一种强化物料水分配型PEM电解水双极板的制作方法

本发明涉及质子交换膜电解水制氢，具体而言，尤其涉及一种强化物料水分配型pem电解水双极板。

背景技术：

1、双极板是pem水电解槽核心关键部件，在电解槽中起到支撑、隔离阴阳极气体、物料水分配、导出生成的气体、传导电子和散热等重要作用。对电解槽双极板的结构进行设计能有效的改善传质，将物料水引导至膜电极催化层表面，增大有效反应活性面积；有助于提升物料水分配的均匀性，有效移除电解过程产生的冗余热量，保持膜电极表面各区域的恒温性，防止局部热点的产生导致质子膜降解，提升膜电极寿命。因此，对双极板结构进行设计是实现高性能长稳定性电解水的关键。现有技术主要通过设计双极板流道结构和流体分配区结构来提升物料水分配的均一性；通过设计冷却水腔的方法实现双极板各区域温度均一性，然而现有技术仍存在以下问题：

2、(1)pem电解水物料水沿流道流过膜电极表面，由于水的粘性在流速较快时水很难在y轴(垂直于膜电极表面)方向扩散至膜电极表面进行反应；

3、(2)物料水入口处设计分配区加流道结构在物料水分配时仍存在部分死区；

4、(3)引入冷却水腔的设计方案需要设计物料水路、氢气汇流出口路、冷却水路三个通道，会影响物料水路和氢气汇流出口路通道直径，进而影响分配的均一性。

技术实现思路

1、根据上述提出现有pem电解水双极板存在的技术问题，而提供一种强化物料水分配型pem电解水双极板，能够有效增强物料水传质，实现高性能及长寿命pem电解槽的运行，本发明阳极板单板采用带有贯穿通孔结构的金属板，阴极板单板侧带有流道，阴极板和阳极板通过焊接组成一组双极板单板，在双极板两端设有物料水入口通道、物料水出口通道以及氢气汇流出口通道，物料水流经公共通道后进入阴极板单板和阳极板单板的夹层形成的水腔结构，再由阳极板通孔沿y轴方向流出，垂直流向膜电极表面，有效提升物料水与膜电极表面接触率，强化物料水分配；本发明所述双极板结构能有效增强传质使物料水均匀分配至膜电极表面反应区，双极板夹层水腔的结构设计，能有效改善物料水分配均一性，降低双极板局部区域温差，提升电解水膜电极性能及寿命。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种强化物料水分配型pem电解水双极板，包括阳极板单板和阴极板单板；所述阳极板单板和所述阴极板单板设置有相互对应的物料水入口、氢气出口和物料水出口；

4、所述阴极板单板在一侧表面的反应区域内设置有流道结构，并在所述氢气出口与所述流道结构之间设置有流体分配区；

5、所述阳极板单板的反应区域内开设有若干贯穿所述阳极板单板两侧表面的通孔；所述阳极板单板一侧表面加工形成了凹陷的凹槽和位于所述凹槽边缘的外边框，所述阳极板单板上的所述物料水入口以及所述通孔均位于所述凹槽内，所述凹槽内还设置有具有凸起部分的流体分配支撑结构；

6、所述阴极板单板未设置所述流道结构的一侧表面与所述阳极板单板具有所述凹槽的一侧表面相对，所述阴极板单板沿所述阳极板单板的所述外边框进行密封连接，所述阴极板单板与所述凹槽之间形成了物料水能够流入的水腔结构；

7、所述水腔结构通过所述阳极板单板上的所述物料水入口作为物料水进水通道，所述水腔结构不再单独设置物料水出水通道，所述水腔结构内的物料水能够通过所述通孔流入阳极电解室，再经所述阳极电解室设置的物料水出水通道流出所述阳极电解室。

8、进一步地，在所述凹槽内，所述物料水入口与所述阳极板单板的反应区域之间设置有导流分配区，所述导流分配区内设置有所述流体分配支撑结构，用于使物料水能够被均匀分配至所述水腔结构内具有所述通孔的所述阳极板单板的反应区域。

9、进一步地，所述流体分配支撑结构为阵列式排布的若干凸起浮点结构、流场结构或者同时包括所述浮点结构和所述流场结构的复合流场结构，所述流场结构为蜿蜒型流场结构、蛇形流场结构、直线型流场结构、导流条结构或者3d流场结构。

10、进一步地，所述浮点结构的凸起高度与所述凹槽区域深度相同。

11、进一步地，所述通孔的直径为0.05mm-20mm。

12、进一步地，所述阴极板单板具有所述流道结构的一侧表面为正面，另一侧表面为反面，所述阴极板单板的反面为光板结构或者具有流场结构；当所述阴极板单板的反面具有流场结构时，所述流体分配支撑结构的凸起部分与所述阴极板单板反面的流场结构的脊位置相对应，保证所述阴极板单板能够与所述凹槽之间形成所述水腔结构。

