CN103806014B - 一种质子交换膜水电解装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种质子交换膜水电解装置，为小型氢气、氧气发生装置，包括两个阳极板、一个阴双极板以及两个阳极板与阴双极板之间的膜电极。此外阳极板两端依次排列有阳极端板、绝缘垫片，阳极板与膜电极以及膜电极与阴双极板之间有密封垫片，有螺杆和螺母紧固成一体。本发明所采用的工作介质为纯水，具备工作条件温和、电解效率高、产气纯度高的特点，而且操作简易，可与太阳能电池以及燃料电池联用组建高效的可再生能源利用体系。

Description

一种质子交换膜水电解装置

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜水电解装置，具体涉及质子交换膜水电解装置的结构设计以及流场设计。

背景技术

氢能作为一种原料无限的清洁、高效能源和载能体，可与太阳能发电以及氢氧燃料电池联用，是清洁、高效利用可再生能源的关键环节。其中，PEM纯水电解技术是目前制氢领域重点发展、甚至首选的方法。

采用质子交换膜水电解装置可获得高纯的氢气、氧气，其原理为质子交换膜两侧设有电极催化层，而得到电解质膜-电极结构体，其两侧与多孔钛网扩散层紧密接触构成膜电极，膜电极两侧配设有流场板，起到导电体、气液传输的作用。流场板两端施加电压，并且向阳极侧供电体供给水后，在膜电极阳极侧，水进行分解而生成氢离子和氧气，氢离子透过质子交换膜到达阴极侧，与电子结合生成氢气。所有气、液流均通过扩散层进入流场后，经流道导流下排出。为提高质子交换膜水电解装置的产气量的方法为增加水电解装置中单元数目或者膜电极的实际工作面积。

目前，质子交换膜水电解装置槽体的结构主要采用串联结构，中国专利公开号：CN1966777A，名称“质子交换膜电解水装置”的专利申请，依次通过端板、扩散板、导电板、特殊板、将多个电解水单元进行串联，组装成水电解堆。各电解水单元高度集成，且可调节电解水单元的数目，具有产气量大、组装简易的优点。然而由于各单元串联，可能接触阻抗过大进而导致整个电解装置的内阻过大，从而降低电解效率。此外一旦一个单元出现异常，整电解水装置将无法工作。

增加水电解装置中膜电极的实际工作面积的增加会增加气液管理的难度，流场工作面积过大极易造成“死区”。因此，大流场面积需要更为严格的流场设计。中国专利公开号：CN102086520A，名称“水电解装置”的专利申请，带有弯头的平行流场设计提供了一种能够向各水通路均匀地分配水，能够对水流路整体均匀且可靠地供给所述水而良好地进行水分解处理的水电解装置。

此外，中国专利公开号：CN101768752A，名称“一种固体聚合物电解质膜水电解槽”的专利申请，其阳极流场板上具有一个水的进入通道和一个水与氧气的流出通道，其阴极流场板上具有一个一个水的进入通道和一个水与氢气的流出通道，现有的水电解装置均设有阳极侧水流路与阴极侧水流路。然而，对于固体聚合物电解质膜两侧的电极，仅阳极侧是消耗水的。因此，原理上仅需在阳极侧供应水，阳极侧水会渗透到阴极保持固体聚合物电解质膜湿润传输质子，阴极侧水流的存在会对多孔电极产生破坏，导致寿命降低。

发明内容

本发明目的在针对现有技术所存在的不足，提供一种具备全新的槽体结构以及流场设计的水电解装置。本发明涉及的水电解装置具有较高的电解效率、良好工作寿命。

本发明为解决已公开技术中存在的技术问题所采用的技术方案是：所述质子交换膜水电解装置，包括两个阳极板、一个阴双极板以及两个阳极板与阴双极板之间的膜电极。此外阳极板两端依次排列有阳极端板、绝缘垫片，阳极板与膜电极以及膜电极与阴双极板之间有密封垫片，有螺杆和螺母紧固成一体。

