CN104911628B - 一种节能水电解制氢电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明的结构涉及水电解制氢设备，特别涉及一种节能水电解制氢电解槽结构，这种节能水电解制氢电解槽是由正极端板、负极端板和多组圆形极板框组件、多组圆形组合密封垫由多根螺杆拉紧组合而成。附极板采用纯镍丝、镀镍金属丝编织成具有一定厚度和强度的多孔型、多层组合的网格板结构，设置在单板型主极板的两侧，在该圆形附极板的径向和轴向都设有多个六边形或四边形的气、液通道。这种结构不仅能确保在附极板受压状态下，点解过程气、液畅通，且能大幅度的增加极板表面积和提高点解效率，其结构简单、安装方便可靠，与现有技术相比，具有制造成本低和节能降耗等特点。

Description

一种节能水电解制氢电解槽

技术领域

本发明的结构涉及水电解制氢设备，特别涉及一种节能水电解制氢电解槽，具有高效、节能特点。

背景技术

水电解制氢是一种传统的制氢方法，水电解制氢设备的核心部分是电解槽，当今世界水电解制氢技术应用与发展，所面临的广泛挑战是降低能耗和制氢成本，提高使用寿命和安全性。通过长期研究和生产实践，已经形成共识：改进电解槽电极结构和电极材料是提高电解效率的重要有效途径。由于电解过程中，在电极表面存在着气态、液态、电子与离子三相间迁移、互动的电化学反应，需要有足够大的相互接触反应的面积，同时也要求电极结构不使电解过程中气体脱附、上升和电解液循环流动受阻，才能保证点解反应过程顺利进行。本发明就是依据这样的需求提出来的。

现有技术的极板结构普遍采用在一块乳突型的主极板两侧附加一层镍丝网的附极板，构成水电解制氢极板组件；另一种电极结构为一块平面型主极板其两侧附加两块不锈钢丝支撑网，再在两侧外各叠加一块镍丝网作为附极板。增加附极板的目的都是增大极板的表面积来提高点解效率，但这两种方法都存在以下不足：

（1）乳突型主极板通过乳突状型面的凹凸表面增加极板表面积，并以此来支撑附极板，但是这种结构其表面积的增加收到乳突数量的限制，乳突设置的数量过多、密度大，不但制作十分困难，并且会引起气体上浮和电解液循环流动的困难，影响电解效果。

（2）乳突型极板成型需要比较复杂的成型模具，制造困难，成本比较昂贵，如需改型或改变极板规格，更新成本高，浪费大。

（3）乳突型极板结构决定了其附加的网状附极板层数不能多，一般采用单层，否则难以支撑和获得与主极板同电位效果。因此，其附极板结构增加的表面积仍然有限。

（4）采用平面主极板加不锈钢支撑网和镍丝网组成的压叠式结构极板，由于不锈钢支撑网和镍丝网单层叠压，必然导致增加的极板面积有限，如果多层随机叠压，也必然存在金属丝网间的间隙度不均匀，在密压处密度大、间隙小，引起气体或电解液流动受阻，同时易在点解过程中产生的阳极流堵塞，造成安全事故。

发明内容

本发明的目的是：针对现有水电解制氢电解槽技术的不足和极板结构存在的缺陷，提供一种新型电极板结构的水电解制氢电解槽技术，通过改进电极板结构，较大幅度的提高电极表面积和电解效率，降低能耗和极板制造成本。

本发明的技术方案是：一种节能水电解制氢电解槽，包括分别位于两端相对而设的圆形的正极端板和负极端板，正极端板和负极端板之间间隔交错排布有圆形的组合密封垫和极板框组件，并保持平行，螺杆穿过正极端板和负极端板将组合密封垫和极板框组件紧固，所述的极板框组件由环状的极板框和位于其环内的极板组件焊接而成，极板组件由一块扁平圆柱体形状的主极板和安装在主极板的柱体两端面的附极板组成。

所述的附极板是由0.2～1mm粗的纯镍丝或镀镍金属丝编织成厚度为8～12mm多孔型、多层组合的网格板结构。

所述的网格板结构的附极板在竖直方向为多个六边形或四边形径向通道，在水平方向为多个矩形横向通道。

主极板由厚度为1～3mm镀镍碳钢板制成，在主极板上安装有多个不锈钢焊接螺柱，多个焊接螺柱沿轴向贯穿主极板，其中一个焊接螺柱位于主极板中心位置，其余焊接螺柱围绕中心的焊接螺柱周向均布；

