專利名稱：氫氧電解裝置及其雙面表層改質(zhì)碳纖維紙電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)氫氧電解裝置，尤其是有關(guān)氫氧電解裝置及其雙面表層改質(zhì)碳纖維
紙電極。
背景技術(shù)：
美國能源部(District of Energy,DoE)針對以電解水產(chǎn)生氫氧的效能，由現(xiàn)階段 的45%，已訂定為75%，并于2010年實行。由于氫的制造方法相當(dāng)多樣，但以電解方式最 為環(huán)保與節(jié)能。配合連結(jié)于再生能源的資源，如風(fēng)力發(fā)電廠、太陽能發(fā)電廠等等電力來源， 以有效轉(zhuǎn)化水為氫與氧的儲能方式，是極為重要的目標(biāo)。 目前已知的氫氧產(chǎn)生機(jī)內(nèi)部的電解結(jié)構(gòu)，大都以多數(shù)個電極排列成串元(Serial Cells)方式，在最外層施加直流電壓，以平均分布方式在板間形成一電解的分壓。例如中國 臺灣專利第M302490號，名稱為混合燃料的動力裝置中的氫氧機(jī)所公開的。
電解過程中，水分子與電極的接觸性影響電解效率非常大；理想的電極具有廣大 的接觸面積及優(yōu)良的親水性與排氣性，其目的使水分子可輕易均勻地落接于電極上，導(dǎo)通 電流進(jìn)行電解；電解所產(chǎn)出的氫氧氣體可迅速脫離電極表面，以不造成氣膜堆積而阻礙了 水分子的再附著。若氣膜停滯聚集于電極的表面上，即造成電解阻抗上升，迫使所施加的外 部電壓亦須提高以強(qiáng)迫電流貫穿此阻抗層，因而導(dǎo)致電解效率下降。例如，在25t:的條件 下電解電壓的熱平衡電勢能Eideal的理想值為Eideal = 1. 48V ;若以氫氧化鈉/氫氧化鉀作 為電解水溶液的公知的不銹鋼片為電極的氫氧電解裝置為例，其實際所量測的電解分壓為 Ereal = 5. 3V，則該電解效率為27. 92%:1. 48/5. 3 = 27. 92 ;Ereal = 5. 3V高于理想電勢能值 Eideal = 1.48V的多余電壓則轉(zhuǎn)化為多余的熱能，使得電解水溶液受加熱而增溫。若此，適當(dāng) 的散熱是必備的，以防范氫氧混合氣因達(dá)燃點(diǎn)而引爆。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種氫氧電解裝置及其雙面表層改質(zhì)碳纖維紙電極，以提 升電解效率。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的氫氧電解裝置，是用以使用電解水方式產(chǎn)生氫氣及氧 氣，包括 —第一容器，設(shè)有一容置槽，該容置槽用以容置電解水溶液；
—電解結(jié)構(gòu)，包括 至少一串元，包括復(fù)數(shù)電極；相鄰的兩該電極之間有一間隙；
—第一導(dǎo)電件，用以電連接一直流電源供應(yīng)器的正極；
—第二導(dǎo)電件，用以電連該直流電源供應(yīng)器的負(fù)極； 其中該第一導(dǎo)電件及該第二導(dǎo)電件分別電連接該復(fù)數(shù)電極片中最外側(cè)的兩該電 極；其特征在于該電極包括 —碳纖維紙基材，具有相對的一第一表面、一第二表面；
6
—第一金屬層，結(jié)合該第一表面；
—第二金屬層，結(jié)合該第二表面；
其中該串元置于該容置槽內(nèi)。 本發(fā)明的氫氧電解裝置的雙面表層改質(zhì)碳纖維紙電極，是用以使用電解水方式產(chǎn) 生氫氣及氧氣，包括 —碳纖維紙基材，具有相對的一第一表面、一第二表面；
—第一金屬層，結(jié)合該第一表面；
—第二金屬層，結(jié)合該第二表面。
本發(fā)明的效果是 本發(fā)明以碳纖維紙基材作為電極，利用碳纖維紙基材的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、多孔性、 透氣性，親水性及疏水性等優(yōu)良特性，提供增加水分子與電極的極大表面接觸面積、防范產(chǎn) 出氣體的堆積以及使電極的電流均勻化，以提升電解效率。 本發(fā)明以脈沖式直流的電源供應(yīng)器(Pulse-Width-Module PowerSu卯lier)，利用 頻率調(diào)變(Demodulation)激發(fā)電解水溶液中的水分子，使水分子在水電解過程形成共振 電解(Resonant Electrolysis)，以提升電解效率。 本發(fā)明可自動補(bǔ)充電解水溶液，且使火焰不會沿著氫、氧混合氣體的流動路徑而 點(diǎn)燃容置電極的容置槽內(nèi)的氫、氧混合氣，且當(dāng)氫、氧混合氣的氣壓高過設(shè)定壓力時可自動 停止電解作業(yè)，避免再產(chǎn)生氫、氧混合氣。


圖1為本發(fā)明氫氧電解裝置的示意圖。
圖2為本發(fā)明氫氧電解裝置的外觀示意圖。
圖3為本發(fā)明電解結(jié)構(gòu)第一實施例的示意圖。
圖4為本發(fā)明電極的示意圖。
圖5為電極未組合時的示意圖。
圖6為本發(fā)明電解結(jié)構(gòu)第一實施例未組合時的示意圖。 圖7為本發(fā)明電解結(jié)構(gòu)第二實施例的示意圖。 圖8為本發(fā)明電解結(jié)構(gòu)第三實施例的示意圖。 附圖中主要組件符號說明