13、进一步地，所述阴极板单板与所述外边框之间通过焊接、粘接或者胶线密封的方式进行密封连接。

14、进一步地，所述阳极板单板和所述阴极板单板采用钛金属材料或涂有耐腐蚀材料的不锈钢材料加工而成，成型工艺采用铸造成型加工工艺、机械加工工艺、蚀刻加工工艺和冲压成型加工工艺中的一种或两种。

15、进一步地，所述阳极板单板和所述阴极板单板上的所述物料水入口、所述物料水出口和所述氢气出口的个数可以为一个或多个。

16、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

17、1、本发明提供的强化物料水分配型pem电解水双极板，通过在阳极板表面设置贯穿通孔结构，使物料水能够通过通孔结构沿y轴方向，垂直于膜电极表面进入阳极反应腔室，能有效增强传质提升反应效率。

18、2、本发明提供的强化物料水分配型pem电解水双极板，物料水能够在水腔结构内部进行分配，能有效的带走膜电极表面电化学反应产生的热量使膜电极表面各区域保持恒定的反应温度提升膜电极寿命。

19、3、本发明提供的强化物料水分配型pem电解水双极板，阳极板单板的正面不设置流道结构能有效提升双极板与扩散层间的有效接触面积降低界面接触电阻，提升电解槽性能。

20、4、本发明提供的强化物料水分配型pem电解水双极板，将物料水分配设置在水腔结构内部，在双极板表面不设置分配区，一定程度上能提升膜电极活性面积提升电解槽性能。

21、基于上述理由本发明可在pem水电解槽领域广泛推广。

技术特征：

1.一种强化物料水分配型pem电解水双极板，其特征在于，包括阳极板单板和阴极板单板；所述阳极板单板和所述阴极板单板设置有相互对应的物料水入口、氢气出口和物料水出口；

2.根据权利要求1所述的强化物料水分配型pem电解水双极板，其特征在于，在所述凹槽内，所述物料水入口与所述阳极板单板的反应区域之间设置有导流分配区，所述导流分配区内设置有所述流体分配支撑结构，用于使物料水能够被均匀分配至所述水腔结构内具有所述通孔的所述阳极板单板的反应区域。

3.根据权利要求1所述的强化物料水分配型pem电解水双极板，其特征在于，所述流体分配支撑结构为阵列式排布的若干凸起浮点结构、流场结构或者同时包括所述浮点结构和所述流场结构的复合流场结构，所述流场结构为蜿蜒型流场结构、蛇形流场结构、直线型流场结构、导流条结构或者3d流场结构。

4.根据权利要求3所述的强化物料水分配型pem电解水双极板，其特征在于，所述浮点结构的凸起高度与所述凹槽区域深度相同。

5.根据权利要求1所述的强化物料水分配型pem电解水双极板，其特征在于，所述通孔的直径为0.05mm-20mm。

6.根据权利要求1所述的强化物料水分配型pem电解水双极板，其特征在于，所述阴极板单板具有所述流道结构的一侧表面为正面，另一侧表面为反面，所述阴极板单板的反面为光板结构或者具有流场结构；当所述阴极板单板的反面具有流场结构时，所述流体分配支撑结构的凸起部分与所述阴极板单板反面的流场结构的脊位置相对应，保证所述阴极板单板能够与所述凹槽之间形成所述水腔结构。

7.根据权利要求1所述的强化物料水分配型pem电解水双极板，其特征在于，所述阴极板单板与所述外边框之间通过焊接、粘接或者胶线密封的方式进行密封连接。

8.根据权利要求1所述的强化物料水分配型pem电解水双极板，其特征在于，所述阳极板单板和所述阴极板单板采用钛金属材料或涂有耐腐蚀材料的不锈钢材料加工而成，成型工艺采用铸造成型加工工艺、机械加工工艺、蚀刻加工工艺和冲压成型加工工艺中的一种或两种。

9.根据权利要求1所述的强化物料水分配型pem电解水双极板，其特征在于，所述阳极板单板和所述阴极板单板上的所述物料水入口、所述物料水出口和所述氢气出口的个数可以为一个或多个。

技术总结本发明提供一种强化物料水分配型PEM电解水双极板，包括阳极板单板和阴极板单板；所述阳极板单板的反应区域内开设有若干贯穿所述阳极板单板两侧表面的通孔；所述阳极板单板一侧表面加工形成了凹陷的凹槽，所述凹槽内还设置有具有凸起部分的流体分配支撑结构；所述阴极板单板与所述凹槽之间形成了物料水能够流入的水腔结构；所述水腔结构通过所述阳极板单板上的所述物料水入口作为物料水进水通道，所述水腔结构不再单独设置物料水出水通道，所述水腔结构内的物料水能够通过所述通孔流入阳极电解室，再经所述阳极电解室设置的物料水出水通道流出所述阳极电解室。本发明的技术方案能有效增强传质使物料水均匀分配至膜电极表面反应区。技术研发人员：刘会兵,陈桂银,张晨,徐家慧,许有伟受保护的技术使用者：新源动力股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/17