TWI779936B - 水電解裝置 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種水電解裝置。水電解裝置包含兩個電極板、兩個鈦網結構、膜電極組、兩觸媒層及兩個密封環。各個鈦網結構是通過擴散焊接技術固定於各個電極板的一側。膜電極組位於兩個鈦網結構之間。各觸媒層設置於鈦網結構的一側。各個密封環設置於各電極板與膜電極組之間，而各密封還環繞鈦網結構設置。本發明的水電解裝置利用鈦網結構作為氣體擴散層，如此，可以提升水電解裝置的使用壽命。

Description

水電解裝置

本發明涉及一種水電解裝置，特別是一種不具有碳布的水電解裝置。

現有常見的水電解裝置，內部大致包含有兩個碳布(氣體擴散層)、兩個電極板、一膜電極組及一固定機構，碳布的一側具有觸媒，膜電極組位於兩個碳布之間，各個碳布位於膜電極組與其中一個電極板之間，固定機構則是用來使兩個碳布、兩個電極板及膜電極組相互抵靠。

此種水電解裝置，由於各個碳布、電極板及膜電極組彼此之間，僅是相互抵靠，因此，水電解裝置在長時間使用後，碳布容易出現腐蝕的問題，如此，將導致碳布與電極板之間的接觸阻抗上升，進而使得水電解裝置的運作效率下降。相對地，利用此種水電解裝置，來產生氫氣或氧氣的相關產氣設備，也會存在有長時間運作後，氣體產出效率下降的問題。

本發明公開一種水電解裝置，主要用以改善習知的水電解裝置在長時間使用後，容易發生運作效率下降的問題，且習知利用水電解裝置來產生氫氣或氧氣的相關產氣設備，在長時間使用後，容易發生氣體產出效率下降的問題。

本發明的其中一實施例公開一種水電解裝置，其包含：兩電極板、至少兩鈦網結構、兩觸媒層、一膜電極組及兩個密封環。各個電極板的一側具有多個流道，其中一個電極板具有一輸入通道及一氫氣輸出通道， 另一個電極板具有一氧氣輸出通道。其中一個鈦網結構利用擴散焊接技術固定於其中一個電極板具有多個流道的一側，另一個鈦網結構利用擴散焊接技術固定於另一個電極板具有多個流道的一側；各個鈦網結構包含多條鈦線，各條鈦線的多個不同位置的區段分別與不同的鈦線交疊地設置，各個鈦網結構包含有多個網孔；各條鈦線的多個不同位置的區段是與電極板相熔接，而各個電極板與鈦線相熔接的位置，能通過至少一條鈦線建立一導電路徑，各條鈦線不與電極板相熔接的區段，則是對應疊在另一條鈦線的一側。各個觸媒層設置於各個鈦網結構的至少一部分及各個電極板設置有鈦網結構的一側。膜電極組設置於兩個鈦網結構之間。至少兩個密封環，各個電極板與膜電極組之間設置有一個密封環，而各個鈦網結構的周緣則是被密封環環繞。至少兩個輔助鈦網結構，其中一個輔助鈦網結構利用擴散焊接技術固定於其中一個鈦網結構相反於電極板的一側，另一個輔助鈦網結構利用擴散焊接技術固定於另一個鈦網結構相反於電極板的一側；各個輔助鈦網結構包含多條輔助鈦線，各條輔助鈦線的多個不同位置的區段分別與不同的輔助鈦線交疊地設置，各個輔助鈦網結構包含有多個網孔，各個鈦網結構所包含的網孔的最大孔徑大於各個輔助鈦網結構所包含的網孔的最大孔徑；各條輔助鈦線的多個不同位置的區段是與鈦網結構所包含的多個鈦線的其中一區段相熔接；各個電極板與鈦線相連接的位置，能通過至少一條鈦線及多條輔助鈦線共同建立一導電路徑。

綜上所述，本發明的水電解裝置，通過使鈦網結構利用擴散焊接技術與電極板相互固定，並使所述觸媒層形成於所述鈦網結構的表面及所述電極板的表面等設計，可以讓水電解裝置在長期使用後，各個鈦網結構 的鈦線與電極板相連接的位置，能夠依然保持電性導通的效果，藉此，可以維持水電解裝置的運作效率。

