一种固体聚合物电解质电解槽的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种固体聚合物电解质(SPE)电解水制氢电解槽的结构，其中主要包括电解槽系统的传质通路结构和密封结构。传质通路设计主要针对电解槽阴阳两极的工质传输通路，保证电解槽阳极的水供给充足，且阴极的氢气和阳极的氧气和水能够顺利输出，同时保证阴阳两极通路之间的独立性，传质路径互不干涉。密封结构主要针对电解槽电堆结构中工质传输区域的密封件设计，保证电堆各组件之间的密封性。本发明的电解槽能够保证电解过程稳定、高效的进行，具有较高的电解效率和安全性，同时也降低了电解槽结构件的加工成本。
【专利说明】
一种固体聚合物电解质电解槽
技术领域
[0001]本发明属于新能源领域，涉及电解水制氢技术，尤其是一种固体聚合物电解质(SPE)电解槽电解装置。
【背景技术】
[0002]随着世界能源问题的日趋紧迫，氢能以其清洁、高效、稳定等特点受到了学术界的高度关注。氢能属于二次能源，能够充当风能、太阳能等传统新能源的存储介质，有效地将这些不稳定的传统能源转化的电能通过氢能存储起来，再集中转化为电能并入电网，充当能源转化的缓冲介质。氢能有效运用的关键是如何解决其他能源与氢能高效转化的问题。当前制备氢气的方法主要有重整制氢、光解制氢、生物分解制氢、电解水制氢等，其中电解水制氢以其工艺纯熟、安全稳定、氢气纯度高的等优势获得了更多的青睐。电解水制氢工艺中，基于燃料电池技术发展而来的固体聚合物电解质(Solid Polymer Electrolyte,SPE)水电解制氢技术逐步走向成熟。
[0003]SPE电解槽主要由MEA组件、极板、框架和密封件等组成的。其中MEA的性能对电解槽的性能起决定性作用，但同时需要槽体结构的有效配合才能保证SPE电解槽高效稳定的运行。槽体结构中的关键性结构包括密封结构和流场结构。密封结构是防止膜电极组件两侧的气液互窜和泄漏以及双极板与膜电极组件间的气液互窜和泄漏问题，气体密封问题会严重影响电解槽的安全性，也使得气体的制备纯度大打折扣。流场结构决定了电解槽工质传输的方式，是保证MEA正常工作的关键。针对不同的电解槽结构，应采取相应的流场设计策略，减小MEA的传质阻力，并保证工况的稳定型。
[0004]中国专利CN1966777A设计了一种质子交换膜电解水装置，采用复级式集成结构进行组装，电解槽各单元部分采用硅胶实现整体线密封。如图1所示，前端板11定位，然后依次加装扩散板12、前导电板13、前特殊板14、膜电极15、氢氧流场板16、后特殊板17、后导电板18、缓冲板19、后定位板110，其中定位孔保证了集成时各单元的工整对应，各单元集成时采用高弹性硅胶进行整体线密封，最后用金属螺杆锁紧固定，其优点是该装置能够有效地电解水制取氢气和氧气；另一方面，该专利是通过扩散板确保阳极流场工质出、入口边界条件一致性，保证流场中所有流道工质均匀性，使用前后特殊板保证阴阳两极通路的独立性，这些结构件增加了电解槽系统的复杂性，增加了电解槽的体积及重量，也使得设计成本上升。此外，该专利采用线密封结构，其密封可靠性并不高。线密封的密封覆盖面积很小，密封圈在长期接触电解环境的区域会出现老化现象。一旦密封圈上的某一点失效，则整个密封系统就会崩溃。并且，由于需要增设沟槽用以固定密封圈，传质通路所经过的所有结构件都需要在通路外围设置密封槽，增加了电解槽的加工成本。另外，该专利辅助件较多，须额外设施导电板及缓冲板，进一步增加了电解槽体积和重量。该专利阳极使用炭纸作为集电极层，阳极的富氧高电位环境极易对炭纸造成腐蚀，导致电极材料失效。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种用于电解水制氢的电解装置，尤其是一种固体聚合物电解质电解槽电解装置，克服现有技术的上述缺点，使得电解过程稳定、高效地进行，具有较高的电解效率和安全性，同时也降低了电解槽结构件的加工成本。
[0006]为达到上述目的，本发明所采用以下技术方案:
[0007]一种固体聚合物电解质电解水制氢电解槽的结构，其中主要包括电解槽系统的传质通路结构和密封结构。传质通路结构主要针对电解槽阴阳两极的工质传输通路，保证电解槽阳极的水供给充足，且阴极的氢气和阳极的氧气和水能够顺利输出，同时保证阴阳两极通路之间的独立性，传质路径互不干涉;密封结构主要针对电解槽电堆结构中工质传输区域的密封件设计，保证电堆各组件之间的密封性。
[0008]一种固体聚合物电解质电解水装置，该装置包括:外板，用于加强电解槽端部，保证外加载荷均匀施加至内部结构件;端板，用于固定极板，端板传质通路处设置有“静水稳压”结构;所述“静水稳压”结构采用厚的端板，在端板的进出口位置镂空一个凹槽，形成一个积水区，从而对进出水的速度形成缓冲，形成一个相对的稳压区域，为极板及双极板流场提供压力均匀一致的边界条件;极板和双极板，提供水、气传输的流场环境，流场采用“方形直流道”设计，出、入口采用多通道的直排多孔设计。电解核心部件膜电极主要由阳极集电极层、阳极催化层、质子交换膜(PEM)、阴极催化层和阴极集电极层组成，其中阳极集电极层使用亚当斯熔融法IrO2改性钛网，阴极集电极层使用炭纸。电解质池采用了“面密封”设计。装配采用均布螺栓紧固加压，加载压力通过螺母旋紧力矩控制。
[0009]具体而言，一种用于电解水制备氢气的固体聚合物电解质电解槽，电解槽电堆可根据实际电解需要增加或减少MEA和双极板数量。电堆主要结构包括外板、端板、极板、膜电极、双极板以及密封件，材质分别为不锈钢、环氧树脂、金属钛、金属钛和硅胶薄膜。极板及双极板之间为电解区域，使用膜电极(MEA)作为电化学反应场所。膜电极采用直接喷涂工艺(CCM)制备，结构包括:阳极集电极层、阳极催化层、质子交换膜(PEM)、阴极催化层、阴极集电极层，其中阳极集电极层使用亚当斯化学合成IrO2改性多孔钛材料，阴极集电极层使用疏水处理后的炭纸。电堆夹紧方式采用均布螺栓紧固加压，加载压力通过螺母旋紧力矩控制。工作时，输入端极板接正极，输出端极板接负极。输入端通入高纯水，氢气和氧气分别从输出端外板不同通路导出。
[0010]进一步，优选地，所述的极板及双极板流场采用“方形直流道”设计。
[0011]优选地，所述的极板及双极板流场工质出、入口采用多通道的直排多孔设计，每一条流道都分配有圆形出、入通孔。
[0012]优选地，所述的端板传质通路设有“静水稳压”结构，保证极板及双极板阳极的复数直排出入、水口水压均匀一致，同时确保阴极水、汽传输畅通。
[0013]优选地，所述的“静水稳压”结构，包括进水“稳压仓”和出水“稳压仓”，进水“稳压仓”特征为电堆端板进水口低于双极板阳极进水通道，形成一个储水仓；出水“稳压仓”特征为电堆端板出水口高于双极板阳极出通道，形成一个储水仓。
[0014]优选地，采用流场避让设计，使阴阳两极的通路在空间上相互垂直，使传质通路相互之间形成空间错位，有效地保证了两条通路的独立性。阳极侧的流场外围一侧是阴极的流场通路，阴极的水和生成的氢气和会通过流道输送至流场出口，并穿过阳极侧导出。由于通路在阳极侧流场外，因此工质并不会进入阳极区域。同样的，阴极侧流场外围上下两侧设有阳极流场通路，给水从下方通路穿越双极板的阴极侧，在水压的作用下沿阳极侧流道上升参与电解反应。水和生成的氧气从流场上方的出口导出，穿过其余双极板最终导出电堆。
[0015]优选地，所述的输出端端板及外板的阴极输出通路采用偏置设计，沿直排出口最下方设置，方便水的导出，防止电解槽阴极端积水。
[0016]优选地，使用“面密封”设计，密封件的外形大小与所接触的结构件表面相同，密封件上预留出电解槽各通路的孔位，其余面积皆为有效密封区。
[0017]优选地，使用“面密封”设计的密封件能够充当各结构件之间的缓冲件作用，同时起到绝缘效果。
[0018]膜电极催化层通过直接喷涂工艺(CCM)制备。其中阳极集电极层为亚当斯熔融法表面改性后的多孔钛材料，电极表面包覆有IrO2涂层；阳极催化层由具有析氧能力和耐腐蚀能力的Ir、Ru或者Ir、Ru的氧化物或合金与全氟磺酸离子交换树脂构成;质子交换膜为全氟磺酸离子交换膜;阴极催化层由Pt或Pt/C或多元合金耐腐蚀催化剂与全氟磺酸离子交换树脂构成；阴极集电极层为疏水处理后的炭纸或多孔钛材料。