2、7、8電解結(jié)構(gòu) 201、311、321、331、341孔 22、75、85第二導(dǎo)電件 231第一表面 24第一金屬層 242第一外金屬層 251第二內(nèi)金屬層
20電極
21、74、84第一導(dǎo)電件 23碳纖維紙基材 232第二表面 241第一內(nèi)金屬層 25第二金屬層 252第二外金屬層 3、71、72、73、81、82、83串元 31、711、721、731、811、821、831第一框架
7
312、322、713、722、733、815、825凹槽
32、712、722、732、812、822、832第二框架
33、813、823金屬片34、814、824絕緣片35絕緣桿351帽部36絕緣墊37絕緣螺桿38絕緣螺帽39石英薄片41第一容器411第一本體412第一蓋體413第一容置槽414第一進(jìn)液口415第一出氣口416第二進(jìn)液口417第一密封件42第二容器421第二本體422第二蓋體423第二容置槽424第一出液口425進(jìn)氣口426第二出氣口427第三進(jìn)液口428第二密封件429管43控制器44第一水位傳感器441高水位感測單元442低水位感測單元45泵46氣壓傳感器47第二水位傳感器48逆火閥49直流電源供應(yīng)器51電解水溶液52補(bǔ)充液61第一管62第二管63第三管64第四管65第五管
具體實施例方式
本發(fā)明的其它目的、功效，請參閱附圖及實施例，詳細(xì)說明如下。
請參閱圖1、2所示，本發(fā)明氫氧電解裝置1，包括一電解結(jié)構(gòu)2、一第一容器41、一 第二容器42、一控制器43、一第一水位傳感器44、一泵45、一氣壓傳感器46、一第二水位傳 感器47、一逆火閥48及一直流電源供應(yīng)器49所組成?？刂破?3分別電連接第一水位傳感 器44、泵45、氣壓傳感器46、第二水位傳感器47及直流電源供應(yīng)器49，其電氣連接結(jié)構(gòu)為 公知技術(shù)，圖中未示出。泵45可為一薄膜泵。 請參閱圖3所示。電解結(jié)構(gòu)2的第一實施例，包括一串元3、一第一導(dǎo)電件21及一 第二導(dǎo)電件22所組成。串元3包括復(fù)數(shù)電極20、一第一框架31、一第二框架32、復(fù)數(shù)金屬 片33、復(fù)數(shù)絕緣片34、復(fù)數(shù)絕緣桿35、復(fù)數(shù)絕緣墊36、復(fù)數(shù)絕緣螺桿37及復(fù)數(shù)絕緣螺帽38 所組成。 請參閱圖4所示，本發(fā)明的電極20是雙面表層改質(zhì)碳纖維紙電極，包括一碳纖維 紙基材(Carbon P即er substrate) 23作為電極基材(Electrodesubstrate)，以無電解金 屬工藝(Electroless Metal Plating Art)對碳纖維紙基材23的表面作活化與敏化處理， 使碳纖維紙基材23的第一表面231、第二表面232分別結(jié)合對稱的第一金屬層24及第二金屬層25 ;其中第一金屬層24及第二金屬層25可進(jìn)一步分別包括相對稱的第一內(nèi)金屬層 241、第二內(nèi)金屬層251及第一外金屬層242、第二外金屬層252 ;第一內(nèi)金屬層241置于第 一表面231及第一外金屬層242之間；第二內(nèi)金屬層251置于第二表面232及第二外金屬 層252之間；電極20設(shè)有復(fù)數(shù)孔201。 請參閱圖5所示，復(fù)數(shù)個絕緣桿35分別貫穿復(fù)數(shù)電極20的復(fù)數(shù)孔201 ;絕緣桿35 的帽部351抵靠一最外側(cè)的電極20，絕緣桿35在另一最外側(cè)的電極20的外側(cè)端結(jié)合一絕 緣墊36，且在相鄰的兩電極20之間均結(jié)合一絕緣墊36，以固定相鄰兩電極20之間的間距。 本實施例有7片電極20。 請參閱圖6所示，第一框架31 、第二框架32、復(fù)數(shù)金屬片33、復(fù)數(shù)絕緣片34分別設(shè) 有相對應(yīng)的孔311、321、331、341 ;絕緣螺桿37穿透孔311、321、331、341的一端螺接絕緣螺 帽38，使金屬片33、絕緣片34被夾于第一框架31及第二框架32之間；最外側(cè)的兩金屬片 33之間至少有一絕緣片34。本實施例兩金屬片33之間有6片絕緣片34。第一框架31及 第二框架32分別設(shè)有相對應(yīng)的凹槽312、322 ;凹槽312、322分別結(jié)合第一導(dǎo)電件21、第二 導(dǎo)電件22 ;第一導(dǎo)電件21接觸鄰近第一框架31的金屬片33 ;第二導(dǎo)電件22接觸鄰近第二 框架32的金屬片33。復(fù)數(shù)金屬片33的一端分別接觸兩最外側(cè)電極20的外側(cè)邊；復(fù)數(shù)絕 緣片34的一端分別置于相鄰的兩電極20之間，使最外側(cè)的電極20的邊緣分別被夾于相鄰 的復(fù)數(shù)金屬片33及復(fù)數(shù)絕緣片34之間，其余的電極20的邊緣分別被夾于相鄰的復(fù)數(shù)絕緣 片34之間，使復(fù)數(shù)電極20的邊緣被固定呈互相平行的狀態(tài)。 