一種純水電解氫氧制造機(jī)，供用于產(chǎn)生氫氣與氧氣。

背景技術(shù)：

地球上大部份的氫都存在于水和有機(jī)化合物等形態(tài)中，氫氣是一種無色、無臭、無味的非金屬氣體，且因不具毒性及放射性又易于收集，甚至可產(chǎn)生高能量，及與氧元素反應(yīng)，使得應(yīng)用范圍廣泛，包括化學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)、甚至生理學(xué)等，尤其在醫(yī)學(xué)上，據(jù)部分研究提示，氫氣可以和羥自由基產(chǎn)生反應(yīng)結(jié)合，藉此減少體內(nèi)羥自由基的殘留，再者，期望氫分子所具備的強(qiáng)抗氧化力，能夠發(fā)展更多的有益物質(zhì)。

而獲得氫氣的方式包括熱化學(xué)、水煤氣、水電解、蒸氣重組等可達(dá)成，尤其是將蒸氣重組法用于天然氣時(shí)的氫產(chǎn)量為最具規(guī)模的一種方法。當(dāng)水蒸氣和甲烷在高溫約1000–1400K發(fā)生反應(yīng)時(shí)，可產(chǎn)生一氧化碳和氫氣，在此反應(yīng)中，對(duì)反應(yīng)過程施予較低的壓力反而效率能更甚于高壓，但卻礙于氫氣純化系統(tǒng)必須在高壓下進(jìn)行，為縮短時(shí)間，使得反應(yīng)過程同樣采用高壓的方式，然而，卻也因此限制產(chǎn)出效率，另一方面，由于產(chǎn)出過程中需加壓加溫，即使藉由調(diào)整壓力的方式將制程時(shí)間縮短，但縮短的幅度依然有限，且氫分子在高溫下易解離成氫原子，活性大的氫原子將可能與其他元素產(chǎn)生反應(yīng)，因此將造成氫氣純度大打折扣，再者，也因?yàn)闅錃饣钚源螅?dāng)大量儲(chǔ)存的情況下，稍有不慎，即會(huì)造成危安事件。

另一種常見的方法是水電解法，將水加入電解質(zhì)形成離子溶液，并以一對(duì)電極通入直流電進(jìn)行電解，經(jīng)由氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氧氣，但該方式因必須加入電解質(zhì)才能使水解離，尤其一般是加入強(qiáng)酸或強(qiáng)堿作為電解質(zhì)，所以產(chǎn)生的氫氣純度仍有疑慮。

隨著質(zhì)子交換膜問世，水電解可以不必再依賴電解質(zhì)的加入，而是直接將純水電解，如圖5所示，有一水電解裝置9，純水由陽極側(cè)進(jìn)入反應(yīng)腔室92，反應(yīng)腔室92除電極之外，還設(shè)置有不銹鋼網(wǎng)的陽極擴(kuò)散層以及陽極催化劑層，藉由不銹鋼網(wǎng)導(dǎo)電和陽極催化劑層的作用，純水在此解離成為氧離子和氫離子，氧離子則向?qū)Ы又陵枠O的不銹鋼網(wǎng)釋放電子而成為氧氣排出；氫離子和水可以穿透反應(yīng)腔室92中的質(zhì)子交換膜，進(jìn)一步接觸到陰極催化劑層，以及后方的碳紙或碳纖維布所構(gòu)成的陰極擴(kuò)散層，氫離子經(jīng)由碳紙或碳纖維布的導(dǎo)電性以及通透性，接收經(jīng)由陰極所提供的電子而還原成氫氣排出。

其中，因碳纖維的抗氧化性極低，因此僅能作為陰極擴(kuò)散層而無法在陽極側(cè)采用；另方面碳纖維的抗拉強(qiáng)度雖大，但是抗彎折效果較差，無法承受側(cè)向的較大壓力；尤其碳纖維布是以編織成形，厚度無法隨意增加，也進(jìn)一步限制陰極擴(kuò)散層的厚度，就此影響氫離子和陰極擴(kuò)散層之間的有效作用區(qū)域。

因此，如何增大氫離子和陰極擴(kuò)散層之間的有效作用區(qū)域，提升氫氣的產(chǎn)能，并且讓陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層采用相同的材質(zhì)結(jié)構(gòu)，讓兩側(cè)的擴(kuò)散層可以隨意互相調(diào)換，沒有組裝錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，也降低備料成本，并且承受側(cè)向壓力變換，就是本案所要改良的焦點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的主要目的，在于提供一種運(yùn)用相同的擴(kuò)散金屬層結(jié)構(gòu)，同時(shí)作為陰極和陽極擴(kuò)散層的純水電解氫氧制造機(jī)，由于兩側(cè)采用相同材料、結(jié)構(gòu)，可以隨意互換，藉以降低備料管理成本和組裝錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

