本發(fā)明屬于能源化工技術(shù)與裝置領(lǐng)域，具體涉及一種膠體電解質(zhì)膜以及電解水裝置。
背景技術(shù)：
電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣是間歇式可持續(xù)自然能源，如太陽能發(fā)電技術(shù)的有力支持者。太陽能發(fā)電因時(shí)因地而異，具有致命的間歇性特點(diǎn)。使用電解水技術(shù)產(chǎn)生氫氣，然后在氫燃料電池中發(fā)電或者直接燃燒獲得熱能，可以在太陽能發(fā)電時(shí)儲存能量，然后在沒有太陽能時(shí)繼續(xù)供電或供熱，因此是一種可以補(bǔ)足太陽能間歇性的能量削峰填谷技術(shù)。
到目前為止，已有很多的研究關(guān)注如何方便便宜地電解水。工業(yè)化生產(chǎn)裝置已經(jīng)可以做到5kWh/Nm3H2，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到60％以上。和所有的電化學(xué)裝置一樣，電解水需要兩個(gè)電極——陽極和陰極，同時(shí)還需要一種電解液；所有這些被包裝于一個(gè)盒子里以阻止外界的損害。使用時(shí)，只需添加純凈水(去離子水)并通電即可。根據(jù)電解液的pH值，可分為酸性和堿性水電解器。
一般地，酸性電解液使得電極難以制備，因?yàn)樵S多金屬電極溶于酸。因此，電解水裝置大多使用堿性電解液。電解液通常呈液態(tài)，而且兩個(gè)電極被浸入液體中；為了保證電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣不致混合，電極之間還用隔膜分離開來。這種結(jié)構(gòu)帶來的問題有：(1)電極必須豎置，否則電解液不能使電極沒入其中，造成氣體產(chǎn)量下降；(2)電極浸入電解液使得電解過程產(chǎn)生的氣泡在液體中形成，導(dǎo)致電極上附著大量的氣泡，造成電極可利用面積下降，也會降低電解裝置的產(chǎn)能，甚至損壞電解裝置。因此，需要一種技術(shù)避免這些問題。
近幾十年來，發(fā)展了一種新的電解水技術(shù)，即固體聚合物電解質(zhì)(SPE)技術(shù)。該技術(shù)使用聚合物電解質(zhì)膜(通常是全氟磺酸質(zhì)子交換膜)，陰陽極被裝配于膜的兩邊，使電極距離大大縮短，電流密度因此也得到了較大的提升。這類裝置已得到了應(yīng)用，但因?yàn)槿撬豳|(zhì)子交換膜價(jià)格過高，應(yīng)用并不普遍。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種膠體電解質(zhì)膜以及電解水裝置，以吸水性物質(zhì)制備的膠體電解質(zhì)替代全氟磺酸質(zhì)子交換膜，其價(jià)格低有望能得到廣泛的應(yīng)用，并使電解水裝置小型化。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
一種膠體電解質(zhì)膜，由吸水性物質(zhì)制備。
優(yōu)選的，所述膠體電解質(zhì)膜的具體制作步驟為：在電解質(zhì)溶液中加入吸水性樹脂，攪拌使之成為粘稠不流動的漿料。
優(yōu)選的，所述吸水性樹脂為任意對強(qiáng)堿穩(wěn)定的吸水性樹脂，或具有一定聚合度的硅酸鹽。
優(yōu)選的，所述電解質(zhì)為堿性電解質(zhì)。
一種使用上述膠體電解質(zhì)膜的電解水裝置，其特征在于，該裝置具有板框式壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)，從左至右依次為陰極蓋、陰極氣體擴(kuò)散層、陰極、膠體電解質(zhì)膜、陽極、陽極氣體擴(kuò)散層和陽極蓋；所述陰極蓋和陽極蓋上分別設(shè)有氫氣出口和氧氣出口；所述膠體電解質(zhì)膜內(nèi)設(shè)置若干開微細(xì)孔的毛細(xì)水管。
進(jìn)一步的，所述膠體電解質(zhì)膜的厚度不超過10mm。
進(jìn)一步的，所述陰極氣體擴(kuò)散層、陽極氣體擴(kuò)散層均由疏水性聚合物制成。
進(jìn)一步的，所述陰極、陽極的集流體為對堿穩(wěn)定的具有通透孔的多孔導(dǎo)電體。
進(jìn)一步的，所述毛細(xì)水管通過管路連接補(bǔ)水器。
