CN102181878A - 一种静态供水质子交换膜电解水装置 - Google Patents

一种静态供水质子交换膜电解水装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种静态供水质子交换膜电解水装置，该装置由顺次横向相连的静态供水腔、半透过性膜组件、氢气生成腔、加强膜电极组件和氧气生成腔组成，该装置不需要水气分离装置，并且其产生的气体为高压气体，一般可达14MPa以上，在地面使用时可以省掉气体增压装置，使系统简化。

Description

一种静态供水质子交换膜电解水装置
技术领域
本发明属于质子交换膜电解水领域，具体涉及一种静态供水质子交换膜电解水装置。
背景技术
随着人类航天活动的日益频繁，相关的航天设备的需求也越来越大。质子交换膜电解水装置能够将水电解成纯度很高的氢气和氧气。一方面，氢气和氧气能够作为高能推进剂提供给空间飞行器推进系统；另一方面，质子交换膜电解水装置所用的水和产物氧气均是航天员空间生存的关键资源，这使得质子交换膜电解水装置能够跟空间生保系统完美结合。因此，质子交换膜电解水装置逐渐受到航天领域的重视。
普通的质子交换膜电解水装置主要用于地面产氢和制氧，不能很好的适应空间应用要求。首先，其产生的氢气和氧气压强较低，需要额外的增压设备才能够达到空间存储和使用所需的压强。另外，普通的质子交换膜电解水装置里的水和产生的气体混在一起，在地面环境下，可以依靠重力使气体自然逸出，但在空间无重力环境下，需要额外的水汽分离装置才能够将气体产物分离出来。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种静态供水质子交换膜电解水装置，本发明的目的是将低压水直接电解成可以充填高压气瓶的高压氢氧气体。该装置不需要水气分离装置，并且其产生的气体为高压气体，一般可达14MPa以上，在地面使用时可以省掉气体增压装置，使系统简化。
本发明提出一种静态供水质子交换膜电解水装置，该装置由顺次横向相连的静态供水腔、半透过性膜组件、氢气生成腔、加强膜电极组件和氧气生成腔组成，静态供水腔中的水在扩散作用下通过半透过性膜组件，以水蒸气的形式到达氢气生成腔，然后扩散到加强膜电极组件。加强膜电极组件将水蒸气电解，分别在靠近氢气生成腔一侧生成氢气，在靠近氧气生成腔一侧生成氧气。
所述的静态供水腔为普通的空腔，能够长时间存储常压即1atm压强的水，顶端具有进水口，底端具有排水口。
所述的半透过性膜组件的结构，包括顺次紧压在一起的左侧抗压结构支撑件、左侧催化层、半透过性膜、右侧催化层和右侧抗压结构支撑件。左侧抗压结构支撑件与静态供水腔相接，右侧抗压结构支撑件与氢气生成腔相接。左侧抗压结构支撑件一方面为整个半透过性膜组件提供支撑，使其能够承受氢气生成腔和静态供水腔之间的巨大压差，另一方面具有导电功能，使外接电势能够传导到左侧催化层。左侧抗压结构支撑件采用多孔介质结构，使静态供水腔中的水能够通过左侧抗压结构支撑件流向半透过性膜。左侧抗压结构支撑件覆盖住左侧催化层，对外预留一个接线端子，用于与外接电源正极相连，左侧抗压结构支撑件的材料选用导电性好，强度高，耐腐蚀的钛合金。左侧催化层用于将氢气分解成氢离子，材料采用炭载铂多孔介质催化层。半透过性膜只允许水分子和质子(氢离子H+)通过，而不允许氢分子等其它物质自由通过，选用强度较高的质子交换膜。右侧催化层用于促进氢离子重新生成氢气，采用炭载铂多孔介质催化层。右侧抗压结构支撑件一方面用于提高整个半透过性膜组件的可靠性，防止静态供水腔压强高于氢气生成腔压强时半透过性膜遭到破坏，另一方面具有导电功能，使外接电势能够传导到右侧催化层。右侧抗压结构支撑件采用多孔介质结构，与氢气生成腔相接，右侧抗压结构支撑件覆盖住右侧催化层，对外预留一个接线端子，用于与外接电源负极相连，右侧抗压结构支撑件的材料选用导电性好，耐腐蚀的钛合金材料。