在槽体结构上，其特点是紧固在一体的水电解装置两端均为阳极侧，设有阳极水进口以及水氧出口；水电解装置的中间为双阴极侧，衔接两个阳极侧，水电解过程产生氢气在阴双极板流道内汇集后由氢气出口排出。该设计可使膜电极两侧压力处于平衡状态，降低气压不平衡对膜电极的损伤。

在流场结构上，所述阳极板、阴双极板具有多个平行流道，每个平行流道进、出口均采用与外圆弧呈90度的弯头与主流道连通，构成气液单相或两相流的通路。该设计能均衡各液、气液通道的沿程阻力，能够均匀的向各通道分配水，使得膜电极更好地进行电解。

本发明还采用如下的技术措施：所述质子交换膜水电解装置，其特点是：阳极板、阴双极板以及端板为经过表面处理的钛板或者镀钽的不锈钢板材料。

所述质子交换膜水电解装置，其特点是：所述的两个阳极板上各设有一个水进口和一个水氧出口；其中一侧阳极板上设有一个氢气流出通道；其所有气液进出口均为直径为6mm的圆孔；其主流道宽度为3-4mm，平行流道宽度为1.5-2mm，流道深度为1.5mm，流场板厚度为4mm；每个平行流道进、出口均采用与外圆弧呈90度的弯头与主流道连通。

所述质子交换膜水电解装置，其特点是：所述的阴双极板上只设有氢气出口；平行流道与弯头部分为贯通设计，主流道为非贯通设计，其他流场设计参数均与阳极板相同；阴双极板内无水通入，仅为气体流道。

所述质子交换膜水电解装置，其特点是：所述的一侧端板上设有一个水进口、一个水氧出口和一个氢气出口，另一侧端板设有设有一个水进口和一个水氧出口；端板上设有8个紧固螺杆孔，同时阳极板、阴双极板上设有8个缺口，可实现各板、密封垫圈以及膜电极的定位。

所述质子交换膜水电解装置，其特点是：所述的密封垫片为氟橡胶或者硅橡胶材质，采用刀模冲压一体成型，在阳极板、阴双极板上均设有宽度为0.5mm的密封垫圈缓冲槽，用于给予密封垫圈被压紧后伸缩空间。

所述质子交换膜水电解装置，其特点是：所述的膜电极由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层构成；阳极扩散层采用镀钽的不锈钢毡，阴极扩散层采用碳纸；阴极、阳极催化层采用加热喷涂转压法制备在质子交换膜上。阳极催化剂采用Ir、IrO₂、RuO₂一元催化剂或者IrO₂/SnO₂、IrO₂/Sb-SnO₂、IrO₂/Ti_nO_2n-1等担载型析氧催化剂；阴极催化剂为Pt/C(40wt%)；质子交换膜为杜邦公司生产的全氟磺酸膜Nafion膜；贵金属载量不超过0.7mgcm^-2。

由于本质子交换膜水电解装置独特的结构设计和流场设计，相比已公开技术具有以下优点和积极效果：电堆结构采用并联设计，可同时组装两片膜电极，可作为一个小电解单元与多个单元并联组装实现更大的水电解规模；每个单元内膜电极、每个单元均为独立工作，单个膜电极、或者单元工作出现异常时，不影响其他单元工作。

仅在阳极侧通水，阴极侧为氢气通道的，避免水流对阴极扩散层的损害，同时降低了阴极侧的加工、密封要求以及氢气侧的气液分离装置。

平行流道两端的弯头设计，能够向各水通路均匀地分配水，避免流场死区，保证膜电极工作效率。

附图说明

图1为本发明所述质子交换膜水电解装置立体图；

图2为本发明所述质子交换膜水电解装置的表达视图，本发明由前至后依次为前端板1、前端板垫片2、前阳极板3、密封垫片4、膜电极5、密封垫片6、阴双极板7、密封垫片8、膜电极9、密封垫片10、后阳极板11、后端板垫片12、后端板13；