請參閱圖1、2所示，第一容器41包括一第一本體411及一第一蓋體412 ;第一本 體411設(shè)有一第一容置槽413、一第一進(jìn)液口 414;第一進(jìn)液口 414位于第一本體411的底 端；第一進(jìn)液口 414連通第一容置槽413 ;第一蓋體412氣密結(jié)合第一本體411使第一容置 槽413成一氣密的空間；第一蓋體412設(shè)有一第一出氣口 415及第二進(jìn)液口 416 ;第二進(jìn)液 口 416平時被一第一密封件417封閉，使用者可打開第一密封件417，將補(bǔ)充液經(jīng)由第二進(jìn) 液口 416輸入第一容置槽413內(nèi)。第一本體411結(jié)合第一水位傳感器44，第一水位傳感器 44包括一高水位感測單元441及一低水位感測單元442，用以感測第一容置槽413內(nèi)的電 解水溶液(Electrolyte) 51的高度。電解結(jié)構(gòu)2的串元3被置于第一容置槽413內(nèi)，但第 一導(dǎo)電件21、第二導(dǎo)電件22的上端分別穿過第一蓋體412伸至第一蓋體412的上方，并分 別電連接直流電源供應(yīng)器49的正極、負(fù)極。 第二容器42包括一第二本體421及一第二蓋體422 ;第二本體421設(shè)有一第二容 置槽423、一第一出液口 424 ;第一出液口 424連通第二容置槽423 ;第二蓋體422氣密結(jié) 合第二本體421使第二容置槽423成一氣密空間；第二蓋體422設(shè)有一進(jìn)氣口 425、一第二 出氣口 426及至少一第三進(jìn)液口 427 ;第三進(jìn)液口 427平時被第二密封件428封閉，使用者 可打開第二密封件428，將補(bǔ)充液經(jīng)由第三進(jìn)液口 427輸入該第二容置槽423內(nèi)；第二蓋體 422另結(jié)合一管429 ;管429置于第二容置槽423內(nèi)連通進(jìn)氣口 425。第二本體421結(jié)合第 二水位傳感器47，用以感測第二容置槽426內(nèi)的補(bǔ)充液52的高度。管429的底端低于第二 水位傳感器47。 一第一管61的兩端分別結(jié)合第一本體411及泵45用以連通第一進(jìn)液口 414及泵45的出口 。第二蓋體422結(jié)合氣壓傳感器46以感測第二容置槽423內(nèi)的氣壓。 一第二管62的兩端分別連接泵45及第二本體421以連通泵45的入口及第一出液口 424。 一第三管63的兩端分別連接第一蓋體412及第二蓋體422以連通第一出氣口 415及進(jìn)氣口 425。 一第四管64的兩端分別連接第二蓋體422及逆火閥48以連通第二出氣口 426及 逆火閥48的入口 。 一第五管65的一端連接逆火閥48以連通逆火閥48的出口 。
當(dāng)直流電源供應(yīng)器49的正極、負(fù)極分別電連接第一導(dǎo)電件21、第二導(dǎo)電件22并供 電時，電解結(jié)構(gòu)2的復(fù)數(shù)電極20即對電解水溶液51進(jìn)行電解作用而產(chǎn)生氫氣及氧氣；氫、 氧混合氣由第一出氣口 415流出第一容置槽413，經(jīng)第三管63、進(jìn)氣口 425及管429導(dǎo)引至 補(bǔ)充液52內(nèi)，且升至補(bǔ)充液52的上方的第二容置槽423內(nèi)，再經(jīng)第二出氣口 426流出，再 經(jīng)由第四管64、逆火閥48及第五管65流出第五管65。 當(dāng)控制器43偵測到第一水位傳感器44發(fā)出的高、低水位訊號時，即分別發(fā)出訊號 控制泵45停止或啟動，使泵45停止帶動補(bǔ)充液52進(jìn)入第一容置槽413或帶動補(bǔ)充液52 進(jìn)入第一容置槽413，自動補(bǔ)充電解水溶液使電解水溶液51的高度維持在設(shè)定的范圍。
當(dāng)?shù)诙粋鞲衅?7感測到補(bǔ)充液52的高度低于設(shè)定高度時即可發(fā)出一感測訊 號，當(dāng)控制器43偵測到第二水位傳感器47發(fā)出的感測訊號時，即可發(fā)出控制訊號使一警報 器發(fā)出聲、光訊號，提醒使用者打開第二密封件428，將補(bǔ)充液52經(jīng)由第三進(jìn)液口 427輸入 第二容置槽423內(nèi)。由逆火閥48及第二容置槽423內(nèi)的補(bǔ)充液52的阻隔，使第五管65外 部的火焰，不會沿著氫、氧混合氣體的流動路徑而點(diǎn)燃第一容置槽413內(nèi)的氫、氧混合氣。
當(dāng)控制器43偵測到氣壓傳感器46發(fā)出氣壓超過設(shè)定值的訊息時，即發(fā)出控制訊 號使直流電源供應(yīng)器49停止輸出電壓至第一導(dǎo)電件21、第二導(dǎo)電件22，使電解結(jié)構(gòu)2的電 極20停止對電解水溶液51進(jìn)行電解作用，避免再產(chǎn)生氫、氧混合氣體。