所述的氢气生成腔与半透过性膜组件和加强膜组件之间均采用绝缘层压合在一起，整个氢气生成腔的宽度小于1mm，且预留一个氢气出口输出生成的氢气。
所述的加强膜电极组件包括顺次紧压在一起的左侧膜电极支撑件、普通膜电极组件和右侧膜电极支撑件。左侧膜电极支撑件和右侧膜电极支撑件均采用多孔介质结构，表面面积完全覆盖中间的普通膜电极组件，对外均预留一个接线端子，分别用于与外接电源相连(左侧膜电极支撑件与外接电源的负极相连，右侧膜电极支撑件与外接电源正极极相连)。左侧膜电极支撑件材料选用与高压氢气相容的316L不锈钢材料，右侧膜电极支撑件材料选用与高压氧相容的301L不锈钢。
所述的氧气生成腔的壁面选用与高压氧相容的301L不锈钢材料，与加强膜电极组件采用绝缘材料隔开，预留一个氧气出口输出生成的氧气。
本发明的静态供水质子交换膜电解水装置工作时，向静态供水腔1中供入常压(1atm)水，同时将左侧抗压结构支撑件的接线端子和右侧抗压结构支撑件的接线端子分别接入外接电源的正负极；将左侧膜电极支撑件和右侧膜电极支撑件的接线端子分别接入外接电源的负极和正极，外接电源的电压小于1V。水经由半透过性膜扩散到氢气生成腔，在半透过性膜8的控制作用下，扩散到氢气生成腔，形成接近饱和蒸汽压的水蒸气，然后，扩散到普通膜电极组件。在普通膜电极组件靠近氢气生成腔一侧和靠近氧气生成腔一侧，水分别被电解成氢气和氧气。此时，生成的氢气和氧气中含有少量的水蒸气，可以分别经氢气生成腔和氧气生成腔的氢气出气口和氧气出气口直接输出到高压储气瓶或者经过简单的干燥后再输出。由于氢气生成腔压强远远高于静态供水腔，少量氢气会通过半透过性膜渗透到静态供水腔。渗透到静态供水腔1的氢气在外接电源和左侧催化层的作用下被分解成氢离子，经由半透过性膜到达右侧催化层，重新生成氢气回到氢气生成腔，最终由氢气生成腔的氢气出口中输出，而氧气则由氧气生成腔的氧气出口中输出。
本发明的优点在于：
(1)本发明提出一种静态供水质子交换膜电解水装置可以直接将低压水电解成高压的氢气和氧气，节省了气体增压装置；
(2)本发明提出一种静态供水质子交换膜电解水装置电解出的氢氧气体不含液态水，节省了复杂的水汽分离装置；
(3)本发明提出一种静态供水质子交换膜电解水装置整个电解池结构简单，不存在转动部件，质量小，可靠性高。
附图说明
图1：本发明提出一种静态供水质子交换膜电解水装置的结构示意图；
图2：本发明提出一种静态供水质子交换膜电解水装置中半透过性膜组件结构示意图；
图3：本发明提出一种静态供水质子交换膜电解水装置中加强膜电极组件结构示意图。
图中：1-静态供水腔；         2-半透过性膜组件；   3-氢气生成腔；
4-加强膜电极组件；     5-氧气生成腔；       6-左侧抗压结构支撑件；
7-左侧催化层；         8-半透过性膜；       9-右侧催化层；
10-右侧抗压结构支撑件；11-左侧膜电极支撑件；12-普通膜电极组件；