图3为本发明所述质子交换膜水电解装置阳极侧流场板示意图；

图4为本发明所述质子交换膜水电解装置双阴极流场板示意图；

图5为本发明所述质子交换膜水电解装置密封垫片示意图；

图6为本发明所述质子交换膜水电解装置CCM的示意图；

图7为本发明所述质子交换膜水电解装置膜电极的截面示意图，

其中，7-1为阳极扩散层，7-2为图6所示的CCM，7-3为阴极扩散层；

图8为本发明所述质子交换膜水电解装置的性能测试曲线图；

图9为本发明所述质子交换膜水电解装置的寿命测试曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例并配合附图，对本发明进一步详细说明。

从图1、图2，本发明由前至后依次为前端板1、前端板垫片2、前阳极板3、密封垫片4、膜电极5、密封垫片6、阴双极板7、密封垫片8、膜电极9、密封垫片10、后阳极板11、后端板垫片12、后端板13组成，8个螺杆穿过所有部件，紧固成一体，起到夹紧，定位各部件的作用；整个水电解装置单元为圆形结构，组装后整个流场板和膜电极的实际工作面积为177cm²。

前、后端板(1、13)以及对应垫片、阳极板(2、11)上的水入口、前阳极板流道、水氧出口构成膜电极5阳极侧的气液通路；阴双极板7以及对应垫片、前阳极板2、前端板1上的氢出口、阴极板上的贯通流道构成膜电极(5、9)阴极侧的气体通路。

按照图所示对各水电解装置单元部件进行组装。首先是将8个螺杆依次置于前端板上平放，螺杆起到对其他部件的定位作用；依次在前端板上放置前端板垫片、阳极板(2)、密封垫片(4)、膜电极(5)、密封垫片(6)、阴双极板(7)、密封垫片(8)、膜电极(9)、密封垫片(10)、阳极板(11)、后端板垫片、后端板；螺杆的定位作用保证了集成时各部件的工整对齐，各部件间所采用的垫片均为高弹性硅橡胶材质的面密封，螺杆锁紧后紧固该装置。

所述的水电解装置各端板、极板均采用高耐腐蚀性的钛材质；所有转接头采用耐酸腐蚀的PTFE材质；密封垫片采用高弹性、耐腐蚀性的氟橡胶或者硅橡胶材质；紧固螺杆、螺母为碳钢材质，并套有绝缘膜，防止各极板间的短路。

所述的水电解装置的膜电极是典型的多孔气体扩散电极，包括阳极扩散层（镀钽不锈钢网）、阴极扩散层（碳纸）、质子交换膜以及两侧的阴极、阳极催化层；阴极、阳极催化层采用加热喷涂工艺首先将催化剂浆料喷涂至PTFE转移膜上，然后通过热压的方法，将PTFE转移膜上的催化层转压至质子交换膜两侧，此类三合一结构电极，具有较高的电解效率和稳定性。阳极催化剂采用Ir、IrO₂、RuO₂一元催化剂或者IrO₂/SnO₂、IrO₂/Sb-SnO₂、IrO₂/Ti_nO_2n-1等担载型析氧催化剂；阴极催化剂为Pt/C(40wt%)；质子交换膜为全氟磺酸膜，优选为杜邦公司生产的Nafion膜；其中阳极浆料中催化剂：Nafion：PTFE的质量比为14:2:1，阴极浆料中催化剂：Nafion的质量比为9:1，阴、阳极浆料比均为5:1。

本发明的水电解装置组装完成后的工作原理为：首先将超纯水(去离子水，电阻率>1MΩcm)加入到储水箱，通过蠕动泵输送或者利用水箱压差由两侧的水进口进入阳极板，流场内的流道设计使得水在膜电极阳极侧均匀分布；然后，将两个阳极板接线柱接直流电源正极，阴双极板接线柱接直流电源负极，打开直流电源，正负极电压为1.6-4.5V；渗透到阳极催化层上的水在正的过电位的作用下分解为氧气和质子，氧气经阳极扩散层返回阳极侧流场，在水流作用下经水氧出口排除，质子经质子交换膜到达阴极，在阴极催化层得到电子转化为氢气，氢气经阴极扩散层在阴双极板流场内汇集后经氢气出口排除。

