專利名稱：一種固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電解水制氫技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽。
背景技術(shù)：
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。電解水制氫是目前獲得純氫最簡單的方法，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。 按電解質(zhì)性質(zhì)的不同，電解水制氫技術(shù)主要有三種堿液、固體聚合物膜(SolidPolymer Membrane, SPE)和固體氧化物水電解槽技術(shù)。采用堿液作為電解質(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。固體氧化物水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 IOO(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。
SPE水電解槽的結(jié)構(gòu)通常與燃料電池堆類似，但其工作方式與燃料電池正好相反。在電解槽中，水在電場和陽極催化劑作用下，分解成氫離子和氧氣，氧氣通過通道排出陽極室；氫離子由陽極穿過質(zhì)子交換膜遷移到陰極，在陰極催化劑表面與外電路輸送過來的電子結(jié)合生成氫氣，完成水的分解反應(yīng)。SPE水電解槽陽極的流場形式?jīng)Q定了水和氧氣在陽極的分配和流動(dòng)，當(dāng)流道的長度不等造成了流體的流動(dòng)阻力不同時(shí)，水優(yōu)先通過阻力小的流道，不通過阻力大的流道，而阻力大的流道會(huì)被產(chǎn)物氧氣占據(jù)，這樣就造成該處的膜電極缺水。由于SPE水電解槽一般在1A/cm2較高電流密度下工作，因此缺水可能造成兩種后果一是由于缺水處缺少反應(yīng)物，導(dǎo)致嚴(yán)重的濃差極化，電解槽性能下降；二是依賴水幫助傳遞質(zhì)子的固體聚合物膜由于缺水電阻增大，電解反應(yīng)產(chǎn)生的熱量增多，而且不能通過水流及時(shí)帶走，使缺水處膜電極的溫度升高，直至燒穿。 專利CN200510110421.0公開了一種SPE圓形水電解槽，它具有兩個(gè)水和氧氣的進(jìn)出口，兩個(gè)氫氣和水的出口通道，且這些進(jìn)出口靠近流場板的外邊緣。電解槽的流場板采用純鈦材料，機(jī)械加工出弧形流道形成流場，膜電極采用熱壓工藝制備，碳紙作為擴(kuò)散層。由于鈦長期處于氫氣氣氛中會(huì)發(fā)生氫脆現(xiàn)象，SPE水電解槽的陰極流場板和集流體正處于氫氣、水和電流環(huán)境中，因此采用這種鈦雙極板將嚴(yán)重降低電解槽的性能，縮短其工作壽命；弧形流道形成流場不僅不能完全消除水分布不均問題，卻帶來另外的問題，即中間的流道過于稀疏，流體進(jìn)出被凸起部分的脊覆蓋的部分膜電極的阻力很大，造成這部分膜電極不能發(fā)揮出應(yīng)有的性能；由于電解槽工作電位通常在1. 6V以上，SPE水電解槽的陽極采用如炭紙、炭布等炭材料作為流場板和擴(kuò)散層會(huì)使陽極反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和水容易與炭等材料發(fā)生反應(yīng)，降低水電解槽的性能與工作壽命。

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，提供了一種能夠使水均勻地通過流場并分配到膜電極表面，提高水電解槽的性能與工作壽命的一種固體聚合物電解質(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)問題采用的技術(shù)方案是 —種固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，包括2個(gè)以雙極板和每兩個(gè)雙極板之間的膜電極，最外層的雙極板兩端分別依次排列導(dǎo)電板、絕緣板和端板，由螺桿和螺母緊固成一體，其特點(diǎn)是緊固成一體的電解槽中心處設(shè)置有氫氣通道；所述雙極板由陽極側(cè)流場板和陰極側(cè)流場板復(fù)合而成；所述陽極側(cè)流場上有多個(gè)脊和與脊平行的流道，每個(gè)脊上設(shè)置有等距離的開口 ，并且上一行脊的開口正對(duì)下一行脊的中央。
