CN101126162A - 压滤式水电解槽 - Google Patents

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Abstract

本发明属水电解制氢装置，特别涉及一种水电解制氢行业使用的压滤式水电解槽，阳极半槽体1、双极性单元槽体3的阳极室6内安装柔性的金属或由金属丝织造的网状的主阳极7、网状的辅助阳极8和具有透气通液网孔结构和弹性扩张性能的阳极支撑组件9，阴极半槽体2、双极性单元槽体3的阴极室10内安装柔性的金属或由金属丝织造的网状的主阴极11、网状的辅助阴极12和具有透气通液网孔结构和弹性扩张性能的阴极支撑组件13，主阳极7和主阴极11以膜极距安装，结构简单、制造维修方便、氢气纯度高、体积小、重量轻，单元槽间的电压为1.9～2.2v，电流效率为99％以上，直流电耗为4.5～5.0KW·h/Nm3H2，氢气纯度为99.99～99.999％。

Description

压滤式水电解槽
所属技术领域
本发明属水电解制氢装置，特别涉及一种水电解制氢行业使用的压滤式水电解槽。
背景技术
在水电解制氢行业中，广泛使用的水电解制氢装置一般都是由穿孔板制造的主电极，阴、阳极室分隔板做辅助电极，电极的支撑结构为模具冲压成型的凹凸盘。这种结构有如下不足之处：
1、穿孔板电极为刚性的平板电极，实际的加工和组装过程不易保证较小的平面度和阴、阳极的良好的平行度，造成阴、阳极有间隙，导致极距不均匀，因此也就不能保证电流的均匀性，在一定程度上限制了电流密度的提升。
2、穿孔板电极不具备理想的气体扩散通道和液体流通通道，因此不利于气体的扩散和液体的流通，造成电解液充气度增加，不利于电解反应的进行。
3、凹凸盘电极支撑结构复杂，需要成型精度很高的模具和大吨位的压力机才能完成，制造难度大，生产成本较高。
4、由于凹凸盘电极支撑的数量有限，导致与穿孔板电极的接触面积有限，限制了电流密度进一步提高。一般电流密度为1500～2200A/m2。
5、凹凸盘电极支撑结构要求阴、阳极应具有一定的刚度和强度，否则阴、阳极侧的压差会造成电极的永久变形，导致设备不能正常运行。
6、穿孔板电极和凹凸盘电极支撑结构是硬性的刚性结构，导致阴阳极与隔膜具有一定的间隙。一般为2～3mm。这无疑又增加了电解过程中电解液的电压降，增加了能耗。
发明内容
本发明的目的是克服上述水电解制氢装置的不足，设计一种结构简单、制造维修方便、氢气纯度高、体积小、重量轻、适于高电流密度条件下运行的压滤式水电解槽。
本发明的任务在于，一种压滤式水电解槽，包括阳极半槽体、阴极半槽体、位于二者之间的至少有一个双极性单元槽体、以及位于三者之间的绝缘密封垫片，阳极半槽体、双极性单元槽体的阳极室内安装柔性的金属或由金属丝织造的网状的主阳极、网状的辅助阳极和具有透气通液网孔结构和弹性扩张性能的阳极支撑组件，阴极半槽体、双极性单元槽体的阴极室内安装柔性的金属或由金属丝织造的网状的主阴极、网状的辅助阴极和具有透气通液网孔结构和弹性扩张性能的阴极支撑组件，主阳极和主阴极之间安装隔膜。
所述的阳极半槽体和双极性单元槽体的下端设有电解液进口公用管道，上端设有电解液出口公用管道，阴极半槽体和双极性单元槽体上设有氢气公用管道，阳极室通过电解液分支管道与电解液进口公用管道、电解液出口公用管道连通，阴极室通过氢气分支管道与氢气公用管道连通。
所述的主阳极和主阴极与隔膜以膜极距安装。
所述的主阳极为带有活性涂层或镀层或不带活性涂层或镀层的内部具有大量相通的三维立体网状结构的柔性泡沫状镍或海绵状镍或由镍丝或镍合金丝织造的金属网。主阴极为带有活性涂层或镀层或不带活性涂层或镀层的内部具有大量相通的三维立体网状结构的柔性泡沫状镍或海绵状镍或由镍丝或镍合金丝或不锈钢丝织造的金属网。
所述的辅助阳极是由镍丝或镍合金丝织造的金属网，辅助阴极是由镍丝或镍合金丝或不锈钢丝织造的金属网。