所述质子交换膜水电解装置可直接电解去离子水，制备高纯氢气，不存在碱式电解槽腐蚀问题，不会对环境造成污染，电解效率能达到95%以上；本水电解装置操作环境为室温，无需控温、加压装置，响应迅速，在20s内能满足300mLmin^-1氢气排除流量的要求；由于本水电解装置全部采用耐腐蚀的钛、PTFE等材料以及三合一热压成型膜电极，具有良好的性能和寿命。

以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种质子交换膜水电解装置，其特征在于，该装置由前至后依次为前端板(1)、前端板垫片(2)、前阳极板(3)、密封垫片(4)、膜电极(5)、密封垫片(6)、阴双极板(7)、密封垫片(8)、膜电极(9)、密封垫片(10)、后阳极板(11)、后端板垫片(12)、后端板(13)组成，8个螺杆穿过所有部件，并配合前、后端板起到夹紧与定位各部件的作用，将所有部件紧固成一体，前、后端板垫片用于相应极板与端板间的绝缘，膜电极与相邻极板间通过相应密封垫片密封与绝缘；各极板设有流场与连接外部电源的接线柱，分别提供气液均匀分布的通道以及电解水所需的电能；膜电极是阴、阳极电化学反应发生生成氢、氧气的场所；整个水电解装置为圆形结构，该水电解装置两端均为阳极侧，设有阳极水进口以及水氧出口；水电解装置的中间为双阴极侧，衔接两个阳极侧，水电解过程产生氢气在阴双极板流道内汇集后由氢气出口排出。

2.根据权利要求1所述一种质子交换膜水电解装置，其特征在于：所述阳极板、阴双极板具有多个平行流道，每个平行流道进、出口均采用与外圆弧呈90度的弯头与主流道连通，构成气液单相或两相流的通路。

3.根据权利要求1所述一种质子交换膜水电解装置，其特征在于：所述阳极板、阴双极板以及端板为经过表面处理的钛板或者镀钽的不锈钢板材料。

4.根据权利要求1所述一种质子交换膜水电解装置，其特征在于：所述两个阳极板上各设有一个水进口和一个水氧出口；其中一侧阳极板上设有一个氢气流出通道；其所有气液进出口均为直径为6mm的圆孔；其主流道宽度为3-4mm，平行流道宽度为1.5-2mm，流道深度为1.5mm，流场板厚度为4mm；每个平行流道进、出口均采用与外圆弧呈90度的弯头与主流道连通。

5.根据权利要求4所述一种质子交换膜水电解装置，其特征在于：所述阴双极板上只设有氢气出口；平行流道与弯头部分为贯通设计，主流道为非贯通设计，其他流场设计参数均与阳极板相同；阴双极板内无水通入，仅为气体流道。

6.根据权利要求1所述一种质子交换膜水电解装置，其特征在于：一侧端板上设有一个水进口、一个水氧出口和一个氢气出口，另一侧端板设有一个水进口和一个水氧出口；端板上设有8个紧固螺杆孔，同时阳极板、阴双极板上设有8个缺口，实现各板、密封垫圈以及膜电极的定位。

7.根据权利要求1所述一种质子交换膜水电解装置，其特征在于：所述密封垫片为氟橡胶或者硅橡胶材质，采用刀模冲压一体成型，在阳极板、阴双极板上均设有宽度为0.5mm的密封垫圈缓冲槽，用于给予密封垫圈被压紧后伸缩空间。

8.根据权利要求1所述一种质子交换膜水电解装置，其特征在于：所述膜电极由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层构成；阳极扩散层采用镀钽的不锈钢毡，阴极扩散层采用碳纸；阴极、阳极催化层采用加热喷涂转压法制备在质子交换膜上，阳极催化剂采用一元催化剂或者担载型析氧催化剂；阴极催化剂为Pt/C(40wt％)；质子交换膜为全氟磺酸膜；贵金属载量不超过0.7mgcm^-2。

9.根据权利要求8所述一种质子交换膜水电解装置，其特征在于：所述一元催化剂为Ir、IrO₂、RuO₂，所述担载型析氧催化剂为IrO₂/SnO₂、IrO₂/Sb-SnO₂、IrO₂/Ti_nO_2n-1。