為能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，但是此等說明與附圖僅用來說明本發明，而非對本發明的保護範圍作任何的限制。

1:水電解裝置

11:電極板

111:輸入通道

112:氫氣輸出通道

113:氧氣輸出通道

114:側面

115:凸柱結構

12:鈦網結構

121:鈦線

122:網孔

13:膜電極組

14:密封環

15:觸媒層

2:水電解裝置

21:電極板

211:輸入通道

212:氫氣輸出通道

213:氧氣輸出通道

214:側面

22:鈦網結構

221:鈦線

222:網孔

23:膜電極組

24:密封環

25:觸媒層

26:輔助鈦網結構

261:輔助鈦線

262:網孔

3:水電解裝置

31:電極板

311:輸入通道

312:氫氣輸出通道

313:氧氣輸出通道

314:側面

315:凸柱結構

32:鈦網結構

321:鈦線

322:網孔

33:膜電極組

34:密封環

36:輔助鈦網結構

361:輔助鈦線

362:網孔

C:流道

圖1為本發明的水電解裝置的第一實施例的示意圖。

圖2為本發明的水電解裝置的第一實施例的分解示意圖。

圖3為本發明的水電解裝置的第一實施例的電極板與鈦網結構的局部放大示意圖。

圖4為圖1沿IV-IV剖線的剖面示意圖。

圖5為圖4的局部放大示意圖。

圖6為本發明的水電解裝置的第二實施例分解示意圖。

圖7為本發明的水電解裝置的第二實施例的鈦網結構及輔助鈦網結構的局部放大示意圖。

圖8為本發明的水電解裝置的第二實施例的剖面示意圖。

圖9為圖8的局部放大示意圖。

圖10為本發明的水電解裝置的第三實施例分解示意圖。

於以下說明中，如有指出請參閱特定圖式或是如特定圖式所示，其僅是用以強調於後續說明中，所述及的相關內容大部份出現於該特定圖式中，但不限制該後續說明中僅可參考所述特定圖式。於本實施例的各圖式中所呈現的各個結構的尺寸及其比例關係，都僅是在為了方便說明書的說 明所繪示，而圖中所繪示的尺寸及比例關係，並不代表實際應用的尺寸及比例關係。

請一併參閱圖1至圖5，其分別為本發明的水電解裝置的第一實施例的示意圖、分解示意圖、局部構件的放大示意圖、剖面示意圖及局部剖面放大示意圖。本實施例的水電解裝置1包含兩電極板11、兩個鈦網結構12、一膜電極組(Membrane Electrode Assembly,MEA)13、兩個密封環14及兩觸媒層15。

其中一個電極板11具有一輸入通道111及一氫氣輸出通道112，另一個電極板11具有一氧氣輸出通道113。輸入通道111、氫氣輸出通道112及氧氣輸出通道113分別貫穿電極板11設置。

各個電極板11一側具有多個流道C。舉例來說，各個所述電極板11的一側面114可以是具有多個凸柱結構115，多個所述凸柱結構115共同於所述電極板11的一側形成多個所述流道C，而多個所述流道C是相互連通。關於各個電極板11的一側所具有的多個流道C的形成方式，不以上述說明為限，且各個電極板11的一側所具有的多個流道C不侷限於必需完全相互連通。在不同的實施例中，各個電極板11的一側所具有的多個流道C，也可以是由電極板11的一側內凹形成。

其中一個鈦網結構12利用擴散焊接技術(Diffusion Bonding Technology)固定於其中一個電極板11具有多個流道C的一側，另一個鈦網結構12利用擴散焊接技術固定於另一個電極板11具有多個流道C的一側。

各個鈦網結構12包含多條鈦線121，各條鈦線121的多個不同位置的區段分別與不同的鈦線121交疊地設置，各個鈦網結構12包含有多個網孔122，簡單來說，各個鈦網結構12是由多條鈦線121相互交織，所構成的 立體編織網狀結構。在實際應用中，各個網孔122的孔徑可以是介於0.05~0.5公釐。