本發(fā)明還可以采用如下技術(shù)措施 所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是所述陽極側(cè)流場板為經(jīng)過表面處理的鈦材料；所述陰極側(cè)流場板為石墨或者不銹鋼材料。 所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是所述陽極流場板上有一個(gè)水的進(jìn)入通道和一個(gè)水與氧氣的流出通道；至少有一個(gè)氫氣和水的流出通道；陽極流場板上設(shè)置有與水的進(jìn)出口通道連線相垂直的流道；脊上的開口間距為O. 5-5cm，開口寬度為0. 5-5mm，脊的寬度為0. 5_3mm ;流道的深度為0. 5-3mm，寬度0. 5-3mm。 所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是所述陽極流場板為在鈦板上通過機(jī)械雕刻或者沖壓形成流道；或?qū)?. 05-0. 8mm厚的鈦箔沖壓、切割成型，再在沖壓件的邊緣制備有邊框，邊框?yàn)橥ㄟ^注塑或模壓出的塑料或者橡膠。 所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是所述陰極側(cè)流道與陽極流道相同，或者呈簡單的扇型分布，采用石墨板或者不銹鋼板機(jī)械加工或者模壓成型。 所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是所述陽極側(cè)流場板和陰極側(cè)流場板通過膠粘劑或者導(dǎo)電密封膠粘接而成，也可以用密封件密封成組件。 所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是所述所述膜電極由陽極催化劑層、質(zhì)子交換膜和陰極催化劑層構(gòu)成的膜電極。 所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是所述陽極催化劑為Ir、 Ir02、 Ru02、Pt、Ta、Ta(^或者它們的復(fù)合物；陰極催化劑為Pt或者Pt/C ;質(zhì)子交換膜為全氟磺酸膜類的Naf ion膜、Dow膜、Flemion、Aciplex,莫，部分氟化質(zhì)子交換膜類的Ballard公司的BAM3G膜，非氟化的質(zhì)子交換膜類的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-Select 系列固體聚合物膜。 所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是所述塑料包括PVC、 ABS、 PET、 PE、PP。 所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特點(diǎn)是所述緊固成一體的電解槽為圓柱型，其端板、雙極板、膜電極和絕緣板均為圓形，并且對(duì)稱兩側(cè)均分別有一個(gè)水的進(jìn)入通道和一個(gè)水和氧氣的流出通道。 本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果由于在電解槽中心處設(shè)置了氫氣通道，采用陽極側(cè)流場每個(gè)脊上設(shè)置有等距離的開口 ，并且上一行脊的開口正對(duì)下一行脊的中央，使產(chǎn)生的流體流動(dòng)阻力相等，能夠使水均勻地通過流場并分配到膜電極表面，同時(shí)將產(chǎn)物氧氣帶出，并減小了電解槽的體積，降低電解槽的重量，提高了水電解槽的極化性能和水電解槽的壽命性能。


圖
10-水和氧氣出口 ， 12-膜電極，13-雙極板，16-流道，17-氫氣出口 ， 18-脊，33-陽極側(cè)流場板，34-導(dǎo)電膠層，35-陰極側(cè)流場板，36-固定孔，39-氧氣和水的流出通道，40-氫氣通道，41-密封邊緣，42-進(jìn)水通道，45-通道口 ， 46-邊框，52-陽極催化劑層，53-質(zhì)子交換膜，54-陰極催化劑層。
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，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖l-12詳細(xì)說明如下
