采用复合式流场的SPE电解池模块及其电解水制氢气的方法

摘要

本发明公开了一种采用复合式流场的SPE电解池模块，由阳极双极板、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层和阴极双极板组装得到；阳极双极板连接阳极扩散层的表面上刻有阳极双极板流道，且该双极板流道中分别设有纯水通入口和水氧出口；阴极双极板连接阴极扩散层的表面上刻有阴极双极板流道，且该双极板流道中设有氢气出口；所述的阳极、阴极双极板流道均由不少于五折的复合流道从上往下依次弯折连接构成，形成流体流动的蛇形通道；每折复合流道前后两端设有呈点状矩阵结构设计的圆柱体群，中部为平行流道脊。本发明大幅提升了纯水扩散性能和阳极双极板排氧能力，不仅沿程压降小、流道面积大，而且膜电极工作效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及化工和核技术及设备领域，具体涉及的是一种采用复合式流场的SPE电解池模块及其电解纯水的方法。

背景技术

氢气是一种环境友好的能量载体，具有清洁、无污染及可再生的优势。天然气蒸汽重整、水煤气制氢和甲醇重整制氢和水电解制氢都是目前工业化制氢的方法。相比而言，水电解制氢原料是水，取之不尽，且反应产物也是水，可循环利用；同时，水电解制氢还有产品氢气纯度高、操作灵活的优势。因此，水电解尤其是电解纯水的SPE电解方式，不仅转化效率高、内阻小，而且氢不易反渗透，因而具有广阔的应用前景，对于未来氢能的利用具有举足轻重的作用。

SPE电解在含氚废水去氚化处理中也发挥着重大的作用。核电站运行过程会产生含氚废水，如果不能合理处置，将会造成严重的环境污染；同时，含氚水中氚的回收具有很高的经济价值，因而开发高效、环保的水去氚化技术和装备具有非常重要的意义。而SPE电解在水去氚化的应用中也具有明显优势，例如：(1)SPE膜具有氢同位素效应，T⁺透膜能力远小于H⁺，使得SPE电解在产生贫氚氢气的同时，将氚浓缩于液相；(2)SPE膜具有优良的抗辐照性能，目前已有的电解-催化交换水去氚化的工艺(CECE)，将SPE电解与氢同位素催化交换工艺耦合，具有非常高的去氚因子。

在SPE电解池中，双极板流场用于为反应物和生成物提供流动通道，流道结构影响流体在流道内的流动和反应物质的传递，进而影响到电解池的工作效率。常见的双极板流道有平行流道、蛇形流道和交指型流道。平行流道显著优势是流体总压降低，但随着流场宽度增加，流道中流体分布不均，引起阳极双极板氧气的富集，增加流动损耗。蛇形流道排气能力强，但随着流道面积增大，流体压降显著增大。交指型流道又称为不连续流道，排带能力强，电池功率密度高，但通过扩散层压降很大，并且容易发生短路和沟流的情况。

综上所述，开发高效的双极板流场，提升SPE电解池模块工作效率，对于SPE电解技术的发展以及水制氢气等应用都具有至关重要的意义。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了采用复合式流场的SPE电解池模块及其电解纯水的方法，能有效解决阳极双极板排氧的问题，同时沿程压降小，流道面积大，膜电极工作效率高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

采用复合式流场的SPE电解池模块，包括依次叠加组装的阳极双极板、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层和阴极双极板；所述阳极双极板连接阳极扩散层的表面上刻有阳极双极板流道，且该双极板流道中分别设有纯水通入口和水氧出口；所述阴极双极板连接阴极扩散层的表面上刻有阴极双极板流道，且该双极板流道只设有氢气出口。

进一步地，所述阳极双极板与阳极扩散层之间还设有阳极密封圈。

再进一步地，所述阴极双极板与阴极扩散层之间还设有阴极密封圈。

具体地说，所述阳极双极板流道和阴极板双极板流道均由不少于五折的复合流道从上往下依次弯折连接构成，形成流体流动的蛇形通道；每折复合流道的前后两端均设有呈点状矩阵结构设计的圆柱体群，并且，在每折复合流道中部均设有呈交错方式分布、并将复合流道由上往下分成N条平行流道的平行流道脊，4≤N，且相邻的平行流道脊之间均设有用于连通相邻两条平行流道、以便平衡复合流道中的流体压力和流速的贯通口；同时，所述的复合流道由上往下，其平行流道的条数按照等差的方式依次递减。