[0019]由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果:本发明运用“静水稳压”结构设计，使端板具备了保证流场压力均匀一致边界条件的功能，运用多通路直排多孔的流场出、入口设计，结合“方形直流道”的流场设计，保证了整个流场内工质分布的均匀性。“面密封”设计保证了密封的可靠性，同时密封件充当了换种介质及绝缘介质。“立体交叉”式的阴阳两极通路空间避让设计保证了通路的独立性。外电路通过极板直接引入，无需增设导电板结构。相较于现有技术的设计，本发明极大地简化了电解槽系统，省去了特殊板、扩散板、导电板及缓冲板等结构，使电解槽设计轻量化，系统简约高效。本发明使用了亚当斯熔融法表面改性的多孔钛金属电极材料作为阳极电极层，电极材料表面包覆有IrO2涂层，能够有效地防止电极材料受到氧化腐蚀，同时扩展了阳极催化层的三相反应界面，是集电极层具有辅助催化的功能，提高了电解槽侧催化效率。
[0020]总体而言，本发明的主要特点是:
[0021 ]采用“复数通路”直排多孔的流场出、入口设计，结合“方形直流道”的流场设计，保证了整个流场内工质分布的均匀性。
[0022]采用“静水稳压”结构设计，使端板具备了保证流场压力均匀一致边界条件的功會K;
[0023]采用“面密封”设计保证了密封的可靠性，同时密封件充当了换种介质及绝缘介质。
[0024]采用“立体交叉”式的阴阳两极通路空间避让设计保证了通路的独立性。
[0025]采用外电路通过极板直接引入，无需增设导电板结构。
【附图说明】
[0026]图1是现有技术专利CN1966777A的质子交换膜电解水装置示意图。
[0027]图2是本发明一个实施例的固体聚合物电解质电解槽结构示意图。
[0028]图3是本发明一个实施例的膜电极结构示意图。
[0029]图4是本发明一个实施例的双极板及阳极流场和阴极流场对照示意图。
[0030]图5是本发明一个实施例的固体聚合物电解质电解槽工作原理示意图。[0031 ]图6是本发明一个实施例端板“静水稳压”结构示意图。
[0032]图7是本发明一个实施例端板“静水稳压”工作示意图。
[0033]图8是本发明一个实施例输出端端板通路结构示意图。
[0034]图9是本发明一个实施例的“面密封”设计示意图。
[0035]图10是本发明一个实施例的测试性能图。
[0036]图11是本发明实施例的外观示意图。
【具体实施方式】
[0037]以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
[0038]图2所示为本发明一个实施例的固体聚合物电解质电解槽结构示意图，该电解槽依次由输出端外板21、输出端端板22、输出端极板23、膜电极24、双极板25、输入端极板26、输入端端板27、输入端外板28、密封件29、定位杆210组成。装配采用均布螺栓紧固加压，加载压力通过螺母旋紧力矩控制。其中，外板21、27为耐蚀不锈钢金属材质，外围均布螺栓通孔，对角位置设有一对定位杆通孔;端板22、26为环氧树脂材质，外围均布螺栓通孔，对角位置设有一对定位杆通孔;输出端极板23单侧刻有阴极流场，输入端极板25单侧刻有阳极流场，极板另一侧与端板接触，对角位置设有一对定位杆通孔;双极板28双侧刻有阴阳极流道，阴阳两侧分别与膜电极24阴阳极集电极层直接接触，双极板28对角位置设有一对定位杆通孔；电解外电路分正负极别与输入端极板25和输出端极板23连接;膜电极24阳极集电极层为亚当斯熔融法表面改性后的包覆有IrO2的多孔钛网，阴极为输水处理后的炭纸。该实施例展示了五片装膜电极电解槽堆的结构，可根据实际需要增加或减少双极板和膜电极的数量灵活组装电解槽。
[0039]图3所示为本发明一个实施例的膜电极结构示意图。膜电极由集电极层31、阳极催化层32、质子交换膜33、阴极催化层34、阴极集电极层35组成。其中阳极集电极层I材料为亚当斯熔融法表面改性后的多孔钛材料，电极表面包覆有纳米IrO2涂层；阳极催化层32由具有析氧能力和耐腐蚀能力的Ir、Ru(或者Ir、Ru的氧化物或两者合金)与全氟磺酸离子交换树脂构成；质子交换膜33为全氟磺酸离子交换膜；阴极催化层34由Pt或Pt/C或多元合金耐腐蚀催化剂与全氟磺酸离子交换树脂构成；阴极集电极层35为疏水处理后的炭纸。膜电极催化层通过直接喷涂工艺(CCM)制备。
