CN112111753A - 一种串联型spe纯水电解槽及其导流网和导流环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联型SPE纯水电解槽及其导流网和导流环，涉及串联型SPE纯水电解槽技术领域；为了提升效率和稳定性；该电解槽包括负极侧端板、正极侧端板以及层叠设置于负极侧端板和正极侧端板之间两个以上的单槽；该导流网其实质为所述串联型SPE纯水电解槽中的阳极导流网，所述阳极导流网包括交错分布的第一网格线和第二网格线；该导流环其实质为所述串联型SPE纯水电解槽中的阴极导流环和阳极导流环，所述阴极导流环包括阴极导流环主体、阴极螺栓孔和阴极密封槽。本发明可以实现两个甚至多个电解槽的串联，结构简单、实用可靠，为高效制氢提供优化的解决方案；采用大小不一的进出水口，使得出水口附近的流场分布更均匀。

Description

一种串联型SPE纯水电解槽及其导流网和导流环

技术领域

本发明涉及串联型SPE纯水电解槽技术领域，尤其涉及一种串联型SPE纯水电解槽及其导流网和导流环。

背景技术

氢气作为高效清洁能源，在未来的能源体系中备受青睐，此外，随着人们对健康需求的逐步提高，氢医疗也应运而生，吸氢机和富氢水杯等相继问世。水电解制氢技术对大家来说已不陌生，传统的水电解技术以碱性电解槽为主，但具有腐蚀性的电解液容易随气体排出，显然其安全性并不特别适用于人体医疗。SPE水电解采用纯水具有无腐蚀性，氢气纯度可以达到99.999%，在氢医疗方面有着绝对的优势。

SPE电解槽为了满足不同的场景需求需要达到不同的制氢速率，采用阳极过水的方式，通过共用阳极实现两个电解槽的并联，可以提升1倍的制氢速率，但这样的提升依然非常有限。串联型的SPE电解槽的结构如同燃料电池电堆一般，可以多片甚至几十片堆叠起来，能够在较大范围内调节制氢速率。本发明中的SPE电解槽，结构简单，水气流场均匀，催化剂附着牢固，具有效率高、稳定性好、使用寿命长等优点，为SPE在多种应用场景下提供优化的解决方案。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种串联型SPE纯水电解槽及其导流网和导流环。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种串联型SPE纯水电解槽，包括负极侧端板、正极侧端板以及层叠设置于负极侧端板和正极侧端板之间两个以上的单槽，位于最上方的所述单槽和最下方的单槽分别与负极侧端板和正极侧端板之间设置有负极侧集流板和正极侧集流板，负极侧集流板和正极侧集流板分别与负极侧端板和正极侧端板之间设置有绝缘板；所述单槽包括阴极导流环和阳极导流环，所述阴极导流环和阳极导流环内壁分别嵌入式安装有尺寸适配的阴极导流环密封胶线和阳极导流环密封胶线，所述阴极导流环和阳极导流环之间依序设置有阴极集电器、阴极微孔层、膜电极、阳极集电器和阳极导流网；两个相邻单槽之间均设置有中间导电板；所述电解槽整体由螺栓贯穿后与螺母固定安装。

优选的：所述负极侧端板和正极侧端板均为玻璃布层压板或高强度铝材料，厚度为5-10mm；所述负极侧集流板和正极侧集流板均为带有极耳的金属光板，采用钛基材并作镀铂处理。

进一步的：所述阴极微孔层为特制的不锈钢毡，过滤精度为40-80μm。

进一步优选的：所述阴极集电器和阳极集电器均为多层烧结的编织丝网，丝网的目数为20~80目；材质分别为不锈钢和钛，其中，阳极集电器通过镀铂处理。

作为本发明一种优选的：所述膜电极采用固体聚合物质子膜，催化剂采用渗透地方法附着于固体聚合物电解质膜上。

一种串联型SPE纯水电解槽的导流网，其实质为所述串联型SPE纯水电解槽中的阳极导流网，所述阳极导流网包括交错分布的第一网格线和第二网格线；所述阳极导流网和第二网格线均包括用以构成网孔的长节和短节，长节和短节均交错分布，且第一网格线的短节均设置于与其相邻左侧第二网格线的短节下方。

作为本发明再进一步的方案：所述阳极导流网的材质为钛，型号为TA1；所述阳极导流网表面设置镀层，镀层采用钌铱或铂镀层；所述阳极导流网的形状呈与电解槽活化区域适配的菱形、方形或圆形。

