本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜水電解，具體涉及一種質(zhì)子交換膜電解槽中的斜穿孔多孔傳輸層。

背景技術：

1、氫氣是一種理想清潔能源燃料，并在未來有望取代傳統(tǒng)化石燃料能源。此外，氫能的獲取還能夠與可再生能源相結合，其能量循環(huán)的全過程完全無碳參與，是真正的清潔過程。而目前水電解制氫技術是獲取氫能的最有效手段，且被認為是未來可持續(xù)能源系統(tǒng)的關鍵要素。

2、質(zhì)子交換膜電解槽是電解水制氫技術的一種，相比于其他類型的電解槽(如堿性電解槽、固體氧化物電解槽等)，在面臨可再生能源高速發(fā)展的時代，其有著相當多的表現(xiàn)優(yōu)勢：如其可以在低溫條件下運行、具有極高的能量轉換效率、可以獲得純度極高的氫氣、有著廣闊的電壓施加范圍、極其緊湊的多層結構、以及快速的可再生能源響應等等。隨著能源結構的快速轉型以及可再生能源的急速發(fā)展，工業(yè)界對未來電解槽性能的要求越來越高，尤其需要其能夠在高電壓高電流密度下穩(wěn)定可靠的工作(電流密度>5a/cm2)。然而，隨著電流密度的增大，質(zhì)子交換膜電解槽內(nèi)部會產(chǎn)生嚴重的氧氣堆積和缺水現(xiàn)象，使得傳質(zhì)損失在所有損失機制中成為阻礙電池性能提高的最大貢獻者。當電解槽的工作電流密度在1a/cm2時，物質(zhì)輸運損失就已經(jīng)占據(jù)總過電位的20％～25％。此外，在此過程中，液態(tài)水與氧氣的輸運方向完全相反，會導致不必要的粘性耗散，妨礙液態(tài)水與氧氣的各自運輸。更為重要的是，積聚的氧氣泡很大可能會被困在多孔傳輸層中，阻止液態(tài)水進入，導致局部缺水，并產(chǎn)生熱點，干擾化學反應的持續(xù)進行，并最終嚴重阻礙電解槽性能的發(fā)揮。綜合來說，在高電流密度下，在氣液運輸作用下導致的傳質(zhì)損失會變得更加的突出，嚴重的阻礙了質(zhì)子交換膜電解槽往高電流運行模式方向上的發(fā)展，無法滿足可再生能源與電解槽結合的長期發(fā)展目標?？梢姡娊獠蹆?nèi)部的氣液管理在質(zhì)子交換膜電解槽未來發(fā)展中的尤為重要。

3、近年來，人們在優(yōu)化質(zhì)子交換膜電解槽內(nèi)部的傳質(zhì)，尤其是多孔傳輸層內(nèi)的氣液兩相傳質(zhì)上做了許多努力。例如，通過改變多孔傳輸層不同區(qū)域的親水性，或是調(diào)整多孔傳輸層的孔隙率、滲透率、孔徑等微觀參數(shù)，均能在一定程度上優(yōu)化多孔傳輸層內(nèi)的氣液流動情況。然而，針對雙極板肋板下方多孔傳輸層中嚴重的氧氣堆積以及由此形成的局部熱點、局部水饑餓情況，至今未有人提出針對性的可靠解決辦法。

技術實現(xiàn)思路

1、鑒于上述技術背景，本發(fā)明通過分析質(zhì)子交換膜電解槽多孔傳輸層內(nèi)液態(tài)水與氧氣的流動特性，剖析雙極板肋板的存在對氧氣排除效率的影響，提出了一種促進雙極板肋板下氧氣排除的多孔傳輸層結構優(yōu)化技術——斜穿孔技術。基于此制造而成的斜穿孔多孔傳輸層可為氧氣的運輸提供優(yōu)先通道，有效的優(yōu)化了電解槽內(nèi)部的氣液兩相流動以及物質(zhì)傳遞效率，促進液態(tài)水的供應以及生成氧氣的排除，從而提高電解槽的總體性能?？偠灾景l(fā)明能為質(zhì)子交換膜電解槽提供一種全新的、有助于改善其性能的多孔傳輸層結構優(yōu)化方案，具有十分廣闊的市場前景。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術方案：

3、本發(fā)明技術方案之一：提供一種質(zhì)子交換膜電解槽中的斜穿孔多孔傳輸層，所述斜穿孔多孔傳輸層的斜穿孔兩頭分別面向雙極板和催化層，其中，斜穿孔面向雙極板的一頭與流道連通，而面向催化層的一頭則位于雙極板肋板的正下方。

4、優(yōu)選地，所述斜穿孔的制造方法包括機械穿孔法、射流穿孔法和激光穿孔法。

5、更優(yōu)選地，所述機械穿孔法的步驟包括：對原始多孔傳輸層進行清洗并修整其表面；確定多孔傳輸層上與雙極板流道相接觸的區(qū)間，并根據(jù)斜穿孔方案，標記出斜穿孔的位置；在斜穿孔位置上，依據(jù)多孔傳輸層的厚度以及流道-肋板分布情況，確定斜穿孔的直徑以及角度，使斜穿孔的兩頭分別位于面向雙極板的流道區(qū)段和面向催化層的肋板區(qū)段；利用鉆頭對多孔傳輸層進行斜鉆孔或利用鉸刀對多孔傳輸層進行斜鉸削，使之形成孔洞，如圖4中(a)所示。