13-右侧膜电极支撑件。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出一种静态供水质子交换膜电解水装置，如图1所示，该装置由顺次横向相连的静态供水腔1、半透过性膜组件2、氢气生成腔3、加强膜电极组件4和氧气生成腔5组成，静态供水腔中的水在扩散作用下通过半透过性膜组件2，以水蒸气的形式到达氢气生成腔3，然后扩散到加强膜电极组件4。加强膜电极组件4将水蒸气电解，分别在靠近氢气生成腔3一侧生成氢气，在靠近氧气生成腔5一侧生成氧气。半透过性膜组件将液态水阻隔在静态供水腔，水透过半透过性膜组件后都是以水蒸气的形式运动的，因此在氢气生成腔和氧气生成腔内中没有液态水。
所述的静态供水腔1为普通的空腔，能够长时间存储常压即1atm压强的水，顶端具有进水口，底端具有排水口。
所述的半透过性膜组件的结构如图2所示，包括顺次紧压在一起的左侧抗压结构支撑件6、左侧催化层7、半透过性膜8、右侧催化层9和右侧抗压结构支撑件10。左侧抗压结构支撑件6与静态供水腔1相接，右侧抗压结构支撑件10与氢气生成腔3相接。左侧抗压结构支撑件6一方面为整个半透过性膜组件2提供支撑，使其能够承受氢气生成腔3和静态供水腔1之间的巨大压差，另一方面具有导电功能，使外接电势能够传导到左侧催化层7。左侧抗压结构支撑件6采用多孔介质结构，使静态供水腔1中的水能够通过左侧抗压结构支撑件6流向半透过性膜8。左侧抗压结构支撑件6覆盖住左侧催化层7，对外预留一个接线端子，用于与外接电源正极相连，左侧抗压结构支撑件6的材料选用导电性好，强度高，耐腐蚀的钛合金。左侧催化层7用于将氢气分解成氢离子，材料采用炭载铂多孔介质催化层。半透过性膜只允许水分子和质子(氢离子)通过，而不允许氢分子等其它物质自由通过，选用强度较高的质子交换膜。右侧催化层9用于促进氢离子重新生成氢气，采用炭载铂多孔介质催化层。右侧抗压结构支撑件10一方面用于提高整个半透过性膜组件2的可靠性，防止静态供水腔压强高于氢气生成腔压强时半透过性膜8遭到破坏，另一方面具有导电功能，使外接电势能够传导到右侧催化层9。右侧抗压结构支撑件10采用多孔介质结构，与氢气生成腔3相接，右侧抗压结构支撑件10覆盖住右侧催化层9，对外预留一个接线端子，用于与外接电源负极相连，右侧抗压结构支撑件10的材料选用导电性好，耐腐蚀的钛合金材料。
所述的氢气生成腔3与半透过性膜组件2和加强膜组件3之间均采用绝缘层压合在一起，整个氢气生成腔3的宽度小于1mm，并预留一个氢气出口输出生成的氢气。
所述的加强膜电极组件4结构图3所示，包括顺次紧压在一起的左侧膜电极支撑件11、普通膜电极组件12和右侧膜电极支撑件13。左侧膜电极支撑件11和右侧膜电极支撑件13均采用多孔介质结构，表面面积完全覆盖中间的普通膜电极组件12，对外均预留一个接线端子，分别用于与外接电源相连(左侧膜电极支撑件11与外接电源的负极相连，右侧膜电极支撑件13与外接电源正极极相连)。左侧膜电极支撑件11材料选用与高压氢气相容的316L不锈钢材料，右侧膜电极支撑件13材料选用与高压氧相容的301L不锈钢。
所述的氧气生成腔5的壁面选用与高压氧相容的301L不锈钢材料，与加强膜电极组件4采用绝缘材料隔开，预留一个氧气出口输出生成的氧气。
本发明的静态供水质子交换膜电解水装置工作时，向静态供水腔1中供入常压(1atm)水，同时将左侧抗压结构支撑件6的接线端子和右侧抗压结构支撑件10的接线端子分别接入外接电源的正负极；将左侧膜电极支撑件11和右侧膜电极支撑件13的接线端子分别接入外接电源的负极和正极，外接电源的电压小于1V。水经由半透过性膜8扩散到氢气生成腔3，在半透过性膜8的控制作用下，扩散到氢气生成腔3，形成接近饱和蒸汽压的水蒸气，然后，扩散到普通膜电极组件12。在普通膜电极组件12靠近氢气生成腔一侧和靠近氧气生成腔一侧，水分别被电解成氢气和氧气。此时，生成的氢气和氧气中含有少量的水蒸气，可以分别经氢气生成腔3和氧气生成腔5的氢气出气口和氧气出气口直接输出到高压储气瓶或者经过简单的干燥后再输出。