一種固態(tài)聚合物電解質(zhì)水電解池雙極板及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種固態(tài)聚合物電解質(zhì)(SPE)水電解池雙極板及其制備方法，屬于固態(tài)聚合物電解質(zhì)水電解池技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]雙極板是SPE水電解池的核心部件，占電池組重量和成本的絕大部分,不僅要求具備有很好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕，還要有較高的機(jī)械強(qiáng)度和氣體不可滲透性等特點(diǎn)，所以一直是開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。固態(tài)聚合物電解質(zhì)水電解池雙極板常用材料為金屬，金屬材料不僅強(qiáng)韌性好，而且機(jī)械加工性能、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、致密性均較好。現(xiàn)有技術(shù)中的代表文獻(xiàn)如下:
[0003]CN1966777A中描述了一種質(zhì)子交換膜電解水裝置，該裝置所用極板采用一體式結(jié)構(gòu)。具體為:其陰極板和陽(yáng)極板采用l_4mm的鈦合金或其他耐腐蝕合金板材，加工過(guò)程中先在金屬板上加工出溝槽、流道、導(dǎo)流槽和密封槽部分，使其陰極板和陽(yáng)極板雙面都有流道溝槽。隨后再加工出電解水、氣體進(jìn)出口方形通孔，氫氧流場(chǎng)板設(shè)計(jì)為線(xiàn)性流道，流道深0.3-0.6mm,寬 0.5-1.0mm。
[0004]日本專(zhuān)利JP2000273681A1提出了一種金屬超塑成型技術(shù)，該技術(shù)將金屬薄板沖壓成型，使得極板兩側(cè)表面形成流道，經(jīng)過(guò)導(dǎo)電處理后完成極板的加工。
[0005]本發(fā)明的雙極板不同于以上兩種工藝，極板平整度高，平板涂層較耐腐蝕，對(duì)其批量化生產(chǎn)有著至關(guān)重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于提供一種滿(mǎn)足固態(tài)聚合物電解質(zhì)水電解池使用的金屬雙極板及其制備方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0008]一種固態(tài)聚合物電解質(zhì)水電解池雙極板為分體式三層結(jié)構(gòu)，其外側(cè)兩層為放置密封膠線(xiàn)的邊框，中間為分隔板，該極板制備方式包括以下步驟:
[0009]( I)首先加工邊框和分隔板；
[0010](2)其次將分隔板進(jìn)行導(dǎo)電處理；
[0011](3)最后將兩層邊框和步驟(2)的分隔板粘合后焊接，或者直接將三層組件焊接。
[0012]所述的邊框和分隔板材質(zhì)可以是不銹鋼、鈦、鈦合金的一種，或幾種的組合。
[0013]所述的步驟(I)的邊框的通孔、導(dǎo)流槽及外形可采用沖壓、鍛壓、模壓、機(jī)加工或電加工的一種或幾種組合的方式加工；而分隔板可以是整體的片狀平板，也可以在環(huán)狀內(nèi)邊框內(nèi)部區(qū)域形成波紋狀流場(chǎng)板，所用加工方式包括沖壓、模壓、機(jī)加工或電加工的一種或幾種組合。
[0014]所述的步驟(2)的導(dǎo)電處理工藝為電鍍、燒結(jié)或真空濺射；所述涂層材料為Ag、Pt、Au、氧化銥、銥釕氧化物、銥錫氧化物、氮化鈦或碳化鈦。
[0015]所述的氫(或氧)側(cè)邊框，包括:一個(gè)環(huán)狀外邊框，兩個(gè)氧氣(或氫氣)通孔環(huán)狀邊框，一體式結(jié)構(gòu)的二個(gè)氫氣(或氧氣)通孔環(huán)狀邊框與環(huán)狀內(nèi)邊框。其中，一體式結(jié)構(gòu)的二個(gè)氫氣(或氧氣)通孔環(huán)狀邊框與環(huán)狀內(nèi)邊框的連接處有氣水流道，或稱(chēng)導(dǎo)流槽，位于靠近分隔板一側(cè)。
