CN102978652A

CN102978652A - 高效交换膜电解水制氢装置

Info

Publication number: CN102978652A
Application number: CN2012105800396A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Changchun Shengju New Energy Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Changchun Shengju New Energy Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-03-20

Abstract

本发明涉及一种高效交换膜电解水制氢装置，属于电解水制氢领域。其结构是：多孔透性离子组件及普通加强膜组件分别固定设置在箱体内，并将箱体分隔为储水腔、氢气生成腔及氧气生成腔；所述的多孔透性离子组件及普通加强膜组件的两侧表面的周边均设置绝缘层。优点在于：结构简单，安全可靠，质量小，转化效率高，减少了工艺难度，降低了成本。不需要较多的辅助设备就可以实现生产。适用于各种场所，具有非常广阔的市场前景，是实现氢能经济和普及氢能及广泛使用氢能的尖石利器。

Description

高效交换膜电解水制氢装置

技术领域

本发明涉及电解水制氢领域，特别涉及一种高效交换膜电解水制氢装置。

背景技术

随着化石燃料的日益减少，环境污染的严重，就迫切需要一种储量丰富且环保的燃料。氢是在燃烧时无污染的燃料，被人们认为是一种理想能源。氢能正是符合需要的理想新能源。氢能的开发利用必须解决氢能：来源问题，大量、廉价、安全及规模化生产是实现氢能利用的根本。目前生产氢，耗能高，同时有很多技术壁垒没突破。因此，必须寻找一种低能耗、高效率、大规模制氢的技术方法。

目前的酸碱式的电解水制氢装置，不仅电解效率低，而且腐蚀性强，对环境造成污染，同时产生氢气纯度低，需要繁琐的净化处理工艺，才能应用。

传统酸碱式的电解水制氢气装置和普通的质子交换膜电解水制氢装置里的水和气体都需要额外的气水分离装置，都只能在地面环境使用，并且都要有增压装置才能向气瓶和储存设备充气。目前的制氢技术还不能让氢作为能源广泛使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效交换膜电解水制氢装置，解决了现在技术存在的上述问题。本发明是一种低能耗、高效率、能够实现大规模制氢的工业化新技术装置，可以把常压的水直接电解成填装高压气瓶及其它储存设备的高压氢氧气体，不额外需要增压装置和汽水分离装置，产生的气体压力最小不低于20MPa，产生的氢氧气体分离、纯度高、不污染环境，可以直接使用。系统简单、安全、轻便、耗能低、效率高、质量小，造价低。可以实现工业化大规模生产，是新一代氢气、氧气工业化大规模制备系统，可以实现高纯度氢氧气体的快速制备和规模化生产，可以广泛应用于各类车辆，船舶，航空飞行器，航天，发电等领域。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

高效交换膜电解水制氢装置，多孔透性离子组件2及普通加强膜组件4分别固定设置在箱体内，并将箱体分隔为储水腔1、氢气生成腔3及氧气生成腔5；所述的多孔透性离子组件2及普通加强膜组件4的两侧表面的周边均设置绝缘层。

所述的多孔透性离子组件2由顺序压合在一起的左侧支撑抗压金属件16、左侧多孔催化层17、多孔透性离子膜18、右侧多孔催化层19及右侧支撑抗压金属件20构成，其中左侧支撑抗压金属件16与储水腔1相接触，右侧支撑抗压金属件20与氢气生成腔3相接触。

所述的左侧支撑抗压金属件16覆盖在左侧多孔催化层17上，并设有一个接线端子Ⅰ6与外界电源正极相连；左侧多孔催化层17用于将氢气分解成氢离子，材料采用表面布满小孔的碳载铂介质催化层；左侧多孔催化层17只允许水分子和质子通过，而不允许氢分子自由通过；多孔透性离子膜18为表面布满小孔的全氟磺酸离子交换膜；右侧多孔催化层19用于促进氢离子重新生成氢气，材料采用表面布满小孔的碳载铂介质催化层；右侧支撑抗压金属件20覆盖在右侧多孔催化层19上，并设有一个接线端子Ⅱ7与外界电源负极相连。