請參閱圖4所示，本發(fā)明中所使用的碳纖維紙基材23，原為氫燃料電池(Hydrogen Fuel Cell)組合體中的核心材料，稱為氣體擴(kuò)散層(GDL)，通常是使用碳纖維堆棧形成多 孔性材料(如碳紙或碳布)作為氣體擴(kuò)散基材(G匿)。因為碳布(Carbon cloth)及碳紙 (Carbon p即er)屬多孔性材料，同時具備良好的導(dǎo)電性與較高的孔隙率(Porosity)，有利 于氫氣與氧氣的均勻透氣分布反應(yīng)及產(chǎn)出物水的均勻附著。碳纖維紙基材外側(cè)的微孔層 (MicroPorous Layer)，主要是由高導(dǎo)電性的碳粉所組成，另外還包含分散劑、溶劑及親/疏 水劑等。微孔層(MPL)的制作方式，是先利用超音波震蕩器將這些組成進(jìn)行混合及拌攪，最 后制成液態(tài)的漿料(Ink)，再利用涂布技術(shù)(如噴涂法、刮刀法、網(wǎng)印法)，將此漿料涂布于 氣體擴(kuò)散層的表面，的后再經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)就可獲得此微孔層(MPL)。 氣體擴(kuò)散層(GDL)與微孔層(MPL)在氫燃料電池中扮演相當(dāng)重要的角色與功能， 例如(1)提供反應(yīng)氣體(氫、氧)透氣通道，(2)提供反應(yīng)產(chǎn)物(水、熱)離開微孔層的通 道，(3)提供電化學(xué)反應(yīng)電子的進(jìn)出信道，(4)充當(dāng)微孔層的觸媒及質(zhì)子交換膜體的結(jié)構(gòu)支 撐。因此，氣體擴(kuò)散層(GDL)與微孔層(MPL)必須同時具有良好的導(dǎo)電性、觸媒性、導(dǎo)熱性、 多孔性、透氣性及親水性等特性。 氫燃料電池利用氫與氧的結(jié)合而產(chǎn)出電，恰與水利用電解產(chǎn)出氫與氧的反應(yīng)過程 剛好相反。但良好的電極設(shè)計需求卻完全相同。 請參閱圖4所示，本發(fā)明的第一金屬層24及第二金屬層25是將多數(shù)微粒徑金屬 球分別涂鍍于碳纖維紙基材23的第一表面231、第二表面232所構(gòu)成者。包含多數(shù)微粒徑 金屬球的第一金屬層24及第二金屬層25的作用如同氫燃料電池組中的微孔層的功效，主 要在于以極高的接觸表面與水分子作觸媒轉(zhuǎn)化(Catalytic)，觸媒的作用在于加速陰陽離 子的轉(zhuǎn)化效率。因此觸媒物與水分子的接觸面積影響因素極大?？衫脽o電解金屬的工藝，先將碳纖維紙基材23以丙酮(Acetone)用超音波去脂洗凈(Degrease)、浸潤于硫酸錫液中 進(jìn)行敏化反應(yīng)(Sensitization)、于鈀鹽溶液中進(jìn)行活化反應(yīng)、最后于次亞磷酸鈉(Sodium Hypophosphite)的酸性溶液將金屬還原附著于碳纖維紙基材23的第一表面231、第二表面 232。金屬層所成長的厚度可用浸鍍參數(shù)來加以控制。 一般無電解金屬膜成長速度可控制 為每分鐘一個微米厚(lym/min)以形成密度較為致密的第一內(nèi)金屬層241、第二內(nèi)金屬層 251及密度較為粗糙的第一外金屬層242、第二外金屬層252。利用較致密的第一內(nèi)金屬層 241、第二內(nèi)金屬層251來增加第一金屬層24及第二金屬層25在碳纖維紙基材23的第一 表面231、第二表面232上的附著力。精密的溫控與濃度的掌握，可將微粒徑金屬球(Micro Metal Particle)包覆形成于碳纖維紙基材23的第一表面231、第二表面232，其形態(tài)如同 糖葫蘆一般。由于微粒徑金屬球的粒徑極其微小約為15 30微米(ym)，除了可提供更大 的接觸面積，球粒表面的細(xì)微凸尖亦可強(qiáng)化觸媒轉(zhuǎn)化反應(yīng)。 水分子的鍵結(jié)是以共價方式鍵合，共價鍵(Covalent Bonding)的鍵結(jié)能相當(dāng)?shù)?高，利用極化作用(Polarization)，可迫使解離的水分子能在脈沖電場中作成排列導(dǎo)引，利 用頻率調(diào)變(Demodulation)， 一旦水分子的極化作用頻率達(dá)到與調(diào)變頻率相對應(yīng)時，水分 子的解離能即充分足以斷鍵，此現(xiàn)象為達(dá)到共振階段(Resonant Stage)，在此階段電解的 效率提升極大。 請參閱圖1、3、5所示，本發(fā)明的直流電源供應(yīng)器49可為具有脈沖寬度調(diào)變(Pulse Width Modulation, P麗)功能者，采用脈沖寬度調(diào)變(Pulse Width Modulation, P麗)方 式，將脈沖式直流電供給電極20。利用頻率調(diào)變，可準(zhǔn)確控制供給功率與達(dá)成電解共振 (600Hz 45Khz)。本發(fā)明可再配合電解結(jié)構(gòu)2中復(fù)數(shù)電極20之間平行相隔空間中，置放若 干扁型的壓電材料薄片39，如圖5所示，由于壓電材料，如石英薄片或陶瓷壓電片，在電場 的感應(yīng)激發(fā)條件下，可驅(qū)使電極20間的水分子經(jīng)電解后所產(chǎn)生的混合氣迅速遠(yuǎn)離電極20， 增強(qiáng)排氣性，并由振蕩效應(yīng)來增益電解效能。 本發(fā)明的電極系采用串元方式結(jié)構(gòu)，由最外側(cè)所供給的總電壓在各個串元間作分 壓。