各條鈦線121的多個不同位置的區段是與電極板11相熔接，而各個電極板11與鈦線121相熔接的位置，能通過至少一條鈦線121建立一導電路徑，各條鈦線121不與電極板11相熔接的區段，則是疊在另一條鈦線121的一側。需說明的是，本實施例圖中所示的各個鈦網結構12所包含的多條鈦線121的交疊、交織方式，僅為其中一示範態樣，在實際應用中，各個鈦網結構12所包含的多條鈦線121的編織方式，可依據需求加以變化。

在其中一個較佳的實施例中，各個電極板11的材質可以是包含鈦，而各個電極板1例如可以是鈦合金板或是純鈦板，如此，將可以強化各條鈦線121與電極板11相熔接的位置的連接強度，而使各個鈦線121與電極板11相熔接的位置，不容易發生斷裂等問題。在不同的實施例中，各個電極板11的材質也可以是不鏽鋼。

如圖3所示，其顯示為鈦網結構12通過擴散焊接技術熔接固定於電極板11具有流道C的一側的局部放大示意圖。於圖3中，是以鈦網結構12所包含的各條鈦線121的部分區段是與多個凸柱結構115相互熔接為例，但，鈦網結構12不侷限於僅能與電極板11的多個凸柱結構115相熔接。在電極板11的側面114設置有多個凸柱結構115的另一實施例中，鈦網結構12的各個鈦線121的部分區段，也可以是與電極板11的側面114相熔接。

如圖5所示，各個觸媒層15設置於各個鈦網結構12的至少一部分及各個電極板11設置有鈦網結構12的側面114。具體來說，在實際生產過程中，相關人員或是設備，可以是先利用擴散焊接技術，使鈦網結構12固定於電極板11具有流道C的一側，而後，再將相互熔接固定的鈦網結構12及電 極板11的一側，以電鍍的方式形成觸媒層15。在實際應用中，觸媒層15例如可以是包含白金、黃金或氧化銥等材料，於此不加以限制。

在不同的實施例中，也可以是先於各個鈦網結構12的表面鍍上觸媒層15，再利用擴散焊接技術使鍍有觸媒層15的鈦網結構12熔接於電極板11具有流道C的一側。

如圖2至圖5所示，膜電極組13設置於兩個鈦網結構12之間。各個電極板11與膜電極組13之間設置有一個密封環14，而各個鈦網結構12的周緣則是被密封環14圍繞，密封環14主要是用來限制反應液體、氫氣及氧氣的流動範圍。在其中一個具體實施例中，各個所述膜電極組13的兩側還可以是設置有兩個支撐框體，各個支撐框體與相鄰的電極板11則是一同固持一個密封環14。

依上所述，本發明的水電解裝置1利用鈦網結構12，取代習知的水電解裝置中的碳布(氣體擴散層)，並利用擴散焊接技術使鈦網結構12熔接於電極板11的一側，由於鈦網結構12所包含的多條鈦線121的部分區段是與電極板11彼此之間是相互熔接，因此，本發明的水電解裝置1在長時間使用後，鈦網結構12與電極板11之間的接觸阻抗仍可以維持在相對良好的狀態。

反觀，習知的水電解裝置，由於碳布與電極板11之間僅是物理接觸(兩者僅相互抵靠)，因此，水電解裝置在長時間使用後，容易發生碳布的部分區域發生侵蝕問題，而導致該區域無法導電，從而導致碳布與電極板11之間的接觸阻抗變大，進而影響水電解裝置的整體運作效率。

換句話說，本發明的水電解裝置1在長時間使用後，各個電極板11與相鄰的鈦網結構12所包含的多條鈦線121共同建立多條導電路徑，將 會是大部分都處於仍然可以正常導通的狀態。反觀，習知的水電解裝置，在長時間使用後，碳布被侵蝕的區域將會導致部分的導電路徑失效。

另外，值得一提的是，習知的水電解裝置的碳布的一側大多會塗佈觸媒，為此，導致碳布整體的製造成本相對昂貴。反觀，本發明的水電解裝置1所包含的鈦網結構12及觸媒層15的製造成本則相對便宜，而本發明的水電解裝置1相較於習知的水電解裝置還具有製造成本相對便宜的優勢。

