CN107611456B - 一种电解水膜电极的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电解水膜电极，电解水膜电极总厚度在1mm以内，氧电极，氢电极之间的距离控制在0.3mm以内，一种电解水膜电极的氧电极、氢电极内含有催化剂，催化剂可以加速水分解为氢气与氧气，提高电解水膜电极在消耗同等功率的条件下，单位时间内产生氢气的速度；在一种电解水膜电极中，氢电极与氧电极紧贴在隔膜的两侧，氢电极与氧电极通过刷涂或者压制的工艺与隔膜连接在一起，隔膜的这种结构形式，可以将氢电极与氧电极之间的距离控制在最小的范围以内，减少氢电极与氧电极的之间离子传导的距离，从而降低离子传导的电阻。
Description
技术领域
本发明涉及一种电解水膜电极制造技术，主要应用于直流电解水制造氢气、氧气的的设备。
背景技术
直流电解水制氢技术的发展已经有很多年了，目前碱性制氢、质子交换膜制氢技术已经比较成熟，尤其是碱性电解水制氢技术已经广泛应用于工业化制氢，质子交换膜制氢也已经应用于对价格不太敏感的家庭电解水机，以上两种制氢设备均已工业化生产。众所周知，直流电解制氢的核心部件是氧电极和氢电极，氧电极，氢电极的性能直接决定碱性制氢、质子交换膜制氢的效率，即：单位时间内电极氢气，氧气的产生量，氢气纯度、生产成本等，碱性制氢的氧电极使用的是不锈钢，氢电极使用的是不锈钢镀镍，氧电极，氢电极之间有一定的距离，这种结构就造成氧电极和氢电极之间电阻增大，氢气产气率很低，氧电极和氢电极过电压比较高，槽电压一般在2.1-2.5v之间，而水的理论分解电压为1.24v，这就说明电解电压很大一部分被氧电极和氢电极之间的电阻消耗，产生热量，使电解制氢能耗增加，这就造成能源的浪费，制造氢气、氧气的成本过高；质子交换膜制氢是在质子交换膜两侧涂刷或者压制贵金属催化剂，贵金属包含铂、钯、钌等，质子交换膜除了价格很高(8000-10000元/m3)，质子交换膜生产技术还被美国杜邦公司垄断，虽然质子交换膜电极制造氢气的效率比较高，但是由于质子交换膜做为制造质子交换膜电极的基本材料，这就使制造氧电极和氢电极成本过于昂贵，目前无法应用于工业化制氢领域。
发明内容
为了克服现有电解水制氢所存在的上述问题，本发明提供一种电解水膜电极的制造方法，电解水膜电极总厚度在≤0.8mm，氧电极，氢电极之间的距离≤0.3mm，一种电解水膜电极主要由隔膜、氧电极，氢电极、氧电极集流体、氢电极集流体组成，隔膜主体采用聚合物滤布，聚合物滤布经过经过化学处理以后，就具备离子导通的功能，再加上聚合物滤布具有均匀分布的微孔，微孔的存在有利于离子的导通，可以降低氧电极与氢电极之间的电阻，降低氧电极与氢电极之间的过电位；氢电极与氧电极通过刷涂或者压制的工艺与隔膜连接在一起，隔膜的这种加工形式，可以将氢电极与氧电极之间的距离控制在最小的范围以内，减少氢电极与氧电极之间离子传导的距离，从而降低离子传导的电阻；氧电极，氢电极是由粘接剂与催化剂、导电剂组成，催化剂可以加速水分子分解为氧气、氢气，导电剂可以降低氧电极、氢电极的电阻，降低氧电极和氢电极的过电位，增加电解效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电解水膜电极主要由隔膜、氢电极、氧电极、氧电极集流体、氢电极集流体组成，隔膜主体采用聚合物滤布，聚合物滤布分别经过KOH水溶液浸泡、聚乙烯醇水溶液浸泡、聚合物滤布化学交联、聚合物滤布的微孔中嵌入KOH离子几个步骤加工；氢电极、氧电极由锰系氧化物、导电剂与粘接剂混合组成，氢电极、氧电极与隔膜通过粘接，加热加压的方式紧密连接，氧电极集流体与氧电极、氢电极集流体与氢电极通过机械的方法紧密连接；具体实施步骤为：
隔膜加工工艺：隔膜主体采用聚合物滤布，聚合物滤布经过如下步骤的加工：