所述的左、右侧支撑抗压金属件16、20均采用表面布满小孔的钛合金。

所述的氢气生成腔3的宽度小于2毫米，在顶端设有氢气出口11。

所述的普通加强膜组件4由左侧膜电极支撑金属件21、普通膜电极22及右侧膜电极支撑金属件23依序压合成型的高活性零极距电极。

所述的左、右侧膜电极支撑金属件21、23均采用表面布满小孔的介质材料，且分别完全覆盖在它们中间的普通膜电极22上，外部分别设置接线端子Ⅵ、Ⅲ13、12外界电源连接；其中，左侧膜电极支撑金属件21的接线端子Ⅵ13与外界的电源负极连接，右侧膜电极支撑金属件23的接线端子Ⅲ12与外界的电源正极连接。

所述的左、右侧膜电极支撑金属件21、23材料分别采用表面布满小孔的316L和301L不锈钢。

所述的储水腔1的顶端设有进水口15与进水管路14相连，底端设有出水口9与出水管路8相连。

所述的氧气生成腔5的顶端设有氧气输出口10。

本发明的储水腔1内的水在扩散后通过多孔透性离子膜组件2，以蒸汽的形式到达氢气生成腔3，再扩散到普通加强膜组件4。普通加强膜组件4将蒸汽电解，在靠近氢气生成腔3一侧生成氢气，再在靠近氧气生成腔5一侧生成氧气，通过管道集中就可以使用了。

储水腔1是普通的存水容器，能够长时间存储常压的水，顶端有进水口15，底端有出水口9。氢气、氧气分别通过氢气出口11、氧气输出口10由单独管道输出。氧气生成腔5的壁采用301L不锈钢。氧气生成腔5的壁是右侧膜电极支撑金属件23的一个侧面，采用301L不锈钢。

本发明的高效交换膜电解水制氢装置制氢时，向储水腔1内供入常压水，同时将左侧支撑抗压金属件16的接线端子Ⅰ6和外界电源正极相连，右侧支撑抗压金属件20的接线端子Ⅱ7和外界电源负极相连，左侧膜电极支撑金属件21的接线端子Ⅳ13与外界的电源负极连接，右侧膜电极支撑金属件23的接线端子Ⅲ12与外界的电源正极连接。外界的电源电压小于1V。水经过多孔透性离子膜组件2扩散到氢气生成腔3，在多孔透性离子膜组件2控制作用下形成水蒸汽再扩散到普通加强膜组件4。在普通加强膜组件4靠近的氢气生成腔3里面生成氢气，靠近的氧气生成腔5里面生成氧气。氢气和氧气分别由管道输出。在氢气和氧气中含有少量的水汽可以一起输出去，也可以干燥后再输出。渗透到储水腔1的少量的氢气会通过多孔透性离子膜组件2和右侧多孔催化层19重新生成氢气，最终由氢气生成腔3通过管道输出。

本发明的有益效果在于：本发明技术与常规技术相比，改变了传统的电解水制氢模式和现代的SPE电解水的很多弊端和缺陷，成为新一代的高效制氢技术的典范。本发明可以实现高纯度高压氢气氧气的快速制备和大规模生产，制造的氢氧气体成本低廉，设备系统简化，高效。是环保型制氢气和氧气的新技术。本发明的高效交换膜电解水制氢装置可以直接把常压的水电解成高压的氢气和氧气，省去了气体增压装置及相关配套设施。电解出的氢气和氧气不含液态水，省去了复杂的水汽分离装置，省去了氢氧气提纯过程。减少了工艺难度，降低了成本。结构简单，安全可靠，质量小，转化效率高，不需要较多的辅助设备就可以实现生产。适用于各种场所，具有非常广阔的市场前景，是实现氢能经济和普及氢能及广泛使用氢能的尖石利器。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的多孔透性离子组件的结构示意图；

图3为本发明的普通加强膜组件的结构示意图。

1、储水腔；2、多孔透性离子组件；3、氢气生成腔；4、普通加强膜组件；5、氧气生成腔；6、接线端子Ⅰ；7、接线端子Ⅱ；8、出水管路；9、出水口；10、氧气输出口；11、氢气出口；12、接线端子Ⅲ；13、接线端子Ⅵ；14、进水管路；15、进水口；16、左侧支撑抗压金属件；17、左侧多孔催化层；18、多孔透性离子膜；19、右侧多孔催化层；20、右侧支撑抗压金属件；21、左侧膜电极支撑金属件；22、普通膜电极；23、右侧膜电极支撑金属件。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图3所示，本发明的高效交换膜电解水制氢装置的结构是：多孔透性离子组件2及普通加强膜组件4分别固定设置在箱体内，并将箱体分隔为储水腔1、氢气生成腔3及氧气生成腔5；所述的多孔透性离子组件2及普通加强膜组件4的两侧表面的周边均设置绝缘层。

