CN101514462A - 一种超纯水膜电解装置 - Google Patents

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Abstract

一种超纯水膜电解装置，属于电解池技术领域。包括：阳极夹板、阳极集流体、膜电极、密封垫、阴极集流体、阴极夹板；其特征在于，阳极夹板上有平行沟槽流场、密封圈、进水口、出水口以及紧固螺孔，阳极夹板既起到了定位、紧固电解池的作用，又具有疏导水和氧气流动的流场功能；阳极集流体是将外接电源的电能输送到膜电极表面的阳极催化层，实现水的电化学氧化，生成氧气和氢离子；阴极集流体是将外接电源的电能输送到膜电极表面的阴极催化层，实现氢离子的还原，生成氢气，阴极夹板上也有流场、密封圈、出水口以及紧固螺孔，以上各组件依次组装后，用螺杆和螺母紧固。优点在于，结构简单，工作效率高，使用寿命长。

Description

一种超纯水膜电解装置
技术领域
本发明涉及电解池技术领域，尤其是提供了一种超纯水膜电解装置。
背景技术
能源和环境是人类赖以生存和发展的基础。随着化石能源危机和环境污染的日益严重，开发清洁新能源和可再生能源迫在眉睫。氢能是公认的清洁、高效能源，它的来源广泛、资源极其丰富，最有希望在未来替代化石能源。近年来世界各国都制定了氢能发展规划和相应计划，并投入大量资金支持氢能开发和应用示范活动。要实现氢能的广泛应用，需要解决以下的三大难题：大量廉价氢的制备、高效安全的储运以及广泛的应用形式。
在业已成熟的多种制氢方法中，水电解法因其产品纯度高、操作简便、可循环利用等优点而成为最有应用前景的一种制氢方法。目前水电解法制氢主要有三种方法：碱性水溶液电解、固体聚合物电解质水电解和高温水蒸气电解，其中，固体聚合物电解质水电解具有效率高、能耗低、气体纯度更高、电解质稳定、安全可靠以及装置体积小、重量轻、寿命长等优点，因此它既可便携式地应用于核潜艇、空间飞行器等军事、航空航天领域，也可建立大型的制氢站。
固体聚合物电解质水电解的关键部分是膜电解池，它是由膜电极组件、集流体、外壳和密封垫等组成。中国专利CN200510110421.0公开了一种质子交换膜电解水装置，它包括前端板、扩散板、导电板、前特殊板、氢氧流场板、膜电极、后特殊板、缓冲板、后端板等单元，该装置结构很复杂，热压工艺制备的膜电极使用寿命较短。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种超纯水膜电解装置，克服现有水电解装置的不足，通过电解超纯水制取高纯氢气和氧气，该装置具有结构简单，工作效率高，使用寿命长等特点。
本发明包括：阳极夹板、阳极集流体、膜电极、密封垫、阴极集流体、阴极夹板。阳极夹板上有平行沟槽流场、密封槽、进水口、出水口以及紧固螺孔，阳极夹板既起到了定位、紧固电解池的作用，又具有疏导水和氧气流动的流场功能；阳极集流体是将外接电源的电能输送到膜电极表面的阳极催化层，以实现水的电化学氧化，生成氧气和氢离子；膜电极是水发生电化学分解产生氧气和氢气的场所；密封垫起到密封膜电极、绝缘阴阳集流体的作用；阴极集流体是将外接电源的电能输送到膜电极表面的阴极催化层，以实现氢离子的还原，生成氢气；阴极夹板上也有平行沟槽流场、密封槽、出水口以及紧固螺孔。阳极夹板、阳极集流体、膜电极、密封垫、阴极集流体、阴极夹板各组件依次组装后，用金属螺杆和螺母紧固。
阳极集流体上有许多小孔，以利于阳极催化层中生成的氧气逸出和水能到达阳极催化层；膜电极是水发生电化学分解产生氧气和氢气的场所；密封垫起到密封膜电极、绝缘阴阳集流体的作用；阴极流体上也有许多小孔，以利于氢气和迁移水的排出；阴极夹板上也有流场、密封圈、水和氢气出口以及紧固螺孔，阴极夹板既起到了定位、紧固电解池的作用，又具有疏导水和氢气排出的流场功能。
本发明所述的膜电极是是通过化学沉积或浸渍-沉积等方法制得的高活性零极距膜电极，电化学活性高、活性物质不易脱落、使用寿命长等特点。
本发明所述的阳极夹板和阴极夹板既起到了定位、紧固电解池的作用，又具有疏导水和生成气体排出的流场功能。
本发明超纯水电解装置可作为氢氧发生器、分体式再生燃料电池、水氧焊机等设备的核心部件--电解池，为上述设备提供高纯的氢气和氧气。与现有的相关技术相比，本发明的优势在于环保无污染、结构更为简单，体积小、重量轻、使用寿命长。本发明可广泛应用于便携式氢气和氧气供应设备。
本发明的优点在于：电解池以质子导电膜为电解质电解超纯水，避免了传统碱性电解质的腐蚀问题，产生的氢气和氧气纯度高，简化了气体的后续净化处理。同时，采用化学沉积和沉积-浸渍的方法制备的载铂膜电极具有制作工艺简单、电极极化过电位低、使用寿命长等优点。因此，本超纯水电解池具有电解效率高、环保无污染、结构为简单，体积小、重量轻、使用寿命长等优点。
