[发明专利]一种固体聚合物电解质电解槽

说明书

技术领域

本发明涉及电解领域，特别涉及一种采用固体聚合物作为电解质的电解槽的 结构及其制备方法。

背景技术

固体聚合物电解质(Solid Polymer Electrolyte，SPE)电解槽由于其结构紧 凑、电流密度高、电解效率高、安全可靠、气体纯度高、使用寿命长、生产能力 大等诸多优势而成为各个国家争相研究的对象，美国和日本在此领域已经占有了 绝对优势，他们已分别开发出了产氢能力为30和60Nm³/h的SPE水电解装置。 随着电解槽电解能力的提高，其体积必将成为制约其发展的重要因素。另外，对 SPE电解槽而言，成本高是制约其发展的最大障碍，一方面是电解催化剂和SPE 膜的价格昂贵，另一方面是其集电体和扩散层均需要价格昂贵的防腐蚀抗氧化、 抗氢脆等材料。因此，如何进一步减少该类材料的用量也是缩小成本的一条途径。 本发明通过对电解槽进行优化设计，达到紧凑整体结构、降低产品成本、提高电 解效率的目的。

WO87/05951提出了一种SPE电解槽结构，涉及到液体的供给和气体的排出 以及槽结构内部的密封等。中国专利94225682.4首次提到了采用平板式多元电 解槽结构，克服了单槽的结构上的不足，其阳极板、阴极板及电极隔板等均为平 板式，并涉及到了气液导入及排出问题。中国专利98221451.0进一步对平板式 多槽进行优化，提出对两极采用凹槽体结构，并在该凹槽体边缘开三至五个非螺 栓孔，达到紧固密封的同时又可提供气液通道。但上述专利从未提出对电解槽内 部的改进。US2006/0237306A1对SPE电解槽整体和内部进行了改进，该设计直 接在分隔层上设计流场，分隔层、集电体和MEA三者接触区域设计为G形保证 密封良好。该专利中没有提及分隔层材料，在分隔层上加工流场具有一定的优点， 可以节省成本，但集电体与催化层(或扩散层)大面积直接相接触，会造成某些 催化剂没有利用，这样虽提高了电解效率，但降低了催化剂利用率。以上专利中 电解槽采用的均为单片集电体与单片扩散层或催化层相接触，在集电体利用率上 还可以进一步提高。

本发明对电解槽内部结构及相关制备方法进行优化，通过对阳极扩散层流场 一体化和对槽体内部单槽联接方式的改进，以进一步达到紧凑整体结构、简化加 工程序，降低产品成本、提高电解效率的目的。

发明内容

本发明目的是提供一种结构紧凑、造价低、使用寿命长、电解效率高的SPE 电解槽结构和相关制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种SPE电解槽，主要包括 端板[2]、绝缘材料[3]、阴极扩散层[4]、MEA[5]、阳极一体化扩散层流场[6]、集 电体[7]等。其两个相邻阳极或阴极共用一个进料口或出料口，两个相邻阳极或 阴极共用一片集电体；阳极扩散层与流场合为一体，环形集电体[7]与阴极扩散 层[4]及阳极一体化扩散层流场[6]以环状接触。

上述技术方案中，所述的绝缘材料[3]采用一定厚度的硅橡胶膜或聚四氟乙烯 (PTFE)膜等，并在绝缘材料[3]上加工出进料口与出料口。

上述技术方案中，所述的阴极扩散层[4]可以采用扩散层和流场一体化结构， 也可以采用两种分开的结构，也可以采用没有流场的结构，其扩散层[4]材料可 以为多孔金属板(多孔钛板、多孔镍板)、金属丝网(镍网、钛网、钛纤维毡)、 碳材料(碳纸、碳布、碳毡)等，流场加工材料可以采用金属板或石墨板等。

上述技术方案中，所述的MEA[5]的制作可以采用喷涂、刷涂、电镀、化学 镀等手段将催化层与扩散层结合，然后与质子膜热压；也可以将催化层与质子膜 采用喷涂、刷涂、电镀、化学镀等手段结合为催化剂覆盖于膜(Catalyst Coated Membrane，简称CCM)或热转印制备MEA后直接装入电解槽，靠螺栓扭紧力 与扩散层结合。两种不同MEA组合方法中可以在催化层与扩散层之间添加其他 导电物质，如金属钛粉、碳粉、碳黑、氧化钛、氮化钛、碳化钛等，也可以不添 加。

上述技术方案中，所述的阳极一体化扩散层流场[6]，其材料可以为多孔金属 板(多孔钛板、多孔镍板)、金属丝网(镍网、钛网、钛纤维毡、不锈钢纤维毡)、 碳材料(碳纸、碳布、碳毡)或几种的混合层等；其成型可以为直接模具压制或 注塑成型，也可以为材料经过抛光、打磨、酸洗等预处理后电加工或机械加工成 型。