更进一步地，所述阳极双极板流道上，所述的纯水通入口设置在该双极板流道中最上方的复合流道的端部；所述的水氧出口设置在该双极板流道中最下方的复合流道的端部。

更进一步地，所述阴极双极板流道上，所述的氢气出口设置在该双极板流道中最下方的复合流道的端部。

作为优选，在阳极双极板流道和阴极双极板流道中，除最底部一折复合流道外的其他复合流道中的最下方平行流道，其宽度均比其他平行流道宽50％；同时，最底部的复合流道中的所有平行流道的宽度均与其他复合流道中的最下方平行流道宽度相同。

更进一步地，每折复合流道中用于使流体转向的端部均设有光滑过渡圆倒角。

作为优选，点状矩阵结构中的圆柱体群呈60°角交错的方式分布。

基于上述结构，本发明还提供了该SPE电解池模块电解水制氢气的方法，包括以下步骤：

(1)纯水经阳极双极板上的双极板流道透过阳极扩散层与阳极催化层接触生成氧气；

(2)氧气经阳极扩散层返回阳极双极板流道中，与未电解的水一道从水氧出口引出；而质子则穿过质子交换膜，并在阴极催化层的作用下还原为氢气，然后经阴极双极板上的流道富集后在氢气出口引出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明设计的SPE电解池模块不仅电解氢气纯度高(≥99.999％)，而且可以有效 降低欧姆损耗，具有所需电压小、电流密度大、工作发热量少、电解效率高的优点。

(2)本发明大幅提升了纯水扩散性能和阳极双极板排氧能力，其不仅沿程压降小、流道面积大，而且膜电极工作效率高。

(3)本发明通过改进双极板流道的结构设计，在其上设置了由多折复合流道构成的蛇形通道，并在复合流道中设置点状矩阵结构的圆柱体群，从而提升了液相载气能力，解决了流体在SPE电解池模块中排气困难的问题。

(4)本发明双极板流道的点状矩阵中圆柱体群呈60°角交错的方式分布，如此可增加流道面积，平衡了流道压力和流速分布，增加了膜电极的润湿能力。

(5)本发明双极板流道的复合流道中的平行流道的条数采用等差递减设计，流道后程流速增大提高了阳极双极板载带氧气的能力，同时提高后程压力有利于保证液相扩散能力，提升膜电极工作效率。并且每折复合流道最下方的平行流道和最下方复合流道的所有平行流道的宽度比其他平行流道宽50％，可以使流场流速分布更加均匀。

(6)本发明在每折复合流道中用于使流体转向的端部均设有光滑过渡圆倒角，可进一步降低流体沿程压降，更加有利于流道各向均匀分配流体，减少流场死区。

(7)本发明设计合理、电解氢气能力强，具有非常高的实用价值和推广价值。

附图说明

图1为本发明的结构分解示意图。

图2为本发明中双极板流道的结构示意图。

图3为本发明制备氢气的一种实施示意图。

图4为本发明所述的双极板流道、蛇形流道和平行流道的流场中压力、流速分布的对比示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-圆柱体群，2-平行流道脊，3-平行流道，4-贯通口，5-光滑过渡圆倒角，6-阳极双极板，7-阳极密封圈，8-阳极扩散层，9-阳极催化层，10-质子交换膜，11-阴极催化层，12-阴极扩散层，13-阴极密封圈，14-阴极双极板，15-双极板流道，16-纯水水箱，17-定量泵，18-直流电源，19-气液分离罐，20-水暂存罐，21-循环泵，22-氧气干燥器，23-氧气储存罐，24-氢气干燥器，25-氢气储存罐。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1所示，本发明提供了一种新型的SPE电解池模块，其采用了复合式流场。本发明包括依次叠加组装的阳极双极板6、阳极扩散层8、质子交换膜10、阴极催化层11、阴极扩散层12和阴极双极板14。所述的阳极双极板6上刻有阳极双极板流道15，而所述的阴极双极板14上则刻有阴极双极板流道，其中，阳极双极板流道上分别设有一个纯水通入口和水氧出口，而阴极双极板流道只设有一个氢气出口。扩散层、催化层和质子交换膜构成膜电极组件，是SPE电解池模块的核心组件。

此外，本发明还分别设置了阳极密封圈7和阴极密封圈13，其中，阳极密封圈7位于阳极双极板6和阳极扩散层8之间；阴极密封圈13位于阴极扩散层12和阴极双极板14之间。如此可保证SPE电解池模块的密封性。本实施例中，密封圈优选高弹性、耐腐蚀的硅橡胶密封圈，厚度优选0.5～1mm，同时双极板上可设置密封圈缓冲槽，与密封圈契合。