實(shí)施例1 按照?qǐng)D5所示，選用加工好的圓形鈦板作為雙極板13的陽極側(cè)流場板33材料，機(jī)加工在圓形鈦板中心加工出一通孔作為氫氣通道40，在圓形鈦板一面上分別在對(duì)稱兩端加工一個(gè)進(jìn)水通道42、一個(gè)氧氣和水的流出通道39，銑出多個(gè)與脊18平行的槽作為流道16，流道16的寬度、深度和脊18的寬度均為2mm，為保證流體能進(jìn)入下一個(gè)流道16，以中心線為對(duì)稱，在大約每隔4cm長的脊18上開一個(gè)寬度2mm的口 ，使上一行脊18的開口正對(duì)下一行脊18的中央；在進(jìn)水通道42、氧氣和水的流出通道39銑出與通道垂直的槽作為流道16 ;氫氣通道40周圍加工出一個(gè)與脊18高度相同的臺(tái)階作為密封邊緣41，在鈦板周圍的邊框46上加工出八個(gè)通孔作為固定孔36，經(jīng)上述加工后的鈦板即成為雙極板13的陽極側(cè)流場板33。 按照?qǐng)D8所示，選用圓形石墨板作為雙極板13的陰極側(cè)流場板35材料，機(jī)加工在圓形石墨板中心加工出一通孔作為氫氣通道40 ;在石墨板周圍的邊框46上加工出8個(gè)與陽極側(cè)流場板33對(duì)應(yīng)的固定孔36 ;在石墨板一面銑出多個(gè)射線形的槽作為流道16，流道
516之間為凸起的脊18，以為雙極板13中心處為圓心，在所有脊18的加工出一個(gè)圓周形流道16，經(jīng)上述加工后的石墨板即成為雙極板13的陰極側(cè)流場板35。 采用Ag粉和環(huán)氧樹脂配置出導(dǎo)電膠層34，將陽極側(cè)流場板33和陰極側(cè)流場板35未加工的一面粘接在一起，形成圖4所示的雙極板13。 按照?qǐng)D9所示，選用質(zhì)量比1 : 3 : 20的Ir02、5% Nafion溶液、異丙醇混合，超聲分散30min制成陽極催化劑漿料；選用質(zhì)量比1 : 3 : 20的Pt/C、5 % Naf ion溶液、異丙醇混合，超聲分散30min制成陰極催化劑漿料；采用絲網(wǎng)印刷機(jī)將陽極催化劑漿料和陰極催化劑漿料分別印刷到作為質(zhì)子交換膜53的Naf ionl15膜兩側(cè)，8(TC干燥lh后得到CCM電極，該CCM電極與陽極擴(kuò)散層鈦網(wǎng)、陰極擴(kuò)散層不銹鋼纖維板組合，形成由陽極催化劑層52、質(zhì)子交換膜53和陰極催化劑層54組成的膜電極12。陽極催化劑還可以為Ir、 Ir02、Ru02、 Pt、 Ta、 Ta02或者它們的復(fù)合物；陰極催化劑為Pt或者Pt/C ;固體聚合物膜為全氟磺酸膜類的Nafion膜、Dow膜、Flemion、Aciplex⑧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)子交換膜類的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-Select 系列膜。 按照?qǐng)D3所示，選用中心和周圍均有與雙極板13、膜電極12上孔相對(duì)應(yīng)導(dǎo)電板5、絕緣板4和端板1，將十四個(gè)雙極板13和每兩個(gè)雙極板13之間所夾的膜電極12組合，最外層的雙極板13兩端分別依次排列導(dǎo)電板5、絕緣板4和端板1，用螺桿6穿過所有排列好的端板1、絕緣板4、導(dǎo)電板5、雙極板13、膜電極12固定孔，由螺母緊固成一體，在氫氣通道上40連接氫氣和水的出口 3，在進(jìn)水通道42、氧氣和水的流出通道39上分別連接入水口 2、水和氧氣出口 10，即組裝成圖3所示流場板和膜電極的有效面積為120cm2的水電解槽。
