一種靜態供水質子交換膜電解水裝置的製作方法
2023-10-26 06:14:07 2
專利名稱：一種靜態供水質子交換膜電解水裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於質子交換膜電解水領域，具體涉及一種靜態供水質子交換膜電解水裝置。
背景技術：
隨著人類航天活動的日益頻繁，相關的航天設備的需求也越來越大。質子交換膜電解水裝置能夠將水電解成純度很高的氫氣和氧氣。一方面，氫氣和氧氣能夠作為高能推進劑提供給空間飛行器推進系統；另一方面，質子交換膜電解水裝置所用的水和產物氧氣均是航天員空間生存的關鍵資源，這使得質子交換膜電解水裝置能夠跟空間生保系統完美結合。因此，質子交換膜電解水裝置逐漸受到航天領域的重視。普通的質子交換膜電解水裝置主要用於地面產氫和制氧，不能很好的適應空間應用要求。首先，其產生的氫氣和氧氣壓強較低，需要額外的增壓設備才能夠達到空間存儲和使用所需的壓強。另外，普通的質子交換膜電解水裝置裡的水和產生的氣體混在一起，在地面環境下，可以依靠重力使氣體自然逸出，但在空間無重力環境下，需要額外的水汽分離裝置才能夠將氣體產物分離出來。
發明內容
針對現有技術中存在的問題，本發明提出一種靜態供水質子交換膜電解水裝置， 本發明的目的是將低壓水直接電解成可以充填高壓氣瓶的高壓氫氧氣體。該裝置不需要水氣分離裝置，並且其產生的氣體為高壓氣體，一般可達14MPa以上，在地面使用時可以省掉氣體增壓裝置，使系統簡化。本發明提出一種靜態供水質子交換膜電解水裝置，該裝置由順次橫向相連的靜態供水腔、半透過性膜組件、氫氣生成腔、加強膜電極組件和氧氣生成腔組成，靜態供水腔中的水在擴散作用下通過半透過性膜組件，以水蒸氣的形式到達氫氣生成腔，然後擴散到加強膜電極組件。加強膜電極組件將水蒸氣電解，分別在靠近氫氣生成腔一側生成氫氣，在靠近氧氣生成腔一側生成氧氣。所述的靜態供水腔為普通的空腔，能夠長時間存儲常壓即Iatm壓強的水，頂端具有進水口，底端具有排水口。所述的半透過性膜組件的結構，包括順次緊壓在一起的左側抗壓結構支撐件、左側催化層、半透過性膜、右側催化層和右側抗壓結構支撐件。左側抗壓結構支撐件與靜態供水腔相接，右側抗壓結構支撐件與氫氣生成腔相接。左側抗壓結構支撐件一方面為整個半透過性膜組件提供支撐，使其能夠承受氫氣生成腔和靜態供水腔之間的巨大壓差，另一方面具有導電功能，使外接電勢能夠傳導到左側催化層。左側抗壓結構支撐件採用多孔介質結構，使靜態供水腔中的水能夠通過左側抗壓結構支撐件流向半透過性膜。左側抗壓結構支撐件覆蓋住左側催化層，對外預留一個接線端子，用於與外接電源正極相連，左側抗壓結構支撐件的材料選用導電性好，強度高，耐腐蝕的鈦合金。左側催化層用於將氫氣分解成氫離子，材料採用炭載鉬多孔介質催化層。半透過性膜只允許水分子和質子(氫離子H+)通過，而不允許氫分子等其它物質自由通過，選用強度較高的質子交換膜。右側催化層用於促進氫離子重新生成氫氣，採用炭載鉬多孔介質催化層。右側抗壓結構支撐件一方面用於提高整個半透過性膜組件的可靠性，防止靜態供水腔壓強高於氫氣生成腔壓強時半透過性膜遭到破壞，另一方面具有導電功能，使外接電勢能夠傳導到右側催化層。右側抗壓結構支撐件採用多孔介質結構，與氫氣生成腔相接，右側抗壓結構支撐件覆蓋住右側催化層，對外預留一個接線端子，用於與外接電源負極相連，右側抗壓結構支撐件的材料選用導電性好，耐腐蝕的鈦合金材料。所述的氫氣生成腔與半透過性膜組件和加強膜組件之間均採用絕緣層壓合在一起，整個氫氣生成腔的寬度小於1mm，且預留一個氫氣出口輸出生成的氫氣。