一种串联型SPE纯水电解槽的导流环，其实质为所述串联型SPE纯水电解槽中的阴极导流环和阳极导流环，所述阴极导流环包括阴极导流环主体、阴极螺栓孔和阴极密封槽；所述阴极导流环主体顶部一侧外壁设置有氢气导流槽，氢气导流槽内开设有阴极出氢口，所述阴极导流环主体顶部一侧外壁开设有阴极出水口，阴极导流环主体顶部另一侧外壁开设有阴极进水口；所述阳极导流环包括阳极导流环主体、阳极螺栓孔和阳极密封槽；所述阳极导流环主体顶部两侧外壁对称式设置有水导流槽，两个水导流槽内分别开设有阳极出水口和阳极进水口，所述阳极导流环主体顶部一侧外壁开设有阳极出氢口。

在前述方案的基础上优选的：所述阴极出水口的内径大于阴极进水口的内径，阳极出水口的内径大于阳极进水口的内径；所述阴极螺栓孔和阳极螺栓孔分别均匀分布于阴极导流环主体和阳极导流环主体的顶部外壁，且个数为个。

在前述方案的基础上进一步优选的：所述阴极密封槽保证阴极出氢口与阴极导流环主体内部导通，并隔绝阴极出水口和阴极进水口；所述阳极密封槽保证阳极出水口和阳极进水口与阳极导流环主体内部导通，并隔绝阳极出氢口；所述阴极密封槽和阳极密封槽的密封方式采用点胶密封，点胶的胶水采用硅橡胶、EPDM或氟橡胶；所述的水导流槽和氢气导流槽均开设有过渡的圆角。

本发明的有益效果为：

1.本发明可以实现两个甚至多个电解槽的串联，结构简单、实用可靠，为高效制氢提供优化的解决方案；采用大小不一的进出水口，使得出水口附近的流场分布更为均匀。

2.本发明采用点胶的方式来进行密封，减少了其他密封部件的使用，提高电解槽的可装配性，使整体更为简单可靠。

3.本发明采用的阳极侧流网的3D流场，弱化了水流和氧气流的对冲效应，实现气水的良好分配，在一定程度上减少了水难以达到集电器的饥饿效应，提高水电解效率，降低能耗。

4.本发明中的SPE电解槽用导流网采用贵金属涂层，在电解过程中耐腐蚀性能优异，电解槽寿命较高。

5.本发明的氢气导流槽和水导流槽均具有优化的开度和圆角过渡，保证了导流区附近的流体的层流流动，避免了由于湍流流动而产生的饥饿效应。

附图说明

图1为本发明提出的一种串联型SPE纯水电解槽的结构示意图；

图2为本发明提出的一种串联型SPE纯水电解槽的导流网的结构示意图；

图3为图2A处的放大图；

图4为本发明提出的一种串联型SPE纯水电解槽的阴极导流环的俯视图；

图5为本发明提出的一种串联型SPE纯水电解槽的阴极导流环的仰视图；

图6为本发明提出的一种串联型SPE纯水电解槽的阳极导流环的俯视图；

图7为本发明提出的一种串联型SPE纯水电解槽的阳极导流环的仰视图。

图中：1单槽、2负极侧端板、3绝缘板、4负极侧集流板、5阴极导流环、6阴极导流环密封胶线、7阴极集电器、8阴极微孔层、9膜电极、10阳极集电器、11阳极导流网、12阳极导流环、13阳极导流环密封胶线、14中间导电板、15正极侧集流板、16正极侧端板、111第一网格线、112第二网格线、113长节、114短节、500阴极导流环主体、501阴极出水口、502阴极螺栓孔、503阴极密封槽、504阴极出氢口、505氢气导流槽、506阴极进水口、1200阳极导流环主体、1201阳极出水口、1202阳极螺栓孔、1203阳极密封槽、1204阳极出氢口、1205水导流槽、1206阳极进水口。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

实施例1：

一种串联型SPE纯水电解槽，如图1所示，包括负极侧端板2、正极侧端板16以及层叠设置于负极侧端板2和正极侧端板16之间两个以上的单槽1，位于最上方的所述单槽1和最下方的单槽1分别与负极侧端板2和正极侧端板16之间设置有负极侧集流板4和正极侧集流板15，负极侧集流板4和正极侧集流板15分别与负极侧端板2和正极侧端板16之间设置有绝缘板3；所述单槽1包括阴极导流环5和阳极导流环12，所述阴极导流环5和阳极导流环12内壁分别嵌入式安装有尺寸适配的阴极导流环密封胶线6和阳极导流环密封胶线13，所述阴极导流环5和阳极导流环12之间依序设置有阴极集电器7、阴极微孔层8、膜电极9、阳极集电器10和阳极导流网11；两个相邻单槽1之间均设置有中间导电板14；所述电解槽整体由螺栓贯穿后与螺母固定安装。