實(shí)施例2 選用加工好的圓形50um的鈦箔，進(jìn)行雙向沖壓形成脊18和流道16，在相鄰脊18和流道16之間有通道口 45，其總厚度為3mm，再切割成圖6所示雙極板陽極側(cè)流場板2流場部分；為了密封方便，給鈦箔流場板四周和中間制作圖7所示的邊框46，用厚度為3mm的聚四氟乙烯板沖切出所示的框體。在框體周圍加工出8個(gè)固定孔36，用環(huán)氧樹脂粘接在圖4所示的陰極側(cè)流場板35未加工的一面粘接在一起，然后用導(dǎo)電膠將鈦箔流場板粘接在中間，形成雙極板13。 按照?qǐng)D8所示，選用圓形石墨板作為雙極板13的陰極側(cè)流場板35材料，機(jī)加工在圓形石墨板中心加工出一通孔作為氫氣通道40 ;在石墨板周圍的邊框46上加工出8個(gè)與陽極側(cè)流場板33對(duì)應(yīng)的固定孔36 ;在石墨板一面銑出多個(gè)射線形的槽作為流道16，流道16之間為凸起的脊18，以為雙極板13中心處為圓心，在所有脊18的加工出一個(gè)圓周形流道16，經(jīng)上述加工后的石墨板即成為雙極板13的陰極側(cè)流場板35。 采用Ag粉和環(huán)氧樹脂配置出導(dǎo)電膠層34，將陽極側(cè)流場板33和陰極側(cè)流場板35未加工的一面粘接在一起，形成圖4所示的雙極板13。 按照?qǐng)D9所示，選用質(zhì)量比1 : 3 : 20的Ir02、5% Nafion溶液、異丙醇混合，超聲分散30min制成陽極催化劑漿料；選用質(zhì)量比1 : 3 : 20的Pt/C、5 % Naf ion溶液、異丙醇混合，超聲分散30min制成陰極催化劑漿料；采用絲網(wǎng)印刷機(jī)將陽極催化劑漿料和陰極催化劑漿料分別印刷到作為質(zhì)子交換膜53的Naf ionl15膜兩側(cè)，8(TC干燥lh后得到CCM電極，該CCM電極與陽極擴(kuò)散層鈦網(wǎng)、陰極擴(kuò)散層不銹鋼纖維板組合，形成由陽極催化劑層52、質(zhì)子交換膜53和陰極催化劑層54組成的膜電極12。陽極催化劑還可以為Ir、 Ir02、Ru02、 Pt、 Ta、 Ta02或者它們的復(fù)合物；陰極催化劑為Pt或者Pt/C ;固體聚合物膜為全氟磺酸膜類的Nafion膜、Dow膜、Flemion、Aciplex,莫，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)子交換膜類的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-Select 系列膜。 按照?qǐng)D3所示，選用中心和周圍均有與雙極板13、膜電極12上孔相對(duì)應(yīng)導(dǎo)電板5、絕緣板4和端板1，將十四個(gè)雙極板13和每兩個(gè)雙極板13之間所夾的膜電極12組合，最外層的雙極板13兩端分別依次排列導(dǎo)電板5、絕緣板4和端板1，用螺桿6穿過所有排列好的端板1、絕緣板4、導(dǎo)電板5、雙極板13、膜電極12固定孔，由螺母緊固成一體，在氫氣通道上40連接氫氣和水的出口 3，在進(jìn)水通道42、氧氣和水的流出通道39上分別連接入水口 2、水和氧氣出口 10，即組裝成圖3所示流場板和膜電極的有效面積為120cm2的水電解槽。
工作過程將蒸餾水預(yù)熱到80°C ，用循環(huán)水泵將水通入進(jìn)水口 2，反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和未反應(yīng)的水由水和氧氣出口 IO排出電解槽，氫氣和夾帶的水通過氫氣出口 3排出電解槽，循環(huán)30min后進(jìn)行電解性能測試，本發(fā)明的水電解槽的極化性能曲線如圖10所示、水電解槽的壽命性能曲線如圖11所示，與圖l-2所示傳統(tǒng)的水電解槽的極化性能曲線圖12相比，本發(fā)明水電解槽性能有很大改善。
權(quán)利要求
一種固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，包括2個(gè)以雙極板和每兩個(gè)雙極板之間的膜電極，最外層的雙極板兩端分別依次排列導(dǎo)電板、絕緣板和端板，由螺桿和螺母緊固成一體，其特征在于緊固成一體的電解槽中心處設(shè)置有氫氣通道；所述雙極板由陽極側(cè)流場板和陰極側(cè)流場板復(fù)合而成；所述陽極側(cè)流場上有多個(gè)脊和與脊平行的流道，每個(gè)脊上設(shè)置有等距離的開口，并且上一行脊的開口正對(duì)下一行脊的中央。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1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側(cè)流場 板為經(jīng)過表面處理的鈦材料；所述陰極側(cè)流場板為石墨或者不銹鋼材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1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板 上有一個(gè)水的進(jìn)入通道和一個(gè)水與氧氣的流出通道；至少有一個(gè)氫氣和水的流出通道；陽 極流場板上設(shè)置有與水的進(jìn)出口通道連線相垂直的流道；脊上的開口間距為0. 