[0016]所述的步驟(3)的兩層邊框和分隔板的三層組件可以先粘合成一體，然后進(jìn)行全部焊接或局部焊接；也可以用夾具將三層組件固定，然后再進(jìn)行全部焊接。其中，外側(cè)兩層環(huán)狀外邊框與分隔板可以采用全部焊接或局部焊接。而氣體通孔環(huán)狀邊框，一體式的二個(gè)氣體通孔環(huán)狀邊框和環(huán)狀內(nèi)邊框，與分隔板可以只用粘合的方式形成一體，也可以采用粘合與焊接的方式形成一體。
[0017]本發(fā)明具有如下特性:
[0018]1.耐聞壓。所制備的極板能承受:最聞壓力6MPa。
[0019]2.極板薄、重量輕。由于各個(gè)組件可以單獨(dú)加工，所以每個(gè)組件的厚度能夠降到最低，整個(gè)極板重量可以降低。
[0020]3.易批量化制備。各組件可以用模具加工，加工周期短，成本低。
[0021]總之，本發(fā)明制備的極板對(duì)促進(jìn)SPE水電解池的市場(chǎng)化具有重要的意義。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1雙極板三層結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖2雙極板立體圖；
[0024]圖3應(yīng)用本發(fā)明雙極板的電解池在內(nèi)部壓力5MPa時(shí)的保壓曲線(xiàn)；
[0025]圖4應(yīng)用本發(fā)明雙極板的電解池的升壓曲線(xiàn)。
[0026]圖1給出了固態(tài)聚合物電解質(zhì)(SPE)水電解池的雙極板三層結(jié)構(gòu)圖，I為氫氣側(cè)(陰極)環(huán)狀外邊框，2為氧氣通孔的環(huán)狀邊框，3為一體式的氫氣通孔環(huán)狀邊框與環(huán)狀內(nèi)邊框，4為分隔板，5為一體式的氧氣通孔環(huán)狀邊框與環(huán)狀內(nèi)邊框，6為氫氣通孔的環(huán)狀邊框，7為氧氣側(cè)(陽(yáng)極)環(huán)狀外邊框。1、2和3三個(gè)組件構(gòu)成了氫氣側(cè)(陰極)密封件邊框，5、6和7三個(gè)組件構(gòu)成了氧氣側(cè)(陽(yáng)極)密封件邊框。圖2給出了三層組件經(jīng)過(guò)粘合、焊接而形成一體的雙極板立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]實(shí)施例1
[0028]采用基材為0.6mm的不銹鋼板，用沖壓的方式將其加工為一體式的氫氣通孔環(huán)狀邊框與環(huán)狀內(nèi)邊框，環(huán)狀外邊框、氧氣通孔的環(huán)狀邊框、氧氣通孔的環(huán)狀邊框與環(huán)狀內(nèi)邊框、環(huán)狀外邊框、氫氣通孔的環(huán)狀邊框。采用0.3mm的不銹鋼板沖壓成帶有兩個(gè)氫氣和兩個(gè)氧氣通孔的分隔板，并電鍍Ag。將以上的各組件粘到分隔板上，然后將焊槍垂直于邊框，使分隔板和兩側(cè)邊框熔焊接，焊點(diǎn)距離為0.5cm，完成SPE水電解池的雙極板制備。圖3給出了分體式雙極板組裝的SPE水電解池的保壓曲線(xiàn)?？梢钥闯?，電解池保壓3h，壓力基本維持在5MPa不變，極板無(wú)變形、突出等現(xiàn)象。
[0029]實(shí)施例2
[0030]采用基材為0.3mm的鈦板，機(jī)加工為一體式的氫氣通孔環(huán)狀邊框與環(huán)狀內(nèi)邊框，環(huán)狀外邊框、氧氣通孔的環(huán)狀邊框、氧氣通孔的環(huán)狀邊框與環(huán)狀內(nèi)邊框、環(huán)狀外邊框、氫氣通孔的環(huán)狀邊框。再采用0.2mm的鈦合金板，將中間區(qū)域模壓出波紋，再將粘邊框的部分機(jī)加工出兩個(gè)氫氣通孔、兩個(gè)氧氣通孔。將以上各組件用夾具固定，將焊槍沿著分隔板和兩側(cè)的環(huán)狀外邊框釬焊接，再把其它組件與分隔板鉚焊接，制備成一個(gè)整體雙極板。最后將雙極板環(huán)狀內(nèi)邊框區(qū)域真空濺射氮化鈦，完成適合于SPE水電解池雙極板的制備。圖4給出了分體式雙極板組裝的SPE水電解池的升壓曲線(xiàn)?？梢钥闯?，在130min內(nèi)電解池壓力從IMPa升到6MPa,并在6MPa壓力維持30min,極板無(wú)變形、突出等現(xiàn)象。