为了提升使用效果；如图1所示，所述负极侧端板2和正极侧端板16均为玻璃布层压板或高强度铝材料，厚度为5-10mm；所述负极侧集流板4和正极侧集流板15均为带有极耳的金属光板，采用钛基材并作镀铂处理。

为了提升使用效果；如图1所示，所述阴极微孔层8为特制的不锈钢毡，过滤精度为40-80μm。

为了提升使用效果；如图1所示，所述阴极集电器7和阳极集电器10均为多层烧结的编织丝网，丝网的目数为20~80目；材质分别为不锈钢和钛，其中，阳极集电器10通过镀铂处理。

为了提升使用效果；如图1所示，所述膜电极9采用固体聚合物质子膜，催化剂采用渗透地方法附着于固体聚合物电解质膜上。

实施例2：

一种串联型SPE纯水电解槽的导流网，其实质为实施例1所述串联型SPE纯水电解槽中的阳极导流网11，如图1-3所示，所述阳极导流网11包括交错分布的第一网格线111和第二网格线112；所述阳极导流网11和第二网格线112均包括用以构成网孔的长节113和短节114，长节113和短节114均交错分布，且第一网格线111的短节114均设置于与其相邻左侧第二网格线112的短节114下方。

所述阳极导流网11的材质为钛，型号为TA1。

所述阳极导流网11表面设置镀层，镀层采用钌铱或铂镀层。

所述阳极导流网11的形状呈与电解槽活化区域适配的菱形、方形或圆形。

实施例3：

一种串联型SPE纯水电解槽的导流环，其实质为实施例1所述电解槽中的阴极导流环5和阳极导流环12，如图4、图5所示，所述阴极导流环5包括阴极导流环主体500、阴极螺栓孔502和阴极密封槽503；所述阴极导流环主体500顶部一侧外壁设置有氢气导流槽505，氢气导流槽505内开设有阴极出氢口504，所述阴极导流环主体500顶部一侧外壁开设有阴极出水口501，阴极导流环主体500顶部另一侧外壁开设有阴极进水口506。

如图6、图7所示，所述阳极导流环12包括阳极导流环主体1200、阳极螺栓孔1202和阳极密封槽1203；所述阳极导流环主体1200顶部两侧外壁对称式设置有水导流槽1205，两个水导流槽1205内分别开设有阳极出水口1201和阳极进水口1206，所述阳极导流环主体1200顶部一侧外壁开设有阳极出氢口1204。

所述阴极出水口501的内径大于阴极进水口506的内径，阳极出水口1201的内径大于阳极进水口1206的内径。

所述阴极螺栓孔502和阳极螺栓孔1202分别均匀分布于阴极导流环主体500和阳极导流环主体1200的顶部外壁，且个数为个。

所述阴极密封槽503保证阴极出氢口504与阴极导流环主体500内部导通，并隔绝阴极出水口501和阴极进水口506；所述阳极密封槽1203保证阳极出水口1201和阳极进水口1206与阳极导流环主体1200内部导通，并隔绝阳极出氢口1204；所述阴极密封槽503和阳极密封槽1203的密封方式采用点胶密封，点胶的胶水采用硅橡胶、EPDM或氟橡胶。

所述的水导流槽1205和氢气导流槽505均开设有过渡的圆角。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种串联型SPE纯水电解槽，包括负极侧端板（2）、正极侧端板（16）以及层叠设置于负极侧端板（2）和正极侧端板（16）之间两个以上的单槽（1），其特征在于，位于最上方的所述单槽（1）和最下方的单槽（1）分别与负极侧端板（2）和正极侧端板（16）之间设置有负极侧集流板（4）和正极侧集流板（15），负极侧集流板（4）和正极侧集流板（15）分别与负极侧端板（2）和正极侧端板（16）之间设置有绝缘板（3）；所述单槽（1）包括阴极导流环（5）和阳极导流环（12），所述阴极导流环（5）和阳极导流环（12）内壁分别嵌入式安装有尺寸适配的阴极导流环密封胶线（6）和阳极导流环密封胶线（13），所述阴极导流环（5）和阳极导流环（12）之间依序设置有阴极集电器（7）、阴极微孔层（8）、膜电极（9）、阳极集电器（10）和阳极导流网（11）；两个相邻单槽（1）之间均设置有中间导电板（14）；所述电解槽整体由螺栓贯穿后与螺母固定安装。

