CN106011914B - 一种质子膜水电解池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子膜水电解池，包括一个或若干个依次叠放排布的单电池，所述单电池包括电解质膜(5)、以所述电解质膜(5)为中心两侧依次对称分布有一体化阴极膜电极、集电器与流场板(3)、上隔板(1)和一体化阳极膜电极、集电器与流场板(7)、下隔板(9)，隔板为平板，一体化膜电极、集电器与流场板靠近所述电解质膜(5)的一侧为膜电极层，远离所述电解质膜(5)的一侧为一体化集电器与流场板，所述一体化集电器与流场板靠近所述隔板的一侧开设有用于通水通气的流道(10)，相邻所述流道(10)相互垂直或者具有夹角。该质子膜水电解池有效地实现了在电解系统轻量化的基础上，提高了质子膜水电解池的性能。

Description

一种质子膜水电解池
技术领域
本发明涉及能源与化工技术领域，特别是涉及一种质子膜水电解池。
背景技术
质子膜水电解池堆是将水电解成氢气与氧气的装置，它由一系列相同结构的单电池组成，单电池的基本结构如图1所示，以有机材料的电解质膜05为中心对称分布着阴极集电器03、阴极膜电极04与阳极膜电极06、阳极集电器07和带有集水、集气孔的上双极板01、下双极板09，集电器与膜电极的外周有密封材料的密封圈密封，密封圈的外侧与双极板外缘平齐。上密封圈02位于上双极板01与电解质膜05之间，中央包裹着阴极集电器03和阴极膜电极04，下密封圈08位于下双极板09与电解质膜05之间，中央包裹着阳极膜电极06和阳极集电器07，实现电池内阴、阳二室间的物质隔离，并能防止电池内物质向环境泄漏。
通常的电池制造方法中，上述各部件均独立加工后，按图1所述单电池的基本结构进行组装。在这一过程中，由于组装部件多，组装时配合不便，影响组装效率以及产品质量；另一方面在极板两侧开槽加工方面，加工要求高、经济效率差，特别是薄板上开槽时，由于机加工过程产生的变形，难以保证槽深的一致性以及双极板的成品率和可靠性，加工成本较高，加工难度较大，制约着质子膜水电解池技术的普及和轻量化与小型化的发展。
综上所述，如何有效地实现在电解系统轻量化的基础上，提高质子膜水电解池的性能，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种质子膜水电解池，该质子膜水电解池有效地实现了在电解系统轻量化的基础上，提高了质子膜水电解池的性能。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种质子膜水电解池，包括一个或若干个依次叠放排布的单电池，所述单电池包括电解质膜、以所述电解质膜为中心两侧依次对称分布有一体化阴极膜电极、集电器与流场板、上隔板和一体化阳极膜电极、集电器与流场板、下隔板，隔板为平板，一体化膜电极、集电器与流场板靠近所述电解质膜的一侧为膜电极层，远离所述电解质膜的一侧为一体化集电器与流场板，所述一体化集电器与流场板靠近所述隔板的一侧开设有用于通水通气的流道，相邻所述流道相互垂直或者具有夹角。
优选地，所述一体化集电器与流场板为耐腐蚀的多孔金属板，所述流道通过两个平行转动的辊轮压制成型，其中一个所述辊轮表面光滑，另一个所述辊轮表面上具有与所述流道形状相配合的槽道；
或者所述一体化集电器与流场板上的所述流道通过机加工成型。
优选地，所述流道为一字型流道或者十字型流道。
优选地，所述一体化集电器与流场板为多孔钛板，所述多孔钛板通过粒径为40目到200目的粉末钛压制成型。
优选地，所述膜电极层为直接涂敷在所述一体化集电器与流场板上的催化剂或沉积在所述一体化集电器与流场板上的催化层。
优选地，所述一体化集电器与流场板的外周包裹有密封圈。
优选地，所述密封圈的外侧与所述隔板的外缘平齐。
优选地，相邻所述一体化集电器与流场板间的流道相互垂直。
优选地，位于两侧的所述单电池的外侧安装有端板，所述质子膜水电解池通过压力机压到设定压力后紧固成型。
优选地，两侧所述端板之间贯穿有拉杆，所述拉杆通过螺母紧固。