上述部件中，所述的阳极双极板6和阴极双极板14均优选采用钛合金或其他耐腐蚀合金进行表面处理的不锈钢制成。阳极扩散层8采用表面进行镀钽处理的不锈钢网，阴极扩散层12优选烧结多孔钛，保证通透性和耐久性。所述阳极催化层9采用IrO₂催化剂，阴极催化层11采用Pt黑催化剂，阴极和阳极催化层均经喷涂工艺分别涂覆于质子交换膜10两侧，该质子交换膜10作为传递H⁺的介质，采用全氟磺酸膜，本实施例优选杜邦公司生产的Nafion>

而作为本发明的另一主要改进点，如图2所示，本实施例中，所述的双极板流道包括由不少于五折(本实施例采用五折)的复合流道从上往下依次弯折连接构成、用于流体(纯水)在其中流动的蛇形通道。每折复合流道(深度为1.2～2.0mm)的前后两端均设有呈点状矩阵结构设计的圆柱体群1(矩阵中的圆柱体群呈60°角交错的方式分布，圆柱直径2mm)，并且，在每折复合流道上、且位于两端圆柱体群之间均设有呈交错方式分布、并将复合流道由上往下分成N条平行流道3的平行流道脊2(宽度为1.5～2.0mm)，同时，相邻的平行流道脊之间均设有用于连通相邻两条平行流道、以便平衡复合流道中的流体压力和流速的贯通口4。

此外，所述的复合流道由上往下，其平行流道的条数按照等差的方式依次递减，本实施例中，最上方的复合流道有8条平行流道，往下的复合流道依次等差递减一条平行流道，即最下方的复合流道有4条平行流道。并且，在阳极双极板流道和阴极双极板流道中，除最底部一折复合流道外的其他复合流道中的最下方平行流道，其宽度均比其他平行流道宽50％；同时，最底部的复合流道中的所有平行流道的宽度均与其他复合流道中的最下方平行流道宽度相同。

另外，由于采用了蛇形通道的设计结构，为降低流道变向时的沿程压降，每折复合流道中用于使流体转向的端部均设有光滑过渡圆倒角5。

图3为本发明电解水制备氢气的一种实施系统结构，该系统中，所述的纯水水箱16的出水口经定量泵17连接阳极双极板6上的双极板流道中的纯水通入口，纯水水箱16的进水口则连接循环泵21的泵出口，并且纯水水箱与循环泵21之间还连接有阀门。

所述阳极双极板6上的双极板流道中的水氧出口连接气液分离罐19，该气液分离罐19出水口与水暂存罐20进水口连接，出气口与氧气干燥器22连接，氧气干燥器22与氧气储存罐23连接；而水暂存罐20出水口则与循环泵21的泵入口连接，以便循环处理。

所述阴极双极板14上的双极板流道中的氢气出口与氢气干燥器24连接，该氢气干燥器24与氢气储存罐25连接。

所述的直流电源18则正极接入阳极双极板6，负极接入阳极双极板14。

按照上述系统结构，其制备氢气的过程如下(采用纯水作为流动介质)：

(1)定量泵将原料水引入阳极双极板上的双极板流道；

(2)接通直流电源，阳极侧接通电源正极，阴极侧接通电源负极；

(3)水经阳极双极板上的双极板流道透过阳极扩散层与阳极催化层接触生成氧气；

(4)氧气经阳极扩散层返回阳极双极板流道中，与未电解的水一道从水氧出口引出；而质子则穿过质子交换膜，在阴极催化层作用下还原为氢气，然后经阴极双极板上的双极板流道富集后在氢气出口引出；

(5)引出的氢气经干燥后在氢气储存罐中储存；而水氧两相混合物则经气液分离罐分离，得到水和氧气，氧气经干燥后进入氧气储存罐，而水则进入水暂存罐暂存，然后经由循环泵泵入到纯水水箱中，继续循环上述步骤。

图4对比了蛇形流道、平行流道和本发明所述的复合式双极板流道中压力和流速的分布。其中(a)、(c)、(e)分别为以上三种流道中的压力分布；(b)、(d)、(f)分别为三种流道中的流速分布。工作介质均采用常温纯水，流道尺寸规格一致，取相同的水处理量。计算结果表明本发明所述的复合式双极板流场中流体沿程压降小，流道面积大，流速分布更均匀，可以显著提升SPE电解池模块的工作效率。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。