[发明专利]一种静态供水质子交换膜电解水装置

说明书

技术领域

本发明属于质子交换膜电解水领域，具体涉及一种静态供水质子交换膜电解水装置。

背景技术

随着人类航天活动的日益频繁，相关的航天设备的需求也越来越大。质子交换膜电解水装置能够将水电解成纯度很高的氢气和氧气。一方面，氢气和氧气能够作为高能推进剂提供给空间飞行器推进系统；另一方面，质子交换膜电解水装置所用的水和产物氧气均是航天员空间生存的关键资源，这使得质子交换膜电解水装置能够跟空间生保系统完美结合。因此，质子交换膜电解水装置逐渐受到航天领域的重视。

普通的质子交换膜电解水装置主要用于地面产氢和制氧，不能很好的适应空间应用要求。首先，其产生的氢气和氧气压强较低，需要额外的增压设备才能够达到空间存储和使用所需的压强。另外，普通的质子交换膜电解水装置里的水和产生的气体混在一起，在地面环境下，可以依靠重力使气体自然逸出，但在空间无重力环境下，需要额外的水汽分离装置才能够将气体产物分离出来。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种静态供水质子交换膜电解水装置，本发明的目的是将低压水直接电解成可以充填高压气瓶的高压氢氧气体。该装置不需要水气分离装置，并且其产生的气体为高压气体，一般可达14MPa以上，在地面使用时可以省掉气体增压装置，使系统简化。

本发明提出一种静态供水质子交换膜电解水装置，该装置由顺次横向相连的静态供水腔、半透过性膜组件、氢气生成腔、加强膜电极组件和氧气生成腔组成，静态供水腔中的水在扩散作用下通过半透过性膜组件，以水蒸气的形式到达氢气生成腔，然后扩散到加强膜电极组件。加强膜电极组件将水蒸气电解，分别在靠近氢气生成腔一侧生成氢气，在靠近氧气生成腔一侧生成氧气。

所述的静态供水腔为普通的空腔，能够长时间存储常压即1atm压强的水，顶端具有进水口，底端具有排水口。

所述的半透过性膜组件的结构，包括顺次紧压在一起的左侧抗压结构支撑件、左侧催化层、半透过性膜、右侧催化层和右侧抗压结构支撑件。左侧抗压结构支撑件与静态供水腔相接，右侧抗压结构支撑件与氢气生成腔相接。左侧抗压结构支撑件一方面为整个半透过性膜组件提供支撑，使其能够承受氢气生成腔和静态供水腔之间的巨大压差，另一方面具有导电功能，使外接电势能够传导到左侧催化层。左侧抗压结构支撑件采用多孔介质结构，使静态供水腔中的水能够通过左侧抗压结构支撑件流向半透过性膜。左侧抗压结构支撑件覆盖住左侧催化层，对外预留一个接线端子，用于与外接电源正极相连，左侧抗压结构支撑件的材料选用导电性好，强度高，耐腐蚀的钛合金。左侧催化层用于将氢气分解成氢离子，材料采用炭载铂多孔介质催化层。半透过性膜只允许水分子和质子(氢离子H⁺)通过，而不允许氢分子等其它物质自由通过，选用强度较高的质子交换膜。右侧催化层用于促进氢离子重新生成氢气，采用炭载铂多孔介质催化层。右侧抗压结构支撑件一方面用于提高整个半透过性膜组件的可靠性，防止静态供水腔压强高于氢气生成腔压强时半透过性膜遭到破坏，另一方面具有导电功能，使外接电势能够传导到右侧催化层。右侧抗压结构支撑件采用多孔介质结构，与氢气生成腔相接，右侧抗压结构支撑件覆盖住右侧催化层，对外预留一个接线端子，用于与外接电源负极相连，右侧抗压结构支撑件的材料选用导电性好，耐腐蚀的钛合金材料。

所述的氢气生成腔与半透过性膜组件和加强膜组件之间均采用绝缘层压合在一起，整个氢气生成腔的宽度小于1mm，且预留一个氢气出口输出生成的氢气。

所述的加强膜电极组件包括顺次紧压在一起的左侧膜电极支撑件、普通膜电极组件和右侧膜电极支撑件。左侧膜电极支撑件和右侧膜电极支撑件均采用多孔介质结构，表面面积完全覆盖中间的普通膜电极组件，对外均预留一个接线端子，分别用于与外接电源相连(左侧膜电极支撑件与外接电源的负极相连，右侧膜电极支撑件与外接电源正极极相连)。左侧膜电极支撑件材料选用与高压氢气相容的316L不锈钢材料，右侧膜电极支撑件材料选用与高压氧相容的301L不锈钢。

所述的氧气生成腔的壁面选用与高压氧相容的301L不锈钢材料，与加强膜电极组件采用绝缘材料隔开，预留一个氧气出口输出生成的氧气。