水电解槽及其制作方法

技术领域

本申请涉及PEM水电解槽技术领域，具体涉及一种水电解槽及其制作方法。

背景技术

通常电解水制氢的电解槽芯单元由极板或隔板、密封膜、树脂边框、阴阳极的扩散层总成及膜电极300MEA组成。树脂边框限定了电解槽的反应室区域，极板或隔板限定了阴阳极的反应产生的气体在其两侧。为了将水、氢气、氧气密封在水电解槽相应的区域内，需要在边框上相应的位置设置密封件。一般技术为PEM膜两侧为树脂边框、密封膜、分隔板和多孔扩散层。由于密封件一般为PTFE密封膜，密封膜的厚度较薄，且容易发生蠕变，因此树脂边框一般在密封结构处会设置密封特征。这会导致树脂边框较厚，通常在1.5mm以上，分隔板通常为较薄的平面结构，厚度在0.75mm以上。这种平板状的双极板与电解液的接触面积较小，且存在局部限流的现象，使电解液流经电解的区域不均匀，导致制氢的效率低，极板之间的结构强度弱，容易变形，以及结构不够紧凑，占用空间；对于水电解槽的散热效果不佳。

发明内容

本申请实施例提供一种水电解槽及其制作方法，可以解决当前水电解槽平板状的双极板与电解液的接触面积较小，且存在局部限流的现象，使电解液流经电解的区域不均匀，导致制氢的效率低，极板之间的结构强度弱，容易变形，结构不够紧凑，占用空间，对散热效果不佳的技术效果。

本申请实施例提供一种水电解槽，所述水电解槽包括阳极板、膜电极、阴极板和密封边框；

所述膜电极设于所述阳极板和所述阴极板之间，所述密封边框沿所述阳极板和所述阴极板边缘设置，所述密封边框密封连接所述阳极板和所述膜电极，且所述密封边框密封连接所述阴极板和所述膜电极；

所述阳极板背离所述膜电极的一侧为阳极冷却剂流场区，所述阳极板朝向所述膜电极的一侧为阳极流场区；所述阳极流场区内设有电解液流道，所述电解液流道为蛇形流道、平行流道、仿生流道或平面流道；

所述阴极板背离所述膜电极的一侧为阴极冷却剂流场区，所述阴极板朝向所述膜电极的一侧为阴极流场区；所述阴极流场区为平面结构。

进一步的，所述阳极板和所述阴极板通过金属板冲压形成。

进一步的，所述阳极冷却剂流场区内设有冷却剂流道，所述冷却剂流道为蛇形流道、平行流道、仿生流道或平面流道；所述冷却剂流道内填充条状金属网。

进一步的，所述电解液流道或所述冷却剂流道的截面形状为圆形、矩形、椭圆形、梯形、菱形或三角形。

进一步的，所述水电解槽还包括阳极侧气体扩散层和阴极侧气体扩散层，所述阳极侧气体扩散层设于所述阳极板和所述膜电极之间，所述阳极侧气体扩散层对应所述阳极流场区设置，所述阴极侧气体扩散层设于所述阴极板和所述膜电极之间，所述阴极侧气体扩散层对应所述阴极流场区设置。

进一步的，所述膜电极包括催化剂涂层质子膜、阳极侧树脂边框和阴极侧树脂边框；所述催化剂涂层质子膜的两侧分别与所述阳极侧气体扩散层和所述阴极侧气体扩散层抵接，所述阳极侧树脂边框与所述催化剂涂层质子膜的边缘连接，所述阳极侧树脂边框环绕所述阳极侧气体扩散层设置，所述阴极侧树脂边框与所述催化剂涂层质子膜的边缘连接，所述阴极侧树脂边框环绕所述阴极侧气体扩散层设置。

进一步的，所述密封边框包括阳极冷却剂密封圈、阳极密封圈、阴极密封圈；所述阳极冷却剂密封圈设于所述阳极板上且环绕所述阳极冷却剂流场区设置，所述阳极密封圈设于所述阳极板上且环绕所述阳极流场区设置，所述阳极密封圈与所述阳极侧树脂边框密封连接，所述阴极密封圈设于所述阴极板上且环绕所述阴极流场区设置，所述阴极密封圈与所述阴极侧树脂边框密封连接。

进一步的，在所述阳极板朝向所述膜电极的一侧，环绕所述阳极流场区设有阳极密封槽，所述阳极密封槽内设有所述阳极密封圈；在所述阳极密封圈内设有与所述阳极流场区连通的电解液分配区和电解液公共管道；环绕所述阳极流场区还设有阴极气体公共管道，所述阳极密封圈环绕所述阴极气体公共管道设置使所述阴极气体公共管道与所述阳极流场区相隔离。

