CN101768752A - 一种固体聚合物电解质膜水电解槽 - Google Patents

一种固体聚合物电解质膜水电解槽 Download PDF

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张军
徐志斌
李勇辉
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Abstract

本发明涉及一种固体聚合物电解质膜水电解槽，包括2个以双极板和每两个双极板之间的膜电极，最外层的双极板两端分别依次排列导电板、绝缘板和端板，由螺杆和螺母紧固成一体，其特点是：紧固成一体的电解槽中心处设置有氢气通道；所述双极板由阳极侧流场板和阴极侧流场板复合而成；所述阳极侧流场上有多个脊和与脊平行的流道，每个脊上设置有等距离的开口，并且上一行脊的开口正对下一行脊的中央。该电解槽能够使水均匀地通过流场并分配到膜电极表面，同时将产物氧气带出，并减小了电解槽的体积，降低电解槽的重量，提高了水电解槽的极化性能和水电解槽的寿命性能。

Description

一种固体聚合物电解质膜水电解槽
技术领域
本发明属于电解水制氢技术领域，特别是涉及一种固体聚合物电解质膜水电解槽。
背景技术
氢气以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视为最理想的能源载体。电解水制氢是目前获得纯氢最简单的方法，如果将其与可再生资源发电技术，如光伏发电、水力发电和风力发电相结合，电解水可作为大规模制氢技术，对环境的污染小、温室气体排放少、经济性较好，具有良好的应用前景。电解槽作为电解水系统的核心部件，其投资和生产成本决定了该系统的经济性和技术先进性。
按电解质性质的不同，电解水制氢技术主要有三种：碱液、固体聚合物膜(Solid Polymer Membrane，SPE)和固体氧化物水电解槽技术。采用碱液作为电解质的碱式电解槽是历史最久、技术最成熟的电解水制氢技术，但是它的效率较低、工作电流密度也较低，一般不高于0.6A/cm2。固体氧化物水电解槽一般采用氧化钇稳定的氧化锆作为电解质，工作温度在600～1000℃，高温降低了电解反应的电压损失，同时加剧了电解槽的腐蚀速度，增大了冷热膨胀量，给材料的选择、密封和运行控制带来困难，从而制约其应用。
SPE水电解槽的结构通常与燃料电池堆类似，但其工作方式与燃料电池正好相反。在电解槽中，水在电场和阳极催化剂作用下，分解成氢离子和氧气，氧气通过通道排出阳极室；氢离子由阳极穿过质子交换膜迁移到阴极，在阴极催化剂表面与外电路输送过来的电子结合生成氢气，完成水的分解反应。SPE水电解槽阳极的流场形式决定了水和氧气在阳极的分配和流动，当流道的长度不等造成了流体的流动阻力不同时，水优先通过阻力小的流道，不通过阻力大的流道，而阻力大的流道会被产物氧气占据，这样就造成该处的膜电极缺水。由于SPE水电解槽一般在1A/cm2较高电流密度下工作，因此缺水可能造成两种后果：一是由于缺水处缺少反应物，导致严重的浓差极化，电解槽性能下降；二是依赖水帮助传递质子的固体聚合物膜由于缺水电阻增大，电解反应产生的热量增多，而且不能通过水流及时带走，使缺水处膜电极的温度升高，直至烧穿。
专利CN200510110421.0公开了一种SPE圆形水电解槽，它具有两个水和氧气的进出口，两个氢气和水的出口通道，且这些进出口靠近流场板的外边缘。电解槽的流场板采用纯钛材料，机械加工出弧形流道形成流场，膜电极采用热压工艺制备，碳纸作为扩散层。由于钛长期处于氢气气氛中会发生氢脆现象，SPE水电解槽的阴极流场板和集流体正处于氢气、水和电流环境中，因此采用这种钛双极板将严重降低电解槽的性能，缩短其工作寿命；弧形流道形成流场不仅不能完全消除水分布不均问题，却带来另外的问题，即中间的流道过于稀疏，流体进出被凸起部分的脊覆盖的部分膜电极的阻力很大，造成这部分膜电极不能发挥出应有的性能；由于电解槽工作电位通常在1.6V以上，SPE水电解槽的阳极采用如炭纸、炭布等炭材料作为流场板和扩散层会使阳极反应产生的氧气和水容易与炭等材料发生反应，降低水电解槽的性能与工作寿命。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的问题，提供了一种能够使水均匀地通过流场并分配到膜电极表面，提高水电解槽的性能与工作寿命的一种固体聚合物电解质膜水电解槽。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题采用的技术方案是：
一种固体聚合物电解质膜水电解槽，包括2个以双极板和每两个双极板之间的膜电极，最外层的双极板两端分别依次排列导电板、绝缘板和端板，由螺杆和螺母紧固成一体，其特点是：紧固成一体的电解槽中心处设置有氢气通道；所述双极板由阳极侧流场板和阴极侧流场板复合而成；所述阳极侧流场上有多个脊和与脊平行的流道，每个脊上设置有等距离的开口，并且上一行脊的开口正对下一行脊的中央。
本发明还可以采用如下技术措施：
所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是：所述阳极侧流场板为经过表面处理的钛材料；所述阴极侧流场板为石墨或者不锈钢材料。
