本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜電解水領(lǐng)域,，更具體地說(shuō),，涉及一種質(zhì)子交換膜水電解槽。

背景技術(shù)：

氫能以其清潔無(wú)污染,、高效,、可儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，被視作最理想的能源載體,。電解水制氫是目前獲得純氫最簡(jiǎn)單的方法,，如果將其與可再生資源發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，電解水可以作為大規(guī)模制氫技術(shù),，對(duì)環(huán)境的污染小,、溫室氣體排放少、經(jīng)濟(jì)性較好,，具有良好的應(yīng)用前景,。

質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)是通過(guò)電解水生成氧氣和氫氣，去離子水通過(guò)去離子水流入通道,、經(jīng)過(guò)擴(kuò)散層擴(kuò)散到質(zhì)子交換膜陽(yáng)極側(cè),，在催化劑作用下電解產(chǎn)生氧氣和氫離子，氧氣隨著未參加電解的去離子水通過(guò)含氧去離子水通道流出電解槽,，而氫離子則穿過(guò)質(zhì)子交換膜到陰極側(cè),，然后生成氫氣，并通過(guò)陰極擴(kuò)散層流入氫氣排出通道,，隨后流出電解槽,。

質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)是目前幾種電解水技術(shù)中效果最好的，20世紀(jì)70年代由美國(guó)通用公司研究發(fā)展起來(lái)的基于純水電解的技術(shù),，目前尚處于研發(fā)階段,。質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性、高的質(zhì)子傳導(dǎo)性以及良好的氣體分離性等優(yōu)點(diǎn),，可以使PEM電解槽在較高的電流下工作而不降低電解效率,。采用純水電解則避免了電解液對(duì)槽體的腐蝕，是一種安全性很高的水電解技術(shù),。但是現(xiàn)有技術(shù)中的質(zhì)子交換膜水電解槽中需要設(shè)計(jì)各種不同流道的流場(chǎng)板,，結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、體積龐大，導(dǎo)致加工困難,，并制造成本高,。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊的質(zhì)子交換膜水電解槽,，可以提高電解效率,，降低電流損耗，減小水電解槽質(zhì)量及體積,，降低裝配難度,、延長(zhǎng)水電解槽使用壽命。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種質(zhì)子交換膜水電解槽,，包括質(zhì)子交換膜,、陰極催化層、陽(yáng)極催化層,、陰極擴(kuò)散層和陽(yáng)極擴(kuò)散層,，所述陰極催化層和陽(yáng)極催化層分別噴涂在質(zhì)子交換膜兩側(cè)，形成三合一結(jié)構(gòu)的膜電極,，所述膜電極安裝在中間基板的中部,，所述中間基板的兩側(cè)分設(shè)有陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極流場(chǎng)板，所述陰極擴(kuò)散層鑲嵌在陰極流場(chǎng)板的中部,，所述陽(yáng)極擴(kuò)散層鑲嵌在陽(yáng)極流場(chǎng)板的中部,，所述陰極流場(chǎng)板的左端設(shè)有左環(huán)氧樹脂板，所述陽(yáng)極流場(chǎng)板的右端設(shè)有右環(huán)氧樹脂板,，所述左環(huán)氧樹脂板和右環(huán)氧樹脂板的中部均嵌設(shè)有集流板,，所述左環(huán)氧樹脂板的左側(cè)設(shè)有左端板，所述右環(huán)氧樹脂板的右側(cè)設(shè)有右端板,；所述左端板,、左環(huán)氧樹脂板、陰極流場(chǎng)板,、中間基板,、陽(yáng)極場(chǎng)流板、右環(huán)氧樹脂板和右端板固定連接,，并且都設(shè)有相通的氣液體孔道,。

上述方案中，所述陽(yáng)極擴(kuò)散層采用多層鈦網(wǎng)加鈦毛氈結(jié)構(gòu),，鈦網(wǎng)孔徑從陰極流場(chǎng)板側(cè)到膜電極側(cè)是逐漸變小,，鈦網(wǎng)孔徑從陽(yáng)極流場(chǎng)板側(cè)到膜電極側(cè)是逐漸變小。

上述方案中,，所述陰極擴(kuò)散層采用多層碳紙結(jié)構(gòu),。

上述方案中,，所述陰極擴(kuò)散層與流場(chǎng)板過(guò)盈配。

上述方案中,，所述陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極流場(chǎng)板的表面微凸,。

上述方案中，所述集流板邊緣設(shè)有用于連接電源的連接耳板,。

上述方案中,，所述左端板、左環(huán)氧樹脂板,、陰極流場(chǎng)板、中間基板,、陽(yáng)極場(chǎng)流板,、右環(huán)氧樹脂板和右端板的接觸面都設(shè)有密封槽，所述密封槽內(nèi)安裝密封圈,。

