零间距AEM水电解制氢装置的制作方法

本发明涉及电解水制氢领域，具体地，涉及零间距aem水电解制氢装置。

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，设备简单，产生氢气纯度高，可以大规模技术推广和使用。电解水装置从结构设计上主要可以：有间距型电解水制氢装置和零间距型电解水制氢装置。其中，零间距型电解水制氢装置具有电流密度高、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、零间距型aem水电解制氢装置往往包含多个制氢单元，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、氢氧根离子交换膜和阴极催化层构成。阴离子交换膜为固体电解质，能够有效的隔绝阴阳两极生成的气体。在传统的aem水电解制氢装置中，纯水或碱液被通入阴极密封腔室。在阴极催化剂的作用下，水与电子结合并分解为氢气和氢氧根离子；氢氧根离子穿过交换膜后，在阳极催化剂的作用下分解为氧气、水和电子。但是因为氢氧根离子在阴离子交换膜中的传输速度较慢，仅在阴极通入水的方式限制了反应的速率且增加了阴极气体提纯的复杂程度。

3、除此以外，当前的零间距aem电解水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。而零间距aem电解水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。另外，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零间距aem水电解制氢装置，采用在阳极通入水或者阴阳两极均通入原料水(纯水或碱液)的运行模式，并进一步通过阳极分流支撑片、阳极汇流片、阴极分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。

2、根据本发明提供的一种零间距aem水电解制氢装置，包括阳极集流板、阴极集流板、金属双极板以及膜电极，阳极集流板和金属双极板阴极侧之间设有膜电极，金属双极板阳极侧和阴极集流板之间设有膜电极；

3、水从公共进水口进入阳极集流板或/和阴极集流板中，在阳极集流板和金属双极板阳极侧发生反应产生氧气，在阴极集流板和金属双极板阴极侧发生反应产生氢气，氧气和氢气分别从对应的公共出水口排出。

4、优选的，阳极集流板上设有阳极密封分流支撑片和阳极密封汇流支撑片，且阳极集流板两侧分别连接阳极密封条，阳极集流板、阳极密封分流支撑片、阳极密封汇流支撑片、阳极密封条以及膜电极形成阳极密封腔体；

5、阴极集流板上设有阴极密封分流支撑片和阴极密封汇流支撑片，阴极集流板两端分别连接阴极密封条，阴极集流板、阴极密封分流支撑片、阴极密封汇流支撑片、阴极密封条以及膜电极形成阴极密封腔体；

6、金属双极板阳极侧上设有阳极密封分流支撑片和阳极密封汇流支撑片，金属双极板阳极侧连接阳极密封条，金属双极板阳极侧、阳极密封分流支撑片、阳极密封汇流支撑片、阳极密封条以及膜电极形成阳极侧密封腔体；

7、金属双极板阴极侧上设有阴极侧密封分流支撑片和阴极侧密封汇流支撑片，金属双极板阴极侧连接阴极密封条，金属双极板阴极侧、阴极侧密封分流支撑片、阴极侧密封汇流支撑片阴极密封条以及膜电极形成阴极侧密封腔体。

8、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，阳极公共进水口通过阳极分流区连接阳极反应区的一侧，阳极公共出水口通过阳极汇流区连接阳极反应区的另一侧；

9、金属双极板阳极侧上设有阳极侧公共进水口、阳极侧分流区、阳极侧反应区、阳极侧汇流区以及阳极侧公共出水口，阳极侧公共进水口通过阳极侧分流区连接阳极侧反应区一侧，阳极侧公共出水口通过阳极侧汇流区连接阳极侧反应区另一侧；

10、阳极集流板和金属双极板阳极侧分别连接阳极扩散层，阳极扩散层连接与之相对应的膜电极。

11、优选的，阴极集流板上设有阴极公共进水口、阴极反应区、阴极分流区、阴极汇流区以及阴极公共出水口，阴极公共进水口通过阴极分流区连接阴极反应区的一侧，阴极公共出水口通过阴极汇流区连接阴极反应区的另一侧；

12、金属双极板阴极侧上设有阴极侧公共进水口、阴极侧反应区、阴极侧分流区、阴极侧汇流区以及阴极侧公共出水口，阴极侧公共进水口通过阴极侧分流区连接阴极侧反应区的一侧，阴极侧公共出水口通过阴极侧汇流区连接阴极侧反应区的另一侧；

13、阴极集流板和金属双极板阴极侧分别连接阴极扩散层，阴极扩散层连接与之相对应的膜电极。

14、优选的，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，水流经阳极反应区上特定几何尺寸的流道，穿过阳极扩散层进入膜电极对应的反应区进行反应产生氧气，氧气与未反应的水一起通过阳极汇流区流入阳极公共出水口；

