PEM水电解制氢单元的制作方法

本发明涉及电解水制氢领域，具体地，涉及pem水电解制氢单元。

背景技术：

1、电解水制氢以水为反应物，在电解装置的阴阳两级施加直流电即可产生氢气和氧气，设备结构简单，产生氢气纯度高，可以大规模技术推广和使用。目前商业化应用的电解水装置由电解质的分类主要可以分为：碱水电解槽(awe)、质子交换膜电解槽(pemwe)、阴离子交换膜电解槽(aemwe)以及固体氧化物电解槽(sowe)。其中，pem电解槽具有电流密度高、效率高、相应速度快等特点，能很好的匹配可再生能源(如风能、太阳能)，并且由于结构紧凑，可以在高达3-5mpa的高压下运行，有效简化氢气的压缩和存储过程。

2、pem电解槽包含多个制氢单元，而每个制氢单元主要由膜电极、扩散层、极板和密封材料组成。膜电极作为反应的核心部件由阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层构成。运行时水被通入阳极腔室，阳极催化剂可将水分解为氧气、电子和质子，质子穿过交换膜后，在阴极催化剂的作用下转化为氢气。目前的水电解槽从形状上主要分为方形和圆形设计，从材料利用率上，方形材料的利用率更高。在当前的主流设计方案中：(1)水口与气口分别设置在方形单元的长宽边上，该种方案虽然简化了流道的设计，但是面积利用率较低；(2)pem水电解制氢装置反应区可采取流道，或者直接用金属网来形成电解水的流通路径。使用金属网容易造成电解水在阳极腔体内流动的随机性和不可控性，致使反应区内各个区域域反应效率不一致，进一步的损害膜电极的使用寿命。而现有的pem水电解制氢装置仅通过在活性区使用流道设计，还不足以完全解决电解水在阳极腔体内流动的随机性和不可控性问题；(3)流道设计因其顶部为含断点的非连续平面(锯齿状断面)，无法为密封材料提供充分的支撑，因此在高压运行条件下存在密封失效的风险。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种pem水电解制氢单元。

2、根据本发明提供的一种pem水电解制氢单元，包括阳极集流板、阴极集流板、金属双极板以及膜电极，阳极集流板、金属双极板以及阴极集流板依次连接，阳极集流板和金属双极板之间、金属双极板和阴极集流板之间分别设有膜电极；

3、水分别从阳极集流板和金属双极板阳极侧中进入，分别流入相对应的膜电极中反应产生氧气，再分别进入金属双极板阴极侧和阴极集流板中产生氢气。

4、优选的，阳极集流板上阳极反应区和金属双极板上阳极侧反应区内设置块阵型流道或直通型流道，流道分别与阳极分流区、阳极反应区、阳极汇流区、阳极侧分流区、阳极侧汇流区以及阳极扩散层相匹配。

5、优选的，阴极集流板上阴极反应区和金属双极板上阴极侧反应区内设置蛇形流道或平面型流道，流道分别与阴极汇流区、阴极侧汇流区以及阴极扩散层相匹配。

6、优选的，膜电极一端连接阳极扩散层，膜电极另一端连接阴极扩散层；

7、水流经特定几何尺寸的流道，穿过阳极扩散层进入膜电极对应的阳极反应区和阳极侧反应区进行反应产生氧气，氧气与未反应的水一起由阳极公共出水口和双极板公共出水口排出；

8、水流穿过阴极扩散层进入膜电极对应的阴极反应区、阴极侧反应区内产生氢气，氢气从阴极集流板的阴极氢气出口和金属双极板的阴极侧氢气出口排出。

9、优选的，阳极分流区、阳极汇流区、阳极侧分流区、阳极侧汇流区、阴极汇流区以及阴极侧汇流区使用点阵或直通道结构。

10、优选的，阳极侧反应区上流道的槽宽度为0.5-2mm，且脊宽度和槽宽度比例为0.8-1.2:1，流道深度和槽宽度比例为0.5-1:1；

11、阳极侧反应区和阳极反应区高度分别比阳极侧安装面和阳极安装面小0.1-0.3mm，阴极反应区和阴极侧反应区高度分别比阴极安装面和阴极侧安装面小0.1-0.3mm。