6、更優(yōu)選地，所述射流穿孔法的步驟包括：對原始多孔傳輸層進行清洗并修整其表面；確定多孔傳輸層上與雙極板流道相接觸的區(qū)間，并根據(jù)斜穿孔方案，標記出斜穿孔的位置；在斜穿孔位置上，依據(jù)多孔傳輸層的厚度以及流道-肋板分布情況，確定斜穿孔的直徑以及角度，使斜穿孔的兩頭分別位于面向雙極板的流道區(qū)段和面向催化層的肋板區(qū)段；使用高速噴射的磨料顆?；蛩?，沖擊多孔傳輸層表面，使之形成孔洞，如圖4中(b)所示。

7、更優(yōu)選地，所述激光穿孔法的步驟包括：對原始多孔傳輸層進行清洗并修整其表面；確定多孔傳輸層上與雙極板流道相接觸的區(qū)間，并根據(jù)斜穿孔方案，標記出斜穿孔的位置；在斜穿孔位置上，依據(jù)多孔傳輸層的厚度以及流道-肋板分布情況，確定斜穿孔的直徑以及角度，使斜穿孔的兩頭分別位于面向雙極板的流道區(qū)段和面向催化層的肋板區(qū)段；使用激光光束照射多孔傳輸層表面，使之形成孔洞，如圖4中(c)所示。

8、優(yōu)選地，針對蛇形流道質(zhì)子交換膜電解槽，對多孔傳輸層采用：從雙極板一側的每一節(jié)蛇形流道區(qū)段表面，沿流動方向，依次斜向催化層一側的對應肋板區(qū)段開斜孔的斜穿孔方案。

9、優(yōu)選地，針對平行流道質(zhì)子交換膜電解槽，對多孔傳輸層采用：從雙極板一側的每一節(jié)平行流道區(qū)段表面，沿流動方向，依次斜向催化層一側的對應肋板區(qū)段開斜孔的斜穿孔方案。

10、優(yōu)選地，針對叉指流道質(zhì)子交換膜電解槽，對多孔傳輸層采用：從雙極板一側的每一節(jié)連通出口歧管的平行流道區(qū)段表面，沿流動方向，依次斜向催化層一側的對應肋板區(qū)段開斜孔的斜穿孔方案。

11、優(yōu)選地，針對蛇形-平行混合流道質(zhì)子交換膜電解槽，對多孔傳輸層采用：從雙極板一側的每一節(jié)蛇形流道區(qū)段表面，沿流動方向，依次斜向催化層一側的對應肋板區(qū)段開斜孔的斜穿孔方案。

12、本發(fā)明技術方案之二：上述質(zhì)子交換膜電解槽中的斜穿孔多孔傳輸層在質(zhì)子交換膜電解槽中的應用。

13、本發(fā)明中斜穿孔多孔傳輸層的工作原理：

14、對于質(zhì)子交換膜電解槽而言，通常需要在其雙極板上沖壓或刻蝕出流道，水和氧氣在流道中運輸，從而實現(xiàn)反應物的供應和產(chǎn)物的排除。如圖1所示，對于經(jīng)典的平行流道(圖1中(a))、蛇形流道(圖1中(b))、叉指流道(圖1中(c))和蛇形-平行流道(圖1中(d))，雙極板上的流道和肋板總會交替出現(xiàn)，其形式略有不同。

15、雙極板與多孔傳輸層緊密接觸，其中接觸部分既有流道區(qū)域又有肋板區(qū)域，兩者交替存在，如圖2所示，其中，(a)為肋板下方生成的氧氣泡在多孔傳輸層中的流動路徑示意圖，(b)為肋板下方生成的氧氣泡從其生成點位突破至流道中的流動模式圖像?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于雙極板上接觸多孔傳輸層的部分區(qū)域是肋板，這些肋板的存在就會在一定程度阻礙氧氣的輸運，從而導致氧氣在雙極板肋板下方多孔傳輸層中的堆積，這會嚴重損害質(zhì)子交換膜電解槽的性能。有鑒于此，本發(fā)明創(chuàng)造性地提出了一種針對多孔傳輸層的斜穿孔技術，斜穿孔位置如圖3所示：該斜穿孔可以為肋板下多孔傳輸層中的氧氣提供進入流道的小阻力通道，從而加速氧氣在多孔傳輸層中的排出，緩解水饑餓和局部熱點的產(chǎn)生，提高電解槽在高電流密度下運行的電化學性能。

16、本發(fā)明的有益技術效果如下：

17、(1)針對質(zhì)子交換膜電解槽中雙極板“流道-肋板”交替出現(xiàn)的普遍特性，對多孔傳輸層采用了“流道-肋板”斜穿孔工藝設計，明顯改善多孔傳輸層內(nèi)氣液兩相流動的效果，加速氧氣排出，減少傳質(zhì)損耗。

18、(2)該“流道-肋板”斜穿孔優(yōu)化策略無需對質(zhì)子交換膜電解槽的現(xiàn)有結構進行大的改動，也不需要增加額外的系統(tǒng)配件，僅需對多孔傳輸層進行微小的穿孔加工即可實現(xiàn)，與現(xiàn)有的電解槽生產(chǎn)工藝十分兼容。

19、(3)該“流道-肋板”斜穿孔優(yōu)化策略尤其適合大型質(zhì)子交換膜電解槽，針對高電流密度下氧氣生成旺盛、氧氣堆積嚴重的特點，斜穿孔方法可以顯著降低氧氣在多孔傳輸層內(nèi)的累積，從而有效防止了高電流密度下水饑餓和局部熱點現(xiàn)象的發(fā)生。

20、(4)該“流道-肋板”斜穿孔優(yōu)化策略可以全面應用于不同類型的雙極板流道結構，根據(jù)其“流道-肋板”交錯出現(xiàn)的特性，可以針對性地提出與之適應的斜穿孔設計，適用范圍極廣。