所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是：所述阳极流场板上有一个水的进入通道和一个水与氧气的流出通道；至少有一个氢气和水的流出通道；阳极流场板上设置有与水的进出口通道连线相垂直的流道；脊上的开口间距为0.5-5cm，开口宽度为0.5-5mm，脊的宽度为0.5-3mm；流道的深度为0.5-3mm，宽度0.5-3mm。
所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是：所述阳极流场板为在钛板上通过机械雕刻或者冲压形成流道；或将0.05-0.8mm厚的钛箔冲压、切割成型，再在冲压件的边缘制备有边框，边框为通过注塑或模压出的塑料或者橡胶。
所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是：所述阴极侧流道与阳极流道相同，或者呈简单的扇型分布，采用石墨板或者不锈钢板机械加工或者模压成型。
所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是：所述阳极侧流场板和阴极侧流场板通过胶粘剂或者导电密封胶粘接而成，也可以用密封件密封成组件。
所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是：所述所述膜电极由阳极催化剂层、质子交换膜和阴极催化剂层构成的膜电极。
所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是：所述阳极催化剂为Ir、IrO2、RuO2、Pt、Ta、TaO2或者它们的复合物；阴极催化剂为Pt或者Pt/C；质子交换膜为全氟磺酸膜类的Nafion膜、Dow膜、Flemion、
Figure G2008101546775D0000031
膜，部分氟化质子交换膜类的Ballard公司的BAM3G膜，非氟化的质子交换膜类的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)多孔膜为基底的多孔聚物基复合质子交换膜复合膜，如Gore-SelectTM系列固体聚合物膜。
所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是：所述塑料包括PVC、ABS、PET、PE、PP。
所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是：所述紧固成一体的电解槽为圆柱型，其端板、双极板、膜电极和绝缘板均为圆形，并且对称两侧均分别有一个水的进入通道和一个水和氧气的流出通道。
本发明具有的优点和积极效果：由于在电解槽中心处设置了氢气通道，采用阳极侧流场每个脊上设置有等距离的开口，并且上一行脊的开口正对下一行脊的中央，使产生的流体流动阻力相等，能够使水均匀地通过流场并分配到膜电极表面，同时将产物氧气带出，并减小了电解槽的体积，降低电解槽的重量，提高了水电解槽的极化性能和水电解槽的寿命性能。
附图说明
图1为传统的水电解槽结构示意图；
图2为传统的水电解槽流场示意图；
图3为本发明固体聚合物电解质膜圆形水电解槽结构示意图；
图4为图3中双极板结构示意图；
图5为图3中双极板阳极侧流场板1；
图6为图3中双极板阳极侧流场板2流场部分示意图；
图7为图6中双极板阳极侧流场的边框示意图；
图8为图3中双极板阴极侧流场；
图9为图3中膜电极结构示意图；
图10为本发明的水电解槽极化性能曲线图；
图11为本发明的水电解槽寿命性能曲线图；
图12为传统的水电解槽极化性能曲线。
图中，1-端板，2-入水口，3-氢气和水的出口，4-绝缘板，5-导电板，6-螺杆，10-水和氧气出口，12-膜电极，13-双极板，16-流道，17-氢气出口，18-脊，33-阳极侧流场板，34-导电胶层，35-阴极侧流场板，36-固定孔，39-氧气和水的流出通道，40-氢气通道，41-密封边缘，42-进水通道，45-通道口，46-边框，52-阳极催化剂层，53-质子交换膜，54-阴极催化剂层。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图1-12详细说明如下：
实施例1
按照图5所示，选用加工好的圆形钛板作为双极板13的阳极侧流场板33材料，机加工在圆形钛板中心加工出一通孔作为氢气通道40，在圆形钛板一面上分别在对称两端加工一个进水通道42、一个氧气和水的流出通道39，铣出多个与脊18平行的槽作为流道16，流道16的宽度、深度和脊18的宽度均为2mm，为保证流体能进入下一个流道16，以中心线为对称，在大约每隔4cm长的脊18上开一个宽度2mm的口，使上一行脊18的开口正对下一行脊18的中央；在进水通道42、氧气和水的流出通道39铣出与通道垂直的槽作为流道16；氢气通道40周围加工出一个与脊18高度相同的台阶作为密封边缘41，在钛板周围的边框46上加工出八个通孔作为固定孔36，经上述加工后的钛板即成为双极板13的阳极侧流场板33。
按照图8所示，选用圆形石墨板作为双极板13的阴极侧流场板35材料，机加工在圆形石墨板中心加工出一通孔作为氢气通道40；在石墨板周围的边框46上加工出8个与阳极侧流场板33对应的固定孔36；在石墨板一面铣出多个射线形的槽作为流道16，流道16之间为凸起的脊18，以为双极板13中心处为圆心，在所有脊18的加工出一个圆周形流道16，经上述加工后的石墨板即成为双极板13的阴极侧流场板35。