附极板上与设在主极板上的焊接螺柱的相对应位置开设有相同数量螺栓安装孔，通过焊接螺柱和其相配套的不锈钢螺母、不锈钢垫片将附极板紧固在主极板的两侧。

所述的组合密封垫由环状的橡胶密封垫和位于其环内的圆形的隔膜石棉布组合而成，隔膜石棉布的边缘与橡胶密封垫的内环边缘通过硫化热压组合而成。

所述的螺杆的两端设有拧紧部件，该拧紧部件由内向外依次包括绝缘套、平垫圈、碟簧和螺母，绝缘套紧贴在正极端板或负极端板外圆面，正极端板和负极端板之间螺杆部分由绝缘导管套住。

本发明的有益效果：

（1）采用由镍丝网编织的多孔型、多层组合的网格板制作的附极板，该极板有效表面积大，是现有技术的乳突型主极板+单层镍网的电极结构有效点解面的3～5倍，在相同规格电解槽条件下，单台电解槽的工作电流和产气量可提高2～4倍，其平均每立方米制氢量电耗下降0.1～0.5kw.h左右电量。

（2）由于新型附极板结构设置的多层、多孔式的径向通道和横向通道，且网格板具有一定的厚度和刚性，则能保证在极板受压的状态下，使气体、液体流动顺畅，使点解过程安全、持久运行。

（3）电解槽主极板采用平板结构，简单易制，无需复杂模具，比现有的乳突型极板制作成本极大的降低。

（4）电解槽主极板与网格板制作的附极板采用焊接螺柱连接，安装方便，连接牢固，主极板贴合良好，确保主、附极板同电位，可放置现有技术的电极结构，由于支撑或接触不良而引起的安全故障。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图。

图2是图1的A部放大示意图。

图3a是极板组件的主视图；图3b是极板组件的左剖视图。

图4是图3b的B部放大示意图。

图5a是附极板的主视图；图5b是附极板的左剖视图；图5c是附极板的俯视剖视图。

图6是图5b的C部放大示意图。

图7是图5c的D部放大示意图。

附图标记说明：1、螺母；2、螺杆；3、碟簧；4、负极端板；5、绝缘导管；6、正极端板；7、绝缘套；8、平垫圈；9、组合密封垫；10、极板框组件；11、橡胶密封垫；12、隔膜石棉布；13、极板框；14、极板组件；15、主极板；16、附极板；17、焊接螺柱；18、横向通道；19、螺栓安装孔；20、不锈钢螺母；21、不锈钢垫片；22、径向通道。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供一种节能水电解制氢电解槽，如图1和图2所示，包括分别位于两端相对而设的圆形的正极端板6和负极端板4，正极端板6和负极端板4之间间隔交错排布有圆形的组合密封垫9和极板框组件10，并保持平行，螺杆2穿过正极端板6和负极端板4将组合密封垫9和极板框组件10紧固，所述的极板框组件10由环状的极板框13和位于其环内的极板组件14焊接而成，极板组件14由一块扁平圆柱体形状的主极板15和安装在主极板15的柱体两端面的附极板16组成。

本实施例旨在提供一种更加高效的水电解制氢电解槽，其根本途径在于增加电解面积，根本方式在于在原有电解槽的基础上，增加了多孔洞的附极板16，结合图1、图2、图3a、图3b和图4，在电解区域，多孔洞的附极板16的孔洞相比于没有附极板16来说，其电解面积大大增加，而且这种结构相比于传统的乳突型极板或平面主极板、不锈钢丝支撑网和镍丝网组成的极板组件，加工工艺简单，费用减少，而且还能大大增加电解效率。

考虑到水电解制氢电解槽的高效性和规模性，也可通过提高压力、增加电解槽的直径和极板框组件组数来提高电解槽的电解效率。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例进一步进行说明，附极板16是由0.2～1mm粗的纯镍丝或镀镍金属丝编织成厚度为8～12mm多孔型、多层组合的网格板结构。

更为精确地，在本实施例中，网格板结构的附极板16在竖直方向为多个六边形或四边形径向通道22，在水平方向为多个矩形横向通道18。

本实施例中，附极板16为网格板结构，径向通道22和矩形横向通道18完全通透，减小气泡上浮阻力，其多孔形状可设计成任何多孔形状，主要是保证气泡有足够的空间上浮；附极板16的厚度是根据高效制氢电解槽的小室宽度进行设计的，这里的附极板16厚度为9mm，多孔形状为边长3mm的正四边形，整个附极厚度方向板可由3层网格板结构组成，附极板16内部丝径为0.2～1mm，考虑到附极板的支撑力，这里附极板丝径为0.8mm。这样的附极板结构相当于4层镍丝网叠加而成，再考虑到横向镍丝增加的表面积，其有效点解面积是原来单层镍丝网的3～5倍，则在相同型号电解槽的情况下，单台电解槽的电流可提高2～5倍，进而单台电解槽的产气量提高了2～5倍，在增大产气量的同时，其他辅助设备及热损耗基本不变，则平均每立方氢氧气的电耗下降0.1～0.5度，极大的降低了电流损耗。

