CN106757130A - 一种胶体电解质膜以及电解水装置 - Google Patents

一种胶体电解质膜以及电解水装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种胶体电解质膜以及电解水装置，所述胶体电解质膜以普通的吸水性物质，辅以普通的碱性物质制成，使用该胶体电解质膜的电解水装置设计成易于拼装的板框式压滤机结构。该电解水装置从左到右包括阴极盖、阴极气体扩散层、阴极、胶体电解质以及其中的开孔毛细水管、阳极、阳极气体扩散层和阳极盖。使用时，这些部件都紧装配密封防止漏液。阴极盖和阳极盖上分别留有气体出口，分别接氢气和氧气储气罐。本发明解决了电解水的生产成本和规模化问题，通过使用胶体电解质膜，使电极间距离大幅度减小，降低了电解水的槽电压，因而降低了过程的能耗。

Description

一种胶体电解质膜以及电解水装置
技术领域
本发明属于能源化工技术与装置领域，具体涉及一种胶体电解质膜以及电解水装置。
背景技术
电解水产生氢气和氧气是间歇式可持续自然能源，如太阳能发电技术的有力支持者。太阳能发电因时因地而异，具有致命的间歇性特点。使用电解水技术产生氢气，然后在氢燃料电池中发电或者直接燃烧获得热能，可以在太阳能发电时储存能量，然后在没有太阳能时继续供电或供热，因此是一种可以补足太阳能间歇性的能量削峰填谷技术。
到目前为止，已有很多的研究关注如何方便便宜地电解水。工业化生产装置已经可以做到5kWh/Nm3H2，能量转换效率可达到60％以上。和所有的电化学装置一样，电解水需要两个电极——阳极和阴极，同时还需要一种电解液；所有这些被包装于一个盒子里以阻止外界的损害。使用时，只需添加纯净水(去离子水)并通电即可。根据电解液的pH值，可分为酸性和碱性水电解器。
一般地，酸性电解液使得电极难以制备，因为许多金属电极溶于酸。因此，电解水装置大多使用碱性电解液。电解液通常呈液态，而且两个电极被浸入液体中；为了保证电解产生的氢气和氧气不致混合，电极之间还用隔膜分离开来。这种结构带来的问题有：(1)电极必须竖置，否则电解液不能使电极没入其中，造成气体产量下降；(2)电极浸入电解液使得电解过程产生的气泡在液体中形成，导致电极上附着大量的气泡，造成电极可利用面积下降，也会降低电解装置的产能，甚至损坏电解装置。因此，需要一种技术避免这些问题。
近几十年来，发展了一种新的电解水技术，即固体聚合物电解质(SPE)技术。该技术使用聚合物电解质膜(通常是全氟磺酸质子交换膜)，阴阳极被装配于膜的两边，使电极距离大大缩短，电流密度因此也得到了较大的提升。这类装置已得到了应用，但因为全氟磺酸质子交换膜价格过高，应用并不普遍。
发明内容
本发明提供一种胶体电解质膜以及电解水装置，以吸水性物质制备的胶体电解质替代全氟磺酸质子交换膜，其价格低有望能得到广泛的应用，并使电解水装置小型化。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种胶体电解质膜，由吸水性物质制备。
优选的，所述胶体电解质膜的具体制作步骤为：在电解质溶液中加入吸水性树脂，搅拌使之成为粘稠不流动的浆料。
优选的，所述吸水性树脂为任意对强碱稳定的吸水性树脂，或具有一定聚合度的硅酸盐。
优选的，所述电解质为碱性电解质。
一种使用上述胶体电解质膜的电解水装置，其特征在于，该装置具有板框式压滤机结构，从左至右依次为阴极盖、阴极气体扩散层、阴极、胶体电解质膜、阳极、阳极气体扩散层和阳极盖；所述阴极盖和阳极盖上分别设有氢气出口和氧气出口；所述胶体电解质膜内设置若干开微细孔的毛细水管。
进一步的，所述胶体电解质膜的厚度不超过10mm。
进一步的，所述阴极气体扩散层、阳极气体扩散层均由疏水性聚合物制成。
进一步的，所述阴极、阳极的集流体为对碱稳定的具有通透孔的多孔导电体。
进一步的，所述毛细水管通过管路连接补水器。
本发明的有益效果为：本发明提供的胶体电解质膜使用普通的吸水性树脂或具有一定聚合度的硅酸盐，辅以普通的碱性物质制成，生产成本低，解决了全氟磺酸质子交换膜价格过高，应用得不到普及的问题。使用本发明提供胶体电解质膜的电解水装置，使电极间距离大幅度减小，降低了电解水的槽电压，因而降低了过程的能耗。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中标号：阴极盖 1、阴极气体扩散层 2、阴极 3、胶体电解质膜 4、阳极 5、阳极气体扩散层 6、阳极盖 7、毛细水管 8。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的电解水装置为板框式压滤机结构，从左至右依次为阴极盖1、阴极气体扩散层2、阴极3、胶体电解质膜4、阳极5、阳极气体扩散层6和阳极盖7；所述阴极盖1和阳极盖7上分别设有氢气出口和氧气出口，分别接氢气和氧气储气罐；所述胶体电解质膜4内设置若干开微细孔的毛细水管8。毛细水管8通过管路连接补水器。