所述的阳极支撑组件、阴极支撑组件为一张或多张叠加在一起的具有一定的基材厚度的镍板或不锈钢板拉制成的具有一定长节距和短节距及丝梗宽度的钢板网。
所述的隔膜为微孔膜或离子膜。
本发明的压滤式水电解槽具有如下特点：
1、由于阴极室内没有电解液循环，可使电解系统无需配套氢气的分离设备，因此既简化了电解工艺流程、降低了成本又提高了气体的纯度，还减小了漏电流，提高了电流效率。
(1)、阴极室没有电解液的通道，阳极室的电解液通过隔膜渗透到阴极，在隔膜与电极之间进行电解，产生的氢气直接通过氢气分支管道进入氢气公用管道后排出，由于气体中不含电解液，因此气体排出后不需要进行气液分离设备，既简化了流程，降低了设备投资，又减小了整体设备的体积。
(2)、在电解槽工作过程中，公用管道电解发生在阴极半槽体、阳极半槽体以及各个双极性单元槽体的电解液进、出口公用管道之间，是影响气体纯度的一个因素，与阴极室连通的电解液进、出口公用管道的电解会使氧气进入氢气管路，使氢中含氧。与阳极室连通的电解液进出口公用管道电解会使氢气进入氧气管路，使氧中含氢。另外电解液进出口公用管道电解会消耗一部分电解电流，使电流效率下降。本压滤式水电解槽由于阴极室没有设置电解液的进出口公用管道，氢气中不含电解液，因此既避免公用管道电解给氢气纯度带来的影响又提高了电流效率。气体纯度为99.99％～99.999％，电流效率大于99％。
2、采用泡沫状或海绵状镍电极具有如下优点：
(1)由于泡沫状镍或海绵状镍电极是柔性体，在外力的作用下，具有随外力变形的特性，因此泡沫状镍或海绵状镍电极受辅助电极和隔膜两个相反方向的挤压力作用下达到很好的仿形效果，使泡沫状镍或海绵状镍电极上的每一个质点都能与隔膜和辅助电极形成良好的接触，克服了平板电极由于平面度和平行度误差造成的极距不均匀。
(2)由于泡沫状镍或海绵状镍电极表面和内部具有大小不一、纵横交错大量相通的三维立体网状结构的孔隙，孔隙率达到96％以上，一些细小的孔隙有利于气体扩散和溢出，粗大的孔隙有利于电解液的流通。这种结构有效地降低电解液的充气度，减小电解液电压降。
(3)泡沫状镍或海绵状镍电极具有较大的比表面积，使电解过程中放电面积增加，有利于降低电解过电压，使电极承受较大的电流密度。在相同条件下(电流密度、电解液浓度、工作温度、工作压力等)采用泡沫状镍或海绵状镍电极比采用穿孔板电极电压降低0.2v。因此可大幅度提高电流密度，电流密度可达2600～4000A/m2。
3、采用具有透气通液网孔结构和弹性扩张性能的阴、阳极支撑组件作为电极的支撑结构，具有如下优点：
(1)阴、阳极支撑组件上的每一个丝梗都能与电极和槽体相接触，比凹凸盘状的电极支撑结构与电极和槽体的接触点增加了几百倍，等于增加了电极与槽体的接触面积，有利于电流均匀分布，避免造成电解槽内局部电流过高现象的发生。
(2)阴、阳极支撑组件上分布的纵横交错的丝梗和网孔能使电解液的流向发生改变，使电解室的整个电解区域内时刻都能补充新鲜的电解液，既有力于电解液的均匀分布，又使电解液在电解室的工作平面内产生湍流现象，有利于电解槽各个部位的电解液浓度均匀，同样避免由于电解液浓度的不一致造成的局部电流密度过高的现象，防止击穿电极现象的发生。
(3)阴、阳极支撑组件的每一个丝梗都与电极和槽体之间形成一定的夹角，在不同外压力作用下夹角可以在原始状态和最小状态下变化，使这种支撑结构具有与外力方向相反的弹性扩张力。由于弹性扩张力的存在可使阴、阳极与隔膜紧密贴合，保证电解槽的长期稳定运行。
4、柔性的泡沫状镍或海绵状镍电极可使电解槽中隔膜得到有效的保护，因此可采用厚度很薄的无污染的微孔隔膜或离子膜作为电解隔膜材料，有利于降低隔膜生产对环境的危害。