本實(shí)用新型的另一目的，在于提供一種運(yùn)用擴(kuò)散金屬層作為陰極和陽極擴(kuò)散層的純水電解氫氧制造機(jī)，由于擴(kuò)散金屬層的延展性佳，可以承受氣體大量產(chǎn)生后，腔室內(nèi)部的壓力增加，以提升可靠度并延長保修周期。

本實(shí)用新型的再一目的，在于提供一種運(yùn)用擴(kuò)散金屬層作為擴(kuò)散層的純水電解氫氧制造機(jī)，藉由增加擴(kuò)散層厚度，大幅提升制氫效率。

本案所揭示的一種純水電解氫氧制造機(jī)，包括：一電解裝置及一密封容裝本體，由密封容裝本體上的注水孔注入純水，經(jīng)由陽極金屬層擴(kuò)散至一層氧化觸媒層后，純水接受電極供應(yīng)的電能進(jìn)行解離，并藉由質(zhì)子交換膜將氧氣與氫離子隔離，氫離子遇還原觸媒層還原成氫氣后經(jīng)由陰極金屬層、陰極，最后由氫氣孔排出，另外，氧氣則經(jīng)由陽極金屬層、陽極，最后由氧氣孔排出。

由于本案所提供的純水電解氫氧制造機(jī)，是以例如鈦金屬或其合金所制成的擴(kuò)散金屬層，不僅可以輕易獲得數(shù)百微米(μm)的厚度，使得有效作用區(qū)域增大，藉以提升產(chǎn)氣的效率；并具有良好的抗彎折能力，在產(chǎn)氣效率提升的情況下，可以耐受壓力增大的環(huán)境，提高產(chǎn)品使用壽命；且以相同的結(jié)構(gòu)同時(shí)作為陽極金屬層和陰極金屬層，夾制位于其間的質(zhì)子交換膜和觸媒層，在組裝時(shí)不需準(zhǔn)備兩種相異的擴(kuò)散層材料，因此可以降低備料和管理的成本。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型第一較佳實(shí)施例的立體透視圖，用于說明純水電解氫氧制造機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖2為圖1的剖視圖，用于輔助說明結(jié)構(gòu)相對(duì)位置。

圖3為本實(shí)用新型第一較佳實(shí)施例的部分立體圖，用于說明另一種固定質(zhì)子交換膜的方式。

圖4為本實(shí)用新型第二較佳實(shí)施例的立體透視圖，用于說明兩組純水電解氫氧制造機(jī)結(jié)合后的結(jié)構(gòu)。

圖5為公知技術(shù)的立體示意圖。

符號(hào)說明

1、1’…電解裝置 11、11’…質(zhì)子交換膜

13、13’…觸媒層 131…氧化觸媒層

133…還原觸媒層 15、15’…擴(kuò)散金屬層

153…陽極金屬層 155…陰極金屬層

17…電極 171、171’…陽極

173、173’…陰極 2、2’…密封容裝本體

21…注水孔 23…氫氣孔

25…氧氣孔 27…封裝絕緣殼體

271…陽極殼體 273…陰極殼體

277…撓性防水層 9…水電解裝置

92…反應(yīng)腔室

具體實(shí)施方式

有關(guān)本實(shí)用新型的前述及其他技術(shù)內(nèi)容、特點(diǎn)與功效，在以下配合說明書附圖的較佳實(shí)施例的詳細(xì)說明中，將可清楚呈現(xiàn)；此外，在各實(shí)施例中，相同的元件將以相似的標(biāo)號(hào)表示。

本案第一較佳實(shí)施例的純水電解氫氧制造機(jī)，請(qǐng)一并參照?qǐng)D1至圖3所示，純水電解氫氧制造機(jī)具有一個(gè)電解裝置1及一個(gè)容裝電解裝置1的密封容裝本體2，其中，密封容裝本體2于本例中是由封裝絕緣殼體27及兩片密封件所組成，其中，封裝絕緣殼體27包括陽極殼體271及陰極殼體273，另密封件更包括一例釋為防水橡膠的撓性防水層277，且于本例中形成一透孔，當(dāng)然，該撓性防水層形成復(fù)數(shù)個(gè)透孔均無礙于本案實(shí)施。

