电解槽中两相流(产生的气体/电解液)的流体动力学特性强烈影响系统的性能。目前工业中碱性水电解槽流场主要有两种形式，即乳凸结构和膨胀网结构。其中，乳突结构一般为极板的主板在加工时冲压为凹凸形状，但存在电解液流动不均匀的现象；膨胀网结构可以通过改变膨胀网的形状结构参数获得不同电解液流道方式，膨胀网与乳突结构相比电解液分配较为均匀，且加工方式简单，但与极板和电极的接触电阻大。此外，受限于电解槽的反应特性，特别是大电流密度运行条件下产生的气泡对电解槽反应过程中的离子迁移、质量传输、系统优化和效率具有多重和关键的作用，引起电解槽电流密度和温度场存在区域差，导致电解水反应不均匀、电解效率下降。因此，需要针对电解槽关键结构进行精细化设计，改善接触电阻和电解液分配均匀性，加快电解液的快速传质和产生气泡的顺畅传输。

4、例如：公开号为cn115652352a的发明专利公开了一种用于碱性电解水制氢的气液扩散件及其应用，其提供了一种横截面为由多个流道形成的波浪形状的气液扩散件，可以使流体在气液扩散件两侧均匀流动，减少了接触电阻、避免了接触点大的应力集中、降低了流体流动阻力，提高了反应效率，而该设计并未实现电解液和气泡的高效传输。

5、公开号为cn111408725a的发明专利公开了一种具有梯度孔径的spe电解槽用气体扩散层制备方法，公开了一种具有梯度孔径的spe电解槽用气体扩散层制备方法，设计了具有梯度孔径的气体扩散层，能够促进电解小室内气液传质，提高电解槽的性能。而该设计对于电解槽存在的电流密度和温度场区域差异问题没有给出解决方案。

6、因此，有必要对这样一种结构进行改善，以克服上述缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种碱性水电解槽用多孔传输层，通过多孔传输层的设计，改善电解液分散均匀性，降低接触电阻，加快电解液快速传质和气泡的有效传输，以实现碱水电解槽高的电水解效率。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种碱性水电解槽用多孔传输层，其用于设置在碱性水电解槽的极板和电极之间，极板的两端分别设置为电解液进口和电解液出口，所述多孔传输层设有若干过流孔；

4、所述过流孔的孔径在与极板和电极垂直的方向上呈梯度变化，靠近电极一侧的孔径小，靠近极板一侧的孔径大；

5、所述过流孔的孔径在与极板和电极平行的方向上呈梯度变化，靠近电解液进口侧的孔径小，靠近电解液出口侧的孔径大。

6、进一步的，所述多孔传输层的表面材质为耐碱性金属，所述耐碱性金属包括镍金属和钛金属。

7、进一步的，所述多孔传输层为通过颗粒烧结制备的多孔板、编制网和膨胀网中的一种，

8、多孔传输层的厚度在0.1mm～20mm范围之间。

9、进一步的，所述多孔传输层的过流孔在与极板和电极垂直的方向上分为靠近极板区域、中间区域和靠近电极区域；靠近极板区域的孔径＞中间区域的孔径＞靠近电极区域的孔径。

10、进一步的，所述靠近极板区域的孔径尺寸为10mm～50mm；中间区域的孔径尺寸为10mm～1mm；靠近电极区域的孔径尺寸为0.1μm～1mm。

11、进一步的，所述多孔传输层的过流孔在与极板和电极平行的方向上分为靠近电解液出口区域、中间区域和靠近电解液进口区域；靠近电解液出口区域的孔径＞中间区域的孔径＞靠近电解液进口区域的孔径。

