專利名稱：一種固體聚合物電解質(zhì)電解槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電解領(lǐng)域，特別涉及一種采用固體聚合物作為電解質(zhì)的電解槽的結(jié)構(gòu)
及其制備方法。
背景技術(shù)：
固體聚合物電解質(zhì)(Solid Polymer Electrolyte, SPE)電解槽由于其結(jié)構(gòu)緊湊、 電流密度高、電解效率高、安全可靠、氣體純度高、使用壽命長、生產(chǎn)能力大等諸多優(yōu)勢而成 為各個國家爭相研究的對象，美國和日本在此領(lǐng)域已經(jīng)占有了絕對優(yōu)勢，他們已分別開發(fā) 出了產(chǎn)氫能力為30和60NmVh的SPE水電解裝置。隨著電解槽電解能力的提高，其體積必將 成為制約其發(fā)展的重要因素。另外，對SPE電解槽而言，成本高是制約其發(fā)展的最大障礙， 一方面是電解催化劑和SPE膜的價格昂貴，另一方面是其集電體和擴散層均需要價格昂貴 的防腐蝕抗氧化、抗氫脆等材料。因此，如何進一步減少該類材料的用量也是縮小成本的一 條途徑。本發(fā)明通過對電解槽進行優(yōu)化設(shè)計，達到緊湊整體結(jié)構(gòu)、降低產(chǎn)品成本、提高電解 效率的目的。 W087/05951提出了一種SPE電解槽結(jié)構(gòu)，涉及到液體的供給和氣體的排出以及槽 結(jié)構(gòu)內(nèi)部的密封等。中國專利94225682. 4首次提到了采用平板式多元電解槽結(jié)構(gòu)，克服了 單槽的結(jié)構(gòu)上的不足，其陽極板、陰極板及電極隔板等均為平板式，并涉及到了氣液導(dǎo)入及 排出問題。中國專利98221451. 0進一步對平板式多槽進行優(yōu)化，提出對兩極采用凹槽體結(jié) 構(gòu)，并在該凹槽體邊緣開三至五個非螺栓孔，達到緊固密封的同時又可提供氣液通道。但上 述專利從未提出對電解槽內(nèi)部的改進。US2006/0237306A1對SPE電解槽整體和內(nèi)部進行了 改進，該設(shè)計直接在分隔層上設(shè)計流場，分隔層、集電體和MEA三者接觸區(qū)域設(shè)計為G形保 證密封良好。該專利中沒有提及分隔層材料，在分隔層上加工流場具有一定的優(yōu)點，可以節(jié) 省成本，但集電體與催化層(或擴散層)大面積直接相接觸，會造成某些催化劑沒有利用， 這樣雖提高了電解效率，但降低了催化劑利用率。以上專利中電解槽采用的均為單片集電 體與單片擴散層或催化層相接觸，在集電體利用率上還可以進一步提高。
本發(fā)明對電解槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相關(guān)制備方法進行優(yōu)化，通過對陽極擴散層流場一體 化和對槽體內(nèi)部單槽聯(lián)接方式的改進，以進一步達到緊湊整體結(jié)構(gòu)、簡化加工程序，降低產(chǎn) 品成本、提高電解效率的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、造價低、使用壽命長、電解效率高的SPE電解槽 結(jié)構(gòu)和相關(guān)制備方法。 為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種SPE電解槽，主要包括端板[2]、 絕緣材料[3]、陰極擴散層[4]、MEA[5]、陽極一體化擴散層流場[6]、集電體[7]等。其兩個 相鄰陽極或陰極共用一個進料口或出料口，兩個相鄰陽極或陰極共用一片集電體；陽極擴 散層與流場合為一體，環(huán)形集電體[7]與陰極擴散層[4]及陽極一體化擴散層流場[6]以環(huán)狀接觸。 上述技術(shù)方案中，所述的絕緣材料[3]采用一定厚度的硅橡膠膜或聚四氟乙烯 (PTFE)膜等，并在絕緣材料[3]上加工出進料口與出料口。 上述技術(shù)方案中，所述的陰極擴散層[4]可以采用擴散層和流場一體化結(jié)構(gòu)，也 可以采用兩種分開的結(jié)構(gòu)，也可以采用沒有流場的結(jié)構(gòu)，其擴散層[4]材料可以為多孔金 屬板(多孔鈦板、多孔鎳板)、金屬絲網(wǎng)(鎳網(wǎng)、鈦網(wǎng)、鈦纖維氈)、碳材料(碳紙、碳布、碳 氈)等，流場加工材料可以采用金屬板或石墨板等。 上述技術(shù)方案中，所述的MEA[5]的制作可以采用噴涂、刷涂、電鍍、化學(xué)鍍等手段 將催化層與擴散層結(jié)合，然后與質(zhì)子膜熱壓；也可以將催化層與質(zhì)子膜采用噴涂、刷涂、電 鍍、化學(xué)鍍等手段結(jié)合為催化劑覆蓋于膜(Catalyst CoatedMembrane，簡稱CCM)或熱轉(zhuǎn)印 制備MEA后直接裝入電解槽，靠螺栓扭緊力與擴散層結(jié)合。兩種不同MEA組合方法中可以 在催化層與擴散層之間添加其他導(dǎo)電物質(zhì)，如金屬鈦粉、碳粉、碳黑、氧化鈦、氮化鈦、碳化 鈦等，也可以不添加。 