[0040]图4所示为本发明一个实施例的双极板及流场示意图。双极板两侧分别设施阳极流场41和阴极流场42。阴阳两极的通路在空间上相互垂直，阳极侧流场41外围一侧是阴极流场42的通路，阴极的水和生成的氢气和会通过流道输送至流场出口，并穿过阳极侧导出。由于通路在阳极侧流场41以外，因此工质并不会进入阳极区域。同样的，阴极侧流场42外围上下两侧设有阳极流场41通路，给水从下方通路穿越双极板的阴极侧，在水压的作用下沿阳极侧流道上升参与电解反应。水和生成的氧气从流场上方的出口导出，穿过其余双极板最终导出电堆。流场采用方形直流道和直排复数进、出口设计。
[0041]图5所示为本发明一个实施例的固体聚合物电解质电解槽工作原理示意图。电堆的工况分为阴极氢气生成及导出通路51和阳极氧气生成及导出通路52两方面。阴极氢气生成及导出通路51展示了氢气在膜电极阴极催化层生成后，连同水蒸气一并通过双极板阴极侧流场及阴极极板流场横向引导至直排通孔处，最后穿越后续组件至输出端端板的“静水稳压”结构，最后经输出端外板通路导出电解槽。阳极氧气生成及导出通路52展示了水从输入端外板进入电解槽，经过端板的“静水稳压”结构后，以恒定压力输送至每一块双极板及极板的阳极侧，通过直排通孔进入流场参与电解反应;氧气在膜电极阳极催化层生成后，连同水一并输出流场，穿越后续组件至输出端端板的“静水稳压”结构，最后经输出端外板通路导出电解槽。
[0042]图6所示为本发明一个实施例端板“静水稳压”结构示意图。输入端61的外板入水口沿端板“静水稳压”结构下边设置，极板的直排入水口沿“静水稳压”结构上边设置。相对的，输出端62的外板出水口沿“静水稳压”结构上边设置，极板的直排出水口沿“舱室静水稳压”结构下边设置。
[0043]图7所示为本发明一个实施例端板“静水稳压”工作示意图。水流在进入流场之前须先经过“稳压仓”的缓冲，直至“稳压仓”中液面高过极板的直排入水口后才正式进入流场。在外管路中高速运动的水流进入较大空间的“稳压仓”结构后，流速会急剧下降，形成准静止状态，从而使得极板所有入水口的压力均匀一致。水流流出流场后，同样要经过“稳压仓”结构的缓冲，形成一定体积的准静态液柱，从而保证了极板所有出水口的压力均匀一致。最终得到了流场所需的边界条件。
[0044]图8所示为本发明一个实施例输出端端板通路结构示意图。输出端外板出口沿端板“稳压仓”结构下沿偏置设置，使凝结的水能够顺利导出阴极。
[0045]图9所示为本发明一个实施例的“面密封”设计示意图。密封件种类分为:外板与端板密封91，端板与极板密封92，极板与MEA密封93，MEA与双极板阳极侧密封94，双极板阴极侧与MEA密封95。密封件保证了相邻结构件之间传质通路的独立性，防止阴阳两极的工质互侵。除通路区域以外，结构件表面的全部剩余区域都能形成有效密封，提升了密封系统的可靠性。密封材料选用硅胶薄膜，可通过调整与MEA相邻的硅胶薄膜厚度来控制集电极与MEA催化层表面的压力，使MEA催化层工作在安全、高效的压力环境中。此外，密封件还能起到结构缓冲和绝缘的作用。
[0046]图10是采用本发明制备的一个实施例的测试性能图。螺栓旋紧力矩4N.m，通过平流栗从输入端通入高纯水(18.2ΜΩ.cm，24°C)，流量为100mL/min。电解槽温度通过恒温水浴保持在80°C。测试电源采用电流控制模式，电流密度变动范围:0.01-1A.cm—2，IA/cm2条件下电位为2.064V。
[0047]图11是本发明实施例的外观示意图。其中显示出外观外板111、外观端板112、外观双极板113以及外观膜电极114。
[0048]上述对本发明实施方式的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种固体聚合物电解质电解槽，其特征在于:包括电解槽系统的传质通路结构和密封结构，所述传质通路结构为针对电解槽阴阳两极的工质传输通路，用于保证电解槽阳极的水供给充足，且阴极的氢气和阳极的氧气和水能够顺利输出，同时保证阴阳两极通路之间的独立性，传质路径互不干涉;所述密封结构为针对电解槽电堆结构中工质传输区域的密封件，用于保证电堆各组件之间的密封性。2.