如圖1、5所示，在本發(fā)明中，當(dāng)電解水溶液51的濃液被調(diào)控在pH = 12 ;控制電流密度 (Current Density)值為1A (安培)/cm2 (平方公分)；電極20的面積為25cm2，故直流電源 供應(yīng)器49顯示的電流值為25A，同時電壓值為11.5V。經(jīng)8個電極20的串聯(lián)分壓，相鄰兩 個電極20之間的電解分壓為11. 5V/7 = 1. 643V，此單一串聯(lián)分壓所得的電解效率為90%: 1. 48/1. 643 = 0. 9 ;且產(chǎn)氣速率(Production Rate)為94. 7L/Hr (公升/小時)，大幅超越 公知傳統(tǒng)的技術(shù)。 請參閱圖1、4所示，本發(fā)明的纖維紙基材23利用碳纖維紙的極高的接觸 表面(Ultrahigh Surface Contact)及纖維紙基材23的表面所被覆的微粒徑金 屬球(Micro Metal Particle)極高的觸媒作用(Catalytic Reaction)，對水分子 進(jìn)行電解(Electrolyzing)以產(chǎn)生出氫氣與氧氣；或以脈沖式的直流電源供應(yīng)器 49 (Pulse-Width-Module Power Supplier)，利用頻率調(diào)變(Demodulation)激發(fā)電極20之 間的水分子，使水分子在電解過程形成共振電解(ResonantElectrolysis)，可達(dá)成約90% 以上的高效能水電解效率。 請參閱圖7所示，本發(fā)明電解結(jié)構(gòu)7的第三實施例，包括復(fù)數(shù)串元71、72、73、第一 導(dǎo)電件74、第二導(dǎo)電件75及復(fù)數(shù)U型的第三導(dǎo)電件76所組成。復(fù)數(shù)串元71、72、73形成串聯(lián)延伸(Serial Elongation)的結(jié)構(gòu)，兩串元71、72分別在最外側(cè)端。
復(fù)數(shù)串元71、72、73的結(jié)構(gòu)分別與圖3所示的電極串接單元3相同。串元71、72、 73分別具有第一框架711、721、731及第二框架712、722、732 ;第一框架711、721、731分別 具有第一凹槽713、723、733 ;第二框架712、722、732分別具有第二凹槽714、724、734 ;串元 73置于兩串元71、72之間；第一框架731及第二框架732分別抵靠第二框架712及第一框 架721。 第一凹槽713結(jié)合第一導(dǎo)電件74 ;第二凹槽724結(jié)合第二導(dǎo)電件75 ;第三導(dǎo)電件 76分別結(jié)合第二凹槽714、第一凹槽733 ;另有第三導(dǎo)電件分別結(jié)合第二凹槽734、第一凹槽 723 ;因而使串元71、72、73依序電連接。當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電件74、第二導(dǎo)電件75分別連接一直流 電源供應(yīng)器的正極、負(fù)極時，可同時使串元71、72、73對電解水溶液進(jìn)行電解作用。
請參閱圖8所示，本發(fā)明電解結(jié)構(gòu)8的第四實施例，包括復(fù)數(shù)串元81、82、83、 第一導(dǎo)電件84及第二導(dǎo)電件85所組成。復(fù)數(shù)串元81、82、83形成并聯(lián)延展(Parallel Extension)的結(jié)構(gòu)，兩串元81、82分別在最側(cè)邊。 串元81、82、83分別具有第一框架811、821、831及第二框架812、822、832 ;第一框 架811、第二框架812的兩側(cè)邊之間分別結(jié)合復(fù)數(shù)金屬片813、復(fù)數(shù)絕緣片814 ;第一框架 821、第二框架822的兩側(cè)邊之間分別結(jié)合復(fù)數(shù)金屬片823、復(fù)數(shù)絕緣片824。第一框架811 的凹槽815結(jié)合第一導(dǎo)電件84 ;第二框架822的凹槽825結(jié)合第二導(dǎo)電件85。
串元81 、82、83的結(jié)構(gòu)分別與圖3所示的串元3相同，但兩第一框架811 、831分別 接觸相同的金屬片813，兩第二框架812、832分別接觸相同的金屬片813 ;兩第一框架821、 831分別接觸相同的金屬片823 ;兩第二框架822、832分別接觸相同的金屬片823 ;因而使 串元81、82、83具有第一框架811、821、831的一端依序電連接而具有相同的電位，且使串元 81、82、83具有第二框架812、822、832的另一端依序電連接而具有相同的電位，而擴(kuò)大電極 的面積。當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電件84、第二導(dǎo)電件85分別連接一直流電源供應(yīng)器的正極、負(fù)極時，可同 時使串元81、82、83對電解水溶液進(jìn)行電解作用。 