[0031]以上實(shí)例說(shuō)明，該方法生產(chǎn)的極板能夠滿(mǎn)足固態(tài)聚合物電解質(zhì)(SPE)水電解池中高壓工作的要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種固態(tài)聚合物電解質(zhì)水電解池雙極板，其特征在于:所述的雙極板為分體式三層結(jié)構(gòu)，其外側(cè)兩層為邊框，中間為分隔板，其中邊框內(nèi)放置密封件。
2.一種固態(tài)聚合物電解質(zhì)水電解池雙極板的制備方法，其特征在于，按以下步驟制備: (O加工邊框和分隔板； (2)將分隔板進(jìn)行表面處理； (3)將兩層邊框和步驟(2)的分隔板粘合后焊接，或直接將兩層邊框和步驟(2)的分隔板焊接。
3.按照權(quán)利要求1所述的雙極板，其特征在于:所述的邊框和分隔板是不銹鋼、鈦、鈦合金或其組合。
4.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:步驟(I)的邊框和分隔板的加工方式采用沖壓、鍛壓、模壓、機(jī)加工或電加工的一種或幾種組合。
5.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:步驟(2)的表面處理工藝為電鍍、燒結(jié)或真空濺射；所用的表面處理材料為:Ag、Pt、Au、氧化銥、氧化釕、銥釕氧化物、銥錫氧化物、氮化鈦或碳化鈦。
6.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:所述的焊接為對(duì)所有組件，或?qū)σ徊糠纸M件進(jìn)行焊接；焊接位置為沿著邊框與分隔板的邊緣，或垂直于邊框方向。
7.按照權(quán)利要求1所述的雙極板，其特征在于: 所述的邊框，包括:一個(gè)環(huán)狀外邊框，兩個(gè)氫氣(或氧氣)通孔環(huán)狀邊框，一體式結(jié)構(gòu)的二個(gè)氧氣(或氫氣)通孔與環(huán)狀內(nèi)邊框。
8.按照權(quán)利要求1和7所述的雙極板，其特征在于: 所述的邊框，其一體式結(jié)構(gòu)的二個(gè)氫氣(或氧氣)通孔環(huán)狀邊框與環(huán)狀內(nèi)邊框的連接處有氣水流道，或稱(chēng)導(dǎo)流槽，位于靠近分隔板一側(cè)。
9.按照權(quán)利要求2和6所述的方法，其特征在于:所述的焊接為熔焊或釬焊。
10.按照權(quán)利要求1所述的雙極板，其特征在于:所述的分隔板的環(huán)狀內(nèi)邊框內(nèi)部區(qū)域是平板或波紋板，與邊框接觸的區(qū)域是平板。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPE）水電解池的雙極板，具體地說(shuō)是一種SPE水電解池雙極板及其制備方法。該方法制備的雙極板為分體式結(jié)構(gòu)，具體包括三個(gè)步驟：首先單獨(dú)加工雙極板各組件；再將分隔板進(jìn)行導(dǎo)電處理；最后，將其固定成型后焊接成完整的雙極板。它具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、耐蝕性、阻氣性和耐6MPa工作壓力，且雙極板重量輕，平整度高，滿(mǎn)足SPE水電解池工作要求。
【IPC分類(lèi)】H01M4-72
【公開(kāi)號(hào)】CN104716329
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310691255
【發(fā)明人】邵志剛, 俞紅梅, 孫樹(shù)成, 李曉錦, 侯明, 周利, 洪有陸, 陶鐵男, 孫立言, 衣寶廉
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
【公開(kāi)日】2015年6月17日
【申請(qǐng)日】2013年12月13日