本发明所提供的质子膜水电解池，包括一个或者若干个单电池，可以为一个、两个、多个，当为一个单电池构成时，一个单电池即为一个质子膜水电解池；当单电池为两个或者多个时，单电池依次叠放排布，供电方式上相互串联，物质流道上相互并联。单电池包括电解质膜、一体化膜电极、集电器与流场板以及隔板，电解质膜位于中心位置，电解质膜的两侧依次对称分布有一体化阴极膜电极、集电器与流场板、上隔板和一体化阳极膜电极、集电器与流场板、下隔板。上密封圈位于上隔板与电解质膜之间，中央包裹着一体化阴极膜电极、集电器与流场板，下密封圈位于下隔板与电解质膜之间，中央包裹着一体化阳极膜电极、集电器与流场板，实现电池内阴、阳二室间的物质隔离，可以防止电池内的物质向外界环境泄漏。隔板为平板，并且隔板较薄，重量较轻，不用在隔板上开设流道，只需加工物质进、出的集流孔。一体化膜电极、集电器与流场板靠近所述电解质膜的一侧为膜电极层，远离所述电解质膜的一侧为一体化集电器与流场板，所述一体化集电器与流场板靠近所述隔板的一侧开设有用于通水通气的流道，将原加工在双极板上的流道转移到一体化集电器与流场板的一面上。根据一体化集电器与流场板由金属粉压制而成的为非结构件特点，并且其功能是导电及导水、导气，可以方便在一体化集电器与流场板上制作出流道，同时，一体化集电器与流场板上流道为单侧加工，靠近电解质膜的一侧是平整的，添加膜电极层，形成一体化膜电极、集电器与流场板。
本发明所提供的质子膜水电解池，利用了一体化集电器与流场板的材料、功能以及非结构件的特点，在一体化集电器与流场板上开设流道，既可以满足通水通气的工作要求，又可以减少隔板上加工流道的加工程序，降低隔板重量，大幅度降低了薄隔板双面加工流道的难度，易于实现电解池的小型化与轻量化，提高电池的可靠性以及电池堆制作的经济性；并且在集成有流道的一体化集电器与流场板的另一侧添加膜电极层，如涂敷添加阳极电极催化剂或阴极电催化剂，组装电池简单，简化了电池组装的工艺流程，有利于规模化生产，并降低了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中一种典型的质子膜水电解池的结构示意图；
图2为本发明中一种具体实施方式所提供的质子膜水电解池的结构示意图；
图3为图2中一字型流道的结构示意图；
图4为图3中A-A处的剖视图。
附图中标记如下：
01-上双极板、02-上密封圈、03-阴极集电器、04-阴极膜电极、05-电解质膜、06-阳极膜电极、07-阳极集电器、08-下密封圈、09-下双极板；
1-上隔板、2-上密封圈、3-一体化阴极膜电极、集电器与流场板、5-电解质膜、7-一体化阳极膜电极、集电器与流场板、8-下密封圈、9-下隔板、10-流道。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种质子膜水电解池，该质子膜水电解池有效地实现了在电解系统轻量化的基础上，提高了质子膜水电解池的性能。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图2至图4，图2为本发明中一种具体实施方式所提供的质子膜水电解池的结构示意图；图3为图2中一字型流道的结构示意图；图4为图3中A-A处的剖视图。
在一种具体实施方式中，本发明所提供的质子膜水电解池，包括一个或者若干个单电池，可以为一个、两个、多个，当为一个单电池构成时，一个单电池即为一个质子膜水电解池；当单电池为两个或者多个时，单电池依次叠放排布，供电方式上相互串联，物质流道10上相互并联。单电池包括电解质膜5、一体化膜电极、集电器与流场板以及隔板，电解质膜5位于中心位置，电解质膜5的两侧依次对称分布有一体化阴极膜电极、集电器与流场板3、上隔板1和一体化阳极膜电极、集电器与流场板7、下隔板9。上密封圈2位于上隔板1与电解质膜5之间，中央包裹着一体化阴极膜电极、集电器与流场板3，下密封圈8位于下隔板9与电解质膜5之间，中央包裹着一体化阳极膜电极、集电器与流场板7，实现电池内阴、阳二室间的物质隔离，可以防止电池内的物质向外界环境泄漏。隔板为平板，并且隔板较薄，重量较轻，不用在隔板上开设流道10，只需加工物质进、出的集流孔。一体化膜电极、集电器与流场板靠近所述电解质膜5的一侧为膜电极层，远离所述电解质膜5的一侧为一体化集电器与流场板，所述一体化集电器与流场板靠近所述隔板的一侧开设有用于通水通气的流道10，将原加工在双极板上的流道10转移到一体化集电器与流场板的一面上。根据一体化集电器与流场板由金属粉压制而成的为非结构件特点，并且其功能是导电及导水、导气，可以方便在一体化集电器与流场板上制作出流道10，同时，一体化集电器与流场板上流道10为单侧加工，靠近电解质膜5的一侧是平整的，添加膜电极层，形成一体化膜电极、集电器与流场板。