附图说明
图1为超纯水膜电解池各部件的组装示意图。其中，阳极夹板1、阳极集流体2、膜电极3、密封垫4、阴极集流体5、阴极夹板6。
图2为阳极夹板的正面结构图。其中，密封槽7、紧固螺孔8、平行沟槽流场9、进水口10、出水口11。
图3为阳极夹板的反面结构图。
图4为阴、阳极集流体的结构图。其中，外电源的接口12、集流体上的网孔13。
图5为膜电极的结构图。其中，载有催化剂活性物质区域15，质子导电膜空白边缘14。
图6为密封垫的结构图。其中，密封垫材料16。
图7为阴极夹板的正面结构图。其中，迁移水和氢气的出口17。
图8为阴极夹板的反面结构图。
具体实施方式
附图1-8共同描述了本发明的一个实施例。图1为超纯水膜电解池各部件的组装示意图，其中，阳极夹板1、阳极集流体2、膜电极3、密封垫4、阴极集流体5、阴极夹板6，将各组件按照以上顺序叠放，然后用金属螺杆和螺母紧固即为超纯水膜电解池。
图2为阳极夹板1的正面结构图，密封槽7内有硅橡胶密封圈，起到防止水和氧气外漏的作用；紧固螺孔8起到定位、固定的作用；平行沟槽流场9的流道深1～1.5mm，宽1～2mm，能将水均匀地分布到膜电极的反应表面，发生电化学阳极氧化，产生氧气，同时疏导水和氧气的流动，从而达到很好的冷却效果；进水口10是反应水和冷却水的进口处；水和氧气的出口11是反应生成的氧气和冷却循环水的出口处。在反面图3中有进水口10和出水口11的外接头。阳极夹板可以选用2～5mm厚的耐高温、高强度的工程塑料(如聚碳酸酯等)或耐腐蚀金属(如钛金属或合金等)。
图4为阴、阳极集流体的结构图，紧固螺孔8起到定位、固定的作用；外电源的接口12处引入外电源，使水在膜电极的催化层发生电化学分解，产生氢气和氧气；集流体上的网孔13的大小在0.2～1mm之间，孔间距在0.5～2mm之间，这种结构的优点在于集流体与膜电极的接触面积大，减小了电解池的内阻，提高了能量效率，同时，水和反应产生的气体(氢气和氧气)能够在膜电极与夹板流场之间自由通过，有利于电化学反应的顺利进行。由于水电解在阳极侧产生了强氧化性的氧气和酸性的氢离子，同时，阳极侧的电极电位较高，因此，阳极集流体应采用具有高的氧化电极电位、耐腐蚀、耐氧化的金属材料(如钛及其合金)，同时，为了降低氧的析氧过电位，可在阳极集流体上烧结一层具有低析氧过电位的贵金属及其氧化物，如铱、氧化铱等。阴极集流体则可采用耐腐蚀、导电性能好的金属材料(如316L型不锈钢等)。
图5为电解用膜电极3的结构，其中，负载有催化剂活性物质区域15，质子导电膜空白边缘14。制备膜电极的方法是通过化学沉积或浸渍-沉积等方法将铂沉积在质子导电膜的内部和表面，制得了电解水的高活性零极距膜电极。与滚压法制备的膜电极相比，该膜电极具有电化学活性高、活性物质不易脱落、使用寿命长等优点。
图6为密封垫4的结构，图中，紧固螺孔8起到定位、固定的作用；密封垫材料16采用弹性好、绝缘性能好的硅橡胶材料，主要起到防止氢气、氧气外漏以及互相渗漏的作用。
图7为电解池阴极夹板6的正面结构图，正面图中密封槽7，内有硅橡胶密封圈，起到防止水和氢气外漏的作用；紧固螺孔8起到定位、固定的作用；平行沟槽流场9的流道深1～1.5mm，宽1～2mm，能将水均匀地分布到膜电极的反应表面，发生电化学阳极氧化，产生氧气，同时疏导水和氧气的流动，从而达到很好的冷却效果；迁移水和氢气的出口17是反应生成的氢气和H+从阳极迁移到阴极时带到阴极的迁移水的出口处。在反面图8中有迁移水和氢气的出口17的外接头。阴极夹板可以选用2～5mm厚的耐高温、高强度的工程塑料(如聚碳酸酯等)或耐腐蚀金属(如钛金属或合金等)。
本发明超纯水膜电解水装置的工作原理：蓄水池中超纯水流经阳极夹板进水口10进入电解池阳极，夹板流场将水快速、均匀地分布到膜电极表面，接通外电源，超纯水在阳极催化剂的作用下电解形成氧气和质子(H+)，同时释放出电子。氧气携带部分超纯水从阳极夹板出口11排出电解池，带出电解池产生的热量，蓄水池中的水不断地补充到电解池阳极流场中，从而起到冷却的作用。在电场的作用下，质子(H+)以水合离子(H3O+)的形式从阳极侧穿过质子导电膜到达阴极侧，同时电子从外电路迁移到阴极，在阴极催化剂的作用下，水合离子(H3O+)得到电子，生成氢气并释放出迁移水，氢气携带迁移水沿着阴极夹板流道从阴极夹板出口17排出电解池。该电解水装置产生的氢气和氧气不会互混，纯度高，只需经过简单的干燥处理即可达到高纯度氢气和氧气的要求。
电解池发生的电化学反应如下：
阳极反应：2H2O-4e-→O2+4H+
阴极反应：4H++4e-→2H2
全部反应：2H2O→O2+2H2