所述的加強膜電極組件包括順次緊壓在一起的左側膜電極支撐件、普通膜電極組件和右側膜電極支撐件。左側膜電極支撐件和右側膜電極支撐件均採用多孔介質結構，表面面積完全覆蓋中間的普通膜電極組件，對外均預留一個接線端子，分別用於與外接電源相連(左側膜電極支撐件與外接電源的負極相連，右側膜電極支撐件與外接電源正極極相連)。左側膜電極支撐件材料選用與高壓氫氣相容的316L不鏽鋼材料，右側膜電極支撐件材料選用與高壓氧相容的301L不鏽鋼。所述的氧氣生成腔的壁面選用與高壓氧相容的301L不鏽鋼材料，與加強膜電極組件採用絕緣材料隔開，預留一個氧氣出口輸出生成的氧氣。本發明的靜態供水質子交換膜電解水裝置工作時，向靜態供水腔1中供入常壓 (Iatm)水，同時將左側抗壓結構支撐件的接線端子和右側抗壓結構支撐件的接線端子分別接入外接電源的正負極；將左側膜電極支撐件和右側膜電極支撐件的接線端子分別接入外接電源的負極和正極，外接電源的電壓小於IV。水經由半透過性膜擴散到氫氣生成腔，在半透過性膜8的控制作用下，擴散到氫氣生成腔，形成接近飽和蒸汽壓的水蒸氣，然後，擴散到普通膜電極組件。在普通膜電極組件靠近氫氣生成腔一側和靠近氧氣生成腔一側，水分別被電解成氫氣和氧氣。此時，生成的氫氣和氧氣中含有少量的水蒸氣，可以分別經氫氣生成腔和氧氣生成腔的氫氣出氣口和氧氣出氣口直接輸出到高壓儲氣瓶或者經過簡單的乾燥後再輸出。由於氫氣生成腔壓強遠遠高於靜態供水腔，少量氫氣會通過半透過性膜滲透到靜態供水腔。滲透到靜態供水腔1的氫氣在外接電源和左側催化層的作用下被分解成氫離子，經由半透過性膜到達右側催化層，重新生成氫氣回到氫氣生成腔，最終由氫氣生成腔的氫氣出口中輸出，而氧氣則由氧氣生成腔的氧氣出口中輸出。本發明的優點在於(1)本發明提出一種靜態供水質子交換膜電解水裝置可以直接將低壓水電解成高壓的氫氣和氧氣，節省了氣體增壓裝置；(2)本發明提出一種靜態供水質子交換膜電解水裝置電解出的氫氧氣體不含液態水，節省了複雜的水汽分離裝置；(3)本發明提出一種靜態供水質子交換膜電解水裝置整個電解池結構簡單，不存在轉動部件，質量小，可靠性高。
圖1 本發明提出一種靜態供水質子交換膜電解水裝置的結構示意圖；圖2 本發明提出一種靜態供水質子交換膜電解水裝置中半透過性膜組件結構示意圖；圖3 本發明提出一種靜態供水質子交換膜電解水裝置中加強膜電極組件結構示意圖。圖中1-靜態供水腔；2-半透過性膜組件；3-氫氣生成腔；4-加強膜電極組件； 5-氧氣生成腔； 6-左側抗壓結構支撐件；
7-左側催化層；8-半透過性膜；9-右側催化層；10-右側抗壓結構支撐件；11-左側膜電極支撐件；12-普通膜電極組件；13-右側膜電極支撐件。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。本發明提出一種靜態供水質子交換膜電解水裝置，如圖1所示，該裝置由順次橫向相連的靜態供水腔1、半透過性膜組件2、氫氣生成腔3、加強膜電極組件4和氧氣生成腔 5組成，靜態供水腔中的水在擴散作用下通過半透過性膜組件2，以水蒸氣的形式到達氫氣生成腔3，然後擴散到加強膜電極組件4。加強膜電極組件4將水蒸氣電解，分別在靠近氫氣生成腔3 —側生成氫氣，在靠近氧氣生成腔5 —側生成氧氣。半透過性膜組件將液態水阻隔在靜態供水腔，水透過半透過性膜組件後都是以水蒸氣的形式運動的，因此在氫氣生成腔和氧氣生成腔內中沒有液態水。所述的靜態供水腔1為普通的空腔，能夠長時間存儲常壓即Iatm壓強的水，頂端具有進水口，底端具有排水口。