电解传输结构及PEM电解槽的制作方法

电解传输结构及pem电解槽
技术领域
1.本实用新型涉及pem电解槽技术领域，特别是涉及一种电解传输结构及pem电解槽。


背景技术：

2.质子交换膜水电解槽(proton exchange membrane electrolyzer cell,pemec)简称pem电解槽，是由膜电极、扩散层、双极板以及辅助配件叠层装配而成的电解水制氢装置。目前常用pem电解槽的膜电极主要由涂覆催化剂的质子交换膜构成，是电化学反应的主要场所；扩散层主要由多孔材料制成，阴极侧扩散层主要使用碳纸，用来收集和传输h2，阳极侧扩散层主要使用多孔钛，用来分散纯水和传输o2；双极板主要由带有“脊-槽”结构流场的金属板加工而成，用来支撑pem电解槽以及传输反应物纯水以及产物h2和o2。
3.目前常用的pem电解槽主要存在着以下缺陷：
4.1、由于扩散层与双极板二者相接触的表面发生腐蚀以及二者接触面积小，扩散层与双极板之间接触电阻大；
5.2、阳极侧扩散层仅具有一种规格的孔径，且阳极侧扩散层的孔径很难保证既适用于液体传输，又适用于气体传输，孔径过小，气体传输能力大于液体传输能力，液体传输效果差，相反地，孔径过大，液体传输能力大于气体传输能力，气体传输效果差，阳极侧扩散层无法同时保证气体和液体的传输效果。
6.因此，如何克服上述缺陷成为本领域技术人员目前所亟待解决的问题。


