一种具有透水板的静态供水固体聚合物电解质水电解装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水电解池技术领域，具体为一种具有透水板的静态供水固体聚合物电解质水电解装置。
【背景技术】
[0002]聚合物电解质(SPE)水电解制氢技术具有产氢效率高、产氢纯度高、操作简单、维护方便、无污染等独特优点。按照供水方式的不同，SPE水电解池可以分为动态供水式和静态供水式。动态供水式的典型特征是水由栗动态输送至阳极腔室或阴极腔室。阳极动态供水的优点为阳极析氧水氧化反应不易受浓差极化的影响，电解池可以在大电流密度条件下运行；其缺点为产生的氢气和氧气都是水蒸汽饱和状态，给后续的水气分离和存储带来技术难度，并增加了寄生能耗和系统复杂度。阴极动态供水的优点为由阴极腔室扩散到阳极的水通量有限，产生的氧气携带水量少，简化了水氧分离系统；缺点为有限的水通量导致大电流密度工作条件下浓差极化增加，影响水电解性能。
[0003]传统的静态供水是在水腔与阳极腔室(或阴极腔室)之间放置透水阻气膜，水由透水阻气膜渗透输入至阳极腔室(或阴极腔室)，无需栗动态输入。例如CN 102181878A提出的一种静态供水质子交换膜电解水装置采用质子交换膜为透水阻气膜，直接将低压水电解成高压的氢气和氧气，节省了气体增压装置，并且电解产生的氢气和氧气含水量较低，节省了复杂的水气分离装置。但是质子交换膜的水通量有限，极大地限制了高电流密度条件下的电解池性能。M.Sakurai等人报道的静态供水固体聚合物电解质水电解系统采用Naf1n膜为透水阻气膜，在75°C、50mA cm 2的运行条件下，电解电压高达2.7V (Electrochimica Acta, 2013, 100:350-357)。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种具有透水板的静态供水固体聚合物电解质水电解装置，提高电解池高电流密度下的工作性能，并利用水罐与水腔之间的压差实现静态供水。
[0005]本发明涉及一种具有透水板的静态供水固体聚合物电解质水电解装置，包括固体聚合物电解质水电解池和水罐，其中固体聚合物电解质水电解池由顺次相连的水腔、透水板、膜电极组件和阴极板组成，水腔下部设有进水口，上部设有出水口，进水口与水罐下部的水出口相连，出水口与水罐上部的水入口相连；所述透水板远离水腔一侧的表面上设有流场；于透水板流场一侧的上端设有氧气出口 ；于阴极板靠近膜电极组件一侧设有流场，于阴极板流场一侧的上端设有氢气出口，下端设有排水口，氢气出口与水罐上设有的气体入口相连，排水口与水罐上部的水入口相连，于水罐上设有气体出口，于气体出口处设有阀门；水罐中的水依靠水罐与水腔之间的压差进入水腔，水腔中的水与透水板的一侧表面直接接触，水腔中的水通过透水板到达膜电极组件阳极侧。
[0006]所述透水板为竖向设置的亲水性水传输板。
[0007]所述亲水性水传输板为多孔金属板或多孔非金属板。
[0008]所述亲水性水传输板的孔径为0.1-10 μ m，孔隙率为10 % -70 %。
[0009]所述膜电极组件包括紧压在一起的阳极扩散层、阳极催化层、固体聚合物电解质膜、阴极催化层和阴极扩散层。
[0010]所述透水板流场流道内部的压强为常压。
[0011 ] 所述水腔与透水板流场流道内部的压差为0-0.5MPa。
[0012]所述水罐与水腔的压差ΔΡ等于或大于P gh，其中，P为水的密度，g为重力系数，h为水腔内水的表面距离水罐中水的表面的高度。。
[0013]本发明涉及一种具有透水板的静态供水固体聚合物电解质水电解装置，包括固体聚合物电解质水电解池和水罐，其中固体聚合物电解质水电解池由顺次相连的阳极板、膜电极组件、透水板和水腔组成，水腔下部设有进水口，上部设有出水口，进水口与水罐下部的水出口相连，出水口与水罐上部的水入口相连；所述透水板远离水腔一侧的表面上设有水流场；于透水板水流场一侧的上端设有氢气出口 ；于阳极板靠近膜电极组件一侧设有流场，于阳极板流场一侧的上端设有氧气出口，下端设有排水口，氧气出口与水罐上设有的气体入口相连，排水口与与水罐上部的水入口相连，于水罐上设有气体出口，于气体出口处设有阀门；水罐中的水依靠水罐与水腔之间的压差进入水腔，水腔中的水与透水板的一侧表面直接接触，水腔中的水通过透水板到达膜电极组件阴极侧。