12、优选的，阳极集流板上分别设有阳极集流板进口密封支撑片和阳极集流板出口密封支撑片，阳极集流板、阳极集流板进口密封支撑片、阳极集流板出口密封支撑片、阳极密封条以及膜电极形成阳极密封腔体；

13、阴极集流板上设有阴极密封支撑片，阴极集流板、阴极密封支撑片、阴极密封条以及膜电极形成阴极密封腔体；

14、金属双极板的阳极侧上分别设有双极板阳极进口密封支撑片和双极板阳极出口密封支撑片，金属双极板阳极侧、双极板阳极进口密封支撑片、双极板阳极出口密封支撑片、阳极密封条以及膜电极形成阳极侧密封腔体；

15、金属双极板阴极侧上设有阴极密封支撑片，金属双极板阴极侧、阴极密封支撑片、阴极密封条以及膜电极形成阴极侧密封腔体。

16、优选的，阳极集流板上设有阳极公共进水口、阳极分流区、阳极反应区、阳极汇流区以及阳极公共出水口，阳极公共进水口连接阳极分流区，阳极分流区连接阳极汇流区，阳极汇流区连接阳极公共出水口；

17、水由阳极公共进水口进入阳极密封腔体，经过阳极分流区分配后进入阳极反应区，通过阳极汇流区流入阳极公共出水口。

18、优选的，金属双极板上设有双极板公共进水口、双极板公共出水口、阳极侧分流区、阳极侧反应区以及阳极侧汇流区，双极板公共进水口连接阳极侧分流区，阳极侧分流区连接阳极侧反应区，阳极侧反应区连接阳极侧汇流区，阳极侧汇流区连接双极板公共出水口；

19、水通过双极板公共进水口进入阳极侧密封腔体，经过阳极侧分流区分配后进入阳极侧反应区，通过阳极侧反应区流入双极板公共出水口。

20、优选的，阳极集流板、阴极集流板以及金属双极板中水口与气口均布置在同一对边上。

21、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

22、(1)本发明将水口与气口均布置在方形极板的同一对边上，节约了另一组对边的使用，整体节约了极板材料、膜电极面积，提高了整体的体积利用率；在气口和水口直接设置合理的宽度用于密封结构的设计；

23、(2)本发明在金属隔板的阳极侧设置了阳极进口支撑片与阳极出口支撑片，通过支撑片上的密封结构设计还提高了整体密封结构的密封强度；

24、(3)本发明在阳极侧设置分流区、汇流区，并通过与扩散层相适配的流道，优化水的分配，提高阳极侧的反应效率；

25、(4)本发明在阴极侧设置了阴极出口支撑片，通过支撑片上的密封结构设计提高了整体密封结构的密封强度；

26、(5)本发明在阴极侧设置分流区，并通过与扩散层相适配的流道，优化水的分配，提高阴极侧的反应效率。

技术特征：

1.一种pem水电解制氢单元，其特征在于，包括阳极集流板(100)、阴极集流板(200)、金属双极板(300)以及膜电极(600)，所述阳极集流板(100)、所述金属双极板(300)以及所述阴极集流板(200)依次连接，所述阳极集流板(100)和所述金属双极板(300)之间、所述金属双极板(300)和所述阴极集流板(200)之间分别设有所述膜电极(600)；

2.根据权利要求1所述的pem水电解制氢单元，其特征在于，所述阳极集流板(100)上阳极反应区(110)和所述金属双极板(300)上阳极侧反应区(310)内设置块阵型流道或直通型流道，流道分别与阳极分流区(114)、所述阳极反应区(110)、阳极汇流区(115)、阳极侧分流区(314)、阳极侧汇流区(315)以及阳极扩散层(700)相匹配。