所述的氧气生成腔5的顶端设有氧气输出口10。

参见图1所示，本发明的高效交换膜电解水制氢装置包括储水腔1、多孔透性离子组件2、氢气生成腔3、普通加强膜组件4、氧气生成腔5，储水腔1的水在扩散情况下通过多孔透性离子组件2，以蒸汽的形式达到氢气生成腔3，再扩散到普通加强膜组件4。普通加强膜组件4将水汽电解，在氢气生成腔3一侧生成氢气，在氧气生成腔5一侧生成氧气。多孔透性离子组件2将常压水阻隔在储水腔1中，氢气生成腔3和氧气生成腔5内没有液态水。

本发明中的储水腔1是个常压的储水空腔体，能够长时间存放水，顶端是进水口15，底端是出水口9。

参见图2所示，多孔透性离子组件2包括顺序压合在一起的左侧支撑抗压金属件16、左侧多孔催化层17、多孔透性离子膜18、右侧多孔催化层19及右侧支撑抗压金属件20，左侧支撑抗压金属件16与储水腔1相接触，右侧支撑抗压金属件20与氢气生成腔3相接触。左侧支掌抗压金属件16支撑着多孔透性离子膜18，使其承受住来自氢气生成腔3和供水腔1之间的强大压差，同时具有导电功能，使电能够传到左侧多孔催化层17。左侧支撑抗压金属件16采用多孔钛合金，使储水腔1中的水能够通过左侧支撑抗压金属件16流向多孔透性离子膜18。左侧支撑抗压金属件16覆盖在左侧多孔催化层17上，留有一个接线端子6和外界电源正极相连。左侧多孔催化层17用于将氢气分解成氢离子，材料采用碳载铂多孔介质催化层。多孔催化层只允许水分子和质子通过，而不允许氢分子等自由通过。多孔透性离子膜18为全氟磺酸离子交换膜。右侧多孔催化层19用于促进氢离子重新生成氢气，材料采用碳载铂多孔介质催化层。右侧支撑抗压金属件20用于保证多孔透性离子膜18的可靠性，防止储水腔1压强高于氢气生成腔3压强时多孔透性离子膜18遭到破坏，同时具有导电功能，使电能够传到右侧多孔催化层19。右侧支撑抗压金属件20覆盖在右侧多孔催化层19上，留有一个接线端子7和外界电源负极相连。右侧支撑抗压金属件20采用多孔钛合金。

参见图3所示，本发明中的普通加强膜组件4是个由紧压在一起的左侧膜电极支撑金属件21、普通膜电极22和右侧膜电极支撑金属件23压制成型的高活性零极距电极。左侧膜电极支撑金属件21和右侧膜电极支撑金属件23都采用多孔介质材料结构，表面完全覆盖在它们中间的普通膜电极22上，对外都预留一个接线端子，用于和外界电源连接。左侧膜电极支撑金属件的接线端子13与外界的电源负极连接，右侧膜电极支撑金属件的接线端子12与外界的电源正极连接。左侧膜电极支撑金属件材料采用316L不锈钢，右侧膜电极支撑金属件材料采用301L不锈钢.。

氧气生成腔5的壁采用301L不锈钢，与普通加强膜组件4采用绝缘层隔开，且在顶端留有一个氧气输出口10。

本发明的一种高效交换膜电解水制氢装置生产时，向储水腔内供水，同时将左侧支撑抗压金属件16的接线端子Ⅰ6和外界电源正极相连。右侧支撑抗压金属件20的接线端子Ⅱ7和外界电源负极相连。左侧膜电极支撑金属件21的接线端子Ⅳ13与外界的电源负极连接，右侧膜电极支撑金属件23的接线端子Ⅲ12与外界的电源正极连接。外界的电源是高频电源，最高电压是1.5伏特。常压水经过多孔透性离子膜组件2扩散到氢气生成腔3，在多孔透性离子膜18控制作用下形成水蒸汽再扩散到普通加强膜组件4。在普通加强膜组件4靠近的氢气生成腔3里面生成氢气，靠近的氧气生成腔5里面生成氧气。氢气和氧气分别由氢气出口11、氧气输出口10输出。在氢气和氧气中含有少量的水汽可以一起输出去，也可以干燥后再输出。渗透到储水腔1的少量的氢气会通过多孔透性离子膜组件2和右侧多孔催化层17重新生成氢气，最终由氢气生成腔3通过氢气出口11输出。