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质电解槽，其特征在于，包括: 外板，用于加强电解槽端部，保证外加载荷均匀施加至内部结构件;端板，用于固定极板;极板和双极板，提供水、气传输的流场环境;优选地，膜电极包括阳极集电极层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极集电极层。3.根据权利要求2所述的固体聚合物电解质电解槽，其特征在于:所述极板及双极板流场采用“方形直流道”设计;优选地，极板及双极板流场工质出、入口采用多通道的直排多孔设计，每一条流道都分配有圆形出、入通孔。4.根据权利要求2所述的固体聚合物电解质电解槽，其特征在于:端板传质通路设有“静水稳压”结构，保证极板及双极板阳极的多通道直排出入、水口水压均匀一致，同时确保阴极水、汽传输畅通;优选地，所述“静水稳压”结构采用厚的端板，在端板的进出口位置镂空一个凹槽，形成一个积水区，从而对进出水的速度形成缓冲，形成一个相对的稳压区域。5.根据权利要求4所述的固体聚合物电解质电解槽，其特征在于:所述的“静水稳压”结构，包括进水“稳压仓”和出水“稳压仓”，所述的进水“稳压仓”为电堆端板进水口低于双极板阳极进水通道，形成一个储水仓;所述出水“稳压仓”为电堆端板出水口高于双极板阳极出通道，形成一个储水仓。6.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质电解槽，其特征在于:采用流场避让结构，使阴阳两极的通路在空间上相互垂直，使传质通路相互之间形成空间错位以有效地保证两条通路的独立性;优选地，阳极侧的流场外围一侧是阴极的流场通路，阴极的水和生成的氢气和会通过流道输送至流场出口，并穿过阳极侧导出；阴极侧流场外围上下两侧设有阳极流场通路，给水从下方通路穿越双极板的阴极侧，在水压的作用下沿阳极侧流道上升参与电解反应;水和生成的氧气从流场上方的出口导出，穿过其余双极板最终导出电堆。7.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质电解槽，其特征在于:输出端端板及外板的阴极输出通路采用偏置结构，沿直排出口最下方设置，方便水的导出、防止电解槽阴极端积水。8.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质电解槽，其特征在于:采用“面密封”设计，密封件的外形大小与所接触的结构件表面相同，所述的密封件上预留出电解槽各通路的孔位，其余面积皆为有效密封区。9.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质电解槽，其特征在于:电解槽电堆结构包括外板、端板、极板、膜电极、双极板以及密封件，优选地，材质分别为不锈钢、环氧树脂、金属钛、金属钛和硅胶薄膜;极板及双极板之间为电解区域，使用膜电极作为电化学反应场所；优选地，膜电极结构包括:阳极集电极层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极集电极层;优选地，电堆夹紧方式采用均布螺栓紧固加压，加载压力通过螺母旋紧力矩控制;优选地，工作时输入端极板接正极、输出端极板接复负极，输入端通入高纯水，氢气和氧气分别从输出端外板不同通路导出。10.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质电解槽，其特征在于:膜电极催化层通过直接喷涂工艺制备;优选地，其中阳极集电极层为亚当斯熔融法表面改性后的多孔钛材料，电极表面包覆有IrO2涂层;优选地，阳极催化层由具有析氧能力和耐腐蚀能力的Ir、Ru或者Ir、Ru的氧化物或合金与全氟磺酸离子交换树脂构成;优选地，质子交换膜为全氟磺酸离子交换膜;优选地，阴极催化层由Pt或Pt/C或多元合金耐腐蚀催化剂与全氟磺酸离子交换树脂构成;优选地，阴极集电极层为疏水处理后的炭纸或多孔钛材料。
【文档编号】C25B1/04GK105908210SQ201610283587
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】吕洪, 宋宇琨, 张存满, 周伟, 杨代军, 郝传璞, 张光辉
【申请人】同济大学