為便于說明，將上述電解裝置1中的質(zhì)子交換膜11設(shè)為對(duì)稱中線、且以兩片撓性防水層277夾置質(zhì)子交換膜11，藉以兩側(cè)保護(hù)質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)，延長質(zhì)子交換膜的壽命，并以質(zhì)子交換膜11遮蔽兩撓性防水層277的透孔，此時(shí)，由對(duì)稱中線向左右兩方依序?qū)ΨQ設(shè)置的是涂布于質(zhì)子交換膜11的觸媒層13，擴(kuò)散金屬層15、及緊貼于擴(kuò)散金屬層15的電極17。為便于說明，在此定義由質(zhì)子交換膜11、撓性防水層277及陽極殼體271所共同圍繞的區(qū)域?yàn)橐谎趸臻g，供容置氧化觸媒層131、陽極金屬層153、陽極171；相對(duì)地，定義由質(zhì)子交換膜11、撓性防水層277及陰極殼體273共同圍繞的區(qū)域則稱為一還原空間，供容置還原觸媒層133、陰極金屬層155、陰極173，前述兩個(gè)反應(yīng)空間為兩個(gè)獨(dú)立空間，去離子水僅能由質(zhì)子交換膜11通過，而各自區(qū)域中所產(chǎn)生的氫氣與氧氣則完全隔絕，無法通透。

當(dāng)然，除將兩層撓性防水層277將質(zhì)子交換膜11夾置其間，作為支撐、防水、及防氣體外泄等作用，更可以采用質(zhì)子交換膜11直接設(shè)置于單一的撓性防水層277，簡化結(jié)構(gòu)易于更換。

于本例中，擴(kuò)散金屬層15例釋為鈦金屬致密孔板，鈦金屬致密孔板具有復(fù)數(shù)微小通孔(圖未示)，且通孔的孔徑為20至60微米，而整體的孔隙率則為30％至50％。由于本例中的鈦金屬致密孔板具有700至800微米厚度，且孔隙率甚大，使得氫離子或氧離子在進(jìn)行氧化或還原作用時(shí)，都可以提供絕佳的致密作用區(qū)間，讓產(chǎn)氣效率倍增。甚至經(jīng)由實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)孔徑為30微米且孔隙率為40％時(shí)，可以達(dá)到最佳的產(chǎn)氫效率。另方面，藉由鈦的強(qiáng)抗蝕性，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，可大幅降低氧化反應(yīng)造成的損壞。

運(yùn)作時(shí)，由設(shè)置于陽極殼體271的注水孔21注入去離子水，直到液面高度接近陽極殼體271上的氧氣孔25、以及陰極殼體273上的氫氣孔23，并打開電極開關(guān)通電開始進(jìn)行解離。本例中，為提升氫氣的產(chǎn)能，利用厚度約700至800微米的擴(kuò)散金屬層15致密多孔的結(jié)構(gòu)，增加氧化/還原反應(yīng)的表面積，相較于以往碳纖維布的數(shù)十微米厚度，可以大幅提高產(chǎn)氣量。當(dāng)去離子水接觸到陽極區(qū)域并受到陽極催化劑的加速，隨即電解而釋出氫離子和氫氧根離子。

其中，氫氧根離子中，部分接觸到包括陽極171和陽極金屬層153等而釋出電子，并且形成氧分子；氫離子則藉由水分子及質(zhì)子交換膜11上的酸根離子傳輸通過質(zhì)子交換膜11、還原觸媒層133而到達(dá)作為陰極金屬層155的鈦金屬致密孔板，陰極173則藉由此鈦金屬致密孔板，大范圍地釋放電子，與氫離子結(jié)合形成氫氣。因?yàn)殡娊膺^程中是采用去離子的純水，沒有強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的干擾，藉此可高效率地獲得更高純度的氫氣，該氫氣隨即由氫氣孔23排出供小量儲(chǔ)存，氧氣則由氧氣孔25排出。

本案第二較佳實(shí)施例，如圖4所示，該純水電解氫氧制造機(jī)內(nèi)包括兩組電解裝置1’，及容裝電解裝置1’的密封容裝本體2’為節(jié)省空間及成本，采用部分電極共用的方式將所有電解裝置進(jìn)行組合，本例中，由于主要搜集的是氫氣，因此將產(chǎn)生氫氣的陰極電極共用。其中，每一電解裝置的結(jié)構(gòu)都和第一實(shí)施例相似，故在此不再贅述。兩組電解裝置1’中的質(zhì)子交換膜11’和兩側(cè)的陽極171’和陰極173’，都分別受到兩側(cè)的擴(kuò)散金屬層15’所夾置固定，由于擴(kuò)散金屬層15’的面積大小恰對(duì)應(yīng)于質(zhì)子交換膜11’的面積，使得兩側(cè)的擴(kuò)散金屬層15’分別緊貼于質(zhì)子交換膜11’兩側(cè)的觸媒層13’，這也使得兩側(cè)的擴(kuò)散金屬層15’間的距離相當(dāng)短，藉此在質(zhì)子交換膜11’兩側(cè)形成均勻且高強(qiáng)度的電場(chǎng)，使整體解離效率相對(duì)提升。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，不能以此限定本實(shí)用新型實(shí)施的范圍，凡是依本實(shí)用新型權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本實(shí)用新型專利涵蓋的范圍內(nèi)。