一種具有透水板的靜態(tài)供水固體聚合物電解質(zhì)水電解裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水電解池技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種具有透水板的靜態(tài)供水固體聚合物電解質(zhì)水電解裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]聚合物電解質(zhì)(SPE)水電解制氫技術(shù)具有產(chǎn)氫效率高、產(chǎn)氫純度高、操作簡單、維護(hù)方便、無污染等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。按照供水方式的不同，SPE水電解池可以分為動(dòng)態(tài)供水式和靜態(tài)供水式。動(dòng)態(tài)供水式的典型特征是水由栗動(dòng)態(tài)輸送至陽極腔室或陰極腔室。陽極動(dòng)態(tài)供水的優(yōu)點(diǎn)為陽極析氧水氧化反應(yīng)不易受濃差極化的影響，電解池可以在大電流密度條件下運(yùn)行；其缺點(diǎn)為產(chǎn)生的氫氣和氧氣都是水蒸汽飽和狀態(tài)，給后續(xù)的水氣分離和存儲(chǔ)帶來技術(shù)難度，并增加了寄生能耗和系統(tǒng)復(fù)雜度。陰極動(dòng)態(tài)供水的優(yōu)點(diǎn)為由陰極腔室擴(kuò)散到陽極的水通量有限，產(chǎn)生的氧氣攜帶水量少，簡化了水氧分離系統(tǒng)；缺點(diǎn)為有限的水通量導(dǎo)致大電流密度工作條件下濃差極化增加，影響水電解性能。
[0003]傳統(tǒng)的靜態(tài)供水是在水腔與陽極腔室(或陰極腔室)之間放置透水阻氣膜，水由透水阻氣膜滲透輸入至陽極腔室(或陰極腔室)，無需栗動(dòng)態(tài)輸入。例如CN 102181878A提出的一種靜態(tài)供水質(zhì)子交換膜電解水裝置采用質(zhì)子交換膜為透水阻氣膜，直接將低壓水電解成高壓的氫氣和氧氣，節(jié)省了氣體增壓裝置，并且電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣含水量較低，節(jié)省了復(fù)雜的水氣分離裝置。但是質(zhì)子交換膜的水通量有限，極大地限制了高電流密度條件下的電解池性能。M.Sakurai等人報(bào)道的靜態(tài)供水固體聚合物電解質(zhì)水電解系統(tǒng)采用Naf1n膜為透水阻氣膜，在75°C、50mA cm 2的運(yùn)行條件下，電解電壓高達(dá)2.7V (Electrochimica Acta, 2013, 100:350-357)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種具有透水板的靜態(tài)供水固體聚合物電解質(zhì)水電解裝置，提高電解池高電流密度下的工作性能，并利用水罐與水腔之間的壓差實(shí)現(xiàn)靜態(tài)供水。
[0005]本發(fā)明涉及一種具有透水板的靜態(tài)供水固體聚合物電解質(zhì)水電解裝置，包括固體聚合物電解質(zhì)水電解池和水罐，其中固體聚合物電解質(zhì)水電解池由順次相連的水腔、透水板、膜電極組件和陰極板組成，水腔下部設(shè)有進(jìn)水口，上部設(shè)有出水口，進(jìn)水口與水罐下部的水出口相連，出水口與水罐上部的水入口相連；所述透水板遠(yuǎn)離水腔一側(cè)的表面上設(shè)有流場；于透水板流場一側(cè)的上端設(shè)有氧氣出口 ；于陰極板靠近膜電極組件一側(cè)設(shè)有流場，于陰極板流場一側(cè)的上端設(shè)有氫氣出口，下端設(shè)有排水口，氫氣出口與水罐上設(shè)有的氣體入口相連，排水口與水罐上部的水入口相連，于水罐上設(shè)有氣體出口，于氣體出口處設(shè)有閥門；水罐中的水依靠水罐與水腔之間的壓差進(jìn)入水腔，水腔中的水與透水板的一側(cè)表面直接接觸，水腔中的水通過透水板到達(dá)膜電極組件陽極側(cè)。
[0006]所述透水板為豎向設(shè)置的親水性水傳輸板。
[0007]所述親水性水傳輸板為多孔金屬板或多孔非金屬板。
[0008]所述親水性水傳輸板的孔徑為0.1-10 μ m，孔隙率為10 % -70 %。
[0009]所述膜電極組件包括緊壓在一起的陽極擴(kuò)散層、陽極催化層、固體聚合物電解質(zhì)膜、陰極催化層和陰極擴(kuò)散層。
[0010]所述透水板流場流道內(nèi)部的壓強(qiáng)為常壓。
[0011 ] 所述水腔與透水板流場流道內(nèi)部的壓差為0-0.5MPa。
[0012]所述水罐與水腔的壓差ΔΡ等于或大于P gh，其中，P為水的密度，g為重力系數(shù)，h為水腔內(nèi)水的表面距離水罐中水的表面的高度。。
