一種質子膜水電解池的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種質子膜水電解池，包括一個或若干個依次疊放排布的單電池，所述單電池包括電解質膜(5)、以所述電解質膜(5)為中心兩側依次對稱分布有一體化陰極膜電極、集電器與流場板(3)、上隔板(1)和一體化陽極膜電極、集電器與流場板(7)、下隔板(9)，隔板為平板，一體化膜電極、集電器與流場板靠近所述電解質膜(5)的一側為膜電極層，遠離所述電解質膜(5)的一側為一體化集電器與流場板，所述一體化集電器與流場板靠近所述隔板的一側開設有用于通水通氣的流道(10)，相鄰所述流道(10)相互垂直或者具有夾角。該質子膜水電解池有效地實現了在電解系統輕量化的基礎上，提高了質子膜水電解池的性能。
【專利說明】
一種質子膜水電解池
技術領域
[0001]本發明涉及能源與化工技術領域，特別是涉及一種質子膜水電解池。
【背景技術】
[0002]質子膜水電解池堆是將水電解成氫氣與氧氣的裝置，它由一系列相同結構的單電池組成，單電池的基本結構如圖1所示，以有機材料的電解質膜05為中心對稱分布著陰極集電器03、陰極膜電極04與陽極膜電極06、陽極集電器07和帶有集水、集氣孔的上雙極板01、下雙極板O 9，集電器與膜電極的外周有密封材料的密封圈密封，密封圈的外側與雙極板外緣平齊。上密封圈02位于上雙極板01與電解質膜05之間，中央包裹著陰極集電器03和陰極膜電極04，下密封圈08位于下雙極板09與電解質膜05之間，中央包裹著陽極膜電極06和陽極集電器07，實現電池內陰、陽二室間的物質隔離，并能防止電池內物質向環境泄漏。
[0003]通常的電池制造方法中，上述各部件均獨立加工后，按圖1所述單電池的基本結構進行組裝。在這一過程中，由于組裝部件多，組裝時配合不便，影響組裝效率以及產品質量；另一方面在極板兩側開槽加工方面，加工要求高、經濟效率差，特別是薄板上開槽時，由于機加工過程產生的變形，難以保證槽深的一致性以及雙極板的成品率和可靠性，加工成本較高，加工難度較大，制約著質子膜水電解池技術的普及和輕量化與小型化的發展。
[0004]綜上所述，如何有效地實現在電解系統輕量化的基礎上，提高質子膜水電解池的性能，是目前本領域技術人員急需解決的問題。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種質子膜水電解池，該質子膜水電解池有效地實現了在電解系統輕量化的基礎上，提高了質子膜水電解池的性能。
[0006]為解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案:
[0007]—種質子膜水電解池，包括一個或若干個依次疊放排布的單電池，所述單電池包括電解質膜、以所述電解質膜為中心兩側依次對稱分布有一體化陰極膜電極、集電器與流場板、上隔板和一體化陽極膜電極、集電器與流場板、下隔板，隔板為平板，一體化膜電極、集電器與流場板靠近所述電解質膜的一側為膜電極層，遠離所述電解質膜的一側為一體化集電器與流場板，所述一體化集電器與流場板靠近所述隔板的一側開設有用于通水通氣的流道，相鄰所述流道相互垂直或者具有夾角。
[0008]優選地，所述一體化集電器與流場板為耐腐蝕的多孔金屬板，所述流道通過兩個平行轉動的輥輪壓制成型，其中一個所述輥輪表面光滑，另一個所述輥輪表面上具有與所述流道形狀相配合的槽道；
[0009]或者所述一體化集電器與流場板上的所述流道通過機加工成型。
[0010]優選地，所述流道為一字型流道或者十字型流道。
[0011]優選地，所述一體化集電器與流場板為多孔鈦板，所述多孔鈦板通過粒徑為40目至IJ200目的粉末鈦壓制成型。
[0012]優選地，所述膜電極層為直接涂敷在所述一體化集電器與流場板上的催化劑或沉積在所述一體化集電器與流場板上的催化層。
[0013]優選地，所述一體化集電器與流場板的外周包裹有密封圈。
[0014]優選地，所述密封圈的外側與所述隔板的外緣平齊。
[0015]優選地，相鄰所述一體化集電器與流場板間的流道相互垂直。
[0016]優選地，位于兩側的所述單電池的外側安裝有端板，所述質子膜水電解池通過壓力機壓到設定壓力后緊固成型。
[0017]優選地，兩側所述端板之間貫穿有拉桿，所述拉桿通過螺母緊固。