由于氢气生成腔3压强远远高于静态供水腔，少量氢气会通过半透过性膜8渗透到静态供水腔1。渗透到静态供水腔1的氢气在外接电源和左侧催化层7的作用下被分解成氢离子，经由半透过性膜到达右侧催化层9，重新生成氢气回到氢气生成腔3，最终由氢气生成腔3的氢气出口中输出，而氧气则由氧气生成腔5的氧气出口中输出(水被催化电解需要外接电压高于一定值(一般为1.3V以上)，左侧催化层7和右侧催化层外接的电压主要用来促进氢离子回到氢气生成腔，远低于这个值)
所述的左侧抗压结构支撑件6的接线端子和右侧抗压结构支撑件10纸件的电压理论上可以很小，一般小于1V；左侧膜电极支撑件11和右侧膜电极支撑件13之间的电压大于1.3V，一般在1.4到2V之间。
本发明提出的一种静态供水质子交换膜电解水装置，与现有的水电解装置不同(产生的气体与水混合在一起的)，不需要水气分离装置，并且其产生的气体为高压气体，一般可达14MPa以上，在地面使用时可以省掉气体增压装置，使系统简化。

Claims (7)

1.一种静态供水质子交换膜电解水装置，其特征在于：所述的静态供水质子交换膜电解水装置由顺次横向相连的静态供水腔、半透过性膜组件、氢气生成腔、加强膜电极组件和氧气生成腔组成，静态供水腔中的水在扩散作用下通过半透过性膜组件，以水蒸气的形式到达氢气生成腔，然后扩散到加强膜电极组件；
所述的静态供水腔为空腔，内部存储常压水，顶端具有进水口，底端具有排水口；
所述的半透过性膜组件的结构，包括顺次紧压在一起的左侧抗压结构支撑件、左侧催化层、半透过性膜、右侧催化层和右侧抗压结构支撑件；左侧抗压结构支撑件与静态供水腔相接，右侧抗压结构支撑件与氢气生成腔相接；左侧抗压结构支撑件覆盖住左侧催化层，对外预留一个接线端子，用于与外接电源正极相连，所述的左侧催化层用于将氢气分解成氢离子，半透过性膜只允许水分子和质子通过；右侧催化层用于促进氢离子重新生成氢气，右侧抗压结构支撑件覆盖住右侧催化层，对外预留一个接线端子，用于与外接电源负极相连；
所述的氢气生成腔与加强膜组件之间、氢气生成腔与半透过性膜组件之间均采用绝缘层压合连接，并预留一个氢气出口输出生成的氢气；
所述的加强膜电极组件包括顺次紧压在一起的左侧膜电极支撑件、普通膜电极组件和右侧膜电极支撑件；左侧膜电极支撑件和右侧膜电极支撑件对外均预留有接线端子，分别用于与外接电源相连的负极和正极相连接；
所述的氧气生成腔的壁面与加强膜电极组件之间采用绝缘材料隔开，预留一个氧气出口输出生成的氧气。
2.根据权利要求1所述的一种静态供水质子交换膜电解水装置，其特征在于：所述的左侧抗压结构支撑件和右侧抗压结构支撑件均采用多孔介质结构，材料均为钛合金。
3.根据权利要求1所述的一种静态供水质子交换膜电解水装置，其特征在于：所述的左侧催化层和右侧催化层均为炭载铂多孔介质催化层。
4.根据权利要求1所述的一种静态供水质子交换膜电解水装置，其特征在于：所述的半透过性膜为质子交换膜。
5.根据权利要求1所述的一种静态供水质子交换膜电解水装置，其特征在于：所述的氢气生成腔的宽度小于1mm。
6.根据权利要求1所述的一种静态供水质子交换膜电解水装置，其特征在于：所述的左侧膜电极支撑件和右侧膜电极支撑件均采用多孔介质结构。
7.根据权利要求1所述的一种静态供水质子交换膜电解水装置，其特征在于：所述的左侧膜电极支撑件材料、右侧膜电极支撑件材料和氧气生成腔的材料为301L不锈钢。
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