一种质子交换膜电解槽及其应用

本发明属于电解水制氢，涉及一种质子交换膜电解槽，尤其涉及一种质子交换膜电解槽及其应用。

背景技术：

1、将太阳能与风能等可再生能源转化为电能进行电解水制氢具有极大的发展潜力，能够极大降低环境污染，实现无碳排放，是一条完全绿色的技术路线。质子交换膜电解槽(pemwe)具有电解效率高、响应时间短、气体纯度高及易于处理等优点，已被广泛认为是从可再生能源生产氧气和氢气的有效方式，但仍存在成本高(其中pemwe电堆占电解系统总成本的37％)和电解效率低等问题。在成本方面，人们普遍认识到，提高工作电流密度是降低成本的有效技术手段。然而，随着电流密度的增加，系统产气量逐渐增大，使得阳极多孔介质层的氧气无法有效移除，从而造成电解槽电解效率显著下降。具体原因主要包括以下三个方面：(a)氧气阻碍了反应物水分向催化层扩散；(b)氧气覆盖催化活性位点，减少了反应活性面积；(c)氧气的导热性差，催化层出现局部热点，加速了隔膜的降解。

2、cn211556049u公开了一种质子交换膜电解槽及制氢模块，该质子交换膜电解槽包括质子交换层，所述质子交换层的两侧皆设置有扩散层、双极板、电极和端板，所述扩散层、双极板、电极和端板从内到外依次设置，还包括气体流道，所述气体流道的第一端位于两个所述端板之间，所述气体流道的第二端伸出所述端板的外部，位于两个所述端板之间的气体流道至少部分呈弯曲设置；该质子交换膜电解槽及制氢模块可以提高气体管道内的气体压力，还有利于降温。但是，该质子交换膜电解槽存在着氧气无法有效移除，从而造成电解槽电解效率显著下降的问题。

3、cn217009240u公开一种新型质子交换膜电解槽双极板流场结构，通过设计自双极板边缘向双极板中心逆时针旋绕而成的第一螺旋流道和自双极板中心向双极板边缘顺时针旋绕而成的第二螺旋流道，将第一螺旋流道的出口与第二螺旋流道的入口连通，第一螺旋流道与第二螺旋流道相互包围的部分共用流道壁；纯水自第一螺旋流道进口流入，再自第二螺旋流道的出口流出，由于第一螺旋流道与第二螺旋流道相互包围的部分共用流道壁，因此新进入双极板的纯水通过流道壁与之前进入的纯水进行热交换，从而实现对电极进行全面的热交换，避免电机的局部温度过高的问题，保证对电极的冷却效果。同样的，该新型质子交换膜电解槽双极板流场结构存在着氧气无法有效移除，从而造成电解槽电解效率显著下降的问题，同时，还新型质子交换膜电解槽双极板流场结构的结构复杂且制造成本加高。

4、目前公开的质子交换膜电解槽都有一定的缺陷，存在着电解水制氢时阳极多孔介质层的中的氧气无法被有效移除，随着电解水的进行，质子交换膜电解槽的电解效率显著下降的问题。因此，目前急需找到一种加快高电流密度下能够实现阳极氧气移除的新型质子交换膜电解槽。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种质子交换膜电解槽及其应用，本发明提供的质子交换膜电解槽的流场通道中设置有挡流板，能够实现流场通道内氧气的再分布，使得质子交换膜电解槽中靠近多孔介质层处的氧气含量降低，从而加快了氧气的快速移除；所述质子交换膜电解槽有效地提高了电解水制氢时电解槽内部的气液传输能力，避免了高电流密度下氧气移除不足带来的传质恶化问题。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种质子交换膜电解槽，所述质子交换膜电解槽包括阳极双极板，所述阳极双极板的表面设置有至少一条相互平行的流场通道，至少一条所述流场通道内设置有至少一个挡流板。

4、本发明提供的质子交换膜电解槽的流场通道中设置有挡流板，能够实现流场通道内氧气的再分布，使得质子交换膜电解槽中靠近多孔介质层处的氧气含量降低，从而加快了氧气的快速移除；所述质子交换膜电解槽有效地提高了电解水制氢时电解槽内部的气液传输能力，避免了高电流密度下氧气移除不足带来的传质恶化问题。

5、优选地，所述阳极双极板上设置有流体进口与流体出口，所述阳极双极板上设置的所有流场通道的进口端汇合后与所述流体进口连通，所述阳极双极板上设置的所有流场通道的出口端汇合后与所述流体出口连通。

6、优选地，所述流场通道内设置的所有挡流板与所述进口端的距离为所述流场通道的长度的40～60％，例如可以是40％、42％、44％、46％、48％、50％、52％、54％、56％、58％或60％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

7、优选地，所述挡流板包括第一结构板与第二结构板，所述质子交换膜电解槽还包括第一多孔介质层，所述第一多孔介质层与所述阳极双极板的流场通道处贴合，所述第一结构板的一端与所述第一多孔介质层相接触，所述第一结构板与所述流场通道的侧壁连接且倾斜设置于所述流场通道内，所述第一结构板的另一端与所述第二结构板的一端连接，所述第二结构板的平行于所述流场通道的底部。

8、优选地，所述第一结构板与所述流场通道的中轴线之间的夹角为15～75度。

9、优选地，沿垂直于所述流场通道的方向，所述第一结构板的宽度为所述流场通道的宽度的40～60％，例如可以是40％、42％、44％、46％、48％、50％、52％、54％、56％、58％或60％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

10、优选地，沿垂直于所述流场通道的方向，所述第二结构板的宽度为所述流场通道的宽度的40～60％，例如可以是40％、42％、44％、46％、48％、50％、52％、54％、56％、58％或60％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

11、优选地，所述第一结构板与第二结构板的材质分别独立地包括钛、铜、铝或不锈钢。

12、优选地，质子交换膜电解槽还包括表面相对设置的第一端板与第二端板，所述第一端板与所述第二端板之间还包括表面相对设置的第一绝缘板与第二绝缘板，所述第一绝缘板与第二绝缘板之间包括所述阳极双极板，及与所述阳极双极板表面相对设置的阴极双极板，所述阳极双极板与阴极双极板之间包括第一多孔介质层，及与所述第一多孔介质层表面相对设置的第二多孔介质层，所述第一多孔介质层与第二多孔介质层之间还包括质子交换膜组件。

13、优选地，所述第一端板上设置有至少一个流体入口，所述流体入口与所述流体进口连通。

14、优选地，所述第一端板上设置有至少一个第一螺孔，所述阳极双极板上设置于至少一个与所述第一螺孔位置相对应的第二螺孔，螺栓穿过所述第一螺孔进入所述第二螺孔后将所述第一端板与所述阳极双极板固定。

15、第二方面，本发明提供了一种第一方面所述质子交换膜电解槽的应用，所述质子交换膜电解槽用于电解水制氢。

16、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

17、本发明提供的质子交换膜电解槽的流场通道中设置有挡流板，能够实现流场通道内氧气的再分布，使得质子交换膜电解槽中靠近多孔介质层处的氧气含量降低，从而加快了氧气的快速移除；所述质子交换膜电解槽有效地提高了电解水制氢时电解槽内部的气液传输能力，避免了高电流密度下氧气移除不足带来的传质恶化问题。