請一併參閱圖6至圖9，其分別顯示為本發明的水電解裝置的第二實施例的分解示意圖、鈦網結構及輔助鈦網結構的示意圖、剖面示意圖及局部剖面放大示意圖。本實施例的水電解裝置2包含：兩電極板21、兩個鈦網結構22、一膜電極組23、兩個密封環24、兩觸媒層25及兩個輔助鈦網結構26。其中一個電極板21具有一輸入通道211及一氫氣輸出通道212，另一個電極板21具有一氧氣輸出通道213。輸入通道211、氫氣輸出通道212及氧氣輸出通道213分別貫穿電極板21設置。

本實施例所述的鈦網結構22、膜電極組23、兩個密封環24，與前述第一實施例的鈦網結構12、膜電極組13及兩個密封環14大致相同，於此不再贅述。本實施例的電極板21與前述第一實施例所述的電極板11的差異在於：電極板21與鈦網結構22相互熔接的側面214為平面狀，而電極板21與鈦網結構22相互熔接後，鈦網結構22的各條鈦線221，未與電極板21相熔接的區段，將與電極板21的側面214共同形成多個流道C。

其中一個輔助鈦網結構26利用擴散焊接技術固定於其中一個鈦網結構22相反於電極板21的一側，另一個輔助鈦網結構26利用擴散焊接技術固定於另一個鈦網結構22相反於電極板21的一側。在實際製造過程中，可以是先將鈦網結構22設置於電極板21的側面214，再將輔助鈦網結構26設置 於鈦網結構22相反於電極板21的一側，最後，通過相關擴散焊接設備一次性地使電極板21、鈦網結構22及輔助鈦網結構26彼此相互熔接。

如圖6、圖7及圖9所示，各個輔助鈦網結構26包含多條輔助鈦線261，各條輔助鈦線261的多個不同位置的區段分別與不同的輔助鈦線261交疊地設置，各個輔助鈦網結構26包含有多個網孔262，各個鈦網結構22所包含的網孔222的最大孔徑大於各個輔助鈦網結構26所包含的網孔262的最大孔徑。各條輔助鈦線261的多個不同位置的區段是與鈦網結構22所包含的多個鈦線221的其中一區段相熔接。各個電極板21與鈦線221相連接的位置，能通過至少一條鈦線221及多條輔助鈦線261共同建立一導電路徑。

在實際應用中，觸媒層25可以是利用電鍍等方式，形成於已經通過擴散焊接技術而相互固定的電極板21、鈦網結構22及輔助鈦網結構26的一側，而觸媒層25是對應設置於輔助鈦網結構26的至少一部分。

在其中一個具體實施中，各個鈦網結構22的各個網孔222的最大孔徑，可以是各個輔助鈦網結構26的各個網孔262的最大孔徑的2~20倍。在其中一個具體實施例中，各個鈦網結構22的各個網孔222的孔徑可以是介於0.1~1.0公釐，各個輔助鈦網結構26的各個網孔262的孔徑則是介於0.05~0.5公釐。

在其中一個具體實施中，各個鈦網結構22的整體尺寸及各個輔助鈦網結構26的整體尺寸相同(即鈦網結構22的整體寬度、長度，與輔助鈦網結構26的整體寬度、長度相同)，且各個鈦網結構22的目數介於50~500目，而各個輔助鈦網結構26的目數介於80~5000目。在其中一個實施例中，各個鈦網結構22的整體尺寸及各個輔助鈦網結構26的整體尺寸相同(即鈦網結構22的整體寬度、長度，與輔助鈦網結構26的整體寬度、長度相同)，且 各個鈦網結構22所包含的網孔的數量，是各個輔助鈦網結構26所包含的所網孔的數量的1.6~100倍。

依上所述，簡單來說，本實施例與前述第一實施例的最主要的差異在於：電極板21一側所具有的多個流道C不是由電極板21本身結構所構成，而是電極板21與鈦網結構22一同構成，且各個鈦網結構22與膜電極組23之間還設置有輔助鈦網結構26，而各個輔助鈦網結構26主要是用來作為氣體擴散層(當然，鈦網結構22也同樣也可以是具有氣體擴散的功能)。

