专利名称：固体聚合物电解质膜水电解槽的制作方法
技术领域：
本发明属于水电解技术领域，特别是涉及 一种固体聚合物电解质膜水电
背景技术：
近年来，氢气以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视为最 理想的能源载体，水电解制氢是目前获得氢气较为成熟、简单的方法，如果 将其与可再生资源发电技术，如光伏发电、水力发电和风力发电相结合，电 解水可作为大规模制氢技术，对环境的污染小、温室气体排放少、经济性较
好，具有良好的应用前景；电解槽作为电解水系统的核心部件，其投资和生 产成本决定了该系统的经济性和技术先进性；固体聚合物电解质膜水电解技 术与燃料电池技术相结合组成再生式燃料电池技术，具有较高的比能量，储 能物质是极为安全廉价的纯水，具有运输补给方便，对环境没有污染，产生 的氧还可用于宇航员的生命保障系统等优点。
按电解质性质的不同，电解水技术主要有三种碱液、固体聚合物电解 质膜和固体氧化物水电解槽技术；釆用碱液作为电解质的碱式电解槽是历史 最久、技术最成熟的电解水制氢技术，但是它的效率较低、工作电流密度也
较低， 一般不高于0.6A/cm2;而且由于这种装置的电解质腐蚀性强，易对环 境造成污染，同时产生的气体纯度低，需要通过繁瑣的净化处理后续工艺，
才能应用；固体氧化物电解槽一般采用氧化钇稳定的氧化锆作为电解质，工
作温度在600-100(TC，高温降低了电解反应的电压损失，同时加剧了电解槽
的腐蚀速度，增大了冷热膨胀量，给材料的选择、密封和运行控制带来困难，
从而制约其应用；以固体聚合物作为电解质的水电解槽能在l-3A/cm2的高电 流密度下工作，体积小、效率高，生成的氢气纯度可高达到99.999%,被认 为是最有前景的水电解技术。中国专利CN1966777A中描述了 一种质子交换膜电解水装置，极板采用一 体式结构，采用l-4mm厚的钛合金，先在金属板表面加工出沟槽、流道、导 流槽和密封槽部分，随后再加工出电解水、气体进出口等；上述专利一方面 存在加工难度大、工艺复杂，成本较高等不足，另一方面， 一体式的双极板 为了保证氢氧不窜气，因而厚度较厚，重量较大，造成电解槽的重量和体积 比功率下降，此外，金属沟槽易对膜电极容易造成损坏。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的问题，提供了一种加工简单、成本低； 厚度薄、重量轻；易批量生产；反应产生的氢气和氧气纯度高，无需复杂的 后续净化处理便可直接应用的固体聚合物电解质膜水电解槽。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所釆用的技术方案是
固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是包括端板、绝缘垫、导流片、 阳极流场、膜电极、阴极流场和分隔板，各部分之间设置有密封垫，按照结 构顺序依次组成水电解槽单元，由金属螺栓配合垫片、螺母将多组水电解槽 单元进行锁紧，构成水电解槽。
本发明还可以釆用如下技术措施来实现
固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是所述水电解槽中阴极流场、 分隔板、阳极流场组合成分体式极板。
固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是所述阴极流场为一次性成型 柔性石墨模压,或者为直接冲压成型的柔性石墨板。
固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是所述分隔板为金属钛、钛合 金箔片或其它导电、耐腐蚀性超薄金属、合金箔片中一种。
固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是所述阳极流场为多孔钛金属 丝网或直接冲孔成型的拉伸钛材料或钛金属毡。
固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是所述端板、绝缘垫、导流片、 阳极流场、膜电极、阴极流场、分隔板、密封垫均为圆形结构，由它们组合 成的水电解槽为圆柱形结构。
