纯水电解氢氧制造机的制作方法

一种纯水电解氢氧制造机，供用于产生氢气与氧气。

背景技术：

地球上大部份的氢都存在于水和有机化合物等形态中，氢气是一种无色、无臭、无味的非金属气体，且因不具毒性及放射性又易于收集，甚至可产生高能量，及与氧元素反应，使得应用范围广泛，包括化学、物理学、工程学、甚至生理学等，尤其在医学上，据部分研究提示，氢气可以和羟自由基产生反应结合，藉此减少体内羟自由基的残留，再者，期望氢分子所具备的强抗氧化力，能够发展更多的有益物质。

而获得氢气的方式包括热化学、水煤气、水电解、蒸气重组等可达成，尤其是将蒸气重组法用于天然气时的氢产量为最具规模的一种方法。当水蒸气和甲烷在高温约1000–1400K发生反应时，可产生一氧化碳和氢气，在此反应中，对反应过程施予较低的压力反而效率能更甚于高压，但却碍于氢气纯化系统必须在高压下进行，为缩短时间，使得反应过程同样采用高压的方式，然而，却也因此限制产出效率，另一方面，由于产出过程中需加压加温，即使藉由调整压力的方式将制程时间缩短，但缩短的幅度依然有限，且氢分子在高温下易解离成氢原子，活性大的氢原子将可能与其他元素产生反应，因此将造成氢气纯度大打折扣，再者，也因为氢气活性大，当大量储存的情况下，稍有不慎，即会造成危安事件。

另一种常见的方法是水电解法，将水加入电解质形成离子溶液，并以一对电极通入直流电进行电解，经由氧化还原反应产生氢气和氧气，但该方式因必须加入电解质才能使水解离，尤其一般是加入强酸或强碱作为电解质，所以产生的氢气纯度仍有疑虑。

随着质子交换膜问世，水电解可以不必再依赖电解质的加入，而是直接将纯水电解，如图5所示，有一水电解装置9，纯水由阳极侧进入反应腔室92，反应腔室92除电极之外，还设置有不锈钢网的阳极扩散层以及阳极催化剂层，藉由不锈钢网导电和阳极催化剂层的作用，纯水在此解离成为氧离子和氢离子，氧离子则向导接至阳极的不锈钢网释放电子而成为氧气排出；氢离子和水可以穿透反应腔室92中的质子交换膜，进一步接触到阴极催化剂层，以及后方的碳纸或碳纤维布所构成的阴极扩散层，氢离子经由碳纸或碳纤维布的导电性以及通透性，接收经由阴极所提供的电子而还原成氢气排出。

其中，因碳纤维的抗氧化性极低，因此仅能作为阴极扩散层而无法在阳极侧采用；另方面碳纤维的抗拉强度虽大，但是抗弯折效果较差，无法承受侧向的较大压力；尤其碳纤维布是以编织成形，厚度无法随意增加，也进一步限制阴极扩散层的厚度，就此影响氢离子和阴极扩散层之间的有效作用区域。

因此，如何增大氢离子和阴极扩散层之间的有效作用区域，提升氢气的产能，并且让阳极扩散层和阴极扩散层采用相同的材质结构，让两侧的扩散层可以随意互相调换，没有组装错误的风险，也降低备料成本，并且承受侧向压力变换，就是本案所要改良的焦点。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的，在于提供一种运用相同的扩散金属层结构，同时作为阴极和阳极扩散层的纯水电解氢氧制造机，由于两侧采用相同材料、结构，可以随意互换，藉以降低备料管理成本和组装错误的风险。

本实用新型的另一目的，在于提供一种运用扩散金属层作为阴极和阳极扩散层的纯水电解氢氧制造机，由于扩散金属层的延展性佳，可以承受气体大量产生后，腔室内部的压力增加，以提升可靠度并延长保修周期。

本实用新型的再一目的，在于提供一种运用扩散金属层作为扩散层的纯水电解氢氧制造机，藉由增加扩散层厚度，大幅提升制氢效率。

本案所揭示的一种纯水电解氢氧制造机，包括：一电解装置及一密封容装本体，由密封容装本体上的注水孔注入纯水，经由阳极金属层扩散至一层氧化触媒层后，纯水接受电极供应的电能进行解离，并藉由质子交换膜将氧气与氢离子隔离，氢离子遇还原触媒层还原成氢气后经由阴极金属层、阴极，最后由氢气孔排出，另外，氧气则经由阳极金属层、阳极，最后由氧气孔排出。

由于本案所提供的纯水电解氢氧制造机，是以例如钛金属或其合金所制成的扩散金属层，不仅可以轻易获得数百微米(μm)的厚度，使得有效作用区域增大，藉以提升产气的效率；并具有良好的抗弯折能力，在产气效率提升的情况下，可以耐受压力增大的环境，提高产品使用寿命；且以相同的结构同时作为阳极金属层和阴极金属层，夹制位于其间的质子交换膜和触媒层，在组装时不需准备两种相异的扩散层材料，因此可以降低备料和管理的成本。