2.根据权利要求1所述的一种串联型SPE纯水电解槽，其特征在于，所述负极侧端板（2）和正极侧端板（16）均为玻璃布层压板或高强度铝材料，厚度为5-10mm；所述负极侧集流板（4）和正极侧集流板（15）均为带有极耳的金属光板，采用钛基材并作镀铂处理。

3.根据权利要求2所述的一种串联型SPE纯水电解槽，其特征在于，所述阴极微孔层（8）为特制的不锈钢毡，过滤精度为40-80μm。

4.根据权利要求3所述的一种串联型SPE纯水电解槽，其特征在于，所述阴极集电器（7）和阳极集电器（10）均为多层烧结的编织丝网，丝网的目数为20~80目；材质分别为不锈钢和钛，其中，阳极集电器（10）通过镀铂处理。

5.根据权利要求4所述的一种串联型SPE纯水电解槽，其特征在于，所述膜电极（9）采用固体聚合物质子膜，催化剂采用渗透地方法附着于固体聚合物电解质膜上。

6.一种串联型SPE纯水电解槽的导流网，其实质为权利要求1-5任一所述串联型SPE纯水电解槽中的阳极导流网（11），其特征在于，所述阳极导流网（11）包括交错分布的第一网格线（111）和第二网格线（112）；所述阳极导流网（11）和第二网格线（112）均包括用以构成网孔的长节（113）和短节（114），长节（113）和短节（114）均交错分布，且第一网格线（111）的短节（114）均设置于与其相邻左侧第二网格线（112）的短节（114）下方。

7.根据权利要求6所述的一种串联型SPE纯水电解槽的导流网，其特征在于，所述阳极导流网（11）的材质为钛，型号为TA1；所述阳极导流网（11）表面设置镀层，镀层采用钌铱或铂镀层；所述阳极导流网（11）的形状呈与电解槽活化区域适配的菱形、方形或圆形。

8.一种串联型SPE纯水电解槽的导流环，其实质为权利要求1-5任一所述串联型SPE纯水电解槽中的阴极导流环（5）和阳极导流环（12），其特征在于，所述阴极导流环（5）包括阴极导流环主体（500）、阴极螺栓孔（502）和阴极密封槽（503）；所述阴极导流环主体（500）顶部一侧外壁设置有氢气导流槽（505），氢气导流槽（505）内开设有阴极出氢口（504），所述阴极导流环主体（500）顶部一侧外壁开设有阴极出水口（501），阴极导流环主体（500）顶部另一侧外壁开设有阴极进水口（506）；所述阳极导流环（12）包括阳极导流环主体（1200）、阳极螺栓孔（1202）和阳极密封槽（1203）；所述阳极导流环主体（1200）顶部两侧外壁对称式设置有水导流槽（1205），两个水导流槽（1205）内分别开设有阳极出水口（1201）和阳极进水口（1206），所述阳极导流环主体（1200）顶部一侧外壁开设有阳极出氢口（1204）。

9.根据权利要求8所述的一种串联型SPE纯水电解槽的导流环，其特征在于，所述阴极出水口（501）的内径大于阴极进水口（506）的内径，阳极出水口（1201）的内径大于阳极进水口（1206）的内径；所述阴极螺栓孔（502）和阳极螺栓孔（1202）分别均匀分布于阴极导流环主体（500）和阳极导流环主体（1200）的顶部外壁，且个数为个。

10.根据权利要求9所述的一种串联型SPE纯水电解槽的导流环，其特征在于，所述阴极密封槽（503）保证阴极出氢口（504）与阴极导流环主体（500）内部导通，并隔绝阴极出水口（501）和阴极进水口（506）；所述阳极密封槽（1203）保证阳极出水口（1201）和阳极进水口（1206）与阳极导流环主体（1200）内部导通，并隔绝阳极出氢口（1204）；所述阴极密封槽（503）和阳极密封槽（1203）的密封方式采用点胶密封，点胶的胶水采用硅橡胶、EPDM或氟橡胶；所述的水导流槽（1205）和氢气导流槽（505）均开设有过渡的圆角。

Images