[0018]本發明所提供的質子膜水電解池，包括一個或者若干個單電池，可以為一個、兩個、多個，當為一個單電池構成時，一個單電池即為一個質子膜水電解池；當單電池為兩個或者多個時，單電池依次疊放排布，供電方式上相互串聯，物質流道上相互并聯。單電池包括電解質膜、一體化膜電極、集電器與流場板以及隔板，電解質膜位于中心位置，電解質膜的兩側依次對稱分布有一體化陰極膜電極、集電器與流場板、上隔板和一體化陽極膜電極、集電器與流場板、下隔板。上密封圈位于上隔板與電解質膜之間，中央包裹著一體化陰極膜電極、集電器與流場板，下密封圈位于下隔板與電解質膜之間，中央包裹著一體化陽極膜電極、集電器與流場板，實現電池內陰、陽二室間的物質隔離，可以防止電池內的物質向外界環境泄漏。隔板為平板，并且隔板較薄，重量較輕，不用在隔板上開設流道，只需加工物質進、出的集流孔。一體化膜電極、集電器與流場板靠近所述電解質膜的一側為膜電極層，遠離所述電解質膜的一側為一體化集電器與流場板，所述一體化集電器與流場板靠近所述隔板的一側開設有用于通水通氣的流道，將原加工在雙極板上的流道轉移到一體化集電器與流場板的一面上。根據一體化集電器與流場板由金屬粉壓制而成的為非結構件特點，并且其功能是導電及導水、導氣，可以方便在一體化集電器與流場板上制作出流道，同時，一體化集電器與流場板上流道為單側加工，靠近電解質膜的一側是平整的，添加膜電極層，形成一體化膜電極、集電器與流場板。
[0019]本發明所提供的質子膜水電解池，利用了一體化集電器與流場板的材料、功能以及非結構件的特點，在一體化集電器與流場板上開設流道，既可以滿足通水通氣的工作要求，又可以減少隔板上加工流道的加工程序，降低隔板重量，大幅度降低了薄隔板雙面加工流道的難度，易于實現電解池的小型化與輕量化，提高電池的可靠性以及電池堆制作的經濟性;并且在集成有流道的一體化集電器與流場板的另一側添加膜電極層，如涂敷添加陽極電極催化劑或陰極電催化劑，組裝電池簡單，簡化了電池組裝的工藝流程，有利于規模化生產，并降低了成本。
【附圖說明】
[0020]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0021]圖1為現有技術中一種典型的質子膜水電解池的結構示意圖；
[0022]圖2為本發明中一種【具體實施方式】所提供的質子膜水電解池的結構示意圖；
[0023]圖3為圖2中一字型流道的結構不意圖；
[0024]圖4為圖3中A-A處的剖視圖。
[0025]附圖中標記如下:
[0026]01-上雙極板、02-上密封圈、03-陰極集電器、04-陰極膜電極、05-電解質膜、06-陽極膜電極、07-陽極集電器、08-下密封圈、09-下雙極板；
[0027]1-上隔板、2-上密封圈、3-—體化陰極膜電極、集電器與流場板、5-電解質膜、7-—體化陽極膜電極、集電器與流場板、8-下密封圈、9-下隔板、10-流道。
【具體實施方式】
[0028]本發明的核心是提供一種質子膜水電解池，該質子膜水電解池有效地實現了在電解系統輕量化的基礎上，提高了質子膜水電解池的性能。
[0029]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0030]請參考圖2至圖4，圖2為本發明中一種【具體實施方式】所提供的質子膜水電解池的結構示意圖；圖3為圖2中一字型流道的結構示意圖；圖4為圖3中A-A處的剖視圖。
[0031]在一種【具體實施方式】中，本發明所提供的質子膜水電解池，包括一個或者若干個單電池，可以為一個、兩個、多個，當為一個單電池構成時，一個單電池即為一個質子膜水電解池；當單電池為兩個或者多個時，單電池依次疊放排布，供電方式上相互串聯，物質流道10上相互并聯。單電池包括電解質膜5、一體化膜電極、集電器與流場板以及隔板，電解質膜5位于中心位置，電解質膜5的兩側依次對稱分布有一體化陰極膜電極、集電器與流場板3、上隔板I和一體化陽極膜電極、集電器與流場板7、下隔板9。上密封圈2位于上隔板I與電解質膜5之間，中央包裹著一體化陰極膜電極、集電器與流場板3，下密封圈8位于下隔板9與電解質膜5之間，中央包裹著一體化陽極膜電極、集電器與流場板7，實現電池內陰、陽二室間的物質隔離，可以防止電池內的物質向外界環境泄漏。隔板為平板，并且隔板較薄，重量較輕，不用在隔板上開設流道10，只需加工物質進、出的集流孔。一體化膜電極、集電器與流場板靠近所述電解質膜5的一側為膜電極層，遠離所述電解質膜5的一側為一體化集電器與流場板，所述一體化集電器與流場板靠近所述隔板的一側開設有用于通水通氣的流道10，將原加工在雙極板上的流道10轉移到一體化集電器與流場板的一面上。根據一體化集電器與流場板由金屬粉壓制而成的為非結構件特點，并且其功能是導電及導水、導氣，可以方便在一體化集電器與流場板上制作出流道10，同時，一體化集電器與流場板上流道10為單側加工，靠近電解質膜5的一側是平整的，添加膜電極層，形成一體化膜電極、集電器與流場板。