15、与此同时，水由阳极侧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，水流经阳极侧反应区上特定几何尺寸的流道，穿过阳极扩散层进入膜电极对应的反应区进行反应产生氧气，氧气与未反应的水一起通过阳极侧汇流区流入阳极侧公共出水口；

16、在阴极密封腔体和阴极侧密封腔体内产生氢气，氢气从阴极公共出水口和阴极侧公共出水口排出。

17、优选的，水由阴极公共进水口进入阴极密封腔体，经过阴极分流区分配后进入阴极反应区，水流经阴极反应区上特定几何尺寸的流道，穿过阴极扩散层进入膜电极对应的反应区进行反应产生氢气，氢气与未反应的水一起通过阴极汇流区流入阴极公共出水口；

18、与此同时，水由阴极侧公共进水口进入阴极侧密封腔体，经过阴极侧分流区分配后进入阴极侧反应区，水流经阴极侧反应区上特定几何尺寸的流道，穿过阴极扩散层进入膜电极对应的反应区进行反应产生氢气，氢气与未反应的水一起通过阴极侧汇流区流入阴极侧公共出水口；

19、在阳极密封腔体和阳极侧密封腔体内产生氧气，氧气从阳极公共出水口和阳极侧公共出水口排出。

20、优选的，水分别由阳极公共进水口和阴极公共进水口进入阳极密封腔体和阴极密封腔体；

21、经过阳极分流区分配后进入阳极反应区，水流经阳极反应区上特定几何尺寸的流道，穿过阳极扩散层进入膜电极对应的反应区进行反应产生氧气，氧气与未反应的水一起通过阳极汇流区流入阳极公共出水口；

22、与此同时，水由阳极侧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，水流经阳极侧反应区上特定几何尺寸的流道，穿过阳极扩散层进入膜电极对应的反应区进行反应产生氧气，氧气与未反应的水一起通过阳极侧汇流区流入阳极侧公共出水口；

23、经过阴极分流区分配后进入阴极反应区，水流经阴极反应区上特定几何尺寸的流道，穿过阴极扩散层进入膜电极对应的反应区进行反应产生氢气，氢气与未反应的水一起通过阴极汇流区流入阴极公共出水口；

24、与此同时，水由阴极侧公共进水口进入阴极侧密封腔体，经过阴极侧分流区分配后进入阴极侧反应区，水流经阴极侧反应区上特定几何尺寸的流道，穿过阴极扩散层进入膜电极对应的反应区进行反应产生氢气，氢气与未反应的水一起通过阴极侧汇流区流入阴极侧公共出水口。

25、优选的，阳极集流板与金属双极板阳极侧结构一致，阳极反应区和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；

26、阴极集流板与金属双极板阴极侧结构一致，阴极反应区和阴极侧反应区内设置蛇形流道或平面型流道，流道分别与阴极分流区、阴极汇流区、阴极侧分流区、阴极侧汇流区以及阴极扩散层相匹配。

27、优选的，阳极反应区的流道槽宽度为0.5-2mm、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；

28、阳极反应区高度比阳极安装面小0.1-0.3mm，阴极反应区高度比阴极安装面小0.1-0.3mm，阳极侧反应区高度比阳极侧安装面小0.1-0.3mm，阴极侧反应区高度比阴极侧安装面小0.1-0.3mm。

29、优选的，阳极密封分流支撑片安装于阳极密封分流支撑片安装区上，阳极分流区的分流结构顶部与阳极密封分流支撑片安装区的平面处于同一高度，阳极密封汇流支撑片安装于阳极密封汇流支撑片安装区上，阳极汇流区的汇流结构顶部与阳极密封汇流支撑片安装区的平面处于同一高度，且阳极密封分流支撑片和阳极密封汇流支撑片安装后的顶部平面与阳极板密封面处于同一高度；

30、阴极密封分流支撑片安装于阴极密封分流支撑片安装区上，阴极密封汇流支撑片安装于阴极密封汇流支撑片安装区上，阴极分流区的分流结构顶部与阴极密封分流支撑片安装区的平面处于同一高度，阴极汇流区的汇流结构顶部与阴极密封汇流支撑片安装区的平面处于同一高度，且阴极密封分流支撑片和阴极密封汇流支撑片安装后的顶部平面与阴极板密封面处于同一高度；

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

32、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

33、(1)本发明在金属双极板的阳极侧设置了阳极分流支撑片与阳极汇流支撑片，可以优化水的分配，控制水经过阳极密封腔室的压降，调节流体特性，提高阳极侧的反应效率；

34、(2)本发明中水可以从阳极或阴极或阴阳两极进入发生反应；

35、(3)本发明中分流支撑片和汇流支撑片的设计还提高了整体密封结构的密封强度。