下面对装置的各个部分分别作出说明：
(1)阴极。阴极使用泡沫镍，或其它对碱稳定的具有通透孔的多孔导电体做集流体，并在集流体上涂覆有高性能的逸氢电化学反应催化剂。当向电解水装置的阴、阳极施加电压到水电解过程开始时，在阴极上发生的水还原反应：
2H2O+2e＝H2+2OH-
为了保证所产生的氢气不进入胶体电解质而直接进入阴极气体室，在阴极气体(氢气)室一侧设置阴极气体扩散层2。
所述高性能的逸氢电化学反应催化剂可以是任意文献中公开报道的催化剂。
所述气体扩散层由疏水性聚合物制成，保证气体自由通过但水(电解液)不可以透过。
(2)胶体电解质膜。胶体电解质膜实际上是一种水凝胶，由吸水性物质和电解质溶液制作，其厚度不超过10mm。制作时，先用纯净水加入吸水性树脂，搅拌使之成为粘稠的浆料，然后涂覆到阴极(或阳极)上。为了使反应需要的水快速进入电解液，在胶体电解质膜中设置若干开微细孔的毛细水管，管口均匀地布于胶体电解质膜内。这样，阴极反应产生的OH-进入并穿过胶体电解质膜，到达阳极。
所述吸水性树脂可以是任意商品化的吸水性物质或具有一定聚合度的硅酸盐凝胶，只要它对强碱稳定就可。例如，聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、具有一定聚合度的硅酸钠或硅酸钾等。
所述开微细孔的毛细水管可以用不导电的亲水性材料制成。
所述的电解质优选为NaOH、KOH等，也可以是pH值在7以上的其它物质，如硅酸盐、磷酸盐、碳酸盐等。
(3)阳极。阳极使用泡沫镍，或其它对碱稳定的具有通透孔的多孔导电体做集流体，并在集流体上涂覆高性能阳极催化剂，从而使阳极上发生的如下过程快速有效进行：
2OH-＝1/2O2+H2O+2e
同样地，为了保证阳极产生的氧气不进入聚合物电解质，在阳极气体室(氧气室)一侧也安置阳极气体扩散层6，保证氧气自由穿过而电解液不能穿过。
所述高性能阳极催化剂可以是文献中公开报道的任意催化剂。
所述气体扩散层由疏水性聚合物制成。
(4)补水器。补水器使用去离子水，使用管路与胶体电解质中的毛细水管相连。通过保持一定的水位来保证装置内电解液一直是充满的，但又不至于使电解液穿透阴阳极的气体扩散层。
本装置在使用时，先按照附图1把装置装配好，保证其不漏液，然后用电解质充满。注意，装置两侧的气体室不能有液体；接通电源使阴阳极电压差升高至电解水过程开始。正常运行后，只需补充消耗的去离子水到指定水位范围即可。
实际使用时，为了提高产气量，多个装置单体可以并联、串联使用，形成产气堆。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种胶体电解质膜，其特征在于，由吸水性物质制备。
2.根据权利要求1所述的一种胶体电解质膜，其特征在于，所述胶体电解质膜的具体制作步骤为：在电解质溶液中加入吸水性物质，研磨使之成为粘稠不流动的浆料。
3.根据权利要求1所述的一种胶体电解质膜，其特征在于，所述吸水性物质为任意对强碱稳定的吸水性树脂或具有一定聚合度的硅酸盐。
4.根据权利要求2所述的一种胶体电解质膜，其特征在于，所述电解质为碱性电解质。
5.一种使用权利要求1所述胶体电解质的电解水装置，其特征在于，该装置具有板框式压滤机结构，从左至右依次为阴极盖(1)、阴极气体扩散层(2)、阴极(3)、胶体电解质膜(4)、阳极(5)、阳极气体扩散层(6)和阳极盖(7)；所述阴极盖(1)和阳极盖(7)上分别设有氢气出口和氧气出口；所述胶体电解质膜(4)内设置若干开微细孔的毛细水管(8)。
6.根据权利要求5所述的一种电解水装置，其特征在于，所述胶体电解质膜(4)的厚度不超过10mm。
7.根据权利要求5所述的一种电解水装置，其特征在于，所述阴极气体扩散层(2)、阳极气体扩散层(6)均由疏水性聚合物制成。
8.根据权利要求5所述的一种电解水装置，其特征在于，所述阴极(3)、阳极(5)的集流体为对碱稳定的具有通透孔的多孔导电体。
9.根据权利要求5所述的一种电解水装置，其特征在于，所述毛细水管(8)通过管路连接补水器。
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