上述方案中,，所述氣液體孔道包括位于下方去離子水進(jìn)入電解槽通道、位于上方的含氧去離子水流出電解槽通道和位于左右兩側(cè)的為氫氣排出電解槽通道,。

上述方案中,，所述陰極流場(chǎng)板、陽(yáng)極流場(chǎng)板,、左環(huán)氧樹脂板,、右環(huán)氧樹脂板、左端板,、右端板的邊緣均設(shè)置有螺栓孔,。

上述方案中，所述陰極流場(chǎng)板,、陽(yáng)極流場(chǎng)板,、左環(huán)氧樹脂板、右環(huán)氧樹脂板,、左端板,、右端板的邊緣設(shè)置有定位孔。

實(shí)施本發(fā)明的質(zhì)子交換膜水電解槽,，具有以下有益效果：

1,、本發(fā)明通過(guò)各板之間對(duì)應(yīng)的氣液體孔道，實(shí)現(xiàn)氣體和液體的流通,，無(wú)需設(shè)置復(fù)雜的流道,，采用無(wú)流道的流場(chǎng)板可以降低加工難度及成本。

2,、采用無(wú)流道設(shè)計(jì),，陰陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層鑲嵌在流場(chǎng)板內(nèi),，且陰極擴(kuò)散層與流場(chǎng)板過(guò)盈配合，保證碳紙有一定壓縮率,，有利于擴(kuò)散層與膜電極的接觸和氣體排出,。

3、本發(fā)明流場(chǎng)板采用微凸設(shè)計(jì),，可以在電解槽組裝時(shí)提高質(zhì)子交換膜與擴(kuò)散層的接觸效果,，防止質(zhì)子交換膜溶脹變形，從而提高電解效率,。

4,、本發(fā)明陽(yáng)極擴(kuò)散層采用多層鈦網(wǎng)加鈦毛氈結(jié)構(gòu)，并且鈦網(wǎng)孔徑從流場(chǎng)板側(cè)到膜電極側(cè)是逐漸變小的,，此外在鈦網(wǎng)和膜電極之間放置鈦毛氈,。陰極擴(kuò)散層采用多層碳紙結(jié)構(gòu)，有利于水氣傳輸和擴(kuò)散層與膜電極的接觸,，降低接觸電阻,，提高水電解性能，還可以防止擴(kuò)散層的腐蝕,。

附圖說(shuō)明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明,，附圖中：

圖1是本發(fā)明質(zhì)子交換膜水電解槽的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的零件爆炸示意圖,；

圖3是質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)示意圖,；

圖4是陰極流場(chǎng)板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是陽(yáng)極流場(chǎng)板的結(jié)構(gòu)示意圖,；

圖6是集流板的結(jié)構(gòu)示意圖,；

圖7是左端板或右端板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是流場(chǎng)板另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖,。,。

具體實(shí)施方式

為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解,，現(xiàn)對(duì)照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式,。

如圖1-7所示，本發(fā)明質(zhì)子交換膜1水電解槽,，包括質(zhì)子交換膜1,、陰極催化層、陽(yáng)極催化層,、陰極擴(kuò)散層2,、陽(yáng)極擴(kuò)散層3、陰極流場(chǎng)板4,、陽(yáng)極流場(chǎng)板5,、左環(huán)氧樹脂板6,、右環(huán)氧樹脂板7、左端板8和右端板9,。左端板8,、左環(huán)氧樹脂板6、陰極流場(chǎng)板4,、中間基板10,、陽(yáng)極場(chǎng)流板、右環(huán)氧樹脂板7和右端板9固定連接,，并且都設(shè)有相通的氣液體孔道,。

陰極催化層和陽(yáng)極催化層分別噴涂在質(zhì)子交換膜1兩側(cè)，形成三合一結(jié)構(gòu)的膜電極,，便于裝配,，膜電極安裝在中間基板10的中部。電解質(zhì)為質(zhì)子交換膜1,，是目前技術(shù)比較成熟的質(zhì)子交換膜1，其優(yōu)點(diǎn)在于質(zhì)子電導(dǎo)率高,、電化學(xué)穩(wěn)定性好,、具有一定機(jī)械強(qiáng)度、隔氣性能高,。將陰極催化層,、陽(yáng)極催化層分別噴涂到質(zhì)子交換膜1兩側(cè)形成三合一結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以降低催化劑載量,，還可以顯著提高催化劑的活性表面積,、化學(xué)穩(wěn)定性，降低質(zhì)子傳導(dǎo)阻力,。