固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是所述固体聚合物电解质膜为
4全氟磺酸膜类的Nafion膜、Dow膜、Flemion、 A—ciplex 膜，部分氟化的 质子交换膜类的Ballard公司的BAM3G膜，非氟化的质子交换膜类为DaiS 公司的磺化苯乙烯/乙烯基丁烯/苯乙烯三嵌段共聚物膜(SEBS),以及聚 四氟乙烯(PTFE )多孔膜为基底的多孔聚物基复合质子交换膜复合膜，如 Gore-SelectTM系列膜。
本发明具有的优点和积极效果是由于采用了多层、分体式极板结构， 厚度较薄、重量轻，有效提高水电解槽的体积和重量比功率，反应产生的氩 气和氧气纯度高，无需复杂的后续净化处理便可直接应用等优点，并且易于 批量生产；釆用了柔性石墨板一次性模压成型、或者用柔性石墨板直接冲压 成型成阴极流场；阳极流场釆用多孔钛金属丝网、或拉伸钛材料直接冲孔成 型或钛金属毡，成本低、加工简单；采用了柔性石墨板作为阴极流场，有效 地保护膜电极；与燃料电池结合构成再生式燃料电池，在空间飞行器电源等 应用场所具有明显的优势；还可以与燃料电池配套建成固定电站；另一方面， 还可以广泛应用于清洁汽车动力加氢站、电子工业中所需的现场制氢装置、 分析仪器、教学演示仪器等。
图l为本发明固体聚合物电解质膜水电解槽结构示意图2为本发明图1中端板结构示意图3为本发明图1中绝缘垫结构示意图4为本发明图1中导流片结抅示意图;
图5为本发明图1中阳极流场结构示意图6为本发明图1中膜电极结构示意图7为本发明密封垫结构示意图8为本发明图1中阴极流场结构示意图9为本发明图1中分隔板结构示意图。
图中的标号分别为l，为端板；2.为绝缘垫；3.为导流片；4.为阳极流 场；5.为膜电极；6.为阴极流场；7.为分隔板；8.为定位孔；9.为螺栓孔； IO.为水孔，ll.为气孔，12.为密封垫。
具体实施例方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，
并配合附图详细说明如下
请参照图l-图9:图l中端板l、绝缘垫2、导流片3、阳极流场4、膜 电极5、阴极流场6、分隔板7，依次按照结构顺序安装构成水电解槽单元， 水电解槽各部分单元之间釆用密封垫12进行密封，组装好后用金属螺栓配合 垫片、螺母，通过压力的传递对水电解槽进行锁紧、固定；其中端板l主要 起支撑、固定作用；绝缘垫2主要起缓冲、绝缘作用；导流片3主要起导通 电流，通过它将外部直流电压传导给水电解槽，提供水电解时所需的电能； 阳极流场4、阴极流场6主要提供电解所需水、以及反应产生氢气和氧气气 体分布的通道，水经流场板流道均勻分布到膜电极5表面，产生的气体从膜 电极5表面通过流场板流道、气体通道到达出口处；膜电极5是电解槽的核 心部件，是发生水分解反应，产生氢气和氧气的场所。图2是本发明固体聚 合物电解质膜水电解槽的端板1结构示意图，其中定位孔8在组合装配水电 解槽时起定位作用，保证各组件单元的位置对应；螺栓孔9用于水电解槽组 装好后用金属螺栓配合垫片、螺母，通过压力的传递对水电解槽进行锁紧、 固定；水电解时所需的水通过水孔IO进入水电解槽，电解后生成氧气随同剩 余水从气孔11排出水电解槽，生成的氢气从阴极侧端板的气孔11排出水电 解槽。端板可以采用金属钛或其合金、铝合金、或环氧树脂等材料，本实施 例中采用金属钛材料；图3是本发明固体聚合物电解质膜水电解槽的绝缘垫 2结构示意图，可以釆用橡胶、塑料、高分子材料等绝缘材料，主要起绝缘、 缓存压力的作用，本实施例中采用硅橡胶；图4是本发明固体聚合物电解质 膜水电解槽的导流片3结构示意图，釆用金属钛材料，为水电解提供所需的
电能；图5是本发明固体聚合物电解质膜水电解槽的阳极流场4结构示意图， 采用60目钛丝网，水电解时水经过钛丝网流场均匀分布到膜电极扩散层，在
阳极催化层电解，分解生成氧气，同时产生的质子以水合离子的形式，通过
固体聚合物电解质膜到达阴极得到电子形成氢气；图6是本发明固体聚合物
