[发明专利]固体聚合物电解质膜水电解槽

说明书

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解槽。

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；采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，需要通过繁琐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600-1000℃，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1-3A/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1-4mm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采用的技术方案是：

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。

本发明还可以采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全氟磺酸膜类的Nafion膜、Dow膜、Flemion、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。