附图说明

图1为本实用新型第一较佳实施例的立体透视图，用于说明纯水电解氢氧制造机的结构

图2为图1的剖视图，用于辅助说明结构相对位置。

图3为本实用新型第一较佳实施例的部分立体图，用于说明另一种固定质子交换膜的方式。

图4为本实用新型第二较佳实施例的立体透视图，用于说明两组纯水电解氢氧制造机结合后的结构。

图5为公知技术的立体示意图。

符号说明

1、1’…电解装置 11、11’…质子交换膜

13、13’…触媒层 131…氧化触媒层

133…还原触媒层 15、15’…扩散金属层

153…阳极金属层 155…阴极金属层

17…电极 171、171’…阳极

173、173’…阴极 2、2’…密封容装本体

21…注水孔 23…氢气孔

25…氧气孔 27…封装绝缘壳体

271…阳极壳体 273…阴极壳体

277…挠性防水层 9…水电解装置

92…反应腔室

具体实施方式

有关本实用新型的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合说明书附图的较佳实施例的详细说明中，将可清楚呈现；此外，在各实施例中，相同的元件将以相似的标号表示。

本案第一较佳实施例的纯水电解氢氧制造机，请一并参照图1至图3所示，纯水电解氢氧制造机具有一个电解装置1及一个容装电解装置1的密封容装本体2，其中，密封容装本体2于本例中是由封装绝缘壳体27及两片密封件所组成，其中，封装绝缘壳体27包括阳极壳体271及阴极壳体273，另密封件更包括一例释为防水橡胶的挠性防水层277，且于本例中形成一透孔，当然，该挠性防水层形成复数个透孔均无碍于本案实施。

为便于说明，将上述电解装置1中的质子交换膜11设为对称中线、且以两片挠性防水层277夹置质子交换膜11，藉以两侧保护质子交换膜的结构，延长质子交换膜的寿命，并以质子交换膜11遮蔽两挠性防水层277的透孔，此时，由对称中线向左右两方依序对称设置的是涂布于质子交换膜11的触媒层13，扩散金属层15、及紧贴于扩散金属层15的电极17。为便于说明，在此定义由质子交换膜11、挠性防水层277及阳极壳体271所共同围绕的区域为一氧化空间，供容置氧化触媒层131、阳极金属层153、阳极171；相对地，定义由质子交换膜11、挠性防水层277及阴极壳体273共同围绕的区域则称为一还原空间，供容置还原触媒层133、阴极金属层155、阴极173，前述两个反应空间为两个独立空间，去离子水仅能由质子交换膜11通过，而各自区域中所产生的氢气与氧气则完全隔绝，无法通透。

当然，除将两层挠性防水层277将质子交换膜11夹置其间，作为支撑、防水、及防气体外泄等作用，更可以采用质子交换膜11直接设置于单一的挠性防水层277，简化结构易于更换。

于本例中，扩散金属层15例释为钛金属致密孔板，钛金属致密孔板具有复数微小通孔(图未示)，且通孔的孔径为20至60微米，而整体的孔隙率则为30％至50％。由于本例中的钛金属致密孔板具有700至800微米厚度，且孔隙率甚大，使得氢离子或氧离子在进行氧化或还原作用时，都可以提供绝佳的致密作用区间，让产气效率倍增。甚至经由实验得知，当孔径为30微米且孔隙率为40％时，可以达到最佳的产氢效率。另方面，藉由钛的强抗蚀性，高强度结构等特点，可大幅降低氧化反应造成的损坏。

运作时，由设置于阳极壳体271的注水孔21注入去离子水，直到液面高度接近阳极壳体271上的氧气孔25、以及阴极壳体273上的氢气孔23，并打开电极开关通电开始进行解离。本例中，为提升氢气的产能，利用厚度约700至800微米的扩散金属层15致密多孔的结构，增加氧化/还原反应的表面积，相较于以往碳纤维布的数十微米厚度，可以大幅提高产气量。当去离子水接触到阳极区域并受到阳极催化剂的加速，随即电解而释出氢离子和氢氧根离子。

其中，氢氧根离子中，部分接触到包括阳极171和阳极金属层153等而释出电子，并且形成氧分子；氢离子则藉由水分子及质子交换膜11上的酸根离子传输通过质子交换膜11、还原触媒层133而到达作为阴极金属层155的钛金属致密孔板，阴极173则藉由此钛金属致密孔板，大范围地释放电子，与氢离子结合形成氢气。因为电解过程中是采用去离子的纯水，没有强酸或强碱的干扰，藉此可高效率地获得更高纯度的氢气，该氢气随即由氢气孔23排出供小量储存，氧气则由氧气孔25排出。

本案第二较佳实施例，如图4所示，该纯水电解氢氧制造机内包括两组电解装置1’，及容装电解装置1’的密封容装本体2’为节省空间及成本，采用部分电极共用的方式将所有电解装置进行组合，本例中，由于主要搜集的是氢气，因此将产生氢气的阴极电极共用。其中，每一电解装置的结构都和第一实施例相似，故在此不再赘述。两组电解装置1’中的质子交换膜11’和两侧的阳极171’和阴极173’，都分别受到两侧的扩散金属层15’所夹置固定，由于扩散金属层15’的面积大小恰对应于质子交换膜11’的面积，使得两侧的扩散金属层15’分别紧贴于质子交换膜11’两侧的触媒层13’，这也使得两侧的扩散金属层15’间的距离相当短，藉此在质子交换膜11’两侧形成均匀且高强度的电场，使整体解离效率相对提升。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，不能以此限定本实用新型实施的范围，凡是依本实用新型权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型专利涵盖的范围内。