Claims (5)

1、一种超纯水膜电解装置，包括：阳极夹板、阳极集流体、膜电极、密封垫、阴极集流体、阴极夹板；其特征在于，阳极夹板(1)上有平行沟槽流场(9)、密封槽(7)、进水口(10)、出水口(11)以及紧固螺孔(8)，阳极夹板(1)既起到了定位、紧固电解池的作用，又具有疏导水和氧气流动的流场功能；阳极集流体(2)是将外接电源的电能输送到膜电极(3)表面的阳极催化层，以实现水的电化学氧化，生成氧气和氢离子；膜电极(3)是水发生电化学分解产生氧气和氢气的场所；密封垫(4)起到密封膜电极、绝缘阴阳集流体的作用；阴极集流体(5)是将外接电源的电能输送到膜电极(3)表面的阴极催化层，以实现氢离子的还原，生成氢气；阴极夹板(6)上也有平行沟槽流场(9)、密封槽(7)、出水口(11)以及紧固螺孔(8)；阳极夹板、阳极集流体、膜电极、密封垫、阴极集流体、阴极夹板各组件依次组装后，用金属螺杆和螺母紧固。
2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的阳极集流体(2)上有许多小孔，以利于阳极催化层中生成的氧气逸出和水能到达阳极催化层。
3、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的膜电极(3)是是通过化学沉积或浸渍-沉积方法制得的高活性零极距膜电极，电化学活性高、活性物质不易脱落、使用寿命长。
4、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的阴极集流体(5)上有许多小孔，以利于氢气和迁移水的排出。
5、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的阳极夹板(1)和阴极夹板(6)既起到了定位、紧固电解池的作用，又具有疏导水和生成气体排出的流场功能。
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