專利名稱：固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水電解技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及 一種固體聚合物電解質(zhì)膜水電
背景技術(shù)：
近年來，氫氣以其清潔無污染、高效、可儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，被視為最 理想的能源載體，水電解制氫是目前獲得氫氣較為成熟、簡(jiǎn)單的方法，如果 將其與可再生資源發(fā)電技術(shù)，如光伏發(fā)電、水力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合，電 解水可作為大規(guī)模制氫技術(shù)，對(duì)環(huán)境的污染小、溫室氣體排放少、經(jīng)濟(jì)性較
好，具有良好的應(yīng)用前景；電解槽作為電解水系統(tǒng)的核心部件，其投資和生 產(chǎn)成本決定了該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)先進(jìn)性；固體聚合物電解質(zhì)膜水電解技 術(shù)與燃料電池技術(shù)相結(jié)合組成再生式燃料電池技術(shù)，具有較高的比能量，儲(chǔ) 能物質(zhì)是極為安全廉價(jià)的純水，具有運(yùn)輸補(bǔ)給方便，對(duì)環(huán)境沒有污染，產(chǎn)生 的氧還可用于宇航員的生命保障系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。
按電解質(zhì)性質(zhì)的不同，電解水技術(shù)主要有三種堿液、固體聚合物電解 質(zhì)膜和固體氧化物水電解槽技術(shù)；釆用堿液作為電解質(zhì)的堿式電解槽是歷史 最久、技術(shù)最成熟的電解水制氫技術(shù)，但是它的效率較低、工作電流密度也
較低， 一般不高于0.6A/cm2;而且由于這種裝置的電解質(zhì)腐蝕性強(qiáng)，易對(duì)環(huán) 境造成污染，同時(shí)產(chǎn)生的氣體純度低，需要通過繁瑣的凈化處理后續(xù)工藝，
才能應(yīng)用；固體氧化物電解槽一般采用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯作為電解質(zhì)，工
作溫度在600-100(TC，高溫降低了電解反應(yīng)的電壓損失，同時(shí)加劇了電解槽
的腐蝕速度，增大了冷熱膨脹量，給材料的選擇、密封和運(yùn)行控制帶來困難，
從而制約其應(yīng)用；以固體聚合物作為電解質(zhì)的水電解槽能在l-3A/cm2的高電 流密度下工作，體積小、效率高，生成的氫氣純度可高達(dá)到99.999%,被認(rèn) 為是最有前景的水電解技術(shù)。中國專利CN1966777A中描述了 一種質(zhì)子交換膜電解水裝置，極板采用一 體式結(jié)構(gòu)，采用l-4mm厚的鈦合金，先在金屬板表面加工出溝槽、流道、導(dǎo) 流槽和密封槽部分，隨后再加工出電解水、氣體進(jìn)出口等；上述專利一方面 存在加工難度大、工藝復(fù)雜，成本較高等不足，另一方面， 一體式的雙極板 為了保證氫氧不竄氣，因而厚度較厚，重量較大，造成電解槽的重量和體積 比功率下降，此外，金屬溝槽易對(duì)膜電極容易造成損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供了一種加工簡(jiǎn)單、成本低； 厚度薄、重量輕；易批量生產(chǎn)；反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣和氧氣純度高，無需復(fù)雜的 后續(xù)凈化處理便可直接應(yīng)用的固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽。
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所釆用的技術(shù)方案是
固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是包括端板、絕緣墊、導(dǎo)流片、 陽極流場(chǎng)、膜電極、陰極流場(chǎng)和分隔板，各部分之間設(shè)置有密封墊，按照結(jié) 構(gòu)順序依次組成水電解槽單元，由金屬螺栓配合墊片、螺母將多組水電解槽 單元進(jìn)行鎖緊，構(gòu)成水電解槽。
本發(fā)明還可以釆用如下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)
固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是所述水電解槽中陰極流場(chǎng)、 分隔板、陽極流場(chǎng)組合成分體式極板。
固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是所述陰極流場(chǎng)為一次性成型 柔性石墨模壓,或者為直接沖壓成型的柔性石墨板。
固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是所述分隔板為金屬鈦、鈦合 金箔片或其它導(dǎo)電、耐腐蝕性超薄金屬、合金箔片中一種。
固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是所述陽極流場(chǎng)為多孔鈦金屬 絲網(wǎng)或直接沖孔成型的拉伸鈦材料或鈦金屬氈。
固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是所述端板、絕緣墊、導(dǎo)流片、 陽極流場(chǎng)、膜電極、陰極流場(chǎng)、分隔板、密封墊均為圓形結(jié)構(gòu)，由它們組合 成的水電解槽為圓柱形結(jié)構(gòu)。