本發(fā)明利用碳纖維紙基材的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、多孔性、透氣性，親水性及疏水性等 特性，以增加水分子與電極面的極大表面接觸性、觸媒及排氣性、并防止產(chǎn)出氫氧氣體的堆 積以及使電極的電流均勻化。 本發(fā)明利用碳纖維紙基材的表面改質(zhì)，以無電解法(ElectrolessPlating)、濺 鍍法(Sputtering)、物理氣相蒸鍍法(Physical V即or D印osition， PVD)、化學(xué)氣相蒸 鍍法(Chemical Vapor D印osition， CVD)或微纟內(nèi)米粉末燒結(jié)法(Micro麵no Powder Sintering)等方法將金屬或金屬的化合物披覆于碳纖維紙基材的纖維表面上，作雙層碳纖 維紙基材的表面改質(zhì)的對稱觸媒層。 本發(fā)明碳纖維紙基材的表面改質(zhì)，其改質(zhì)層(第一金屬層及第二金屬層)可為單 層或為雙層結(jié)構(gòu)，該改質(zhì)層的成分不限于金屬鎳或鎳的化合物，也可如鉑、銠、鈷、鐵、鈀等 等金屬或其化合物。 本發(fā)明脈沖式的直流電源供應(yīng)器(Pulse-Width-Module PowerSu卯lier)，利用 頻率調(diào)變(Demodulation)激發(fā)電極之間的水分子，使水分子在電解過程形成共振電解 (Resonant Electrolysis)，以提升電解的效率。并利用壓電材料，如石英薄片或陶瓷壓電 片于電極之間隙中，作電解水溶液的均勻擾動與增強(qiáng)產(chǎn)出氣的流動性以增益電解效能。
12
本發(fā)明的電解水溶液可為堿性溶液可為氫氧化鈉或氫氧化鉀的水溶液，該堿性濃
度范圍為O. 001M 0. IM摩爾濃度，其酸堿值為pH= 11 pH= 13之間。 以上所記載，僅為利用本發(fā)明技術(shù)內(nèi)容的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員運(yùn)用本發(fā)明所
為的修飾、變化，皆屬本發(fā)明主張的權(quán)利要求范圍，而不限于實施例所描述的內(nèi)容。
權(quán)利要求
一種氫氧電解裝置，用以使用電解水方式產(chǎn)生氫氣及氧氣，包括一第一容器，設(shè)有一容置槽，該容置槽用以容置電解水溶液；一電解結(jié)構(gòu)，包括至少一串元，包括復(fù)數(shù)電極；相鄰的兩該電極之間有一間隙；一第一導(dǎo)電件，用以電連接一直流電源供應(yīng)器的正極；一第二導(dǎo)電件，用以電連該直流電源供應(yīng)器的負(fù)極；其中該第一導(dǎo)電件及該第二導(dǎo)電件分別電連接該復(fù)數(shù)電極片中最外側(cè)的兩該電極；其特征在于該電極，為一雙面表層改質(zhì)碳纖維紙電極，包括一碳纖維紙基材，具有相對的一第一表面、一第二表面；一第一金屬層，結(jié)合該第一表面；一第二金屬層，結(jié)合該第二表面；其中該串元置于該容置槽內(nèi)。
2. 如權(quán)利要求1所述的氫氧電解裝置，其中，該第一金屬層、該第二金屬層分別由多數(shù) 微粒徑金屬球所構(gòu)成。
3. 如權(quán)利要求2所述的氫氧電解裝置，其中，包括一壓電材料薄片；該壓電材料薄片置 于兩該電極之間，均勻擾動電解水溶液增強(qiáng)產(chǎn)生氫氣及氧氣的流動性以增加電解效能。
4. 如權(quán)利要求3所述的氫氧電解裝置，其中，該微粒徑金屬球的成分選自鎳、鎳化合 物、鉬、鉑化合物、銠、銠化合物、鈷、鈷化合物、鐵、鐵化合物、鈀及鈀化合物其中的單一物或 混合物。
5. 如權(quán)利要求4所述的氫氧電解裝置，其中，該第一金屬層及該第二金屬層分別具有 第一內(nèi)金屬層、第二內(nèi)金屬層及第一外金屬層、第二外金屬層；該第一內(nèi)金屬層置于該第一 表面及該第一外金屬層之間；該第二內(nèi)金屬層置于第二表面及該第二外金屬層之間。
6. 如權(quán)利要求5所述的氫氧電解裝置，其中，該第一金屬層的該微粒徑金屬的密度較 該第二金屬層的該微粒徑金屬球的密度致密。
7. 如權(quán)利要求6所述的氫氧電解裝置，其中，該微粒徑金屬球的粒徑為15 30微米。
8. 如權(quán)利要求7所述的氫氧電解裝置，其中，該微粒徑金屬球是以選自無電解法、濺鍍 法、物理氣相蒸鍍法、化學(xué)氣相蒸鍍法及微納米粉末燒結(jié)法其中之一的方法披覆于該碳纖 維紙基材的該第一表面及該第二表面。
9. 如權(quán)利要求1至8中任一項所述的氫氧電解裝置，其中，包括一脈沖式的直流電源 供應(yīng)器；該第一導(dǎo)電件及該第二導(dǎo)電件分別電連接該直流電源供應(yīng)器的一正極、一負(fù)極，使 該直流電源供應(yīng)器將脈沖式直流電供給該些電極，利用頻率調(diào)變激發(fā)該些電極之間的水分 子，使水分子在電解過程形成共振電解，以提升電解的效率。
10. 如權(quán)利要求1至8中任一項所述的氫氧電解裝置，其中，該串元包括復(fù)數(shù)絕緣桿及 復(fù)數(shù)絕緣墊；該電極設(shè)有復(fù)數(shù)孔；該復(fù)數(shù)個絕緣桿分別貫穿該復(fù)數(shù)電極的該復(fù)數(shù)孔；該絕 緣桿的一帽部抵靠一最外側(cè)的該電極，該絕緣桿在另一最外側(cè)的該電極的外側(cè)端結(jié)合一該 絕緣墊，且在相鄰的兩該電極該之間均結(jié)合一該絕緣墊，以固定相鄰兩該電極之間的間距。