本发明技术对环境没有污染，产氢的纯度高，压力大，成本低，效率高，无需繁琐的净化处理和增压的设备及技术，质量小，耗能少，工业化程度高，可大规模工业化生产。本发明技术可以制造出一个个生产氢氧气体单元，每个单元的工作是独立的，这样以每个单元为一个模块的形式，相同的单元可以无限叠加。在电能允许的条件下，可以产出任意需要的气量，为工业化大规模生产和各个领域及各个行业提供气源和能源。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高效交换膜电解水制氢装置，其特征在于：多孔透性离子组件（2）及普通加强膜组件（4）分别固定设置在箱体内，并将箱体分隔为储水腔（1）、氢气生成腔（3）及氧气生成腔（5）；所述的多孔透性离子组件（2）及普通加强膜组件（4）的两侧表面的周边均设置绝缘层。

2.根据权利要求1所述的高效交换膜电解水制氢装置，其特征在于：所述的多孔透性离子组件（2）由顺序压合在一起的左侧支撑抗压金属件（16）、左侧多孔催化层（17）、多孔透性离子膜（18）、右侧多孔催化层（19）及右侧支撑抗压金属件（20）构成，其中左侧支撑抗压金属件（16）与储水腔（1）相接触，右侧支撑抗压金属件（20）与氢气生成腔（3）相接触。

3.根据权利要求2所述的高效交换膜电解水制氢装置，其特征在于：所述的左侧支撑抗压金属件（16）覆盖在左侧多孔催化层（17）上，并设有一个接线端子Ⅰ（6）与外界电源正极相连；左侧多孔催化层（17）用于将氢气分解成氢离子，材料采用表面布满小孔的碳载铂介质催化层；左侧多孔催化层（17）只允许水分子和质子通过，而不允许氢分子自由通过；多孔透性离子膜（18）为表面布满小孔的全氟磺酸离子交换膜；右侧多孔催化层（19）用于促进氢离子重新生成氢气，材料采用表面布满小孔的碳载铂介质催化层；右侧支撑抗压金属件（20）覆盖在右侧多孔催化层（19）上，并设有一个接线端子Ⅱ（7）与外界电源负极相连。

4.根据权利要求2或3所述的高效交换膜电解水制氢装置，其特征在于：所述的左、右侧支撑抗压金属件（16、20）均采用表面布满小孔的钛合金。

5.根据权利要求1所述的高效交换膜电解水制氢装置，其特征在于：所述的氢气生成腔（3）的宽度小于2毫米，在顶端设有氢气出口（11）。

6.根据权利要求1所述的高效交换膜电解水制氢装置，其特征在于：所述的普通加强膜组件（4）由左侧膜电极支撑金属件（21）、普通膜电极（22）及右侧膜电极支撑金属件（23）依序压合成型的高活性零极距电极。

7.根据权利要求6所述的高效交换膜电解水制氢装置，其特征在于：所述的左、右侧膜电极支撑金属件（21、23）均采用表面布满小孔的介质材料，且分别完全覆盖在它们中间的普通膜电极（22）上，外部分别设置接线端子Ⅵ、Ⅲ（13、12）外界电源连接；其中，左侧膜电极支撑金属件（21）的接线端子Ⅵ（13）与外界的电源负极连接，右侧膜电极支撑金属件（23）的接线端子Ⅲ（12）与外界的电源正极连接；左、右侧膜电极支撑金属件（21、23）材料分别采用表面布满小孔的316L和301L不锈钢。

8.根据权利要求1所述的高效交换膜电解水制氢装置，其特征在于：所述的储水腔（1）的顶端设有进水口（15）与进水管路（14）相连，底端设有出水口（9）与出水管路（8）相连；氧气生成腔（5）的顶端设有氧气输出口（10）。