12、进一步的，所述靠近电解液出口区域的孔径尺寸为0.1mm～50mm，中间区域的尺寸为0.05mm～40mm，靠近电解液进口区域的尺寸为0.1μm～20mm。

13、进一步的，所述多孔传输层适用于电流密度为100a/m2～20000a/m2的碱性水电解槽。

14、综上所述，本发明具有以下有益效果：

15、本发明提供的一种多孔传输层根据大型电解槽电流密度和温度场存在区域差异的特点，设计与反应过程相匹配的两相流体结构，相比于常规金属膨胀网和乳突结构，不仅能够实现电解液均匀分配，而且多孔传输层能够与极板和电极实现面接触，能极大降低接触电阻，降低电解槽能耗。

16、本发明提供的一种梯度化的多孔传输层，这种分层梯度的多孔结构很好地匹配了电极的反应特性，利用毛细管导向效应，电解液能够自发地实现快速传质到电极表面的活性位点，电解产生的气体更加快速地通过多孔传输层传输到出液口，特别是在大电流密度下，传质更有优势。

17、本发明提供的提供一种碱性水电解槽用多孔传输层，设计了一种简单、具有快速传质效应的多孔传输层结构，便于加快电解液快速传质和气泡的有效传输，以实现碱水电解槽高的电水解效率，具有一定的经济性，适合大批量生产。

技术特征：

1.一种碱性水电解槽用多孔传输层，其用于设置在碱性水电解槽的极板和电极之间，极板的两端分别设置为电解液进口和电解液出口，其特征在于，所述多孔传输层设有若干过流孔；

2.根据权利要求1所述的碱性水电解槽用多孔传输层，其特征在于，所述多孔传输层的表面材质为耐碱性金属，所述耐碱性金属包括镍金属和钛金属。

3.根据权利要求1所述的碱性水电解槽用多孔传输层，其特征在于，所述多孔传输层为通过颗粒烧结制备的多孔板、编制网和膨胀网中的一种，多孔传输层的厚度在0.1mm～20mm范围之间。

4.根据权利要求1所述的碱性水电解槽用多孔传输层，其特征在于，所述多孔传输层的过流孔在与极板和电极垂直的方向上分为靠近极板区域、中间区域和靠近电极区域；靠近极板区域的孔径＞中间区域的孔径＞靠近电极区域的孔径。

5.根据权利要求4所述的碱性水电解槽用多孔传输层，其特征在于，所述靠近极板区域的孔径尺寸为10mm～50mm；中间区域的孔径尺寸为10mm～1mm；靠近电极区域的孔径尺寸为0.1μm～1mm。

6.根据权利要求1所述的碱性水电解槽用多孔传输层，其特征在于，所述多孔传输层的过流孔在与极板和电极平行的方向上分为靠近电解液出口区域、中间区域和靠近电解液进口区域；靠近电解液出口区域的孔径＞中间区域的孔径＞靠近电解液进口区域的孔径。

7.根据权利要求6所述的碱性水电解槽用多孔传输层，其特征在于，所述靠近电解液出口区域的孔径尺寸为0.1mm～50mm，中间区域的尺寸为0.05mm～40mm，靠近电解液进口区域的尺寸为0.1μm～20mm。

8.根据权利要求1所述的碱性水电解槽用多孔传输层，其特征在于，所述多孔传输层适用于电流密度为100a/m2～20000a/m2的碱性水电解槽。

技术总结
本发明公开了一种碱性水电解槽用多孔传输层，其用于设置在碱性水电解槽的极板和电极之间，极板的两端分别设置为电解液进口和电解液出口，所述多孔传输层设有若干过流孔；所述过流孔的孔径在与极板和电极垂直的方向上呈梯度变化，靠近电极一侧的孔径小，靠近极板一侧的孔径大；所述过流孔的孔径在与极板和电极平行的方向上呈梯度变化，靠近电解液进口侧的孔径小，靠近电解液出口侧的孔径大。本发明通过多孔传输层的设计，改善电解液分散均匀性，降低接触电阻，加快电解液快速传质和气泡的有效传输，以实现碱水电解槽高的电水解效率。

技术研发人员：王森,唐超杰
受保护的技术使用者：上海舜华新能源系统有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13