所述的半透過性膜組件的結構如圖2所示，包括順次緊壓在一起的左側抗壓結構支撐件6、左側催化層7、半透過性膜8、右側催化層9和右側抗壓結構支撐件10。左側抗壓結構支撐件6與靜態供水腔1相接，右側抗壓結構支撐件10與氫氣生成腔3相接。左側抗壓結構支撐件6 —方面為整個半透過性膜組件2提供支撐，使其能夠承受氫氣生成腔3和靜態供水腔1之間的巨大壓差，另一方面具有導電功能，使外接電勢能夠傳導到左側催化層7。左側抗壓結構支撐件6採用多孔介質結構，使靜態供水腔1中的水能夠通過左側抗壓結構支撐件6流向半透過性膜8。左側抗壓結構支撐件6覆蓋住左側催化層7，對外預留一個接線端子，用於與外接電源正極相連，左側抗壓結構支撐件6的材料選用導電性好，強度高，耐腐蝕的鈦合金。左側催化層7用於將氫氣分解成氫離子，材料採用炭載鉬多孔介質催化層。半透過性膜只允許水分子和質子(氫離子)通過，而不允許氫分子等其它物質自由通過，選用強度較高的質子交換膜。右側催化層9用於促進氫離子重新生成氫氣，採用炭載鉬多孔介質催化層。右側抗壓結構支撐件10 —方面用於提高整個半透過性膜組件2的可靠性，防止靜態供水腔壓強高於氫氣生成腔壓強時半透過性膜8遭到破壞，另一方面具有導電功能，使外接電勢能夠傳導到右側催化層9。右側抗壓結構支撐件10採用多孔介質結構，與氫氣生成腔3相接，右側抗壓結構支撐件10覆蓋住右側催化層9，對外預留一個接線端子，用於與外接電源負極相連，右側抗壓結構支撐件10的材料選用導電性好，耐腐蝕的鈦合金材料。
5
所述的氫氣生成腔3與半透過性膜組件2和加強膜組件3之間均採用絕緣層壓合在一起，整個氫氣生成腔3的寬度小於1mm，並預留一個氫氣出口輸出生成的氫氣。所述的加強膜電極組件4結構圖3所示，包括順次緊壓在一起的左側膜電極支撐件11、普通膜電極組件12和右側膜電極支撐件13。左側膜電極支撐件11和右側膜電極支撐件13均採用多孔介質結構，表面面積完全覆蓋中間的普通膜電極組件12，對外均預留一個接線端子，分別用於與外接電源相連(左側膜電極支撐件11與外接電源的負極相連，右側膜電極支撐件13與外接電源正極極相連)。左側膜電極支撐件11材料選用與高壓氫氣相容的316L不鏽鋼材料，右側膜電極支撐件13材料選用與高壓氧相容的301L不鏽鋼。所述的氧氣生成腔5的壁面選用與高壓氧相容的301L不鏽鋼材料，與加強膜電極組件4採用絕緣材料隔開，預留一個氧氣出口輸出生成的氧氣。本發明的靜態供水質子交換膜電解水裝置工作時，向靜態供水腔1中供入常壓 (Iatm)水，同時將左側抗壓結構支撐件6的接線端子和右側抗壓結構支撐件10的接線端子分別接入外接電源的正負極；將左側膜電極支撐件11和右側膜電極支撐件13的接線端子分別接入外接電源的負極和正極，外接電源的電壓小於IV。水經由半透過性膜8擴散到氫氣生成腔3，在半透過性膜8的控制作用下，擴散到氫氣生成腔3，形成接近飽和蒸汽壓的水蒸氣，然後，擴散到普通膜電極組件12。在普通膜電極組件12靠近氫氣生成腔一側和靠近氧氣生成腔一側，水分別被電解成氫氣和氧氣。此時，生成的氫氣和氧氣中含有少量的水蒸氣，可以分別經氫氣生成腔3和氧氣生成腔5的氫氣出氣口和氧氣出氣口直接輸出到高壓儲氣瓶或者經過簡單的乾燥後再輸出。由於氫氣生成腔3壓強遠遠高於靜態供水腔，少量氫氣會通過半透過性膜8滲透到靜態供水腔1。滲透到靜態供水腔1的氫氣在外接電源和左側催化層7的作用下被分解成氫離子，經由半透過性膜到達右側催化層9，重新生成氫氣回到氫氣生成腔3，最終由氫氣生成腔3的氫氣出口中輸出，而氧氣則由氧氣生成腔5的氧氣出口中輸出(水被催化電解需要外接電壓高於一定值(一般為1. 