請參閱圖10，其顯示為本發明的水電解裝置的第三實施例的分解示意圖。本實施例的水電解裝置3包含兩個電極板31、兩個鈦網結構32、一膜電極組33、兩個密封環34、兩個觸媒層(圖未繪示)及兩個輔助鈦網結構36。其中一個電極板31具有一輸入通道311及一氫氣輸出通道312，另一個電極板31具有一氧氣輸出通道313。輸入通道311、氫氣輸出通道312及氧氣輸出通道313分別貫穿電極板31設置。其中一電極板31的一側面314具有多個凸柱結構315，而多個凸柱結構315與側面314共同形成相互連通的多個流道C。

各個鈦網結構32是由多條鈦線321相互交織所構成，各個輔助鈦網結構36是由多條輔助鈦線361相互交織所構成。其中一個鈦網結構32、其中一個輔助鈦網結構36與其中一個電極板31是通過擴散焊接技術相互熔接固定，另一個鈦網結構32、另一個輔助鈦網結構36與另一個電極板31同樣是通過擴散焊接技術相互熔接固定。相互熔接的輔助鈦網結構36、鈦網結構32及電極板31的至少一部分設置有觸媒層。

本實施例所述的膜電極組33及密封環34，皆與前述第一實施例的膜電極組13及密封環14大致相同，請參閱前述第一實施例的說明，於此不再贅述。本實施例所述的電極板31、鈦網結構32、輔助鈦網結構36及觸媒 層與前述第二實施例所述的電極板21、鈦網結構22、輔助鈦網結構26及觸媒層大致相同，請參閱前述第二實施例的說明，於此不再贅述。

在其中一個具體實施中，各個鈦網結構32的各個網孔322的最大孔徑，可以是各個輔助鈦網結構36的各個網孔362的最大孔徑的2~20倍。在其中一個實施例中，各個鈦網結構32的各個網孔322的孔徑可以是介於0.1~1.0公釐，而各個輔助鈦網結構36的網孔362的孔徑則可以是介於0.05~0.5公釐。

在其中一個具體實施中，各個鈦網結構32的整體尺寸及各個輔助鈦網結構36的整體尺寸相同(即鈦網結構32的整體寬度、長度，與輔助鈦網結構36的整體寬度、長度相同)，且各個鈦網結構32的目數介於50~500目，而各個輔助鈦網結構36的目數介於80~5000目。

需說明的是，於本實施例的圖式中，是以水電解裝置3包含兩個輔助鈦網結構36為例，但水電解裝置3所包含的輔助鈦網結構36的數量不以兩個為限。在膜電極組33與鈦網結構32之間設置有兩個或兩個以上的輔助鈦網結構36的實施例中，越靠近膜電極組33的輔助鈦網結構36的網孔362的孔徑越小。

綜上所述，本發明的水電解裝置通過將鈦網結構作為氣體擴散層，且使鈦網結構與電極板利用擴散焊接技術相互熔接等設計，可以使水電解裝置在長時間使用後，鈦網結構與電極板之間的接觸阻抗不會大幅提升，藉此，可以使水電解裝置能夠維持相對較佳的運作效率，而本發明的水電解裝置的整體使用壽命將相對於習知利用碳布作為氣體擴散層的水電解裝置的使用壽命。

以上所述僅為本發明的較佳可行實施例，非因此侷限本發明的專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的保護範圍內。

1:水電解裝置

11:電極板

111:輸入通道

112:氫氣輸出通道

113:氧氣輸出通道

114:側面

115:凸柱結構

12:鈦網結構

121:鈦線

122:網孔

13:膜電極組

14:密封環

Claims (12)

