一种具有多反应区域的极板和制氢结构的制作方法

本发明涉及燃料电池，特别是涉及一种具有多反应区域的极板和制氢结构。

背景技术：

1、由于风力发电和光伏发电等可再生能源具有波动性、间歇性，生产的电力无法并入电网，造成大量的“弃风弃光”现象。电解水制氢可以将电能转化为储存在氢气中的化学能，且氢气是一种绿色无污染的二次能源载体。将具有波动性的可在生能源转化的电力，结合电解水制氢气体完成氢气的大量制取，成为目前学术和商用关注的热点。

2、目前，电解水制氢技术主要有碱性水电解槽(ae)、质子交换膜水电解槽(pem)和固体氧化物水电解槽(soec)。其中，碱性电解槽技术发展最久且技术最为成熟，但是耐电源波动性较差。相比于传统碱性水电解制氢，pem制氢输出的气体压力更高、纯度好、无需提纯，并且电流密度大，结构更加紧凑；最主要的是pem电解水制氢的系统响应速度非常快，更适应动态操作，因此更加适合可生能源的波动性电力。

3、对于大功率电解槽设备，所需要的极板面积更大、膜电极面积更大、反应区面积更大，因此对于膜电极的制备要求更高，尤其质子膜的面积。大面积、高宽幅的质子膜制备工艺要求高，一方面设备投入过高，另一方面大面积时很难保证质子膜厚度的均匀性，这也是目前限制高产氢量规格的大功率pem电解槽重要因素。

4、目前国内公布的pem单槽的产氢量最高为250标方/时。大功率、高产氢量pem电解槽是目前制氢技术发展的趋势，大面积膜电极的制备是目前最重要的限制因素，其中大面积质子膜的制备难度高，很难保证质子膜厚度的均匀性，进而影响电解槽每个单片电池反应的一致性和安全性。

技术实现思路

1、基于此，本发明实施例提供一种具有多反应区域的极板和制氢结构，旨在解决现有的大面积质子膜的制备难度高、很难保证质子膜厚度的均匀性、容易影响电解槽每个单片电池反应的一致性和安全性等问题。

2、为实现上述目的，一方面，本发明实施例提供一种具有多反应区域的极板，包括极板本体，所述极板本体的一侧面设置为阳极区域，另一侧面设置为阴极区域；

3、所述阳极区域包括至少两个相连接的阳极区域单元；每个所述阳极区域单元相互独立且对称设置；两个所述阳极区域单元通过第一分隔区连接；

4、所述阴极区域包括至少两个相连接的阴极区域单元；每个所述阴极区域单元相互独立且对称设置；两个所述阴极区域单元通过第二分隔区连接。

5、作为优选的实施方式，每个所述阳极区域单元的中间处均设置有阳极反应区流场；所述阳极区域单元的一端设置有阳极电解液入口和阴极电解液入口，另一端设置有阳极电解液出口和阴极电解液出口；所述阳极电解液入口与所述阴极电解液出口相对设置，且所述阳极电解液入口与所述阴极电解液出口均靠近所述第一分割区设置；所述阳极反应区流场分别与所述阳极电解液入口、所述阳极电解液出口连通设置。

6、作为优选的实施方式，每个所述阴极区域单元的中间处均设置有阴极反应区流场，所述阴极反应区流场与所述阳极反应区流场相背设置；所述阴极反应区流场分别与所述阴极电解液入口、所述阴极电解液出口连通设置。

7、作为优选的实施方式，所述阳极反应区流场、所述阳极电解液入口、所述阴极电解液入口、所述阳极电解液出口、所述阴极电解液出口和所述阴极反应区流场的外侧均设置有密封槽；每个所述密封槽内均设置有密封条，所述密封条与所述密封槽相适配设置。

8、作为优选的实施方式，所述阳极反应区流场和所述阴极反应区流场均由流道脊和流道沟交替设置形成。

9、作为优选的实施方式，所述极板本体为表面设置有涂层的钛极板本体或钛合金极板本体；所述涂层的材料为金、铂或n i/cr-c中的至少一种；所述密封条为橡胶密封条。

10、另一方面，本发明实施例还提供一种制氢结构，包括第一端板(即前端板)、堆叠本体、第二端板(即后端板)、入口歧管和出口歧管；所述第一端板、所述堆叠本体和所述第二端板依次叠放设置，所述第一端板与所述第二端板之间通过数根紧固螺杆固定连接，数根所述紧固螺杆均匀设置于所述堆叠本体的外侧；