3V以上)，左側催化層 7和右側催化層外接的電壓主要用來促進氫離子回到氫氣生成腔，遠低於這個值)所述的左側抗壓結構支撐件6的接線端子和右側抗壓結構支撐件10紙件的電壓理論上可以很小，一般小於IV ；左側膜電極支撐件11和右側膜電極支撐件13之間的電壓大於1.3V，一般在1.4到2V之間。本發明提出的一種靜態供水質子交換膜電解水裝置，與現有的水電解裝置不同 (產生的氣體與水混合在一起的)，不需要水氣分離裝置，並且其產生的氣體為高壓氣體， 一般可達14MPa以上，在地面使用時可以省掉氣體增壓裝置，使系統簡化。
權利要求
1.一種靜態供水質子交換膜電解水裝置，其特徵在於所述的靜態供水質子交換膜電解水裝置由順次橫向相連的靜態供水腔、半透過性膜組件、氫氣生成腔、加強膜電極組件和氧氣生成腔組成，靜態供水腔中的水在擴散作用下通過半透過性膜組件，以水蒸氣的形式到達氫氣生成腔，然後擴散到加強膜電極組件；所述的靜態供水腔為空腔，內部存儲常壓水，頂端具有進水口，底端具有排水口 ；所述的半透過性膜組件的結構，包括順次緊壓在一起的左側抗壓結構支撐件、左側催化層、半透過性膜、右側催化層和右側抗壓結構支撐件；左側抗壓結構支撐件與靜態供水腔相接，右側抗壓結構支撐件與氫氣生成腔相接；左側抗壓結構支撐件覆蓋住左側催化層，對外預留一個接線端子，用於與外接電源正極相連，所述的左側催化層用於將氫氣分解成氫離子，半透過性膜只允許水分子和質子通過；右側催化層用於促進氫離子重新生成氫氣， 右側抗壓結構支撐件覆蓋住右側催化層，對外預留一個接線端子，用於與外接電源負極相連；所述的氫氣生成腔與加強膜組件之間、氫氣生成腔與半透過性膜組件之間均採用絕緣層壓合連接，並預留一個氫氣出口輸出生成的氫氣；所述的加強膜電極組件包括順次緊壓在一起的左側膜電極支撐件、普通膜電極組件和右側膜電極支撐件；左側膜電極支撐件和右側膜電極支撐件對外均預留有接線端子，分別用於與外接電源相連的負極和正極相連接；所述的氧氣生成腔的壁面與加強膜電極組件之間採用絕緣材料隔開，預留一個氧氣出口輸出生成的氧氣。
2.根據權利要求1所述的一種靜態供水質子交換膜電解水裝置，其特徵在於所述的左側抗壓結構支撐件和右側抗壓結構支撐件均採用多孔介質結構，材料均為鈦合金。
3.根據權利要求1所述的一種靜態供水質子交換膜電解水裝置，其特徵在於所述的左側催化層和右側催化層均為炭載鉬多孔介質催化層。
4.根據權利要求1所述的一種靜態供水質子交換膜電解水裝置，其特徵在於所述的半透過性膜為質子交換膜。
5.根據權利要求1所述的一種靜態供水質子交換膜電解水裝置，其特徵在於所述的氫氣生成腔的寬度小於1mm。
6.根據權利要求1所述的一種靜態供水質子交換膜電解水裝置，其特徵在於所述的左側膜電極支撐件和右側膜電極支撐件均採用多孔介質結構。
7.根據權利要求1所述的一種靜態供水質子交換膜電解水裝置，其特徵在於所述的左側膜電極支撐件材料、右側膜電極支撐件材料和氧氣生成腔的材料為301L不鏽鋼。
全文摘要
本發明提出一種靜態供水質子交換膜電解水裝置，該裝置由順次橫向相連的靜態供水腔、半透過性膜組件、氫氣生成腔、加強膜電極組件和氧氣生成腔組成，該裝置不需要水氣分離裝置，並且其產生的氣體為高壓氣體，一般可達14MPa以上，在地面使用時可以省掉氣體增壓裝置，使系統簡化。
文檔編號C25B1/10GK102181878SQ201110102950
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月22日 優先權日2011年4月22日
發明者劉宇, 曹熙煒, 林震, 王長輝 申請人:北京航空航天大學