技术实现要素：

7.为解决以上技术问题，本实用新型提供一种扩散层与双极板之间接触电阻小，且能够同时保证气体和液体的传输效果的电解传输结构及包括该电解传输结构的pem电解槽。
8.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
9.本实用新型提供一种电解传输结构，包括：多孔金属烧结层和导电微孔层，所述多孔金属烧结层的第一面设置有多个流道槽，所述多孔金属烧结层的第二面设置有所述导电微孔层，且所述导电微孔层的部分孔隙的直径处于第一直径区间，部分所述孔隙的直径处于第二直径区间，且当所述孔隙的直径处于所述第一直径区间时，所述孔隙传输气体的能力大于所述孔隙传输液体的能力，当所述孔隙的直径处于所述第二直径区间时，所述孔隙传输所述液体的能力大于传输所述气体的能力。
10.优选地，所述多孔金属烧结层的所述第一面冲压形成所述流道槽。
11.优选地，所述多孔金属烧结层与所述导电微孔层冶金结合。
12.优选地，将部分融化的导电粒子喷涂到所述多孔金属烧结层的所述第一面，以形成所述导电微孔层。
13.优选地，所述多孔金属烧结层为多孔金属纤维烧结层。
14.优选地，所述流道槽垂直于其自身长度方向的截面为半圆形或者梯形。
15.本实用新型还提供一种pem电解槽，包括：至少两个电解单池，所述电解单池包括膜电极、两个导电分隔板以及两个所述的电解传输结构，两个所述导电分隔板相对设置，所述膜电极的两端均夹紧于两个所述导电分隔板之间，且两个所述导电分隔板与所述膜电极之间分别形成第一空腔和第二空腔，两个所述电解传输结构分别设置于所述第一空腔和所述第二空腔内，各个所述电解传输结构的导电微孔层均与所述膜电极相对设置，并相接触，各个所述电解传输结构的多孔金属烧结层均与所述导电分隔板相对设置，并相接触，全部所述电解单池由上至下依次设置，并依次串联连接；连接组件，所述连接组件包括连接件和两个端板，全部所述电解单池均夹紧于两个所述端板之间，两个所述端板通过所述连接件连接。
16.优选地，任意相邻两个所述电解单池均共用一个所述导电分隔板。
17.优选地，所述导电分隔板的上端部分凹陷以形成所述第一空腔，所述导电分隔板的下端部分凹陷以形成所述第二空腔，且所述第一空腔与所述膜电极的阳极侧相对设置，所述第二空腔与所述膜电极的阴极侧相对设置，所述导电分隔板上设置有与所述第一空腔相连通的进水口、排水口以及第一出气口以及与所述第二空腔相连通的第二出气口。
18.优选地，所述电解单池的两个所述导电分隔板至少其中一者与所述膜电极相对的一端设置有密封槽，且所述密封槽内设置有密封圈。
19.本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
20.1.本实用新型提供的电解传输结构包括：多孔金属烧结层，多孔金属烧结层的第一面设置有多个流道槽。目前常用的pem电解槽双极板的流场部分与扩散层相接触，该电解传输结构将双极板的流场部分与扩散层做成一体式结构，即多孔金属烧结层。一体式结构有效避免了扩散层与二者相接触的表面发生腐蚀，同时使得二者接触面积大，如此，有效减小了双极板与扩散层之间的接触电阻。
21.2.本实用新型提供的电解传输结构多孔金属烧结层的第二面设置有导电微孔层，导电微孔层的部分孔隙的直径处于第一直径区间，部分孔隙的直径处于第二直径区间，且当孔隙的直径处于第一直径区间时，孔隙传输气体的能力大于孔隙传输液体的能力，孔隙适用于传输气体，当孔隙的直径处于第二直径区间时，孔隙传输液体的能力大于传输气体的能力，孔隙适用于传输液体。通过设置两种直径区间的孔隙，且两种直径区间的孔隙分别适用于气体传输和液体传输，该电解传输结构能够同时保证气体和液体的传输效果。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本实用新型实施例中提供的电解传输结构的结构示意图；
24.图2为本实用新型实施例中提供的电解传输结构的仰视图；
25.图3为本实用新型实施例中提供的电解单池的结构示意图；
26.图4为本实用新型实施例中提供的导电分隔板的结构示意图；
27.图5为本实用新型实施例中提供的导电分隔板的剖视图；
28.图6为本实用新型实施例中提供的pem电解槽的结构示意图。
29.附图标记说明：100、pem电解槽；1、电解单池；101、电解传输结构；1011、多孔金属烧结层；1012、流道槽；1013、导电微孔层；102、导电分隔板；1021、密封槽；1022、进水口；1023、第一出气口；1024、第二出气口；103、膜电极；104、密封圈；2、端板；3、连接件。
具体实施方式
30.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.本实用新型的目的是提供一种扩散层与双极板之间接触电阻小，且能够同时保证气体和液体的传输效果的电解传输结构及包括该电解传输结构的pem电解槽。
32.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
33.参考图1-图6所示，本实施例提供的电解传输结构101包括：多孔金属烧结层1011和导电微孔层1013，多孔金属烧结层1011的第一面设置有多个流道槽1012，多孔金属烧结层1011的第二面设置有导电微孔层1013，且导电微孔层1013的部分孔隙的直径处于第一直径区间，部分孔隙的直径处于第二直径区间，且当孔隙的直径处于第一直径区间时，孔隙传输气体的能力大于孔隙传输液体的能力，当孔隙的直径处于第二直径区间时，孔隙传输液体的能力大于传输气体的能力。本实施例提供的电解传输结构101扩散层与双极板之间接触电阻小，且能够同时保证气体和液体的传输效果。
34.当孔隙的直径处于第一直径区间时，孔隙毛细作用力强，孔隙能够将阳极生成的氧气泡快速传输到孔径较大的多孔传输层。同时，由于表面张力大，液体将无法穿过孔隙，该原理与防水透气膜的工作原理实质相同。防水透气膜工作原理如下：
35.在水汽的状态下，水颗粒非常细小，根据毛细运动的原理，可以顺利渗透到毛细管到另一侧，从而发生透气现象。当水汽冷凝变成水珠后，颗粒变大，由于水珠表面张力的作用(水分子之间互相“拉扯抗衡”)，水分子就不能顺利脱离水珠渗透到另一侧，也就是防止了水的渗透发生，使透气膜有了防水的功能。