采用Ag粉和环氧树脂配置出导电胶层34，将阳极侧流场板33和阴极侧流场板35未加工的一面粘接在一起，形成图4所示的双极板13。
按照图9所示，选用质量比1∶3∶20的IrO2、5％Nafion溶液、异丙醇混合，超声分散30min制成阳极催化剂浆料；选用质量比1∶3∶20的Pt/C、5％Nafion溶液、异丙醇混合，超声分散30min制成阴极催化剂浆料；采用丝网印刷机将阳极催化剂浆料和阴极催化剂浆料分别印刷到作为质子交换膜53的Nafion115膜两侧，80℃干燥1h后得到CCM电极，该CCM电极与阳极扩散层钛网、阴极扩散层不锈钢纤维板组合，形成由阳极催化剂层52、质子交换膜53和阴极催化剂层54组成的膜电极12。阳极催化剂还可以为Ir、IrO2、RuO2、Pt、Ta、TaO2或者它们的复合物；阴极催化剂为Pt或者Pt/C；固体聚合物膜为全氟磺酸膜类的Nafion膜、Dow膜、Flemion、
Figure G2008101546775D0000061
膜，部分氟化的质子交换膜类的Ballard公司的BAM3G膜，非氟化的质子交换膜类的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)多孔膜为基底的多孔聚物基复合质子交换膜复合膜，如Gore-SelectTM系列膜。
按照图3所示，选用中心和周围均有与双极板13、膜电极12上孔相对应导电板5、绝缘板4和端板1，将十四个双极板13和每两个双极板13之间所夹的膜电极12组合，最外层的双极板13两端分别依次排列导电板5、绝缘板4和端板1，用螺杆6穿过所有排列好的端板1、绝缘板4、导电板5、双极板13、膜电极12固定孔，由螺母紧固成一体，在氢气通道上40连接氢气和水的出口3，在进水通道42、氧气和水的流出通道39上分别连接入水口2、水和氧气出口10，即组装成图3所示流场板和膜电极的有效面积为120cm2的水电解槽。
实施例2
选用加工好的圆形50um的钛箔，进行双向冲压形成脊18和流道16，在相邻脊18和流道16之间有通道口45，其总厚度为3mm，再切割成图6所示双极板阳极侧流场板2流场部分；为了密封方便，给钛箔流场板四周和中间制作图7所示的边框46，用厚度为3mm的聚四氟乙烯板冲切出所示的框体。在框体周围加工出8个固定孔36，用环氧树脂粘接在图4所示的阴极侧流场板35未加工的一面粘接在一起，然后用导电胶将钛箔流场板粘接在中间，形成双极板13。
按照图8所示，选用圆形石墨板作为双极板13的阴极侧流场板35材料，机加工在圆形石墨板中心加工出一通孔作为氢气通道40；在石墨板周围的边框46上加工出8个与阳极侧流场板33对应的固定孔36；在石墨板一面铣出多个射线形的槽作为流道16，流道16之间为凸起的脊18，以为双极板13中心处为圆心，在所有脊18的加工出一个圆周形流道16，经上述加工后的石墨板即成为双极板13的阴极侧流场板35。
采用Ag粉和环氧树脂配置出导电胶层34，将阳极侧流场板33和阴极侧流场板35未加工的一面粘接在一起，形成图4所示的双极板13。
按照图9所示，选用质量比1∶3∶20的IrO2、5％Nafion溶液、异丙醇混合，超声分散30min制成阳极催化剂浆料；选用质量比1∶3∶20的Pt/C、5％Nafion溶液、异丙醇混合，超声分散30min制成阴极催化剂浆料；采用丝网印刷机将阳极催化剂浆料和阴极催化剂浆料分别印刷到作为质子交换膜53的Nafion115膜两侧，80℃干燥1h后得到CCM电极，该CCM电极与阳极扩散层钛网、阴极扩散层不锈钢纤维板组合，形成由阳极催化剂层52、质子交换膜53和阴极催化剂层54组成的膜电极12。阳极催化剂还可以为Ir、IrO2、RuO2、Pt、Ta、TaO2或者它们的复合物；阴极催化剂为Pt或者Pt/C；固体聚合物膜为全氟磺酸膜类的Nafion膜、Dow膜、Flemion、
Figure G2008101546775D0000071
膜，部分氟化的质子交换膜类的Ballard公司的BAM3G膜，非氟化的质子交换膜类的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)多孔膜为基底的多孔聚物基复合质子交换膜复合膜，如Gore-SelectTM系列膜。
按照图3所示，选用中心和周围均有与双极板13、膜电极12上孔相对应导电板5、绝缘板4和端板1，将十四个双极板13和每两个双极板13之间所夹的膜电极12组合，最外层的双极板13两端分别依次排列导电板5、绝缘板4和端板1，用螺杆6穿过所有排列好的端板1、绝缘板4、导电板5、双极板13、膜电极12固定孔，由螺母紧固成一体，在氢气通道上40连接氢气和水的出口3，在进水通道42、氧气和水的流出通道39上分别连接入水口2、水和氧气出口10，即组装成图3所示流场板和膜电极的有效面积为120cm2的水电解槽。
工作过程：将蒸馏水预热到80℃，用循环水泵将水通入进水口2，反应产生的氧气和未反应的水由水和氧气出口10排出电解槽，氢气和夹带的水通过氢气出口3排出电解槽，循环30min后进行电解性能测试，本发明的水电解槽的极化性能曲线如图10所示、水电解槽的寿命性能曲线如图11所示，与图1-2所示传统的水电解槽的极化性能曲线图12相比，本发明水电解槽性能有很大改善。