进一步的，在所述阴极板朝向所述膜电极的一侧，环绕所述阴极流场区设有阴极密封槽，所述阴极密封槽内设有所述阴极密封圈；在所述阴极密封圈内设有与所述阴极流场区连通的氢气分配区和阴极气体公共管道；环绕所述阴极流场区还设有电解液公共管道，所述阴极密封圈环绕所述电解液公共管道设置使所述电解液公共管道与所述阴极流场区相隔离。

本申请还提供一种水电解槽的制作方法，包括：

通过金属板冲压形成阳极板，在所述阳极板的一侧形成阳极冷却剂流场区，所述阳极板的另一侧形成阳极流场区；所述阳极流场区内设有电解液流道，所述电解液流道为蛇形流道、平行流道、仿生流道或平面流道；

通过金属板冲压形成阴极板，在所述阴极板的一侧形成阴极冷却剂流场区，在所述阴极板的另一侧形成阴极流场区；所述阴极流场区为平面结构；

环绕所述阳极板的阳极冷却剂流场区设置阳极冷却剂密封圈，环绕所述阳极板的阳极流场区设置阳极密封圈；

将所述阳极板的阳极流场区与所述阴极板的阴极流场区对应设置，在所述阳极板和所述阴极板之间设置膜电极；

环绕所述阴极板的阴极流场区设置阴极密封圈，将所述阴极板通过所述阴极密封圈与所述膜电极连接。

本申请实施例 提供的水电解槽及其制作方法，通过设置阳极板的阳极流场区内的流道为蛇形流道、平行流道、仿生流道、平面流道，阴极板的阴极流场区为平面结构，阴极流场的平面结构能与阳极流场区内的流道的凸面充分接触，既保证了电解液均匀地流经阳极流场区域，令电解液更为均匀扩散到膜电极上，增大了电解液与膜电极接触面积，提高扩散传质效率，同时又保证了整个水电解槽的阴极板与阳极板的充分接触，降低了水电解槽的接触电阻。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本申请实施例提供的水电解槽的截面结构示意图。

图2为本申请实施例提供的阳极板的结构示意图。

图3为本申请实施例提供的阴极板的结构示意图。

图4为本申请实施例提供的水电解槽的制作方法的流程图。

图中的标识如下：

阳极板1，阳极冷却剂流场区11，阳极流场区12，电解液流道13，冷却剂流道14，阳极密封槽15，电解液分配区16，电解液公共管道17，阴极气体公共管道18，

膜电极2，催化剂涂层质子膜21，阳极侧树脂边框22，阴极侧树脂边框23，

阴极板3，阴极冷却剂流场区31，阴极流场区32，阴极密封槽33，氢气分配区34，

密封边框4，阳极冷却剂密封圈41，阳极密封圈42，阴极密封圈43，

阳极侧气体扩散层5，阴极侧气体扩散层6。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1、图2、图3所示，本申请实施例提供一种水电解槽，所述水电解槽包括阳极板1、膜电极2、阴极板3和密封边框4；

所述膜电极2设于所述阳极板1和所述阴极板3之间，所述密封边框4沿所述阳极板1和所述阴极板3边缘设置，所述密封边框4密封连接所述阳极板1和所述膜电极2，且所述密封边框4密封连接所述阴极板3和所述膜电极2；

所述阳极板1背离所述膜电极2的一侧为阳极冷却剂流场区11，所述阳极板1朝向所述膜电极2的一侧为阳极流场区12；所述阳极流场区12内设有电解液流道13，所述电解液流道13为蛇形流道、平行流道、仿生流道或平面流道；

所述阴极板3背离所述膜电极2的一侧为阴极冷却剂流场区31，所述阴极板3朝向所述膜电极2的一侧为阴极流场区32；所述阴极流场区32为平面结构。

所述电解液流道13改善了电解液的分布，保证了电解液在反应区中的均匀分布。

进一步的，所述阳极板1和所述阴极板3通过金属板冲压形成。

进一步的，所述阳极冷却剂流场区11内设有冷却剂流道14，所述冷却剂流道14为蛇形流道、平行流道、仿生流道或平面流道；所述冷却剂流道14内填充条状金属网，来改善阳极板1与冷却剂的接触面积。

进一步的，所述电解液流道13或所述冷却剂流道14的截面形状为圆形、矩形、椭圆形、梯形、菱形或三角形。

如图1所示，所述水电解槽还包括阳极侧气体扩散层5和阴极侧气体扩散层6，所述阳极侧气体扩散层5设于所述阳极板1和所述膜电极2之间，所述阳极侧气体扩散层5对应所述阳极流场区12设置，所述阴极侧气体扩散层6设于所述阴极板3和所述膜电极2之间，所述阴极侧气体扩散层6对应所述阴极流场区32设置。

进一步的，所述膜电极2包括催化剂涂层质子膜21、阳极侧树脂边框22和阴极侧树脂边框23；所述催化剂涂层质子膜21的两侧分别与所述阳极侧气体扩散层5和所述阴极侧气体扩散层6抵接，所述阳极侧树脂边框22与所述催化剂涂层质子膜21的边缘连接，所述阳极侧树脂边框22环绕所述阳极侧气体扩散层5设置，所述阴极侧树脂边框23与所述催化剂涂层质子膜21的边缘连接，所述阴极侧树脂边框23环绕所述阴极侧气体扩散层6设置。