固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是所述固體聚合物電解質(zhì)膜為
4全氟磺酸膜類的Nafion膜、Dow膜、Flemion、 A—ciplex 膜，部分氟化的 質(zhì)子交換膜類的Ballard公司的BAM3G膜，非氟化的質(zhì)子交換膜類為DaiS 公司的磺化苯乙烯/乙烯基丁烯/苯乙烯三嵌段共聚物膜(SEBS),以及聚 四氟乙烯(PTFE )多孔膜為基底的多孔聚物基復(fù)合質(zhì)子交換膜復(fù)合膜，如 Gore-SelectTM系列膜。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是由于采用了多層、分體式極板結(jié)構(gòu)， 厚度較薄、重量輕，有效提高水電解槽的體積和重量比功率，反應(yīng)產(chǎn)生的氬 氣和氧氣純度高，無需復(fù)雜的后續(xù)凈化處理便可直接應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，并且易于 批量生產(chǎn)；釆用了柔性石墨板一次性模壓成型、或者用柔性石墨板直接沖壓 成型成陰極流場(chǎng)；陽極流場(chǎng)釆用多孔鈦金屬絲網(wǎng)、或拉伸鈦材料直接沖孔成 型或鈦金屬氈，成本低、加工簡(jiǎn)單；采用了柔性石墨板作為陰極流場(chǎng)，有效 地保護(hù)膜電極；與燃料電池結(jié)合構(gòu)成再生式燃料電池，在空間飛行器電源等 應(yīng)用場(chǎng)所具有明顯的優(yōu)勢(shì)；還可以與燃料電池配套建成固定電站；另一方面， 還可以廣泛應(yīng)用于清潔汽車動(dòng)力加氫站、電子工業(yè)中所需的現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置、 分析儀器、教學(xué)演示儀器等。


圖l為本發(fā)明固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明圖1中端板結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明圖1中絕緣墊結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明圖1中導(dǎo)流片結(jié)抅示意圖;
圖5為本發(fā)明圖1中陽極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖6為本發(fā)明圖1中膜電極結(jié)構(gòu)示意圖7為本發(fā)明密封墊結(jié)構(gòu)示意圖8為本發(fā)明圖1中陰極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖9為本發(fā)明圖1中分隔板結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中的標(biāo)號(hào)分別為l，為端板；2.為絕緣墊；3.為導(dǎo)流片；4.為陽極流 場(chǎng)；5.為膜電極；6.為陰極流場(chǎng)；7.為分隔板；8.為定位孔；9.為螺栓孔； IO.為水孔，ll.為氣孔，12.為密封墊。
具體實(shí)施例方式
為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲列舉以下實(shí)施例，
并配合附圖詳細(xì)說明如下
請(qǐng)參照?qǐng)Dl-圖9:圖l中端板l、絕緣墊2、導(dǎo)流片3、陽極流場(chǎng)4、膜 電極5、陰極流場(chǎng)6、分隔板7，依次按照結(jié)構(gòu)順序安裝構(gòu)成水電解槽單元， 水電解槽各部分單元之間釆用密封墊12進(jìn)行密封，組裝好后用金屬螺栓配合 墊片、螺母，通過壓力的傳遞對(duì)水電解槽進(jìn)行鎖緊、固定；其中端板l主要 起支撐、固定作用；絕緣墊2主要起緩沖、絕緣作用；導(dǎo)流片3主要起導(dǎo)通 電流，通過它將外部直流電壓傳導(dǎo)給水電解槽，提供水電解時(shí)所需的電能； 陽極流場(chǎng)4、陰極流場(chǎng)6主要提供電解所需水、以及反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氧氣氣 體分布的通道，水經(jīng)流場(chǎng)板流道均勻分布到膜電極5表面，產(chǎn)生的氣體從膜 電極5表面通過流場(chǎng)板流道、氣體通道到達(dá)出口處；膜電極5是電解槽的核 心部件，是發(fā)生水分解反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和氧氣的場(chǎng)所。圖2是本發(fā)明固體聚 合物電解質(zhì)膜水電解槽的端板1結(jié)構(gòu)示意圖，其中定位孔8在組合裝配水電 解槽時(shí)起定位作用，保證各組件單元的位置對(duì)應(yīng)；螺栓孔9用于水電解槽組 裝好后用金屬螺栓配合墊片、螺母，通過壓力的傳遞對(duì)水電解槽進(jìn)行鎖緊、 固定；水電解時(shí)所需的水通過水孔IO進(jìn)入水電解槽，電解后生成氧氣隨同剩 余水從氣孔11排出水電解槽，生成的氫氣從陰極側(cè)端板的氣孔11排出水電 解槽。端板可以采用金屬鈦或其合金、鋁合金、或環(huán)氧樹脂等材料，本實(shí)施 例中采用金屬鈦材料；圖3是本發(fā)明固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽的絕緣墊 2結(jié)構(gòu)示意圖，可以釆用橡膠、塑料、高分子材料等絕緣材料，主要起絕緣、 緩存壓力的作用，本實(shí)施例中采用硅橡膠；圖4是本發(fā)明固體聚合物電解質(zhì) 膜水電解槽的導(dǎo)流片3結(jié)構(gòu)示意圖，釆用金屬鈦材料，為水電解提供所需的
電能；圖5是本發(fā)明固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽的陽極流場(chǎng)4結(jié)構(gòu)示意圖， 采用60目鈦絲網(wǎng)，水電解時(shí)水經(jīng)過鈦絲網(wǎng)流場(chǎng)均勻分布到膜電極擴(kuò)散層，在