中間基板10的兩側(cè)分設(shè)有陰極流場(chǎng)板4和陽(yáng)極流場(chǎng)板5,，陰極擴(kuò)散層2鑲嵌在陰極流場(chǎng)板4的中部，陽(yáng)極擴(kuò)散層3鑲嵌在陽(yáng)極流場(chǎng)板5的中部,。陽(yáng)極擴(kuò)散層3采用多層鈦網(wǎng)加鈦毛氈結(jié)構(gòu),，并且鈦網(wǎng)孔徑從流場(chǎng)板側(cè)到膜電極側(cè)是逐漸變小的，此外在鈦網(wǎng)和膜電極之間放置鈦毛氈,，有利于水氣傳輸和擴(kuò)散層與膜電極的接觸,，降低接觸電阻，提高水電解性能,。陰極擴(kuò)散層2采用多層碳紙結(jié)構(gòu),，有利于水氣傳輸和擴(kuò)散層與膜電極的接觸，降低接觸電阻,，提高水電解性能,。根據(jù)其與流場(chǎng)板的配合確定碳紙層數(shù),、粘連在一起，不影響擴(kuò)散性能,，降低組裝難度,。

陰極流場(chǎng)板4和陽(yáng)極流場(chǎng)板5為純鈦材質(zhì)，表面涂層,，其優(yōu)點(diǎn)在于可以降低直流電流損耗,，耐腐蝕，使用壽命長(zhǎng),。陰極流場(chǎng)板4和陽(yáng)極流場(chǎng)板5采用微凸形設(shè)計(jì),，保證整體受力平衡，防止質(zhì)子交換膜1不規(guī)則變形,，提高水電解性能,。陰極流場(chǎng)板4和陽(yáng)極流場(chǎng)板5采用無(wú)流道設(shè)計(jì)，陰極氣體擴(kuò)散層,、陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層鑲嵌在流場(chǎng)板內(nèi),，且陰極擴(kuò)散層2與陰極流場(chǎng)板4過(guò)盈配合，保證碳紙有一定壓縮率,，有利于陰極擴(kuò)散層2與膜電極的接觸和氣體排出,。

本實(shí)施例中的質(zhì)子交換膜1水電解槽結(jié)構(gòu)為單片質(zhì)子交換膜1電解槽結(jié)構(gòu)，但是對(duì)于多片質(zhì)子交換膜1串聯(lián)的電解槽也同樣適用,，多片結(jié)構(gòu)主要區(qū)別在于流場(chǎng)板兩側(cè)是作為兩個(gè)相鄰單電解槽結(jié)構(gòu)的陰陽(yáng)極流場(chǎng)板5,，即將陰極側(cè)流場(chǎng)與陽(yáng)極側(cè)流場(chǎng)整合到一塊流場(chǎng)板上，如圖8所示,。

陰極流場(chǎng)板4的左端設(shè)有左環(huán)氧樹脂板6,，陽(yáng)極流場(chǎng)板5的右端設(shè)有右環(huán)氧樹脂板7，左環(huán)氧樹脂板6和右環(huán)氧樹脂板7的中部均嵌設(shè)有集流板11,。集流板11為銅板,，表面鍍金，可以減小電阻,，降低能耗,，防止腐蝕。集流板11鑲嵌于環(huán)氧樹脂板內(nèi),，可以增強(qiáng)絕緣性能,，還有利于減小電解槽整體體積。并且集流板11設(shè)計(jì)有外延的連接耳板12,，用于連接直流電源,。

左環(huán)氧樹脂板6的左側(cè)設(shè)有左端板8，右環(huán)氧樹脂板7的右側(cè)設(shè)有右端板9。左端板8和右端板9采用鋁合金材質(zhì),，且端板外側(cè)安裝管道接頭,，用于氣液體的傳輸，其優(yōu)點(diǎn)在于可以保證端板的剛度及強(qiáng)度,，并且減輕整個(gè)水電解槽質(zhì)量,。

左端板8、左環(huán)氧樹脂板6,、陰極流場(chǎng)板4,、中間基板10、陽(yáng)極場(chǎng)流板,、右環(huán)氧樹脂板7和右端板9的接觸面都設(shè)有密封槽,，密封槽內(nèi)安裝密封圈。

氣液體孔道包括位于下方去離子水進(jìn)入電解槽通道15,、位于上方的含氧去離子水流出電解槽通道14和位于左右兩側(cè)的為氫氣排出電解槽通道13,。陰極流場(chǎng)板4、陽(yáng)極流場(chǎng)板5,、左環(huán)氧樹脂板6,、右環(huán)氧樹脂板7、左端板8,、右端板9的邊緣均設(shè)置有螺栓孔16,用于安裝緊固螺栓,。陰極流場(chǎng)板4、陽(yáng)極流場(chǎng)板5,、左環(huán)氧樹脂板6、右環(huán)氧樹脂板7,、左端板8,、右端板9的邊緣設(shè)置有定位孔17，可對(duì)電解槽組裝時(shí)提供精確定位,。

上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述,，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的,，而不是限制性的,，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下,，還可做出很多形式,，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。