5、由于采用柔性的泡沫状镍或海绵状镍的主电极和网状的辅助电极配合具有透气通液网孔结构和弹性扩张性能的电极支撑组件可以大范围的缩小阴、阳极室的厚度，从而使双极性单元槽体的厚度减小，大幅度缩小整个压滤式水电解槽的体积和重量，特别适用于要求体积小，重量轻，可移动性的场合，如气象行业的氢气发生器，燃料电池行业的氢气源，科研院所和学校试验用的氢气源，也可用于特殊行业作为移动性的氧气源等。
附图说明
以下结合附图以实施例具体说明本发明。
图1示压滤式水电解槽主剖视图。
图2示图1的I部放大视图。
图3示双极性单元槽体主视图。
图4示图3的A-A剖视图。
图5示图3的B-B剖视图。
图6示阴、阳极支撑组件局部结构视图。
图7示电解液、氧气在阳极室及管道内循环图。
图8示氢气在阴极室及管道内循环图。
图中，1-阳极半槽体；2-阴极半槽体；3-双极性单元槽体；4-垫片；5-隔膜；6-阳极室；7-主阳极；8-辅助阳极；9-阳极支撑组件；9-1-长节距；9-2-短节距；9-3-丝梗宽度；10-阴极室；11-主阴极；12-辅助阴极；13-阴极支撑组件；14-电解液进口公用管道；15-电解液出口公用管道；16-氢气公用管道；17-电解液分支管道；18-氢气分支管道。19-氧气；20-电解液；21-氢气
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施方式及其效果作进一步的描述。
参照附图1、2压滤式水电解槽包括阳极半槽体1、阴极半槽体2、位于二者之间的至少有一个双极性单元槽体3、以及位于三者之间的绝缘密封垫片4、隔膜5，阳极半槽体1、双极性单元槽体3的阳极室6内安装柔性的金属或由金属丝织造的网状的主阳极7、网状辅助阳极8和具有透气通液网孔结构和弹性扩张性能的阳极支撑组件9，阴极半槽体2、双极性单元槽体3的阴极室10内安装柔性的金属或由金属丝织造的网状的主阴极11、网状辅助阴极12和具有透气通液网孔结构和弹性扩张性能的阴极支撑组件13，主阳极7和主阴极11之间安装隔膜5。
参照附图3、4、5阳极半槽体1和双极性单元槽体3的下端设有电解液进口公用管道14，上端设有电解液出口公用管道15，阴极半槽体2和双极性单元槽体3上设有氢气公用管道16。阳极室6通过电解液分支管道17与电解液进口公用管道14、电解液出口公用管道15连通，阴极室10通过氢气分支管道18与氢气公用管道16连通。
参照附图1、2为了降低电解时的槽电压，减小电解液电压降，同时增强隔膜受压能力，本发明的电解槽主阳极7、主阴极11与隔膜5以膜极距安装。
为了降低析氧和析氢过电位，提高电流密度，主阳极7采用具有较大比表面积的带有活性涂层或镀层或不带活性涂层或镀层的内部具有大量相通的三维立体网状结构的柔性泡沫状镍或海绵状镍或由镍丝或镍合金丝织造的金属网。主阴极11也采用带有活性涂层或镀层或不带活性涂层或镀层的内部具有大量相通的三维立体网状结构的柔性泡沫状镍或海绵状镍或由镍丝或镍合金丝或不锈钢丝织造的金属网。
为了提高由泡沫状镍制成的主阳极7和主阴极11的抗压能力，在主阳极7和主阴极11背侧增加了网状的辅助阳极8和网状的辅助阴极12。辅助阳极8是由镍丝或镍合金丝织造的金属网，辅助阴极12是由镍丝或镍合金丝或不锈钢丝织造的金属网。
参照附图6为了形成电解时必要的电解液和气体通道，增加电流导通的接触点，阳极支撑组件9、阴极支撑组件13为一张或多张叠加在一起的具有一定的基材厚度的镍板或不锈钢板拉制成的具有一定长节距9-1和短节距9-2及丝梗宽度9-3的钢板网。这种结构不仅降低了制造电极支撑件的复杂程度和制造难度，而且便于更换组件。
为了满足不同行业的需要，压滤式水电解槽隔膜5采用微孔膜或离子膜。