1.聚合物滤布的选择：聚合物滤布为多孔结构，孔径控制范围：80---300目，聚合物滤布厚度在0.1-0.3mm之间。聚合物滤布可以采用聚丙烯滤布， 涤纶滤布，锦纶滤布，聚苯乙烯滤布、尼龙滤布、尼龙无纺布等聚合物滤布。
2.聚合物滤布预处理：聚合物滤布预先用浓度为20-40％(重量百分比)的KOH水溶液浸泡15-30小时，浸泡完成后，用清水冲洗，直至清洗水PH值显示中性为止，然后将处理好的聚合物滤布干燥。
3.聚合物滤布表面处理加工工艺：
A.聚合物滤布用聚乙烯醇水溶液浸泡：
制作聚乙烯醇溶液的原料及重量：去离子水100g，聚乙烯醇15-20g；具体工艺为：将100g去离子水加温到85--100℃，缓慢加入15-30g聚乙烯醇，不断搅拌，直到聚乙烯醇完全溶解在去离子水中；溶解好以后，使聚乙烯醇水溶液温度降至60℃以下时，将聚合物滤布完全浸泡在聚乙烯醇水溶液中，浸泡时间5-10分钟；然后将浸泡好的聚合物滤布从聚乙烯醇水溶液中捞出，平铺干燥。
B浸泡过聚乙烯醇溶液的聚合物滤布化学交联：
交联溶液的原料及重量：去离子水100g，乙醛15--30g，盐酸8--20g：具体工艺为：将去离子水、乙醛、盐酸混合均匀；将A步骤干燥以后的聚合物滤布浸泡在交联溶液中，浸泡时间30--50分钟，浸泡完成后，用水反复冲洗，直到冲洗水PH显示中性为止。
C.在交联完成聚合物滤布的微孔中嵌入KOH离子：
配置浓度为20-40％(重量百分比)的KOH水溶液：将B步骤完成的已经交联完成聚合物滤布浸泡在KOH水溶液，浸泡时间12-24小时；浸泡完成后，用水反复冲洗，直到冲洗水的PH显示中性为止，晾干备用。
至此，经过上述的1、2、3步骤的工艺过程，聚合物滤布加工完成，作为一 种电解水膜电极的隔膜使用。
氧电极、氢电极加工工艺
1.制作氢电极、氧电极的催化剂、导电剂、粘接剂的选择
催化剂采用锰系氧化物，包括二氧化锰(MnO2)、三氧化二锰(Mn2O3)、四氧化三锰(Mn3O4)以及锰的其它化合物。
氧电极导电剂选择石墨粉，氢电极导电剂可以选择石墨粉、炭黑。
粘接剂选择聚四氟乙烯水分散液(含固量60％)、氯化聚乙烯、三元乙丙橡胶等。
2.制作氢电极、氧电极原料的配比及混合
A.粘接剂选用聚四氟乙烯水分散液原料按照如下配比：
选用聚四氟乙烯水分散液作为粘接剂的氢电极、氧电极加工方法：
a.将催化剂、导电剂按比例混合均匀。
b.将聚四氟乙烯水分散液加入去离子水进行稀释。
c.将稀释后的聚四氟乙烯水分散液和催化剂与导电剂的混合物混合均匀。
d.将c步骤的浆料刷涂到已经加工好的隔膜两侧，一边是氧电极，另一面是氢电极，刷涂厚度控制在0.1-0.3mm，然后自然干燥或者加温干燥。
e.将d步骤完成的氢电极，氧电极用压力机加压成型，压力机设定参数为：加热温度70--90，压力20-50kg/cm2，压制时间1-5分钟。
f.压制成型的氢电极、氧电极厚度分别控制在0.05-0.2mm。
B.粘接剂如果选用氯化聚乙烯、三元乙丙橡胶，按照如下配比：
选用氯化聚乙烯、三元乙丙橡胶作为粘接剂的氢电极、氧电极加工方法：
a.将催化剂、导电剂按比例混合均匀。
b.用甲苯将氯化聚乙烯或者三元乙丙橡胶溶解。
c.将溶解好的氯化聚乙烯或者三元乙丙橡胶和催化剂与导电剂的混合物混合均匀。
d.将c步骤的浆料刷涂到已经加工好的隔膜两侧，一边是氧电极，另一面是氢电极，刷涂厚度控制在0.1-0.3mm，然后自然干燥或者加温干燥。
e.将d步骤完成的氢电极(3)，氧电极(4)用压力机加压成型，压力机设定参数为：加热温度70--90℃，压力20-50kg/cm2，压制时间1-5分钟。
f.压制成型的氢电极、氧电极厚度控制在0.05-0.2mm。
氧电极集流体、氢电极集流体的选择：
氧电极集流体可以采用钛网电镀铂、电镀铱钌合金等。