[0013]本發(fā)明涉及一種具有透水板的靜態(tài)供水固體聚合物電解質(zhì)水電解裝置，包括固體聚合物電解質(zhì)水電解池和水罐，其中固體聚合物電解質(zhì)水電解池由順次相連的陽極板、膜電極組件、透水板和水腔組成，水腔下部設(shè)有進(jìn)水口，上部設(shè)有出水口，進(jìn)水口與水罐下部的水出口相連，出水口與水罐上部的水入口相連；所述透水板遠(yuǎn)離水腔一側(cè)的表面上設(shè)有水流場；于透水板水流場一側(cè)的上端設(shè)有氫氣出口 ；于陽極板靠近膜電極組件一側(cè)設(shè)有流場，于陽極板流場一側(cè)的上端設(shè)有氧氣出口，下端設(shè)有排水口，氧氣出口與水罐上設(shè)有的氣體入口相連，排水口與與水罐上部的水入口相連，于水罐上設(shè)有氣體出口，于氣體出口處設(shè)有閥門；水罐中的水依靠水罐與水腔之間的壓差進(jìn)入水腔，水腔中的水與透水板的一側(cè)表面直接接觸，水腔中的水通過透水板到達(dá)膜電極組件陰極側(cè)。
[0014]所述透水板為豎向設(shè)置的親水性水傳輸板。
[0015]所述親水性水傳輸板為多孔金屬板或多孔非金屬板。
[0016]所述親水性水傳輸板的孔徑為0.1-10 μ m，孔隙率為10 % -70 %。
[0017]所述膜電極組件包括緊壓在一起的陽極擴(kuò)散層、陽極催化層、固體聚合物電解質(zhì)膜、陰極催化層和陰極擴(kuò)散層。
[0018]所述透水板流場流道內(nèi)部的壓強(qiáng)為常壓。
[0019]所述水腔與透水板流場流道內(nèi)部的壓差為0-0.5MPa。
[0020]所述水罐與水腔的壓差ΔΡ等于或大于P gh，其中，P為水的密度，g為重力系數(shù)，h為水腔內(nèi)水的表面距離水罐中水的表面的高度。。
[0021 ] 本發(fā)明的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在:
[0022]1.本發(fā)明采用親水性透水板為透水阻氣材料，有效提高固體聚合物電解質(zhì)水電解池高電流密度下的電解性能；
[0023]2.本發(fā)明利用水罐與水腔之間的壓差實(shí)現(xiàn)靜態(tài)供水，寄生能耗低。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的第一實(shí)施例涉及的水電解裝置的簡要結(jié)構(gòu)圖。圖中，1-固體聚合物電解質(zhì)水電解池，2-水罐，3-閥門，11-水腔，12-透水板，13-膜電極組件，14-陰極板，41 -氫配管，42-水供給配管，43-陽極水回流管，44-氧排出管，45-氫排出管，46-陰極水回流管。
[0025]圖2為本發(fā)明的第二實(shí)施例涉及的水電解裝置的簡要結(jié)構(gòu)圖。圖中，1-固體聚合物電解質(zhì)水電解池，2-水罐，3-閥門，11-水腔，12-透水板，13-膜電極組件，15-陽極板，51 -氧配管，42-水供給配管，43-陰極水回流管，52-氫排出管，53-氧排出管，54-陽極水回流管。
[0026]圖3為本發(fā)明的第一實(shí)施例的電解池性能與水腔壓力關(guān)系圖，其中電解池工作溫度為60°C。
[0027]圖4為本發(fā)明的第二實(shí)施例的電解池性能與水腔壓力關(guān)系圖，其中電解池工作溫度為60°C。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0029]所述親水性水傳輸板由親水納米碳材料、導(dǎo)電添加劑、增強(qiáng)纖維和粘結(jié)劑樹脂混合均勻后熱壓而成；親水碳材料、導(dǎo)電添加劑、增強(qiáng)纖維和粘結(jié)劑樹脂的比例為5_40wt%:40-80wt%: 5-15wt%:10_20wt%。
[0030]所述熱壓壓力為1-lOMPa，溫度為100_250°C，時(shí)間為10_60min。
[0031]所述納米碳材料為碳粉、石墨粉、乙炔黑、碳納米管和石墨烯中的一種或兩種以上(包括兩種)的混合物。
[0032]所述親水碳材料的制備方法為:將納米碳材料置于濃硫酸和濃硝酸的混合液中攪拌處理在其表面引入親水性基團(tuán)；所述的親水碳材料粒徑為30-300nm。
[0033]濃硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%~98%,濃硝酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%~98%,濃硫酸和濃硝酸的體積比為1:1-1: 5，親水處理時(shí)間為l_24h，處理溫度為20-50°C。
[0034]所述導(dǎo)電添加劑為石墨粉、碳粉、碳納米管或石墨烯中的一種或兩種以上(包括兩種)的混合物，其粒徑為10-150 μ m。
[0035]所述的增強(qiáng)纖維為碳纖維或石墨纖維中的一種或兩種，直徑為1-25 μπι，長徑比為10-50。
[0036]所述的粘結(jié)劑樹脂為聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚醚砜、熱塑性酚醛樹脂、聚苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、脲醛樹脂、熱固性酚醛樹脂和三聚氰胺-甲醛樹脂中的一種或2種以上的混合物。
[0037]具體做法:將納米乙炔黑(50nm)置于濃硝酸和濃硫酸的混合溶液中攪拌處理，其中濃硫酸/濃硝酸體積比為5，處理溫度為40°C，處理時(shí)間為10h。將親水化處理的乙炔黑，導(dǎo)電石墨粉KS150(35 ym)，導(dǎo)電碳纖維(直徑為11 μm，長徑比為10)和熱固性酚醛樹脂混合均勻后用模具進(jìn)行熱壓，各組分比例為5%:75%:10%:10%，熱壓溫度為200°C (熱固性酚醛樹脂固化溫度為190°C )，壓力為4MPa，熱壓時(shí)間為40min