[0032]本發明所提供的質子膜水電解池，利用了一體化集電器與流場板的材料、功能以及非結構件的特點，在一體化集電器與流場板上開設流道10，既可以滿足通水通氣的工作要求，又可以減少隔板上加工流道10的加工程序，降低隔板重量，大幅度降低了薄隔板雙面加工流道1的難度，易于實現電解池的小型化與輕量化，提高電池的可靠性以及電池堆制作的經濟性;并且在集成有流道10的一體化集電器與流場板的另一側添加膜電極層，如涂敷添加陽極電極催化劑或陰極電催化劑，組裝電池簡單，簡化了電池組裝的工藝流程，有利于規模化生產，并降低了成本。
[0033]上述質子膜水電解池僅是一種優選方案，具體并不局限于此，在此基礎上可根據實際需要做出具有針對性的調整，從而得到不同的實施方式，所述一體化集電器與流場板為耐腐蝕的多孔金屬板，比如為多孔鈦板，多孔鈦板通過粒徑為40目到200目的粉末鈦壓制成型，當然一體化集電器與流場板還可以為其它適宜材質的多孔金屬板，比如鎳板、不銹鋼板，具體使用何種多孔金屬板，可以根據實際情況的不同而定。一體化集電器與流場板上的流道10可以通過壓制成型，由兩個平行轉動的輥輪壓制成型，其中一個輥輪表面光滑，另一個輥輪表面上具有與流道10形狀相配合的凸凹形狀槽道，在一體化集電器與流場板的壓制過程中直接將流道10壓制其中，形成流場，一次成型，工序簡單。或者集一體化集電器與流場板上的流道10通過機加工成型，根據所需流道10的形狀由機械加工出流道10，單側加工，易于機加工。
[0034]在上述【具體實施方式】的基礎上，本領域技術人員可以根據具體場合的不同，對質子膜水電解池進行若干改變，流道10為一字型流道或者十字型流道。
[0035]—字型流道的制作，采用金屬粉，通過兩個平行轉動的輥輪壓制，一個輥輪表面光滑，另一個表面上加工有設定深度和寬度的平行槽，比如深度為0.6mm、寬度為1mm，槽與槽之間的間隔不受限制，比如為1mm，兩個平行轉動的輥輪間的間隙即為所需加工的集電器與流場板的厚度，調整輥輪間的間隙，即可調整集電器與流場板的厚度。按上述步驟制得的坯料進一步在真空爐內燒結即為帶流道10的一體化集電器與流場板。
[0036]采用一字流道的流場、電極一體化電解池堆中集電器與流場板的尺寸不受限制，如為= 120X120，厚度為1.5mm，為便于保證各電池的流阻一致，集電器與流場板的一個流道10方向順流體流向，即順應進、出口方向布置。隔板可以為厚度為1.5_鈦平板，也可以為其它合適的平板，電解質膜5可以為NAF10N117，電池總數20個。按常規方法組裝后，經壓力機壓緊后，用拉桿拉緊上端板、下端板，完成電池堆組裝。
[0037]十字型流道與一字型流道的制作方法大體相同，不同的是輥輪的凹槽形狀為十字槽，具有平行槽以及豎直槽，成型后的流道10為十字型流道，其它程序和原理相同，不再一一贅述。采用十字流道的流場、電極一體化電解池堆的過程與采用一字流道的流場、電極一體化電解池堆的過程相同，不再一一贅述。
[0038]電池堆在陽極供水方式運行，在如下條件下進行測試:設定工作溫度，如800C、設定電流密度，如1.0A/cm2，測試結果為:單池電解電壓達到要求，性能與從極板上加工流道10以及分別制取電極的電解池堆基本相同。
[0039]需要特別指出的是，本發明所提供的質子膜水電解池不應被限制于此種情形，所述膜電極層為直接涂敷在所述一體化集電器與流場板上的催化劑或者沉積在所述一體化集電器與流場板上的催化層。將一體化集電器與流場板按通常方法處理，在一體化集電器與流場板不帶流道10的另一側，直接涂敷陽極催化劑，即成為一體化陽極膜電極、集電器與流場板7;直接涂敷陰極催化劑，即為一體化陰極膜電極、集電器與流場板3，操作簡便。也可制成陽極催化層或陰極催化層后，轉移到一體化集電器與流場板上，較為均勻。
[0040]在上述各個具體實施例的基礎上，一體化集電器與流場板的外周包裹有密封圈，電池四周有密封材料密封，實現電池內陰、陽二室間的物質隔離以及防止電池內物質向環境的泄漏。優選地，密封圈的外側與隔板的外緣平齊，加工方便，易于對齊組裝。