氢电极集流体可以采用钛网电镀铂、钛网电镀铱钌合金，氢电极集流体还可以选用镍网，不锈钢网等。
一种电解水膜电极装配顺序为：
氧电极集流体与氧电极、氢电极集流体与氢电极通过机械的方法紧密连接；装配顺序为：氢电极集流体-氢电极--隔膜-氧电极-氧电极集流体。
一种电解水膜电极的外形可以是平面形状也可以是立体形状，平面形状是 指圆形、方形或者其它几何平面；立体形状是指园锥体、圆台体、圆柱体或其它几何体形状。
本发明的有益效果是：由一种电解水膜电极的制造方法制做的一种电解水膜电极可以降低电解水氢电极与氧电极之间的槽电压，减少氢电极、氧电极的过电位，降低电解水制氢，制氧的能耗，降低现有制氢电极的制造成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是一种电解水膜电极的原理结构图。
图号说明：1.隔膜，2.氢电极集流体，3.氢电极，4.氧电极，5.氧电极集流体。
具体实施方式
实施例1：参照图1、图1是一种电解水膜电极的原理结构图，隔膜1加工工艺：
1.聚合物滤布选择涤纶滤布，孔径为120目；
2.涤纶滤布预处理：涤纶滤布用浓度为30％(重量百分比)的KOH水溶液浸泡24小时；
3.涤纶滤布用聚乙烯醇水溶液浸泡：去离子水100g，聚乙烯醇18g，具体工艺为：将100g去离子水加温到90℃，缓慢加入18g聚乙烯醇，不断的搅拌，直到聚乙烯醇完全溶解在去离子水中；溶解好以后，在聚乙烯醇水溶液温度降至60℃以下时，将涤纶滤布完全浸泡在聚乙烯醇水溶液中，浸泡时间8分钟；然后将浸泡好的涤纶滤布从聚乙烯醇水溶液中捞出，平铺干燥。
4.涤纶滤布化学交联：去离子水100g，乙醛20g，盐酸10g：具体工艺为： 将去离子水、乙醛、盐酸混合均匀；将A步骤干燥以后的涤纶滤布浸泡在交联溶液中，浸泡时间30分钟，浸泡完成后，用水反复冲洗，直到冲洗水的PH显示中性为止。
5.在涤纶滤布的微孔中嵌入KOH离子：配置浓度为30％(重量百分比)的KOH水溶液：将B步骤完成交联的涤纶滤布浸泡在KOH水溶液，浸泡时间12-24小时，浸泡完成后，用水反复冲洗，直到冲洗水的PH显示中性为止，晾干备用。
氧电极4、氢电极3加工方法：
1.制作氢电极3、氧电极4的催化剂、导电剂、粘接剂的选择催化剂采用四氧化三锰(Mn3O4)，导电剂选择石墨粉。
粘接剂选择氯化聚乙烯。
2.氢电极3、氧电极4涂层的配比及混合
氢电极3、氧电极4的成型工艺：
a.将四氧化三锰(Mn3O4)、石墨粉按比例混合均匀，
b.用甲苯将氯化聚乙烯溶解。
c.将溶解好的氯化聚乙烯和四氧化三锰(Mn3O4)与石墨粉的混合物混合均匀。
d.将c步骤的浆料刷涂到已经加工好的隔膜1两侧，一边是氧电极4，另一面是氢电极3，刷涂厚度控制在≤0.2mm，然后自然干燥或者加温干燥。
e.将d步骤完成的氢电极3，氧电极4用压力机加压成型用压力机加压成型，压力机设定参数为：加热温度80℃，压力30kg/cm2，压制时间2分钟。
f.氧电极4、氢电极3厚度分别控制在≤0.1mm。
氧电极集流体5采用钛网电镀铱钌合金。
氢电极集流体2采用镍网。
氧电极集流体5与氧电极4、氢电极集流体2与氢电极3通过机械的方法紧密连接；一种电解水膜电极装配顺序为：氢电极集流体2-氢电极3--隔膜1-氧电极4-氧电极集流体5。
Claims (10)
1.一种电解水膜电极的制造方法，一种电解水膜电极主要由隔膜(1)、氢电极集流体(2)、氢电极(3)、氧电极(4)、氧电极集流体(5)组成，其特征是：隔膜(1)主体采用聚丙烯滤布或涤纶滤布或锦纶滤布或聚苯乙烯滤布或尼龙滤布其中的一种滤布，滤布经过KOH水溶液浸泡、聚乙烯醇水溶液浸泡、用去离子水100g，乙醛15--30g，盐酸8--20g配置的交联溶液进行化学交联；在滤布的微孔中嵌入KOH离子几个步骤加工；氢电极(3)、氧电极(4)由锰系氧化物、导电剂与粘接剂混合组成，氢电极(3)、氧电极(4)与隔膜(1)通过粘接，加热加压的方式紧密连接，氧电极集流体(5)与氧电极(4)、氢电极集流体(2)与氢电极(3)通过机械的方法紧密连接。