11. 如權(quán)利要求io所述的氫氧電解裝置，其中，該第一容器包括一第一本體及一第一蓋體；該第一本體設(shè)有該第一容置槽；第一蓋體氣密結(jié)合該第一本體，使該第一容置槽成 一氣密的空間；該第一蓋體設(shè)有一第一出氣口 ；該串元被置于該第一容置槽內(nèi)；該第一導(dǎo)電件、該第二導(dǎo)電件的上端分別穿過該第一蓋體伸至該第一蓋體的上方。
12. 如權(quán)利要求ll所述的氫氧電解裝置，其中，該第一本體的底端設(shè)有一第一進(jìn)液口 ； 該第一進(jìn)液口連通該第一容置槽；該第一蓋體設(shè)有一第二進(jìn)液口，該第二進(jìn)液口平時被一 第一密封件封閉，供使用者打開該第一密封件，將補(bǔ)充液經(jīng)由該第二進(jìn)液口輸入該第一容 置槽內(nèi)。
13. 如權(quán)利要求12所述的氫氧電解裝置，其中，該第一本體結(jié)合第一水位傳感器；該第 一水位傳感器包括一高水位感測單元及一低水位感測單元，以感測該第一容置槽內(nèi)的電解 水溶液的高度。
14. 如權(quán)利要求13所述的氫氧電解裝置，其中，包括一第二容器及一泵；該第二容器包 括一第二本體及一第二蓋體；該第二本體設(shè)有一第二容置槽、一第一出液口 ；該第一出液 口連通該第二容置槽；該第二蓋體氣密結(jié)合該第二本體使該第二容置槽成一氣密空間；該 第二蓋體設(shè)有一進(jìn)氣口、一第二出氣口及至少一第三進(jìn)液口 ；該第三進(jìn)液口平時被一第二 密封件封閉，供使用者打開該第二密封件，將補(bǔ)充液經(jīng)由該第三進(jìn)液口輸入該第二容置槽 內(nèi)；該第二蓋體另結(jié)合一管；該管置于第二容置槽內(nèi)連通該進(jìn)氣口 ；一第一管的兩端分別 結(jié)合該第一本體及該泵，連通該第一進(jìn)液口及該泵；一第二管的兩端分別連接該泵及該第 二本體，連通該泵及該第一出液口 ；一第三管的兩端分別連接該第一蓋體及該第二蓋體，連 通該第一出氣口及該進(jìn)氣口。
15. 如權(quán)利要求14所述的氫氧電解裝置，其中，包括一控制器；該控制器分別電連接該 第一水位傳感器及該泵；當(dāng)該控制器偵測到該第一水位傳感器發(fā)出的高、低水位訊號時，即 分別發(fā)出訊號控制該泵停止或啟動，使該泵停止帶動補(bǔ)充液進(jìn)入該第一容置槽或帶動補(bǔ)充 液進(jìn)入該第一容置槽，使電解水溶液的高度維持在設(shè)定的范圍。
16. 如權(quán)利要求15所述的氫氧電解裝置，其中，包括一脈沖式的直流電源供應(yīng)器；該第 一導(dǎo)電件及該第二導(dǎo)電件分別電連接該直流電源供應(yīng)器的一正極、一負(fù)極，使該直流電源 供應(yīng)器將脈沖式直流電供給該些電極，利用頻率調(diào)變激發(fā)該些電極之間的水分子，使水分 子在電解過程形成共振電解，以提升電解的效率。
17. 如權(quán)利要求16所述的氫氧電解裝置，其中，該第二蓋體結(jié)合一氣壓傳感器，感測該 第二容置槽內(nèi)的氣壓；該控制器電連接該氣壓傳感器及該直流電源供應(yīng)器；當(dāng)該控制器偵 測到該氣壓傳感器發(fā)出氣壓超過設(shè)定值的訊息時，即發(fā)出控制訊號使該直流電源供應(yīng)器停 止輸出電壓至該第一導(dǎo)電件、該第二導(dǎo)電件，使該些電極停止對電解水溶液進(jìn)行電解作用， 而不再產(chǎn)生氫、氧混合氣體。
18. 如權(quán)利要求17所述的氫氧電解裝置，其中，該第二本體結(jié)合一第二水位傳感器，以 感測該第二容置槽內(nèi)的補(bǔ)充液的高度；該管的底端低于該第二水位傳感器。
19. 如權(quán)利要求18所述的氫氧電解裝置，其中，包括一第四管及一逆火閥；該第四管的 兩端分別連接該第二蓋體及該逆火閥，連通該第二出氣口及該逆火閥。
20. 如權(quán)利要求19所述的氫氧電解裝置，其中，該串元包括一第一框架、一第二框架、 復(fù)數(shù)金屬片、復(fù)數(shù)絕緣片；該第一框架、該第二框架、該復(fù)數(shù)金屬片、該復(fù)數(shù)絕緣片分別設(shè)有 相對應(yīng)的孔；該絕緣螺桿穿過該些孔的一端螺接該絕緣螺帽，使該金屬片、該絕緣片被夾于 該第一框架及該第二框架之間；最外側(cè)的兩該金屬片之間至少有一該絕緣片；該復(fù)數(shù)金屬 片的一端分別接觸兩最外側(cè)該電極的外側(cè)邊；該復(fù)數(shù)絕緣片的一端置于相鄰的兩該電極之間，使該復(fù)數(shù)電極的邊緣被固定呈互相平行的狀態(tài)。
21. 如權(quán)利要求20所述的氫氧電解裝置，其中，該電解結(jié)構(gòu)具有一串元；該第一框架及 該第二框架分別設(shè)有相對應(yīng)的凹槽；該第一框架的凹槽結(jié)合該第一導(dǎo)電件；該第二框架的 凹槽結(jié)合該第二導(dǎo)電件；該第一導(dǎo)電件接觸鄰近該第一框架的金屬片；該第二導(dǎo)電件接觸 鄰近該第二框架的金屬片。