实施例3：

在实施例1的基础上，本实施例进一步进行说明，主极板15与附极板16安装前需进行表面杂质处理，然后进行多孔镍电镀工艺处理，进一步增大极板组件的表面积；主极板15与附极板16固定采用焊接螺柱17、不锈钢垫片和螺母进行固定，保证附极板与主极板连接牢固。附极板16有两块，分别通过多个焊接螺柱17及与焊接螺柱17配套的不锈钢螺母20、不锈钢垫片21固定在主极板15的两侧。

焊接螺柱17为不锈钢焊接螺柱，有5～12个，在主极板15上安装有多个不锈钢焊接螺柱17，多个焊接螺柱17沿轴向贯穿主极板15，其中一个焊接螺柱17位于主极板15中心位置，其余焊接螺柱17围绕中心的焊接螺柱17周向均布。这里的焊接螺柱17有9个，其中中间一个，其余8个均匀呈圆形分部在四周。

主极板15由低碳钢盒装板加工而成，其厚度为1～3mm；附极板16由纯镍丝或者镀镍金属丝编织而成。

实施例4：

除了实施例1和实施例2的结构外，在本实施例中，组合密封垫9由环状的橡胶密封垫11和位于其环内的圆形的隔膜石棉布12拼接而成，所述的橡胶密封垫11为三元乙丙橡胶，隔膜石棉布12为专门用于水电解制氢的密织斜纹石棉布，隔膜石棉布12的边缘与橡胶密封垫11的环内边缘通过硫化压紧形成一体。

螺杆2的两端设有拧紧部件，该拧紧部件由内向外依次包括绝缘套7、平垫圈8、碟簧3和螺母1，绝缘套7紧贴在正极端板6或负极端板4外圆面，正极端板6和负极端板4之间螺杆部分由绝缘导管5套住。

本实施例中，水电解制氢电解槽由6～18根螺杆2进行固定，而螺杆2的根数主要是由极板框组件的直径和水电解制氢电解槽的内部压力来确定，这里确定螺杆2的根数为6根，均匀分布在端板外端，保证极板不漏气即可。

螺杆拧紧部件由绝缘套7、平垫圈8、碟簧3和螺母1组成。螺杆2一侧的螺母1为1～2个、碟簧3为10～30组、绝缘套7为1个、平垫圈8为1～2个。考虑到电解槽的内部压力以及组合密封垫的收缩性，这里螺杆2一侧设计的螺母1为1个，其直径根据电解槽设计要求进行确定；碟簧3为12组，其型号根据螺杆2直径确定；平垫圈8为1个，与碟簧3型号相匹配；绝缘套7为一个，保证绝缘套7的绝缘性能，防止螺杆2带电。螺杆2由有绝缘导管5套住，导管两侧伸进至两侧端板内，保证电解槽与螺杆之间的绝缘性能。

实施例5：

结合上述实施例1至实施例4，本实施例提供一种最优方案，电解制氢电解槽是由正极端板4、负极端板5和多组圆形极板框组件10、多组圆形组合密封垫9由多根螺杆2拉紧组合而成，其结构基本与实例1相同。

极板框组件10为40～350组，组合密封垫9多1组，两者数量根据电解槽的产气量来进行确定。这里的极板框组件10数量为80组，组合密封垫组件9数量为81组。

水电解制氢电解槽由6～18根螺杆2进行固定，而螺杆2的根数主要是由极板框组件10的直径和高效水电解制氢电解槽的内部压力来确定，根据现有设计压力，这里确定螺杆2的根数为6根，均匀分布在端板外端，保证极板不漏气即可。

螺杆2拧紧部件由绝缘套7、平垫圈8、碟簧3和螺母1组成。螺杆2一侧的螺母1为1～2个、碟簧3为10～30组、绝缘套7为1个、平垫圈8为1～2个。考虑到电解槽的内部压力以及组合密封垫9的收缩性，这里螺杆2一侧设计的螺母1为1个，其直径根据电解槽设计要求进行确定；碟簧3为12组，其型号根据螺杆2直径确定；平垫圈8为1个，与碟簧3型号相匹配；绝缘套7为一个，保证绝缘套7的绝缘性能，防止螺杆2带电。螺杆2由有绝缘导管5套住，导管两侧伸进至两侧端板内，保证电解槽与螺杆2之间的绝缘性能。