3.根据权利要求2所述的pem水电解制氢单元，其特征在于，所述阴极集流板(200)上阴极反应区(211)和所述金属双极板(300)上阴极侧反应区(311)内设置蛇形流道或平面型流道，流道分别与阴极汇流区(217)、阴极侧汇流区(317)以及阴极扩散层(800)相匹配。

4.根据权利要求3所述的pem水电解制氢单元，其特征在于，所述膜电极(600)一端连接所述阳极扩散层(700)，所述膜电极(600)另一端连接所述阴极扩散层(800)；

5.根据权利要求3所述的pem水电解制氢单元，其特征在于，所述阳极分流区(114)、所述阳极汇流区(115)、所述阳极侧分流区(314)、所述阳极侧汇流区(315)、所述阴极汇流区(217)以及所述阴极侧汇流区(317)使用点阵或直通道结构。

6.根据权利要求3所述的pem水电解制氢单元，其特征在于，所述阳极侧反应区(310)上流道的槽宽度为0.5-2mm，且脊宽度和槽宽度比例为0.8-1.2:1，流道深度和槽宽度比例为0.5-1:1；

7.根据权利要求3所述的pem水电解制氢单元，其特征在于，所述阳极集流板(100)上分别设有阳极集流板进口密封支撑片(101)和阳极集流板出口密封支撑片(102)，所述阳极集流板(100)、所述阳极集流板进口密封支撑片(101)、所述阳极集流板出口密封支撑片(102)、阳极密封条(400)以及所述膜电极(600)形成阳极密封腔体；

8.根据权利要求7所述的pem水电解制氢单元，其特征在于，所述阳极集流板(100)上设有阳极公共进水口(105)、阳极分流区(114)、阳极反应区(110)、阳极汇流区(115)以及阳极公共出水口(106)，所述阳极公共进水口(105)连接所述阳极分流区(114)，所述阳极分流区(114)连接所述阳极汇流区(115)，所述阳极汇流区(115)连接所述阳极公共出水口(106)；

9.根据权利要求7所述的pem水电解制氢单元，其特征在于，所述金属双极板(300)上设有双极板公共进水口(305)、双极板公共出水口(306)、阳极侧分流区(314)、阳极侧反应区(310)以及阳极侧汇流区(315)，所述双极板公共进水口(305)连接所述阳极侧分流区(314)，所述阳极侧分流区(314)连接所述阳极侧反应区(310)，所述阳极侧反应区(310)连接所述阳极侧汇流区(315)，所述阳极侧汇流区(315)连接所述双极板公共出水口(306)；

10.根据权利要求1所述的pem水电解制氢单元，其特征在于，所述阳极集流板(100)、所述阴极集流板(200)以及所述金属双极板(300)中水口与气口均布置在同一对边上。

技术总结
本发明提供了一种涉及电解水制氢领域的PEM水电解制氢单元，包括阳极集流板、阴极集流板、金属双极板以及膜电极，阳极集流板、金属双极板以及阴极集流板依次连接，阳极集流板和金属双极板之间、金属双极板和阴极集流板之间分别设有膜电极；水分别从阳极集流板和金属双极板阳极侧中进入，分别流入相对应的膜电极中反应产生氧气，再分别进入金属双极板阴极侧和阴极集流板中产生氢气。本发明将水口与气口均布置在极板的同一对边上，整体节约了极板材料、膜电极面积，提高了整体的体积利用率；通过阳极分流支撑片、阳极汇流片以及阴极汇流片的设计，控制阴阳两级的流体特性，解决活性区内流体控制困难、反应效率不一致以及密封材料受支撑不充分的问题。

技术研发人员：符策煌
受保护的技术使用者：上海文景能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27