本发明所提供的质子膜水电解池，利用了一体化集电器与流场板的材料、功能以及非结构件的特点，在一体化集电器与流场板上开设流道10，既可以满足通水通气的工作要求，又可以减少隔板上加工流道10的加工程序，降低隔板重量，大幅度降低了薄隔板双面加工流道10的难度，易于实现电解池的小型化与轻量化，提高电池的可靠性以及电池堆制作的经济性；并且在集成有流道10的一体化集电器与流场板的另一侧添加膜电极层，如涂敷添加阳极电极催化剂或阴极电催化剂，组装电池简单，简化了电池组装的工艺流程，有利于规模化生产，并降低了成本。
上述质子膜水电解池仅是一种优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要做出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式，所述一体化集电器与流场板为耐腐蚀的多孔金属板，比如为多孔钛板，多孔钛板通过粒径为40目到200目的粉末钛压制成型，当然一体化集电器与流场板还可以为其它适宜材质的多孔金属板，比如镍板、不锈钢板，具体使用何种多孔金属板，可以根据实际情况的不同而定。一体化集电器与流场板上的流道10可以通过压制成型，由两个平行转动的辊轮压制成型，其中一个辊轮表面光滑，另一个辊轮表面上具有与流道10形状相配合的凸凹形状槽道，在一体化集电器与流场板的压制过程中直接将流道10压制其中，形成流场，一次成型，工序简单。或者集一体化集电器与流场板上的流道10通过机加工成型，根据所需流道10的形状由机械加工出流道10，单侧加工，易于机加工。
在上述具体实施方式的基础上，本领域技术人员可以根据具体场合的不同，对质子膜水电解池进行若干改变，流道10为一字型流道或者十字型流道。
一字型流道的制作，采用金属粉，通过两个平行转动的辊轮压制，一个辊轮表面光滑，另一个表面上加工有设定深度和宽度的平行槽，比如深度为0.6mm、宽度为1mm，槽与槽之间的间隔不受限制，比如为1mm，两个平行转动的辊轮间的间隙即为所需加工的集电器与流场板的厚度，调整辊轮间的间隙，即可调整集电器与流场板的厚度。按上述步骤制得的坯料进一步在真空炉内烧结即为带流道10的一体化集电器与流场板。
采用一字流道的流场、电极一体化电解池堆中集电器与流场板的尺寸不受限制，如为：120X120，厚度为1.5mm，为便于保证各电池的流阻一致，集电器与流场板的一个流道10方向顺流体流向，即顺应进、出口方向布置。隔板可以为厚度为1.5mm钛平板，也可以为其它合适的平板，电解质膜5可以为NAFION117，电池总数20个。按常规方法组装后，经压力机压紧后，用拉杆拉紧上端板、下端板，完成电池堆组装。
十字型流道与一字型流道的制作方法大体相同，不同的是辊轮的凹槽形状为十字槽，具有平行槽以及竖直槽，成型后的流道10为十字型流道，其它程序和原理相同，不再一一赘述。采用十字流道的流场、电极一体化电解池堆的过程与采用一字流道的流场、电极一体化电解池堆的过程相同，不再一一赘述。
电池堆在阳极供水方式运行，在如下条件下进行测试：设定工作温度，如80℃、设定电流密度，如1.0A/cm2，测试结果为：单池电解电压达到要求，性能与从极板上加工流道10以及分别制取电极的电解池堆基本相同。
需要特别指出的是，本发明所提供的质子膜水电解池不应被限制于此种情形，所述膜电极层为直接涂敷在所述一体化集电器与流场板上的催化剂或者沉积在所述一体化集电器与流场板上的催化层。将一体化集电器与流场板按通常方法处理，在一体化集电器与流场板不带流道10的另一侧，直接涂敷阳极催化剂，即成为一体化阳极膜电极、集电器与流场板7；直接涂敷阴极催化剂，即为一体化阴极膜电极、集电器与流场板3，操作简便。也可制成阳极催化层或阴极催化层后，转移到一体化集电器与流场板上，较为均匀。