本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明提供的膠體電解質(zhì)膜使用普通的吸水性樹脂或具有一定聚合度的硅酸鹽，輔以普通的堿性物質(zhì)制成，生產(chǎn)成本低，解決了全氟磺酸質(zhì)子交換膜價(jià)格過高，應(yīng)用得不到普及的問題。使用本發(fā)明提供膠體電解質(zhì)膜的電解水裝置，使電極間距離大幅度減小，降低了電解水的槽電壓，因而降低了過程的能耗。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中標(biāo)號：陰極蓋 1、陰極氣體擴(kuò)散層 2、陰極 3、膠體電解質(zhì)膜 4、陽極 5、陽極氣體擴(kuò)散層 6、陽極蓋 7、毛細(xì)水管 8。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明提供的電解水裝置為板框式壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)，從左至右依次為陰極蓋1、陰極氣體擴(kuò)散層2、陰極3、膠體電解質(zhì)膜4、陽極5、陽極氣體擴(kuò)散層6和陽極蓋7；所述陰極蓋1和陽極蓋7上分別設(shè)有氫氣出口和氧氣出口，分別接氫氣和氧氣儲氣罐；所述膠體電解質(zhì)膜4內(nèi)設(shè)置若干開微細(xì)孔的毛細(xì)水管8。毛細(xì)水管8通過管路連接補(bǔ)水器。
下面對裝置的各個(gè)部分分別作出說明：
(1)陰極。陰極使用泡沫鎳，或其它對堿穩(wěn)定的具有通透孔的多孔導(dǎo)電體做集流體，并在集流體上涂覆有高性能的逸氫電化學(xué)反應(yīng)催化劑。當(dāng)向電解水裝置的陰、陽極施加電壓到水電解過程開始時(shí)，在陰極上發(fā)生的水還原反應(yīng)：
2H2O+2e＝H2+2OH-
為了保證所產(chǎn)生的氫氣不進(jìn)入膠體電解質(zhì)而直接進(jìn)入陰極氣體室，在陰極氣體(氫氣)室一側(cè)設(shè)置陰極氣體擴(kuò)散層2。
所述高性能的逸氫電化學(xué)反應(yīng)催化劑可以是任意文獻(xiàn)中公開報(bào)道的催化劑。
所述氣體擴(kuò)散層由疏水性聚合物制成，保證氣體自由通過但水(電解液)不可以透過。
(2)膠體電解質(zhì)膜。膠體電解質(zhì)膜實(shí)際上是一種水凝膠，由吸水性物質(zhì)和電解質(zhì)溶液制作，其厚度不超過10mm。制作時(shí)，先用純凈水加入吸水性樹脂，攪拌使之成為粘稠的漿料，然后涂覆到陰極(或陽極)上。為了使反應(yīng)需要的水快速進(jìn)入電解液，在膠體電解質(zhì)膜中設(shè)置若干開微細(xì)孔的毛細(xì)水管，管口均勻地布于膠體電解質(zhì)膜內(nèi)。這樣，陰極反應(yīng)產(chǎn)生的OH-進(jìn)入并穿過膠體電解質(zhì)膜，到達(dá)陽極。
所述吸水性樹脂可以是任意商品化的吸水性物質(zhì)或具有一定聚合度的硅酸鹽凝膠，只要它對強(qiáng)堿穩(wěn)定就可。例如，聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素鈉、具有一定聚合度的硅酸鈉或硅酸鉀等。
所述開微細(xì)孔的毛細(xì)水管可以用不導(dǎo)電的親水性材料制成。
所述的電解質(zhì)優(yōu)選為NaOH、KOH等，也可以是pH值在7以上的其它物質(zhì)，如硅酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽等。
(3)陽極。陽極使用泡沫鎳，或其它對堿穩(wěn)定的具有通透孔的多孔導(dǎo)電體做集流體，并在集流體上涂覆高性能陽極催化劑，從而使陽極上發(fā)生的如下過程快速有效進(jìn)行：
2OH-＝1/2O2+H2O+2e
同樣地，為了保證陽極產(chǎn)生的氧氣不進(jìn)入聚合物電解質(zhì)，在陽極氣體室(氧氣室)一側(cè)也安置陽極氣體擴(kuò)散層6，保證氧氣自由穿過而電解液不能穿過。
所述高性能陽極催化劑可以是文獻(xiàn)中公開報(bào)道的任意催化劑。
所述氣體擴(kuò)散層由疏水性聚合物制成。
(4)補(bǔ)水器。補(bǔ)水器使用去離子水，使用管路與膠體電解質(zhì)中的毛細(xì)水管相連。通過保持一定的水位來保證裝置內(nèi)電解液一直是充滿的，但又不至于使電解液穿透陰陽極的氣體擴(kuò)散層。
本裝置在使用時(shí)，先按照附圖1把裝置裝配好，保證其不漏液，然后用電解質(zhì)充滿。注意，裝置兩側(cè)的氣體室不能有液體；接通電源使陰陽極電壓差升高至電解水過程開始。正常運(yùn)行后，只需補(bǔ)充消耗的去離子水到指定水位范圍即可。
實(shí)際使用時(shí)，為了提高產(chǎn)氣量，多個(gè)裝置單體可以并聯(lián)、串聯(lián)使用，形成產(chǎn)氣堆。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。