异型集电器、PEM电解水制氢装置及电解水制氢的方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种异型集电器、PEM电解水制氢装置及电解水制氢的方法，所述异型集电器包括：第一通道，由多孔基体构成；第二通道，沿多孔基体顶面形成的流道或垂直于多孔基体顶面形成的直穿孔；所述第一通道和第二通道共同形成气液传输通道所述异型集电器为一种具备燃料电池与水电解池流场板与气液扩散层作用的异型集电器器件，能够达到去成本，优化燃料电池与水电解池结构的目的。

【技术实现步骤摘要】
异型集电器、PEM电解水制氢装置及电解水制氢的方法
本专利技术涉及PEM氢燃料电池与PEM水电解池的双极板及扩散层领域，尤其涉及一种异型集电器、PEM电解水制氢装置及电解水制氢的方法。
技术介绍
车载燃料电池汽车近年来得到了国家的大力支持，然后其应用受限于制氢，储氢，和燃料电池技术的发展，其中PEM燃料电池和PEM水电解制氢技术是关键，需要对于这两种技术中的关键材料和部件开展研究，实现高性能，长寿命以及低成本制造。典型的PEM水电解池主要部件包括阴阳极双极板、阴阳极扩散层、阴阳极催化层和质子交换膜等。其中，双极板起固定电解池组件，引导电的传递与水、气分配等作用；扩散层起集流，促进气液的传递等作用。PEM燃料电池是PEM水电解池的逆过程，结构类似，由于阴阳极环境不同，导致两极使用的材料不同。目前双极板的研究主要集中在两个方面：材料上，各种基体的加工制备与各种防腐涂层，结构上，流场设计，这里只谈结构设计。双极板流道形式包括平行流道、蛇形流道、点状流道、交指型流道、仿生学流道、3D结构流道及其复合式流道等。中国专利公开号CN105908212A，名称为“采用复合式流场的SPE电解池模块及其电解水制氢的方法”的专利申请，公开了一种采用复合式流场的SPE电解池模块，能大幅提升纯水扩散性与双极板排氧能力，具有沿程压降小，流道面积大，工作效率高的优点。但这种做法会使SPE电解池的成本增加，加工难度提高。在PEM燃料电池与PEM水电解池中，在许多研究中，扩散层使用了钛板栅/网/毡，碳纸和不锈钢栅板，但其电化学性能都比多孔钛板低。文献“PerformanceModelingandCurrentMappingofProtonExchangeMembraneElectrolyzerCellswithNovelThin/TunableLiquid/GasDiffusionLayers”中Kang等人提出了一种新型薄的可调节气液扩散系数的扩散层，与传统的钛毡相比厚度降低至25μm。通过在钛箔上蚀刻出圆孔，使扩散层具有不同的直穿孔，当孔径为400μm，孔隙率为0.7时能取得较好的性能。文献“OptimizationofporouscurrentcollectorsforPEMwaterelectrolysers”中Grigoriev等人提出制备多孔钛板的球形粉末的最佳粒度值为50-75μm，使用这种粒度的钛颗粒进行热烧结能得到孔隙率为0.5的多孔钛扩散层，其气液传输能力良好。为了解决双极板和扩散层的导电性，防腐性，气液分配均匀等问题，通过设计不同流道形式的双极板，不同结构的扩散层，耐腐蚀性涂层的制备，使用不同材料和加工方式来解决这些问题，因此就使PEM燃料电池与PEM水电解池的成本始终居高不下。另外双极板和扩散层部件复杂，不易于组装，同时两者之间接触电阻，使电池内阻增大，这些问题亟待解决。因此，有必要研究一种异型集电器、PEM电解水制氢装置及电解水制氢的方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种异型集电器、PEM电解水制氢装置及电解水制氢的方法，所述异型集电器为一种具备燃料电池与水电解池流场板与气液扩散层作用的异型集电器器件，能够达到去成本，优化燃料电池与水电解池结构的目的。一方面，本专利技术提供一种异型集电器，所述异型集电器包括：第一通道，由多孔基体构成；第二通道，平行于多孔基体顶面形成的流道或垂直于多孔基体顶面形成的直穿孔；所述第一通道和第二通道共同形成气液传输通道。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述多孔基体由不同粒度的不锈钢、钛或钛合金类复合材料颗粒烧结形成，烧结后的多孔材料具备不同的孔隙度。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述流道由平行流道、蛇形流道、点状流道、交指型流道和仿生学流道一种或多种组成。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述直穿孔的孔口形式包括但不限于圆形、三角形和正方形。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述异型集电器顶面还制备有耐腐蚀导电涂层，所述耐腐蚀导电涂层包括但不限于包埋渗氮形成的氮化物涂层、溅射金和钽。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第二通道的加工方式包括蚀刻，机械加工和冲压。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种PEM电解水制氢装置，所述装置包括依次连接的底座、阳极异型集电器、质子交换膜组件、阴极异型集电器和顶盖，所述阳极异型集电器和质子交换膜组件之间以及阴极异型集电器和质子交换膜组件之间均设有PTFE垫片。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述装置还包括设置在底座一端的紧固螺栓和设置在压片一端的紧固螺母，所述紧固螺栓穿过底座、阳极异型集电器、质子交换膜组件、阴极异型集电器和顶盖，与紧固螺母连接，所述阴极异型集电器靠近质子交换膜组件一端还设有金属垫片。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述PEM电解水制氢装置应用于PEM水电解池或PEM燃料电池。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种电解水制氢的方法，所述方法包括以下步骤：步骤(1)：纯水经阳极异型集电器直接到达阳极催化剂层接触生成氧气；步骤(2)：氧气返回到阳极异型集电器中，与未电解的纯水共同从水氧的出口流出；步骤(3)：质子穿过质子交换膜，在阴极催化层的作用下还原为氢气，经过阴极异型集电器在氢气出口进行收集。与现有技术相比，本专利技术可以获得包括以下技术效果：本专利技术与现有技术相比，多孔基体与流道结构或穿孔结构构建的气液传输通道，一方面保障参与电化学反应气液两相流动的均匀分布，满足膜电极气液传输，使其气液传输性良好，降低其扩散控制环节，使得膜电极催化剂层的催化剂位点得到有效利用；另一方面，消除了传统形式中双极板与扩散层之间的接触电阻，同时提供平整且均匀的夹紧力，保障膜电极与集电器的有效接触，降低电解池内阻。新型异型集电器的使用，减少了PEM水电解池或PEM燃料电池的器件组成，使之结构更加紧凑，安装更加方便简单，同时对PEM水电解池或PEM燃料电池的性能提高有积极影响，有助于低成本PEM水电解池或PEM燃料电池的商业化应用。当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。【附图说明】为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，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专利技术的一些实施例，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它的附图。图1是本专利技术一个实施例提供的异型集电器设计示意图；图2是本专利技术一个实施例提供的异型集电器设计示意图；图3是本专利技术一个实施例提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异型集电器，其特征在于，所述异型集电器包括：/n第一通道，由多孔基体构成；/n第二通道，平行于多孔基体顶面形成的流道或垂直于多孔基体顶面形成的直穿孔；/n所述第一通道和第二通道共同形成气液传输通道。/n