极板组件14由1块平面主极板15、2块多孔附极板16、多个焊接螺柱17及与焊接螺柱17配套的不锈钢螺母20、不锈钢垫片21组合而成，其2块多孔附极板16分别由焊接螺柱17固定在主极板15的左右两侧。主极板15上的焊接螺柱17是用螺柱焊机在主极板15两侧各焊接5～12个不锈钢焊接螺柱17，主极板15中间焊接1个焊接螺柱17，其余焊接螺柱17呈圆形分布在主极板15上。这里的焊接螺柱17有7个，其中中间一个，其余6个均匀呈圆形分部在四周。

主极板15是由低碳钢盒装板加工成所需尺寸圆形，其厚度为1～3mm，这里的主极板15厚度为2mm；附极板16由纯镍构成或者镀镍金属构成，这里的附极板16由纯镍构成。

如图5a、图5b、图5c、图6和图7所示，多孔附极板16为多孔状结构，从侧面观察，其内部孔竖直方向呈一条线，完全通透，减小气泡上浮阻力，其多孔形状可设计成任何多孔形状，主要是保证气泡有足够的空间上浮，这里的多孔形状设计成正六边形；多孔附极板16的厚度是根据高效制氢电解槽的小室宽度进行设计的，这里的附极板16厚度为9mm，多孔形状为宽度3mm的正六边形，整个附极厚度方向板可由3层多孔结构组成，多孔附极板内部纯镍丝的丝径为0.2～1mm，这里纯镍丝的丝径为0.5mm。这样的多孔附极板结构相当于4层镍丝网叠加而成，再考虑到横向镍丝增加的比表面积，其有效电解面积是原来单层镍丝网的2～5倍，则在相同型号电解槽的情况下，单台电解槽的电流可提高2～5倍，进而单台电解槽的产气量提高了2～5倍，在增大产气量的同时，其他辅助设备及热损耗基本不变，则平均每立方氢氧气的电耗下降0.1～0.5度，极大的降低了电流损耗。

主极板15与附极板16安装前需进行表面杂质处理，然后进行多孔镍电镀工艺处理，进一步增大极板组件的比表面积；主极板15与附极板16固定采用焊接螺柱17、不锈钢垫片和螺母进行固定，保证附极板与主极板连接牢固。

综上所述，本发明的这种水电解制氢电解槽，将极板框组件上的极板组件设计成多孔型极板组件，将原有的镍丝网和支撑部分设计成一定厚度的多孔型附极板，主极板与附极板之间采用焊接螺柱连接，多孔附极板不但起到支撑作用，而且极大的增加了附极板的比表面积。它具有结构简单、安装方便、耗能低的特点，极大的降低了电解槽使用过程中单位产气量的耗电量。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种节能水电解制氢电解槽，包括分别位于两端相对而设的扁平圆柱形的正极端板（6）和负极端板（4），正极端板（6）和负极端板（4）之间间隔交错排布有扁平圆柱形的组合密封垫（9）和极板框组件（10），并保持平行，螺杆（2）穿过正极端板（6）和负极端板（4）将组合密封垫（9）和极板框组件（10）紧固，其特征在于：所述的极板框组件（10）由环状的极板框（13）和位于其环内的极板组件（14）焊接而成，极板组件（14）由一块扁平圆柱体形状的主极板（15）和安装在主极板（15）的柱体两端面的附极板（16）组成；

所述的主极板（15）由厚度为1～3mm镀镍碳钢板制成，在主极板（15）上安装有多个不锈钢焊接螺柱（17），多个焊接螺柱（17）沿轴向贯穿主极板（15），其中一个焊接螺柱（17）位于主极板（15）中心位置，其余焊接螺柱（17）围绕中心的焊接螺柱（17）周向均布；

所述的附极板（16）上与设在主极板（15）上的焊接螺柱（17）的相对应位置开设有相同数量螺栓安装孔（19），通过焊接螺柱（17）和其相配套的不锈钢螺母（20）、不锈钢垫片（21）将附极板（16）紧固在主极板（15）的两侧；

所述的附极板（16）是由0.2～1mm粗的纯镍丝或镀镍金属丝编织成厚度为8～12mm多孔型、多层组合的网格板结构；

所述的网格板结构的附极板（16）在竖直方向为多个六边形或四边形径向通道（22），在水平方向为多个矩形横向通道（18）；

所述的组合密封垫（9）由环状的橡胶密封垫（11）和位于其环内的圆形的隔膜石棉布（12）组合而成，隔膜石棉布（12）的边缘与橡胶密封垫（11）的内环边缘通过硫化热压组合而成。

2.如权利要求1所述的节能水电解制氢电解槽，其特征在于：所述的螺杆（2）的两端设有拧紧部件，该拧紧部件由内向外依次包括绝缘套（7）、平垫圈（8）、碟簧（3）和螺母（1），绝缘套（7）紧贴在正极端板（6）或负极端板（4）外圆面，正极端板（6）和负极端板（4）之间螺杆部分由绝缘导管（5）套住。