在上述各个具体实施例的基础上，一体化集电器与流场板的外周包裹有密封圈，电池四周有密封材料密封，实现电池内阴、阳二室间的物质隔离以及防止电池内物质向环境的泄漏。优选地，密封圈的外侧与隔板的外缘平齐，加工方便，易于对齐组装。
本发明所提供的质子膜水电解池，在其它部件不改变的情况下，相邻流道10可以相互垂直，也可以具有设定角度的夹角，易于实现通水通气，方便检查流道10是否畅通，较为美观。
在上述各个具体实施例的基础上，位于两侧的单电池的外侧安装有端板，将端板、隔板、一体化阴极膜电极、集电器与流场板3、电解质膜5、一体化阳极膜电极、集电器与流场板7、密封圈按相应位置与顺序安装，在压力机上压到适合压力后紧固。质子膜水电解池两侧表面之间具有贯穿的通孔，拉杆穿过通孔，在两侧端板处拉杆通过螺母紧固，易于连接，固定较为牢固，并且，方便拆卸。
质子膜水电解池的制作方法，包括以下步骤：1、根据一体化集电器与流场板的孔隙率以及孔径要求，选择合适粒径的金属粉，如纯钛粉末；2、在辗压机的辊轮上加工流道10，将注入的粉末辗压成坯，然后按通用的工艺与流程烧结成形，最简单的流道10为如图2所示的一字型流道；对所烧结的多孔金属板按集电器流场板所要求的尺寸剪裁，即成为带流道10的一体化集电器与流场板；3、将一体化集电器与流场板按通常方法处理，在一体化集电器与流场板不带流道10的另一侧，直接涂敷阳极催化剂，即成为一体化阳极膜电极、集电器与流场板7，或者集电器流场板上的流道10通过机加工制成；4、直接涂敷阴极催化剂，即为一体化阴极膜电极、集电器与流场板3，或者制成阳极催化层或阴极催化层后，转移到一体化集电器与流场板上；5、将端板、极板、一体化阴极膜电极、集电器与流场板3、电解质膜5、一体化阳极膜电极、集电器与流场板7、密封圈按相应位置与顺序安装，在压力机上压到适合压力后紧固即可交付使用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种质子膜水电解池，其特征在于，包括一个或若干个依次叠放排布的单电池，所述单电池包括电解质膜(5)、以所述电解质膜(5)为中心两侧依次对称分布有一体化阴极膜电极、集电器与流场板(3)、上隔板(1)和一体化阳极膜电极、集电器与流场板(7)、下隔板(9)，隔板为平板，一体化膜电极、集电器与流场板靠近所述电解质膜(5)的一侧为膜电极层，远离所述电解质膜(5)的一侧为一体化集电器与流场板，所述一体化集电器与流场板靠近所述隔板的一侧开设有用于通水通气的流道(10)，相邻所述流道(10)相互垂直或者具有夹角，所述膜电极层为直接涂敷或沉积在所述一体化集电器与流场板上的催化剂或者安装在所述一体化集电器与流场板上的催化层。
2.根据权利要求1所述的质子膜水电解池，其特征在于，所述一体化集电器与流场板为耐腐蚀的多孔金属板，所述流道(10)通过两个平行转动的辊轮压制成型，其中一个所述辊轮表面光滑，另一个所述辊轮表面上具有与所述流道(10)形状相配合的槽道；
或者所述一体化集电器与流场板上的所述流道(10)通过机加工成型。
3.根据权利要求2所述的质子膜水电解池，其特征在于，所述流道(10)为一字型流道或者十字型流道。
4.根据权利要求3所述的质子膜水电解池，其特征在于，所述一体化集电器与流场板为多孔钛板，所述多孔钛板通过粒径为40目到200目的粉末钛压制成型。
5.根据权利要求1所述的质子膜水电解池，其特征在于，所述一体化集电器与流场板的外周包裹有密封圈。
6.根据权利要求5所述的质子膜水电解池，其特征在于，所述密封圈的外侧与所述隔板的外缘平齐。
7.根据权利要求6所述的质子膜水电解池，其特征在于，相邻所述一体化集电器与流场板间的流道(10)相互垂直。
8.根据权利要求7所述的质子膜水电解池，其特征在于，位于两侧的所述单电池的外侧安装有端板，所述质子膜水电解池通过压力机压到设定压力后紧固成型。
9.根据权利要求8所述的质子膜水电解池，其特征在于，两侧所述端板之间贯穿有拉杆，所述拉杆通过螺母紧固。
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