上述技術(shù)方案中，所述的陽極一體化擴散層流場[6]，其材料可以為多孔金屬板 (多孔鈦板、多孔鎳板)、金屬絲網(wǎng)(鎳網(wǎng)、鈦網(wǎng)、鈦纖維氈、不銹鋼纖維氈)、碳材料(碳紙、 碳布、碳氈)或幾種的混合層等；其成型可以為直接模具壓制或注塑成型，也可以為材料經(jīng) 過拋光、打磨、酸洗等預(yù)處理后電加工或機械加工成型。 上述技術(shù)方案中，所述的兩極擴散層與端板[2]之間依據(jù)密封圈厚度可以添加一 層絕緣層，也可以不添加。 上述技術(shù)方案中，所述的SPE電解槽內(nèi)部的電接觸為集電體[7]-擴散層(流 場)-MEA中的催化層，擴散層外沿與催化層外沿之間的距離范圍依據(jù)MEA和SPE電解槽大 小而定，范圍為0. 05 30mm，優(yōu)選1 10mm。 上述技術(shù)方案中，所述的集電體[7]可以在在擴散層(流場)與MEA中的催化層 之間，也可以在兩層擴散層(流場)之間。集電體[7]與兩極擴散層(流場)采用直接壓 合或采用粘合在一起。 上述技術(shù)方案中，所述的陽極集電體的材料可以為鈦、鉬、不銹鋼或鍍有鈦、鉬等 的其他導(dǎo)電材料，集電體的形狀與MEA[5]的形狀匹配，MEA[5]的形狀可以為圓形、方形、多 邊形和其他非規(guī)則形狀，對應(yīng)的集電體的形狀也可以為圓環(huán)、方環(huán)、多邊環(huán)和其他非規(guī)則環(huán) 狀。 上述技術(shù)方案中，所述的集電體[7]內(nèi)部加工出含有進料口和出料口的雙口溝槽 或僅含有出料口的單口溝槽。 上述技術(shù)方案中，所述的陽極一體化擴散層流場[6]，其流場設(shè)計可以采用蛇形流 場、平行流場、網(wǎng)格流場、交指流場等，也可以采用復(fù)雜的混合流場。 上述技術(shù)方案中，所述的集電體[7]與兩極擴散層(流場)之間的接觸，其特征在 于可以為鎖緊螺栓的壓緊力，也可以采用內(nèi)部焊接方式，也可以采用碳粉-PTFE混合物等 導(dǎo)電物粘結(jié)方式。 由于上述方案的運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點 (1)本發(fā)明中采用陽極一體化擴散層流場，陰極可以選擇擴散層與流場一體化或 省略流場，使加工進一步簡單，電解槽核心部件制備更加容易。
(2)集電體設(shè)計為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，由于集電體一般采用抗高電位、高氧化、氫脆等材料， 所以環(huán)狀結(jié)構(gòu)降低了防腐金屬材料的使用；另一方面環(huán)狀結(jié)構(gòu)的集電體與催化層以環(huán)周電 接觸，而環(huán)周可以采用非貴金屬催化劑的導(dǎo)電物質(zhì)如石墨等，所以可以既不影響氣液傳輸， 也不影響催化劑利用率。 (3)兩個相鄰陽極或陰極共用一個進料口或出料口，兩個相鄰陽極或陰極共用一 片集電體，一方面節(jié)約了成本，另一方面使結(jié)構(gòu)更緊湊，單位面積(體積)的集電體能夠產(chǎn) 生更多的氣體，且不容易發(fā)生泄漏。
(4)集電體上不需要加工流場，可以做得比較薄，節(jié)省了集電體成本。 本發(fā)明涉及電解領(lǐng)域，特別涉及一種采用固體聚合物作為電解質(zhì)的電解槽的結(jié)構(gòu)
及其制備方法。


圖1.本發(fā)明實施例一的SPE電解槽槽結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
圖2.本發(fā)明實施例二的SPE電解槽槽結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
圖3.含有進料口和出料口的圓形集電體
圖4.含有單口的圓形集電體 圖5.本發(fā)明實施例一的SPE電解槽集電體與一體化擴散層流場的接觸圖 圖中，1是實施例一的電解槽結(jié)構(gòu)，2是端板，3是絕緣材料，4是陰極擴散層，5是
MEA，6是陽極一體化擴散層流場，7是集電體，8是實施例二的電解槽結(jié)構(gòu)，9是含有進料口
和出料口的圓形集電體，10是含有單口的圓形集電體。 其中，圖l為摘要附圖。
具體實施方式

實施例一 本發(fā)明的SPE電解槽結(jié)構(gòu)，主要由兩片端板[2]、絕緣材料[3]、陰極擴散層[4]、 MEA[5]、陽極一體化擴散層流場[6]、集電體[7]等組成。其陽極擴散層與流場合為一體，采 用鈦粉為基底材料，采用制備好的模具在一定溫度和壓力下進行壓制以得到一體化的擴散 層流場。兩個相鄰陽極或陰極共用一片環(huán)形集電體，與電源陰極相連的集電體與兩片陰極 擴散層[4]采用壓和的方法緊密接觸，與電源陽極相連的集電體與兩片陽極一體化擴散層 流場[6]采用壓和的方法緊密接觸。MEA采用噴涂法制備。電解槽的緊固采用內(nèi)六角螺栓 緊固，扭力30kgf cm。