[0014]所述透水板为竖向设置的亲水性水传输板。
[0015]所述亲水性水传输板为多孔金属板或多孔非金属板。
[0016]所述亲水性水传输板的孔径为0.1-10 μ m，孔隙率为10 % -70 %。
[0017]所述膜电极组件包括紧压在一起的阳极扩散层、阳极催化层、固体聚合物电解质膜、阴极催化层和阴极扩散层。
[0018]所述透水板流场流道内部的压强为常压。
[0019]所述水腔与透水板流场流道内部的压差为0-0.5MPa。
[0020]所述水罐与水腔的压差ΔΡ等于或大于P gh，其中，P为水的密度，g为重力系数，h为水腔内水的表面距离水罐中水的表面的高度。。
[0021 ] 本发明的特点主要体现在:
[0022]1.本发明采用亲水性透水板为透水阻气材料，有效提高固体聚合物电解质水电解池高电流密度下的电解性能；
[0023]2.本发明利用水罐与水腔之间的压差实现静态供水，寄生能耗低。
【附图说明】
[0024]图1为本发明的第一实施例涉及的水电解装置的简要结构图。图中，1-固体聚合物电解质水电解池，2-水罐，3-阀门，11-水腔，12-透水板，13-膜电极组件，14-阴极板，41 -氢配管，42-水供给配管，43-阳极水回流管，44-氧排出管，45-氢排出管，46-阴极水回流管。
[0025]图2为本发明的第二实施例涉及的水电解装置的简要结构图。图中，1-固体聚合物电解质水电解池，2-水罐，3-阀门，11-水腔，12-透水板，13-膜电极组件，15-阳极板，51 -氧配管，42-水供给配管，43-阴极水回流管，52-氢排出管，53-氧排出管，54-阳极水回流管。
[0026]图3为本发明的第一实施例的电解池性能与水腔压力关系图，其中电解池工作温度为60°C。
[0027]图4为本发明的第二实施例的电解池性能与水腔压力关系图，其中电解池工作温度为60°C。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0029]所述亲水性水传输板由亲水纳米碳材料、导电添加剂、增强纤维和粘结剂树脂混合均匀后热压而成；亲水碳材料、导电添加剂、增强纤维和粘结剂树脂的比例为5_40wt%:40-80wt%: 5-15wt%:10_20wt%。
[0030]所述热压压力为1-lOMPa，温度为100_250°C，时间为10_60min。
[0031]所述纳米碳材料为碳粉、石墨粉、乙炔黑、碳纳米管和石墨烯中的一种或两种以上(包括两种)的混合物。
[0032]所述亲水碳材料的制备方法为:将纳米碳材料置于浓硫酸和浓硝酸的混合液中搅拌处理在其表面引入亲水性基团；所述的亲水碳材料粒径为30-300nm。
[0033]浓硫酸的质量分数为70%~98%,浓硝酸的质量分数为65%~98%,浓硫酸和浓硝酸的体积比为1:1-1: 5，亲水处理时间为l_24h，处理温度为20-50°C。
[0034]所述导电添加剂为石墨粉、碳粉、碳纳米管或石墨烯中的一种或两种以上(包括两种)的混合物，其粒径为10-150 μ m。
[0035]所述的增强纤维为碳纤维或石墨纤维中的一种或两种，直径为1-25 μπι，长径比为10-50。
[0036]所述的粘结剂树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚醚砜、热塑性酚醛树脂、聚苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、脲醛树脂、热固性酚醛树脂和三聚氰胺-甲醛树脂中的一种或2种以上的混合物。
[0037]具体做法:将纳米乙炔黑(50nm)置于浓硝酸和浓硫酸的混合溶液中搅拌处理，其中浓硫酸/浓硝酸体积比为5，处理温度为40°C，处理时间为10h。将亲水化处理的乙炔黑，导电石墨粉KS150(35 ym)，导电碳纤维(直径为11 μm，长径比为10)和热固性酚醛树脂混合均匀后用模具进行热压，各组分比例为5%:75%:10%:10%，热压温度为200°C (热固性酚醛树脂固化温度为190°C )，压力为4MPa，热压时间为40min