36.当孔隙的直径处于第二直径区间时，毛细作用力弱，氧气泡传输能力差，而孔径变大，液体传输能力变强，液体通过孔隙快速扩散到膜电极103。
37.具体使用过程中，通过控制孔隙直径，同时设置适用于传输气体的第一直径区间和适用于传输液体的第二直径区间，能够同时保证气体和液体的传输效果。
38.本实施例中，具体地，全部孔隙按照直径划分为两部分，一部分直径处于第一直径区间，另一部分直径处于第二直径区间。
39.进一步具体地，处于第一直径区间的孔隙的直径大于0.5μm，且小于6μm，处于第二直径区间的孔隙的直径大于等于6μm，且小于10μm。另外，导电微孔层1013的全部孔隙直径最好是连续变化的，连续递增或者连续递减。
40.一些实施例中，多孔金属烧结层1011的第一面冲压形成流道槽1012。多孔金属烧
结层1011为三维多孔结构，与实心结构相比，多孔结构冲压更加方便，所需要的冲压力更小。
41.冲压完成后，任意相邻两个流道槽1012之间均形成凸脊。另外，由于冲压的作用，流道槽1012槽底的孔隙率小于凸脊的孔隙率。在多孔金属烧结层1011第二面孔隙率不变的情况下，由于凸脊的孔隙率大于流道槽1012槽底的孔隙率，避免了液体仅由流道槽1012槽底穿过多孔金属烧结层1011，使得液体流动更加均匀。
42.一些实施例中，多孔金属烧结层1011与导电微孔层1013冶金结合。
43.进一步地，将部分融化的导电粒子喷涂到多孔金属烧结层1011的第一面，以形成导电微孔层1013。
44.进一步地，将半融化的导电粒子喷涂(热喷涂)到多孔金属烧结层1011的第一面，以形成导电微孔层1013。
45.进一步地，金属粉末为颗粒结构，部分融化的导电粒子由金属粉末，例如钛粉，加热融化后形成。
46.进一步地，金属粉末为钛粉、铌粉或者钽粉。
47.进一步具体地，将粒径为1～10μm范围的钛粉加热熔化为半熔粒子，在35m/s的速度下喷涂到多孔金属烧结层1011的一面，多孔金属烧结层1011为多孔结构，半熔粒子镶嵌在多孔结构内部，并粘接在多孔金属烧结层1011表面，半熔粒子之间表面熔化层形成冶金结合，导电微孔层1013结合力为34mpa，内部未熔化部分支撑半熔粒子构成微孔结构。
48.进一步地，多孔金属纤维烧结层为三维多孔结构，厚度为2mm，孔隙率为75％，孔径分布在1～110μm之间变化，孔径为80～100μm的孔结构占比为83％，导电微孔层1013为钛粉填充多孔金属纤维烧结层表层孔隙构成，导电微孔层1013厚度为30μm，填充后多孔金属纤维烧结层的表层孔隙率为37％，孔径处于1～10μm之间。
49.一般采用喷涂方式是为了形成致密结构，而本实用新型正好相反，通过喷涂部分融化的粒子结构，能够在多孔金属烧结层1011的一面形成导电微孔层1013。一些实施例中，多孔金属烧结层1011为多孔金属纤维烧结层。但并不仅限于为多孔金属纤维烧结层，选用烧结而成的多孔金属结构即可，例如多孔金属烧结层1011还可为多孔金属粉末烧结层。
50.进一步地，多孔金属烧结层1011采用钛基材料、铌基材料以及钽基材料三种材料中的一种或者多种制成。
51.另外，当多孔金属烧结层1011为多孔金属纤维烧结层时，多孔金属纤维烧结层与膜电极103相对的一面，即多孔金属烧结层1011的第一面由金属纤维随机堆叠烧结而成，纤维搭接点突出、纤维围成的孔隙处凹陷，与膜电极103接触面凹凸不平，造成真实接触面积小，接触电阻大，导电性差，通过将部分融化的导电粒子喷涂到多孔金属烧结层1011第一面，导电粒子可填充多孔金属烧结层1011第一面凹凸不平的孔结构，形成的导电微孔层101与膜电极103接触面积提高，可有效降低接触电阻。
52.在多孔金属烧结层1011第一面形成相较于多孔金属烧结层1011的第一面更为平整的导电微孔层1013，利用导电微孔层1013与膜电极103相接触，有效减小了电解传输结构101与膜电极之间103的接触电阻。
53.一些实施例中，流道槽1012垂直于其自身长度方向的截面为半圆形或者梯形。同理，流道槽1012的形状并不仅限于为半圆形或者梯形，这里仅举例说明，还可以为其它形
状。
54.参考图1-图6所示，本实用新型还提供一种pem电解槽100，其包括：至少两个电解单池1，电解单池1包括膜电极103、两个导电分隔板102以及上述任一实施例中所述的两个电解传输结构101，两个导电分隔板102相对设置，膜电极103的两端均夹紧于两个导电分隔板102之间，且两个导电分隔板102与膜电极103之间分别形成第一空腔和第二空腔，两个电解传输结构101分别设置于第一空腔和第二空腔内，各个电解传输结构101的导电微孔层1013均与膜电极103相对设置，并相接触，各个电解传输结构101的多孔金属烧结层1011均与导电分隔板102相对设置，并相接触，全部电解单池1由上至下依次设置，并依次串联连接；连接组件，连接组件包括连接件3和两个端板2，全部电解单池1均夹紧于两个端板2之间，两个端板2通过连接件3连接。
55.于本实施例中，连接件3的具体结构属于现有技术，选用能够将两个端板2连接在一起的结构即可。
56.一些实施例中，任意相邻两个电解单池1均共用一个导电分隔板102。如此设置，pem电解槽100结构更加简单，更加紧凑，且成本更低。
57.具体地，如图5所示，导电分隔板102的上端部分凹陷以形成第一空腔，导电分隔板102的下端部分凹陷以形成第二空腔，且第一空腔与膜电极103的阳极侧相对设置，第二空腔与膜电极103的阴极侧相对设置，导电分隔板102上设置有与第一空腔相连通的进水口1022、排水口以及第一出气口1023以及与第二空腔相连通的第二出气口1024。
58.一些实施例中，如图3-图6所示，电解单池1的两个导电分隔板102至少其中一者与膜电极103相对的一端设置有密封槽1021，且密封槽1021内设置有密封圈104。
59.进一步地，密封槽1021沿导电分隔板102的周向设置。
60.需要说明的是，上述实施例中的上下指的是本实用新型提供的pem电解槽100按照图6所示方式布置时之所指。
61.本说明书中应用了具体个例对本实用新型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实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。