Claims (10)

1.一种固体聚合物电解质膜水电解槽，包括2个以双极板和每两个双极板之间的膜电极，最外层的双极板两端分别依次排列导电板、绝缘板和端板，由螺杆和螺母紧固成一体，其特征在于：紧固成一体的电解槽中心处设置有氢气通道；所述双极板由阳极侧流场板和阴极侧流场板复合而成；所述阳极侧流场上有多个脊和与脊平行的流道，每个脊上设置有等距离的开口，并且上一行脊的开口正对下一行脊的中央。
2.根据权利要求1所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于：所述阳极侧流场板为经过表面处理的钛材料；所述阴极侧流场板为石墨或者不锈钢材料。
3.根据权利要求1所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于：所述阳极流场板上有一个水的进入通道和一个水与氧气的流出通道；至少有一个氢气和水的流出通道；阳极流场板上设置有与水的进出口通道连线相垂直的流道；脊上的开口间距为0.5-5cm，开口宽度为0.5-5mm，脊的宽度为0.5-3mm；流道的深度为0.5-3mm，宽度0.5-3mm。
4.根据权利要求1所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于：所述阳极流场板为在钛板上通过机械雕刻或者冲压形成流道；或将0.05-0.8mm厚的钛箔冲压、切割成型，再在冲压件的边缘制备有边框，边框为通过注塑或模压出的塑料或者橡胶。
5.根据权利要求1所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于：所述阴极侧流道与阳极流道相同，或者呈简单的扇型分布，采用石墨板或者不锈钢板机械加工或者模压成型。
6.根据权利要求1所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于：所述阳极侧流场板和阴极侧流场板通过胶粘剂或者导电密封胶粘接而成，也可以用密封件密封成组件。
7.根据权利要求1所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于：所述所述膜电极由阳极催化剂层、质子交换膜和阴极催化剂层构成的膜电极。
8.根据权利要求7所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于：所述阳极催化剂为Ir、IrO2、RuO2、Pt、Ta、TaO2或者它们的复合物；阴极催化剂为Pt或者Pt/C；质子交换膜为全氟磺酸膜类的Nafion膜、Dow膜、Flemion、
Figure F2008101546775C0000021
膜，部分氟化的质子交换膜类的Ballard公司的BAM3G膜，非氟化的质子交换膜类的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)多孔膜为基底的多孔聚物基复合质子交换膜复合膜，如Gore-SelectTM系列固体聚合物膜。
9.根据权利要求4所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于：所述塑料包括PVC、ABS、PET、PE、PP。
10.根据权利要求1所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于：所述紧固成一体的电解槽为圆柱型，其端板、双极板、膜电极和绝缘板均为圆形，并且对称两侧均分别有一个水的进入通道和一个水和氧气的流出通道。
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