實施例二 本發(fā)明的SPE電解槽結(jié)構(gòu)，主要由兩片端板[2]、絕緣材料[3]、陰極擴散層[4]、 MEA[5]、陽極一體化擴散層流場[6]、集電體[7]等組成。其陽極擴散層與流場合為一體，采 用鈦粉為基底材料，采用制備好的模具進行注塑成型得到一體化的擴散層流場。與電源陰 極相連的集電體[7]與陰極擴散層[4]采用壓和的方法緊密接觸，并由兩側(cè)絕緣材料進行 密封；與電源陽極相連的集電體與陽極擴散層和流場模具一起采用壓和的方法緊密接觸， 形成集電體與陽極一體化擴散層流場的整體，并由兩側(cè)絕緣材料進行密封。MEA采用轉(zhuǎn)印法 制備。電解槽的緊固采用外六角螺栓緊固。
實施例三 采用實施例一的SPE電解槽結(jié)構(gòu)。采用模具熱壓在陽極擴散層上加工出一定溝脊 比的流場。兩個相鄰陽極或陰極共用一片環(huán)形集電體，將環(huán)形集電體置于兩片陽極一體化 擴散層流場[6]之間，采用點焊方式連接。與電源陰極相連的集電體與兩片陰極擴散層[4] 之間采用點焊方式。MEA采用化學(xué)沉積法制備。電解槽采用螺栓緊固。
實施例四 采用實施例一的SPE電解槽結(jié)構(gòu)。采用機械加工在陽極擴散層上加工出一定溝脊 比的流場。兩個相鄰陽極或陰極共用一片環(huán)形集電體，將環(huán)形集電體邊緣涂上PTFE與碳粉 的混合物，半干后置于兩片陽極一體化擴散層流場[6]之間，烘干。與電源陰極相連的集電 體與兩片陰極擴散層[4]之間也采用PTFE與碳粉的混合物連接。MEA采用化學(xué)沉積法制 備。電解槽采用螺栓緊固。
權(quán)利要求
一種固體聚合物電解質(zhì)電解槽，包括端板[2]、絕緣材料[3]、陰極擴散層[4]、膜電極(MEA)[5]、陽極一體化擴散層流場[6]、集電體[7]。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解槽，其特征在于，其兩個相鄰陽極或陰極共用一個進料 口或出料口，兩個相鄰陽極或陰極共用一片集電體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電解槽，其特征在于，集電體[7]與陰極擴散層[4]及陽極一 體化擴散層流場[6]以環(huán)狀接觸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電解槽，其特征在于，陰極擴散層[4]采用擴散層和流場一體 化結(jié)構(gòu)；或采用兩種分開的結(jié)構(gòu)；也可以采用沒有流場的結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電解槽，其特征在于，陽極一體化擴散層流場[6]成型為直接 模具壓制或注塑成型，或為材料經(jīng)過預(yù)處理后電加工或機械加工成型。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電解槽，其特征在于，兩極擴散層與端板[2]之間添加一層絕 緣層或不添加。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電解槽，其特征在于，內(nèi)部的電接觸為集電體[7]-擴散層 (流場)-MEA中的催化層；擴散層外沿與催化層外沿之間的距離范圍為0. 05 30mm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電解槽，其特征在于，集電體[7]在擴散層(流場)與MEA中 的催化層之間或在兩層擴散層(流場)之間，集電體[7]與兩極擴散層(流場)采用直接 壓合或采用粘合在一起。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解槽，其特征在于，集電體[7]內(nèi)部加工出含有進料口和出 料口的雙口溝槽或僅含有出料口的單口溝槽。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1 9所述的任意一種電解槽，其特征在于，MEA[5]的形狀為圓形、 方形、多邊形或其他非規(guī)則形狀，集電體的形狀與MEA[5]的形狀匹配。
全文摘要
一種固體聚合物電解質(zhì)電解槽[1]，該電解槽主要包括端板[2]、絕緣材料[3]、陰極擴散層[4]、膜電極(MEA)[5]、陽極一體化擴散層流場[6]、集電體[7]等。其特征在于陽極擴散層與流場合為一體，環(huán)狀集電體[7]與陰極擴散層[4]和一體化擴散層流場[6]直接緊密接觸，另外，兩個相鄰陽極或陰極共用一個進料口或出料口，兩個相鄰陽極或陰極共用一片集電體。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊簡單、加工方便、造價低、電解工作電壓低、電流密度和電解效率高、使用壽命長。
文檔編號C25B9/00GK101736359SQ20081022626
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月11日
發(fā)明者徐春保, 趙龍 申請人:新奧科技發(fā)展有限公司