22. 如權(quán)利要求21所述的氫氧電解裝置，其中，兩最外側(cè)的電極的邊緣分別被夾于相 鄰的該金屬片及該絕緣片之間，其余的該電極的邊緣被夾于相鄰的兩該絕緣片之間。
23. 如權(quán)利要求20所述的氫氧電解裝置，其中，該電解結(jié)構(gòu)具有復(fù)數(shù)串元；該復(fù)數(shù)串元形成串聯(lián)延伸的結(jié)構(gòu)，該復(fù)數(shù)串元依序電連接；該第一框架及該第二框架分別設(shè)有相對應(yīng) 的第一凹槽、第二凹槽；一最外側(cè)的串元的第一框架的第一凹槽結(jié)合該第一導(dǎo)電件，該第一導(dǎo)電件接觸鄰近該第一框架的該金屬片；另一最外側(cè)的串元的第二框架的第二凹槽結(jié)合該 第二導(dǎo)電件，該第二導(dǎo)電件接觸鄰近該第二框架的該金屬片。
24. 如權(quán)利要求23所述的氫氧電解裝置，其中，該復(fù)數(shù)串元中相鄰兩第一框架及第二 框架的相對應(yīng)的第一凹槽、第二凹槽分別結(jié)合一 U型的第三導(dǎo)電件。
25. 如權(quán)利要求20所述的氫氧電解裝置，其中，該電解結(jié)構(gòu)具有復(fù)數(shù)串元；該復(fù)數(shù)串 元形成并聯(lián)延展的結(jié)構(gòu)，兩相鄰的第一框架之間及兩相鄰的第二框架之間分別接觸相同的 金屬片；該第一框架及該第二框架分別設(shè)有相對應(yīng)的凹槽；一最側(cè)邊的串元的第一框架的 一凹槽結(jié)合該第一導(dǎo)電件，該第一導(dǎo)電件接觸鄰近該第一框架的該金屬片；另一最側(cè)邊的 串元的第二框架的一凹槽結(jié)合該第二導(dǎo)電件，該第二導(dǎo)電件接觸鄰近該第二框架的該金屬 片。
26. 如權(quán)利要求25所述的氫氧電解裝置，其中，該串元的第一框架、第二框架的兩側(cè)邊 分別接觸金屬片及絕緣片，且該串元的第一框架、第二框架的相同側(cè)邊分別接觸金屬片及 絕緣片；相鄰的兩該第一框架之間分別接觸相同的金屬片或絕緣片其中之一 ；相鄰的兩該 第二框架之間分別接觸相同的金屬片或絕緣片其中之一；該第一導(dǎo)電件、該第二導(dǎo)電件分 別接觸最側(cè)邊的該串元的金屬片。
27. —種氫氧電解裝置的雙面表層改質(zhì)碳纖維紙電極，用以使用電解水方式產(chǎn)生氫氣 及氧氣，包括一碳纖維紙基材，具有相對的一第一表面、一第二表面； 一第一金屬層，結(jié)合該第一表面； 一第二金屬層，結(jié)合該第二表面。
28. 如權(quán)利要求27所述的氫氧電解裝置的雙面表層改質(zhì)碳纖維紙電極，其中，該第一 金屬層、該第二金屬層分別包括多數(shù)微粒徑金屬球所構(gòu)成。
29. 如權(quán)利要求28所述的氫氧電解裝置的雙面表層改質(zhì)碳纖維紙電極，其中，該微粒 徑金屬球的成分選自鎳、鎳化合物、鉬、鉑化合物、銠、銠化合物、鈷、鈷化合物、鐵、鐵化合 物、鈀及鈀化合物其中的單一物或混合物。
30. 如權(quán)利要求29所述的氫氧電解裝置的雙面表層改質(zhì)碳纖維紙電極，其中，該第一 金屬層及該第二金屬層分別具有第一內(nèi)金屬層、第二內(nèi)金屬層及第一外金屬層、第二外金 屬層；該第一內(nèi)金屬層置于該第一表面及該第一外金屬層之間；該第二內(nèi)金屬層置于第二 表面及該第二外金屬層之間。
31. 如權(quán)利要求30所述的氫氧電解裝置的雙面表層改質(zhì)碳纖維紙電極，其中，該第一 金屬層的該微粒徑金屬球的密度較該第二金屬層的該微粒徑金屬球的密度致密。
32. 如權(quán)利要求31所述的氫氧電解裝置的雙面表層改質(zhì)碳纖維紙電極，其中，該微粒 徑金屬球的粒徑為15 30微米。
33. 如權(quán)利要求32所述的氫氧電解裝置的雙面表層改質(zhì)碳纖維紙電極，其中，該微粒 徑金屬球是以選自無電解法、濺鍍法、物理氣相蒸鍍法、化學(xué)氣相蒸鍍法及微納米粉末燒結(jié) 法其中之一的方法披覆于該碳纖維紙基材的該第一表面及該第二表面。
全文摘要
一種氫氧電解裝置及其雙面表層改質(zhì)碳纖維紙電極，包括一第一容器及一電解結(jié)構(gòu)；第一容器的一容置槽容置電解水溶液及電解結(jié)構(gòu)的串元；串元包括復(fù)數(shù)電極；一第一導(dǎo)電件及一第二導(dǎo)電件分別電連接最外側(cè)的兩電極；電極的碳纖維紙基材的一第一表面結(jié)合一第一金屬層；利用碳纖維紙基材的優(yōu)良導(dǎo)電性、多孔性、透氣性，親水性及疏水性等本質(zhì)特性，進(jìn)而利用雙面表層改質(zhì)方法，以增加水分子與電極面的極大表面接觸性、觸媒及排氣性、并防止產(chǎn)出氫氧氣體的堆積以及使電極的電流均勻化，并提升水電解的效率。
文檔編號C25D11/12GK101724868SQ20081016909
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月20日
發(fā)明者張釗 申請人:三京股份有限公司;張釗