2.根据权利要求1所述的一种电解水膜电极的制造方法，其特征是：隔膜(1)主体采用的滤布为多孔结构，孔径控制范围：80---300目，厚度在0.1-0.3mm之间。
3.根据权利要求1所述的一种电解水膜电极的制造方法，其特征是：隔膜(1)主体采用的滤布用浓度为20-40％(重量百分比)的KOH水溶液浸泡15-30小时，浸泡完成后，用清水冲洗，直至清洗水PH值显示中性为止，然后将处理好的滤布进行干燥。
4.根据权利要求1所述的一种电解水膜电极的制造方法，其特征是：隔膜(1)主体采用的滤布用聚乙烯醇水溶液浸泡：将100g去离子水加温到85--100℃，缓慢加入15-30g聚乙烯醇，不断搅拌直到聚乙烯醇完全溶解在去离子水中，溶解好以后使聚乙烯醇水溶液温度降至60℃以下，将滤布完全浸泡在聚乙烯醇水溶液中，浸泡时间5-10分钟，然后将浸泡好的滤布从聚乙烯醇水溶液中捞出并平铺干燥。
5.根据权利要求1所述的一种电解水膜电极的制造方法，其特征是：浸泡过聚乙烯醇水溶液的隔膜(1)主体采用的滤布化学交联具体工艺为：将去离子水、乙醛、盐酸混合均匀；将浸泡过聚乙烯醇溶液并已经干燥的滤布浸泡在交联溶液中，浸泡时间30--50分钟，浸泡完成后用水反复冲洗，直到冲洗水PH显示中性为止。
6.根据权利要求1所述的一种电解水膜电极的制造方法，其特征是：在交联完成的隔膜(1)主体采用的滤布微孔中嵌入KOH离子：配置浓度为20-40％(重量百分比)的KOH水溶液：将已经完成化学交联的滤布浸泡在KOH水溶液中，浸泡时间12-24小时，浸泡完成后用水反复冲洗，直到冲洗水的PH显示中性为止，晾干备用。
7.根据权利要求1所述的一种电解水膜电极的制造方法，其特征是：氢电极(3)、氧电极(4)催化剂采用二氧化锰(MnO2)或三氧化二锰(Mn2O3)或四氧化三锰(Mn3O4)其中的一种，氧电极(4)导电剂选择石墨粉，氢电极(3)导电剂选择石墨粉或炭黑其中的一种；氢电极(3)、氧电极(4)粘接剂选择聚四氟乙烯水分散液或氯化聚乙烯或三元乙丙橡胶其中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种电解水膜电极的制造方法，其特征是：制作氢电极(3)、氧电极(4)原料的配比及制作工艺：
A.粘接剂选用聚四氟乙烯水分散液加工工艺：
原料按照如下配比：
氢电极(3)、氧电极(4)加工方法：
a.将锰系氧化物、导电剂按比例混合均匀；
b.将聚四氟乙烯水分散液加入去离子水进行稀释；
c.将稀释后的聚四氟乙烯水分散液和锰系氧化物与导电剂的混合物混合均匀；
d.将c步骤的浆料刷涂到已经加工好的隔膜(1)两侧，一边是氧电极(4)，另一面是氢电极(3)，刷涂厚度控制在0.1-0.3mm，然后自然干燥或者加温干燥；
e.将d步骤完成的氢电极(3)，氧电极(4)用压力机加压成型，压力机设定参数为：加热温度70--90℃，压力20-50kg/cm2，压制时间1-5分钟；
f.压制成型的氢电极(3)、氧电极(4)厚度分别控制在0.05-0.2mm。
9.根据权利要求1所述的一种电解水膜电极的制造方法，其特征是：氧电极集流体(5)、氢电极集流体(2)采用钛网电镀铂或钛网电镀铱钌合金其中的一种。
10.根据权利要求1所述的一种电解水膜电极的制造方法，其特征是：一种电解水膜电极装配顺序为：氢电极集流体(2)-氢电极(3)--隔膜(1)-氧电极(4)-氧电极集流体(5)。
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