参照附图1、2、3、4、5、7、8本发明的压滤水电解槽在工作时，电解液20由下端的电解液进口公用管道14流经下端的电解液分支管道17进入阳极室6内，透过具有透气通液结构的阳极支撑组件9纵横交错的网孔后，产生湍流现象，这种流体状态使得电解液20均匀分布到辅助阳极8实现二次分布，经过二次分布浓度更加均匀的电解液20迅速分布到主阳极7表面和内部大小不一、纵横交错的孔隙内到达隔膜5后渗透到主阴极11的表面上，在隔膜5和主阳极7之间电解产生的氧气19和未电解的电解液20经上述相反的路径返回到阳极支撑组件9后经上端的电解液分支管道17进入电解液出口公用管道15后再进入气液分离系统进行分离。由于阴极室10没有电解液循环的管道，因此阴极室10靠隔膜5渗透过来的电解液20进行电解，在阴极室10内产生的氢气21经氢气分支管道18进入氢气公用管道16后输出进入脱水和净化系统。
当阳极室6生成的氧气19或阴极室10生成的氢气21压力产生波动时，隔膜5在波动的压力作用下，作用于主阴极11、辅助阴极12、阴极支撑组件13或主阳极7、辅助阳极8、阳极支撑组件9，由于阳极支撑组件9和阴极支撑组件13具有弹性扩张性能，使得受压一侧的阳极支撑组件9或阴极支撑组件13产生收缩，施压一侧的阴极支撑组件13或阳极支撑组件9产生扩张，正是由于阳极支撑组件9和阴极支撑组件13具有的弹性扩张的特性使隔膜5与主阳极7和主阴极11在工作状态下始终保持膜极距。
本发明提供的压滤式水电解槽，当电流密度为2600～4000A/m2时，单元槽间的电压为1.9～2.2v，电流效率为99％以上，直流电耗为4.5～5.0KW·h/Nm3H2，氢气纯度为99.99～99.999％。

Claims (7)

1.一种压滤式水电解槽，包括阳极半槽体(1)、阴极半槽体(2)、位于二者之间的至少有一个双极性单元槽体(3)、以及位于三者之间的绝缘密封垫片(4)，其特征在于阳极半槽体(1)、双极性单元槽体(3)的阳极室(6)内安装柔性的金属或由金属丝织造的网状的主阳极(7)、网状的辅助阳极(8)和具有透气通液网孔结构和弹性扩张性能的阳极支撑组件(9)，阴极半槽体(2)、双极性单元槽体(3)的阴极室(10)内安装柔性的金属或由金属丝织造的网状的主阴极(11)、网状的辅助阴极(12)和具有透气通液网孔结构和弹性扩张性能的阴极支撑组件(13)，主阳极(7)和主阴极(11)之间安装隔膜(5)。
2.根据权利要求1所述的一种压滤式水电解槽，其特征在于阳极半槽体(1)和双极性单元槽体(3)的下端设有电解液进口公用管道(14)，上端设有电解液出口公用管道(15)，阴极半槽体(2)和双极性单元槽体(3)上设有氢气公用管道(16)，阳极室(6)通过电解液分支管道(17)与电解液进口公用管道(14)、电解液出口公用管道(15)连通，阴极室(10)通过氢气分支管道(18)与氢气公用管道(16)连通。
3.根据权利要求1所述的一种压滤式水电解槽，其特征在于主阳极(7)和主阴极(11)与隔膜(5)以膜极距安装。
4.根据权利要求1所述的一种压滤式水电解槽，其特征在于主阳极(7)为带有活性涂层或镀层或不带活性涂层或镀层的内部具有大量相通的三维立体网状结构的柔性泡沫状镍或海绵状镍或由镍丝或镍合金丝织造的金属网，主阴极(11)为带有活性涂层或镀层或不带活性涂层或镀层的内部具有大量相通的三维立体网状结构的柔性泡沫状镍或海绵状镍或由镍丝或镍合金丝或不锈钢丝织造的金属网。
5.根据权利要求1所述的一种压滤式水电解槽，其特征在于辅助阳极(8)是由镍丝或镍合金丝织造的金属网，辅助阴极(12)是由镍丝或镍合金丝或不锈钢丝织造的金属网。
6.根据权利要求1所述的一种压滤式水电解槽，其特征在于阳极支撑组件(9)、阴极支撑组件(13)为一张或多张叠加在一起的具有一定的基材厚度的镍板或不锈钢板拉制成的具有一定长节距和短节距及丝梗宽度的钢板网。
7.根据权利要求1所述的一种压滤式水电解槽，其特征在于隔膜(5)为微孔膜或离子膜。
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