[0041]本發明所提供的質子膜水電解池，在其它部件不改變的情況下，相鄰流道10可以相互垂直，也可以具有設定角度的夾角，易于實現通水通氣，方便檢查流道10是否暢通，較為美觀。
[0042]在上述各個具體實施例的基礎上，位于兩側的單電池的外側安裝有端板，將端板、隔板、一體化陰極膜電極、集電器與流場板3、電解質膜5、一體化陽極膜電極、集電器與流場板7、密封圈按相應位置與順序安裝，在壓力機上壓到適合壓力后緊固。質子膜水電解池兩側表面之間具有貫穿的通孔，拉桿穿過通孔，在兩側端板處拉桿通過螺母緊固，易于連接，固定較為牢固，并且，方便拆卸。
[0043]質子膜水電解池的制作方法，包括以下步驟:1、根據一體化集電器與流場板的孔隙率以及孔徑要求，選擇合適粒徑的金屬粉，如純鈦粉末；2、在輾壓機的輥輪上加工流道10，將注入的粉末輾壓成坯，然后按通用的工藝與流程燒結成形，最簡單的流道10為如圖2所示的一字型流道;對所燒結的多孔金屬板按集電器流場板所要求的尺寸剪裁，即成為帶流道1的一體化集電器與流場板;3、將一體化集電器與流場板按通常方法處理，在一體化集電器與流場板不帶流道10的另一側，直接涂敷陽極催化劑，即成為一體化陽極膜電極、集電器與流場板7，或者集電器流場板上的流道10通過機加工制成;4、直接涂敷陰極催化劑，即為一體化陰極膜電極、集電器與流場板3，或者制成陽極催化層或陰極催化層后，轉移到一體化集電器與流場板上;5、將端板、極板、一體化陰極膜電極、集電器與流場板3、電解質膜5、一體化陽極膜電極、集電器與流場板7、密封圈按相應位置與順序安裝，在壓力機上壓到適合壓力后緊固即可交付使用。
[0044]本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
[0045]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【主權項】
1.一種質子膜水電解池，其特征在于，包括一個或若干個依次疊放排布的單電池，所述單電池包括電解質膜(5)、以所述電解質膜(5)為中心兩側依次對稱分布有一體化陰極膜電極、集電器與流場板(3)、上隔板(I)和一體化陽極膜電極、集電器與流場板(7)、下隔板(9)，隔板為平板，一體化膜電極、集電器與流場板靠近所述電解質膜(5)的一側為膜電極層，遠離所述電解質膜(5)的一側為一體化集電器與流場板，所述一體化集電器與流場板靠近所述隔板的一側開設有用于通水通氣的流道(10)，相鄰所述流道(10)相互垂直或者具有夾角。2.根據權利要求1所述的質子膜水電解池，其特征在于，所述一體化集電器與流場板為耐腐蝕的多孔金屬板，所述流道(10)通過兩個平行轉動的輥輪壓制成型，其中一個所述輥輪表面光滑，另一個所述輥輪表面上具有與所述流道(10)形狀相配合的槽道； 或者所述一體化集電器與流場板上的所述流道(10)通過機加工成型。3.根據權利要求2所述的質子膜水電解池，其特征在于，所述流道(10)為一字型流道或者十字型流道。4.根據權利要求3所述的質子膜水電解池，其特征在于，所述一體化集電器與流場板為多孔鈦板，所述多孔鈦板通過粒徑為40目到200目的粉末鈦壓制成型。5.根據權利要求1-4任一項所述的質子膜水電解池，其特征在于，所述膜電極層為直接涂敷或沉積在所述一體化集電器與流場板上的催化劑或者安裝在所述一體化集電器與流場板上的催化層。6.根據權利要求5所述的質子膜水電解池，其特征在于，所述一體化集電器與流場板的外周包裹有密封圈。7.根據權利要求6所述的質子膜水電解池，其特征在于，所述密封圈的外側與所述隔板的外緣平齊。8.根據權利要求7所述的質子膜水電解池，其特征在于，相鄰所述一體化集電器與流場板間的流道(10)相互垂直。9.根據權利要求8所述的質子膜水電解池，其特征在于，位于兩側的所述單電池的外側安裝有端板，所述質子膜水電解池通過壓力機壓到設定壓力后緊固成型。10.根據權利要求9所述的質子膜水電解池，其特征在于，兩側所述端板之間貫穿有拉桿，所述拉桿通過螺母緊固。
【文檔編號】C25B9/18GK106011914SQ201610363920
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】李俊榮, 譚意誠, 謝曙, 張寶俊, 王龍
【申請人】淳華氫能科技股份有限公司