陽極催化層電解，分解生成氧氣，同時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)子以水合離子的形式，通過
固體聚合物電解質(zhì)膜到達(dá)陰極得到電子形成氫氣；圖6是本發(fā)明固體聚合物
電解質(zhì)膜水電解槽的膜電極5結(jié)示意圖，電解膜電極5是電解槽的核心部件,是發(fā)生水分解反應(yīng)的場(chǎng)所；圖7是本發(fā)明固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽的密 封墊12結(jié)示意圖，主要起密封作用，將水以及產(chǎn)生的氫氣、氧氣與外界空氣 隔離開，保證水電解槽的安全和有效運(yùn)行；圖8是本發(fā)明固體聚合物電解質(zhì) 膜水電解槽的陰極流場(chǎng)6結(jié)構(gòu)示意圖，主要為水和產(chǎn)生氫氣的均勻分布提供 通道，釆用柔性石墨板一次性模壓成型，流道深0. 3mm，寬0.6mm，筋條寬 0.5mm;圖9是本發(fā)明固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽的分隔板7結(jié)示意圖， 所述分隔板為0. lmm厚的鈥，有效分隔產(chǎn)生的氫氣和氧氣，保證水電解槽的 安全性，同時(shí)需具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕性能，有效保證電子導(dǎo)電、 溫度均勻分布和傳熱的實(shí)現(xiàn)；釆用了質(zhì)子交換膜作為固體聚合物電解質(zhì)膜， 直接使用純水進(jìn)行電解，產(chǎn)生氣體純度高，可直接使用，無需后續(xù)凈化處理, 工藝簡(jiǎn)單；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，水既是反應(yīng)劑又是冷卻劑，省去了冷卻系統(tǒng)，減小了 系統(tǒng)的體積和重量，并且對(duì)環(huán)境沒有污染。
權(quán)利要求
1. 固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特征在于包括端板、絕緣墊、導(dǎo)流片、陽極流場(chǎng)、膜電極、陰極流場(chǎng)和分隔板，各部分之間設(shè)置有密封墊，按照結(jié)構(gòu)順序依次組成水電解槽單元，由金屬螺栓配合墊片、螺母將多組水電解槽單元進(jìn)行鎖緊，構(gòu)成水電解槽。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特征在于所述水 電解槽中陰極流場(chǎng)、分隔板、陽極流場(chǎng)組合成分體式極板。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特征在于所述陰 極流場(chǎng)為一次性成型柔性石墨模壓，或者為直接沖壓成型的柔性石墨板。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特征在于所述分 隔板為金屬鈦、鈦合金箔片或其它導(dǎo)電、耐腐蝕性超薄金屬、合金箔片中一 種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特征在于所述陽 極流場(chǎng)為多孔鈦金屬絲網(wǎng)或直接沖孔成型的拉伸鈦材料或鈦金屬氈。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特征在于所述端 板、絕緣墊、導(dǎo)流片、陽極流場(chǎng)、膜電極、陰極流場(chǎng)、分隔板、密封墊均為 圓形結(jié)構(gòu)，由它們組合成的水電解槽為圓柱形結(jié)構(gòu)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特征在于所述固 體聚合物電解質(zhì)膜為全氟磺酸膜類的Nafion膜、Dow膜、Flemion、 Aciplex 膜，部分氟化的質(zhì)子交換膜類的Ballard公司的BAM3G膜，非氟化的質(zhì)子交 換膜類為DaiS公司的磺化苯乙烯/乙烯基丁烯/苯乙烯三嵌段共聚物膜(SEBS )，以及聚四氟乙烯(PTFE )多孔膜為基底的多孔聚物基復(fù)合質(zhì)子 交換膜復(fù)合膜，如Gore-SelectTM系列膜。
全文摘要
本發(fā)明屬于固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是包括端板、絕緣墊、導(dǎo)流片、陽極流場(chǎng)、膜電極、陰極流場(chǎng)和分隔板，各部分之間設(shè)置有密封墊，按照結(jié)構(gòu)順序依次組成水電解槽單元，由金屬螺栓配合墊片、螺母將多組水電解槽單元進(jìn)行鎖緊，構(gòu)成水電解槽。由于采用了多層、分體式極板結(jié)構(gòu)，厚度薄、重量輕；采用柔性石墨作為陰極流場(chǎng)、鈦材料作為陽極流場(chǎng)，成本低、加工簡(jiǎn)單，有效地保護(hù)膜電極；與燃料電池結(jié)合構(gòu)成再生式燃料電池，在空間飛行器電源等應(yīng)用場(chǎng)所具有明顯的優(yōu)勢(shì)；還可以與燃料電池配套建成固定電站；另一方面，還可以廣泛應(yīng)用于清潔汽車動(dòng)力加氫站、電子工業(yè)中所需的現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置、分析儀器、教學(xué)演示儀器等。
文檔編號(hào)C25B1/10GK101457367SQ200710151038
公開日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者任麗彬, 劉興江, 軍 張, 徐志彬, 煒 易, 李勇輝 申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所