1. 一種水電解裝置，其包含：兩電極板，各所述電極板的一側具有多個流道，其中一個所述電極板具有一輸入通道及一氫氣輸出通道，另一個所述電極板具有一氧氣輸出通道；至少兩鈦網結構，其中一個所述鈦網結構利用擴散焊接技術固定於其中一個所述電極板具有多個所述流道的一側，另一個所述鈦網結構利用擴散焊接技術固定於另一個所述電極板具有多個所述流道的一側；各個所述鈦網結構包含多條鈦線，各條所述鈦線的多個不同位置的區段分別與不同的所述鈦線交疊地設置，各個所述鈦網結構包含有多個網孔；各條所述鈦線的多個不同位置的區段是與所述電極板相熔接，而各個所述電極板與所述鈦線相熔接的位置，能通過至少一條所述鈦線建立一導電路徑，各條所述鈦線不與所述電極板相熔接的區段，則是對應疊在另一條所述鈦線的一側；兩觸媒層，各個所述觸媒層設置於各個所述鈦網結構的至少一部分及各個所述電極板設置有所述鈦網結構的一側；一膜電極組，其設置於兩個所述鈦網結構之間；兩個密封環，各個所述電極板與所述膜電極組之間設置有一個所述密封環，而各個所述鈦網結構的周緣則是被所述密封環環繞；至少兩個輔助鈦網結構，其中一個所述輔助鈦網結構利用擴散焊接技術固定於其中一個所述鈦網結構相反於所述電極板的一側，另一個所述輔助鈦網結構利用擴散焊接技術固定於另一個所述鈦網結構相反於所述電極板的一 側；各個所述輔助鈦網結構包含多條輔助鈦線，各條所述輔助鈦線的多個不同位置的區段分別與不同的所述輔助鈦線交疊地設置，各個所述輔助鈦網結構包含有多個網孔，各個所述鈦網結構所包含的所述網孔的最大孔徑大於各個所述輔助鈦網結構所包含的所述網孔的最大孔徑；各條所述輔助鈦線的多個不同位置的區段是與所述鈦網結構所包含的多個所述鈦線的其中一區段相熔接；各個所述電極板與所述鈦線相連接的位置，能通過至少一條所述鈦線及多條所述輔助鈦線共同建立一導電路徑。
2. 如請求項1所述的水電解裝置，其中，各個所述網孔的孔徑介於0.05~0.5公釐。
3. 如請求項1所述的水電解裝置，其中，各個所述電極板的材質包含鈦或不鏽鋼；所述觸媒層的材質包含白金、黃金或氧化銥。
4. 如請求項1所述的水電解裝置，其中，各個所述電極板設置有所述鈦網結構的一側為平面狀；各個所述鈦網結構的各條所述鈦線未與所述電極板相熔接的區段與所述電極板共同構成多個所述流道。
5. 如請求項4所述的水電解裝置，其中，所述觸媒層還設置於所述輔助鈦網結構的至少一部分。
6. 如請求項4所述的水電解裝置，其中，各個所述鈦網結構的各個所述網孔的最大孔徑是各個所述輔助鈦網結構的所述網孔的最大孔徑的2~20倍。
7. 如請求項4所述的水電解裝置，其中，各個所述鈦網結構的各個所述網孔的孔徑介於0.1~1.0公釐，各個所述輔助 鈦網結構的所述網孔的孔徑介於0.05~0.5公釐。
8. 如請求項4所述的水電解裝置，其中，各個所述鈦網結構的整體尺寸及各個所述輔助鈦網結構的整體尺寸相同，且各個所述鈦網結構所包含的所述網孔的數量，是各個所述輔助鈦網結構所包含的所網孔的數量的1.6~100倍。
9. 如請求項1所述的水電解裝置，其中，所述觸媒層還設置於所述輔助鈦網結構的至少一部分。
10. 如請求項1所述的水電解裝置，其中，各個所述鈦網結構的各個所述網孔的最大孔徑是各個所述輔助鈦網結構的所述網孔的最大孔徑的2~20倍。
11. 如請求項1所述的水電解裝置，其中，各個所述鈦網結構的各個所述網孔的孔徑介於0.1~1.0公釐，各個所述輔助鈦網結構的所述網孔的孔徑介於0.05~0.5公釐。
12. 如請求項1所述的水電解裝置，其中，各個所述鈦網結構的整體尺寸及各個所述輔助鈦網結構的整體尺寸相同，且各個所述鈦網結構所包含的所述網孔的數量，是各個所述輔助鈦網結構所包含的所網孔的數量的1.6~100倍。

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