电解质膜水电解槽的膜电极5结示意图，电解膜电极5是电解槽的核心部件,是发生水分解反应的场所；图7是本发明固体聚合物电解质膜水电解槽的密 封垫12结示意图，主要起密封作用，将水以及产生的氢气、氧气与外界空气 隔离开，保证水电解槽的安全和有效运行；图8是本发明固体聚合物电解质 膜水电解槽的阴极流场6结构示意图，主要为水和产生氢气的均匀分布提供 通道，釆用柔性石墨板一次性模压成型，流道深0. 3mm，宽0.6mm，筋条宽 0.5mm;图9是本发明固体聚合物电解质膜水电解槽的分隔板7结示意图， 所述分隔板为0. lmm厚的钬，有效分隔产生的氢气和氧气，保证水电解槽的 安全性，同时需具有良好的导电、导热、耐腐蚀性能，有效保证电子导电、 温度均匀分布和传热的实现；釆用了质子交换膜作为固体聚合物电解质膜， 直接使用纯水进行电解，产生气体纯度高，可直接使用，无需后续净化处理, 工艺简单；结构简单，水既是反应剂又是冷却剂，省去了冷却系统，减小了 系统的体积和重量，并且对环境没有污染。
权利要求
1. 固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于包括端板、绝缘垫、导流片、阳极流场、膜电极、阴极流场和分隔板，各部分之间设置有密封垫，按照结构顺序依次组成水电解槽单元，由金属螺栓配合垫片、螺母将多组水电解槽单元进行锁紧，构成水电解槽。
2. 根据权利要求l所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于所述水 电解槽中阴极流场、分隔板、阳极流场组合成分体式极板。
3. 根据权利要求l所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于所述阴 极流场为一次性成型柔性石墨模压，或者为直接冲压成型的柔性石墨板。
4. 根据权利要求l所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于所述分 隔板为金属钛、钛合金箔片或其它导电、耐腐蚀性超薄金属、合金箔片中一 种。
5. 根据权利要求l所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于所述阳 极流场为多孔钛金属丝网或直接冲孔成型的拉伸钛材料或钛金属毡。
6. 根据权利要求l所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于所述端 板、绝缘垫、导流片、阳极流场、膜电极、阴极流场、分隔板、密封垫均为 圆形结构，由它们组合成的水电解槽为圆柱形结构。
7. 根据权利要求l所述固体聚合物电解质膜水电解槽，其特征在于所述固 体聚合物电解质膜为全氟磺酸膜类的Nafion膜、Dow膜、Flemion、 Aciplex 膜，部分氟化的质子交换膜类的Ballard公司的BAM3G膜，非氟化的质子交 换膜类为DaiS公司的磺化苯乙烯/乙烯基丁烯/苯乙烯三嵌段共聚物膜(SEBS )，以及聚四氟乙烯(PTFE )多孔膜为基底的多孔聚物基复合质子 交换膜复合膜，如Gore-SelectTM系列膜。
全文摘要
本发明属于固体聚合物电解质膜水电解槽，其特点是包括端板、绝缘垫、导流片、阳极流场、膜电极、阴极流场和分隔板，各部分之间设置有密封垫，按照结构顺序依次组成水电解槽单元，由金属螺栓配合垫片、螺母将多组水电解槽单元进行锁紧，构成水电解槽。由于采用了多层、分体式极板结构，厚度薄、重量轻；采用柔性石墨作为阴极流场、钛材料作为阳极流场，成本低、加工简单，有效地保护膜电极；与燃料电池结合构成再生式燃料电池，在空间飞行器电源等应用场所具有明显的优势；还可以与燃料电池配套建成固定电站；另一方面，还可以广泛应用于清洁汽车动力加氢站、电子工业中所需的现场制氢装置、分析仪器、教学演示仪器等。
文档编号C25B1/10GK101457367SQ200710151038
公开日2009年6月17日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年12月14日
发明者任丽彬, 刘兴江, 军 张, 徐志彬, 炜 易, 李勇辉 申请人:中国电子科技集团公司第十八研究所