所述催化剂涂层质子膜21包括质子交换膜、阳极侧催化层和阴极侧催化层，其中，阳极侧催化层位于质子交换膜与阳极侧气体扩散层5之间，阴极侧催化层位于质子交换膜与阴极侧气体扩散层6之间。其中，催化剂可以涂覆在质子交换膜上，形成阳极侧催化层和阴极侧催化层。

如图1所示，所述密封边框4包括阳极冷却剂密封圈41、阳极密封圈42、阴极密封圈43；所述阳极冷却剂密封圈41设于所述阳极板1上且环绕所述阳极冷却剂流场区11设置，所述阳极密封圈42设于所述阳极板1上且环绕所述阳极流场区12设置，所述阳极密封圈42与所述阳极侧树脂边框22密封连接，所述阴极密封圈43设于所述阴极板3上且环绕所述阴极流场区32设置，所述阴极密封圈43与所述阴极侧树脂边框23密封连接。

所述密封边框4的材质包括EPDM、FKM、橡胶或胶粘剂。所述密封边框4解决了塑料边框加工困难、密封特征受力过度、密封膜易蠕变、多孔扩散层厚度较厚等问题，使得整个电解槽具有更低成本、加工更简单、装配更简单和模块化、更容易密封高压氢气等优势。所述密封边框4使用橡胶材料密封，密封结构型式多样化，既可以进行灵活设计，又避免了氟类密封材料结构单一，蠕变性差等问题。

如图2所示，在所述阳极板1朝向所述膜电极2的一侧，环绕所述阳极流场区12设有阳极密封槽15，所述阳极密封槽15内设有所述阳极密封圈42；在所述阳极密封圈42内设有与所述阳极流场区12连通的电解液分配区16和电解液公共管道17；环绕所述阳极流场区12还设有阴极气体公共管道18，所述阳极密封圈42环绕所述阴极气体公共管道18设置使所述阴极气体公共管道18与所述阳极流场区12相隔离。

如图3所示，在所述阴极板3朝向所述膜电极2的一侧，环绕所述阴极流场区32设有阴极密封槽33，所述阴极密封槽33内设有所述阴极密封圈43；在所述阴极密封圈43内设有与所述阴极流场区32连通的氢气分配区34和阴极气体公共管道18；环绕所述阴极流场区32还设有电解液公共管道17，所述阴极密封圈43环绕所述电解液公共管道17设置使所述电解液公共管道17与所述阴极流场区32相隔离。

其中所述电解液分配区16、所述氢气分配区34是零星分布的条状结构，也可以是零星分布的点状结构。

如图4所示，本申请还提供一种水电解槽的制作方法，包括：

S1、通过金属板冲压形成阳极板1，在所述阳极板1的一侧形成阳极冷却剂流场区11，所述阳极板1的另一侧形成阳极流场区12；所述阳极流场区12内设有电解液流道13，所述电解液流道13为蛇形流道、平行流道、仿生流道或平面流道；

S2、通过金属板冲压形成阴极板3，在所述阴极板3的一侧形成阴极冷却剂流场区31，在所述阴极板3的另一侧形成阴极流场区32；所述阴极流场区32为平面结构；

S3、环绕所述阳极板1的阳极冷却剂流场区11设置阳极冷却剂密封圈41，环绕所述阳极板1的阳极流场区12设置阳极密封圈42；

S4、将所述阳极板1的阳极流场区12与所述阴极板3的阴极流场区32对应设置，在所述阳极板1和所述阴极板3之间设置膜电极2；

S5、环绕所述阴极板3的阴极流场区32设置阴极密封圈43，将所述阴极板3通过所述阴极密封圈43与所述膜电极2连接。

进一步的，所述水电解槽的制作方法还包括：

在所述阳极板1和所述膜电极2之间设置阳极侧气体扩散层5，所述阳极侧气体扩散层5对应所述阳极流场区12设置，在所述阴极板3和所述膜电极2之间设置阴极侧气体扩散层6，所述阴极侧气体扩散层6对应所述阴极流场区32设置。

本申请实施例 提供的水电解槽及其制作方法，通过设置阳极板1的阳极流场区12内的流道为蛇形流道、平行流道、仿生流道、平面流道，阴极板3的阴极流场区32为平面结构，阴极流场的平面结构能与阳极流场区12内的流道的凸面充分接触，既保证了电解液均匀地流经阳极流场区12域，令电解液更为均匀扩散到膜电极2上，增大了电解液与膜电极2接触面积，提高扩散传质效率，同时又保证了整个水电解槽的阴极板3与阳极板1的充分接触，降低了水电解槽的接触电阻。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本申请实施例所提供的一种水电解槽及其制作方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。