5-5cm，開 口寬度為0. 5-5mm，脊的寬度為0. 5_3mm ;流道的深度為0. 5-3mm，寬度0. 5-3mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1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板 為在鈦板上通過機(jī)械雕刻或者沖壓形成流道；或?qū)?. 05-0. 8mm厚的鈦箔沖壓、切割成型， 再在沖壓件的邊緣制備有邊框，邊框?yàn)橥ㄟ^注塑或模壓出的塑料或者橡膠。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1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側(cè)流道 與陽極流道相同，或者呈簡單的扇型分布，采用石墨板或者不銹鋼板機(jī)械加工或者模壓成 型。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1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側(cè)流場 板和陰極側(cè)流場板通過膠粘劑或者導(dǎo)電密封膠粘接而成，也可以用密封件密封成組件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特征在于所述所述膜電極由陽極催化劑層、質(zhì)子交換膜和陰極催化劑層構(gòu)成的膜電極。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7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催化劑為Ir、 Ir02、Ru02、Pt、Ta、Ta02或者它們的復(fù)合物；陰極催化劑為Pt或者Pt/C ;質(zhì)子交換膜 為全氟磺酸膜類的Naf ion膜、Dow膜、？1咖10114(^ 16乂@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)子交換膜類的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-Select 系列固體聚合物膜。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，其特征在于所述塑料包括 PVC、ABS、PET、PE、PP。
10. 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，其特征在于所述緊固成一體 的電解槽為圓柱型，其端板、雙極板、膜電極和絕緣板均為圓形，并且對(duì)稱兩側(cè) 分別有一 個(gè)水的進(jìn)入通道和一個(gè)水和氧氣的流出通道。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固體聚合物電解質(zhì)膜水電解槽，包括2個(gè)以雙極板和每兩個(gè)雙極板之間的膜電極，最外層的雙極板兩端分別依次排列導(dǎo)電板、絕緣板和端板，由螺桿和螺母緊固成一體，其特點(diǎn)是緊固成一體的電解槽中心處設(shè)置有氫氣通道；所述雙極板由陽極側(cè)流場板和陰極側(cè)流場板復(fù)合而成；所述陽極側(cè)流場上有多個(gè)脊和與脊平行的流道，每個(gè)脊上設(shè)置有等距離的開口，并且上一行脊的開口正對(duì)下一行脊的中央。該電解槽能夠使水均勻地通過流場并分配到膜電極表面，同時(shí)將產(chǎn)物氧氣帶出，并減小了電解槽的體積，降低電解槽的重量，提高了水電解槽的極化性能和水電解槽的壽命性能。
文檔編號(hào)C25B1/10GK101768752SQ20081015467
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者張軍, 徐志斌, 李勇輝 申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所