【技术特征摘要】
1.一种异型集电器，其特征在于，所述异型集电器包括：
第一通道，由多孔基体构成；
第二通道，平行于多孔基体顶面形成的流道或垂直于多孔基体顶面形成的直穿孔；
所述第一通道和第二通道共同形成气液传输通道。


2.根据权利要求1所述的异型集电器，其特征在于，所述多孔基体由不同粒度的不锈钢、钛或钛合金类复合材料颗粒烧结形成，烧结后的多孔材料具备不同的孔隙度。


3.根据权利要求1所述的异型集电器，其特征在于，所述流道由平行流道、蛇形流道、点状流道、交指型流道和仿生学流道一种或多种组成。


4.根据权利要求1所述的异型集电器，其特征在于，所述直穿孔的孔口形式包括圆形、三角形和正方形。


5.根据权利要求1所述的异型集电器，其特征在于，所述异型集电器顶面还设有耐腐蚀导电涂层，所述耐腐蚀导电涂层包括包埋渗氮形成的氮化物涂层、溅射金和钽。


6.根据权利要求1所述的异型集电器，其特征在于，所述第二通道的加工方式包括蚀刻，机械加工和冲压。


7.一种PEM电解水制氢装置，包括上述权利要求1-6之一所述的异型集...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘高阳，柳小祥，王新东，杨兆一，王冬冬，杨金梦，毕俊，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11