11、所述入口歧管和所述出口歧管分别设置于所述第一端板远离所述堆叠本体的侧面上，且所述入口歧管、所述出口歧管分别与所述堆叠本体连通设置；所述堆叠本体包括所述具有多反应区域的极板。

12、作为优选的实施方式，所述入口歧管包括阳极电解液入口歧管和阴极电解液入口歧管；

13、所述阳极电解液入口歧管包括阳极入口总管和阳极入口支管，所述阳极入口总管与所述阳极入口支管连通设置，且所述阳极入口总管垂直于所述阳极入口支管；所述阳极入口支管的两端分别与所述阳极区域单元的阳极电解液入口连通设置；

14、所述阴极电解液入口歧管包括阴极入口总管和阴极入口支管，所述阴极入口总管与所述阴极入口支管连通设置，且所述阴极入口总管垂直于所述阴极入口支管；所述阴极入口支管的两端分别与所述阴极区域单元的阴极电解液入口连通设置。

15、作为优选的实施方式，所述出口歧管包括阳极电解液出口歧管和阴极电解液出口歧管；

16、所述阳极电解液出口歧管包括阳极出口总管和阳极出口支管，所述阳极出口总管与所述阳极出口支管连通设置，且所述阳极出口总管垂直于所述阳极出口支管；所述阳极出口支管的两端分别与所述阳极区域单元的阳极电解液出口连通设置；

17、所述阴极电解液出口歧管包括阴极出口总管和阴极出口支管，所述阴极出口总管与所述阴极出口支管连通设置，且所述阴极出口总管垂直于所述阴极出口支管；所述阴极出口支管的两端分别与所述阴极区域单元的阴极电解液出口连通设置。

18、作为优选的实施方式，所述堆叠本体包括依次叠放的第一集流板(即前集流板)、槽芯和第二集流板(即后集流板)，所述第一集流板与所述第一端板抵接，所述第二集流板与所述第二端板抵接；

19、所述槽芯包括数片交替设置的膜电极和所述具有多反应区域的极板；

20、所述膜电极包括反应区和设置在所述反应区外周的膜电极密封边框；所述反应区的一侧面为阴极气体扩散层，另一侧面为阳极气体扩散层；所述阴极气体扩散层靠近所述具有多反应区域的极板的阴极区域设置，所述阳极气体扩散层靠近所述具有多反应区域的极板的阳极区域设置。

21、作为优选的实施方式，所述阴极气体扩散层包括至少两个阴极气体扩散层单元，所述阴极气体扩散层单元与所述阴极区域单元一一对应设置；

22、所述阳极气体扩散层包括至少两个阳极气体扩散层单元，所述阳极气体扩散层单元与所述阳极区域单元一一对应设置。

23、作为优选的实施方式，所述阴极气体扩散层为采用碳纸、钛毡、泡沫钛、烧结钛或钛网中的至少一种制得的扩散层；所述阳极气体扩散层为采用钛毡、泡沫钛或烧结钛中的至少一种制得的扩散层；所述膜电极密封边框的材质为pen(聚萘二甲酸乙二醇酯)、pi(聚酰亚胺)、pps(聚苯硫醚)或peek(聚醚醚酮)中的至少一种。

24、作为优选的实施方式，所述入口歧管、所述出口歧管、所述第一端板均与所述槽芯相适配设置。例如，所述入口歧管、所述出口歧管、所述第一端板上均设置有与槽芯相适配的电解液入口和电解液出口，电解液入口的数量、大小均与槽芯的电解液入口的数量、大小相适配设置，电解液出口的数量、大小均与槽芯的电解液出口的数量、大小相适配设置。

25、与现有技术相比较，本技术具有以下技术效果：

26、(1)采用本技术具有多反应区域的极板和制氢结构，便于拓展反应区域面积，单片电池的反应区域面积更大。与传统的单反应区域极板和制氢结构相比，本技术结构避免了大面积质子膜和膜电极的制备难度，对于高产氢量制氢结构来说更具优势。

27、(2)与传统的多电解槽并联组装方案、以及高面积的单反应区域电解槽相比，本技术的制氢结构的稳定性更强，密封效果更优。

28、(3)本技术的制氢结构采用端板歧管水平分布进液的设计，可以使得电解液的分布更加均匀，能够有效提高单片结构的电压和反应一致性。

29、(4)本技术的整体结构设计精巧，集成度高，电解液流通稳定，电解效率高。