CN112458488B - 一种水冷式电解槽极板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水冷式电解槽极板，极板上设置有多个电解液进液孔、冷却水进口、氢气出气孔、氧气出气孔和冷却水出口；多个电解液进液孔及冷却水进口设置于极板的下部，氢气出气孔、氧气出气孔和冷却水出口设置于极板的上部；极板边缘设有外密封线，围绕多个电解液进液孔、氢气出气孔、氧气出气孔、冷却水进口和冷却水出口及电解反应发生区域设有极板内密封线；极板内设置连通冷却水进口和出口的冷却水流道。采用本发明的水冷式电解槽极板，能够实现电解槽温度的高精度控制及快速调节，以及实现电解过程余热的回收。

Description

一种水冷式电解槽极板
技术领域
本发明属于水电解制氢设备领域，具体涉及一种水冷式电解槽极板。
背景技术
电解槽是水电解制氢设备的核心，它一般由数个到数百个电解小室串联组成，每个电解小室又由极板、电极、隔膜和密封垫片等组件组成。其中，极板是电解槽的支撑组件，起到支撑电极和隔膜以及导电的作用。
电解槽运行过程会伴随产生大量余热，热量若不能及时带出会导致电解槽工作温度不断升高，达到一定温度会引起系统联锁停机。目前，碱性和纯水电解槽均是通过电解液的流动将热量带出，其基本过程为：低温电解液从电解槽下部的电解液进口通入电解槽，在向上流动过程中其温度不断升高并且部分电解液发生电解反应生成氢气和氧气，高温电解液以气液混合物形式流出电解槽，并在气液处理器中采用冷却水冷却降温，冷却到一定温度的电解液再循环进入电解槽继续电解使用。这种控制方式存在电解槽温度波动幅度大、温度调控响应缓慢的问题，不利于电解槽稳定、高效的运行，而且气液处理器冷却水出水温度低，电解过程产生的余热不能回收利用，降低了电解制氢全过程的能量利用效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种水冷式电解槽极板，实现电解槽温度的高精度控制及快速调节，以及实现电解过程余热的回收。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种水冷式电解槽极板，极板上设置有多个电解液进液孔、冷却水进口、氢气出气孔、氧气出气孔和冷却水出口；多个电解液进液孔及冷却水进口设置于极板的下部，氢气出气孔、氧气出气孔和冷却水出口设置于极板的上部；极板边缘设有外密封线，围绕多个电解液进液孔、氢气出气孔、氧气出气孔、冷却水进口和冷却水出口及电解反应发生区域设有极板内密封线；极板内设置连通冷却水进口和出口的冷却水流道。
优选的，多个电解液进液孔包括两个阳极进液孔与两个阴极进液孔，并且阳极进液孔和阴极进液孔在极板上交错布置。
优选的，其中极板内密封线分为氢侧内密封线、氧侧内密封线和环形内密封线。
优选的，氢侧内密封线将阴极进液孔、氢气出气孔及阴极电解反应发生区域包围起来，未被氢侧内密封线包围的阳极进液孔、氧气出气孔及冷却水进口和冷却水出口分别设置环形内密封线。
优选的，氧侧内密封线将阳极进液孔、氧气出气口及阳极电解反应发生区域包围起来，未被氧侧内密封线包围的阴极进液孔、氢气出气孔及冷却水进口和冷却水出口分别设置环形内密封线。
优选的，极板内密封性与极板外密封线均为凸线型式，其截面可为三角形、梯形、方形。
优选的，极板内密封线与外密封线的数量设置两道以上，其宽度、高度及密封线的间距等参数可根据极板的大小进行调整。
优选的，阴极进液孔、阳极进液孔、氢气出气孔、氧气出气孔、冷却水进口、冷却水出口等孔心到极板中心的距离均为L。
优选的，电解液进液孔数量为偶数，其中一个阳极进液孔位于极板中心垂线上作为中心进液孔，其余阳极进液孔与阴极进液孔分布于阳极进液孔两侧；冷却水进口位于中心进液孔夹角θ1＝12.5～30°，氢气出气孔和氧气出气孔在极板中心垂线的两侧，与中心垂线的夹角θ2＝7.5～15°，冷却水出口与极板中心垂线的夹角θ3＝15～30°。
优选的，冷却水进口位于冷却水流道的最低点，且冷却水流道主要分布于电解水反应发生区域，流道的高度为极板厚度的1/3～2/3、流道的宽度一为其高度的2～5倍、流道的面积占电解水反应发生区域面积的比例小于1/3。
本发明提供的极板组装电解槽的方法是：将相同外径的密封垫片放置在极板上，将阴极网、隔膜、阳极网等电解槽组件嵌入到密封垫片内，再将另一片极板放置在密封垫片上，重复上述顺序继续叠放电解槽组件。电解槽组件堆叠完毕后，再用紧固件将电解槽拉紧，完成电解槽组装。
本发明水冷式电解槽极板所取得的有益效果为：
(1)将冷却水直接通入到电解槽内，根据电解槽实测温度调节冷却水流量，可提高电解槽的控温精度及调控温度的速度。冷却水的出水温度可接近电解槽的工作温度，达到70～80℃左右，可实现电解过程余热的回收利用。冷却水进口位于冷却水流动通道的最低点，在电解槽检修或停用时可将电解槽内的冷却水全部排出，防止冷却水结垢堵塞通道。
(2)极板的内、外密封线均采用凸线型式，在新组装的电解槽拉紧时，密封线可嵌入到密封垫片内，能有效提高电解槽的密封性，防止电解槽工作时发生漏气和漏液。
(3)极板下部设有交错布置的电解液阴极进液孔和阳极进液孔，进液孔间有一定的夹角，电解液进液时两(多)股流体相互搅拌形成湍流，可提高电解区域内电解液分配的均匀性，还能提高电解液的冷却效果。
(4)冷却水流道的高度为极板厚度的1/3～2/3，宽度为其高度的2～5倍，流道的面积占电解区域面积的比例小于1/3，可确保电解槽有足够的换热面积，提高电解槽温度调控的精度和速度，还能确保不影响极板的导电性能。
附图说明
图1为本发明的极板的氢侧结构示意图
图2为本发明的极板的氧侧结构示意图(图1的背面)
图3为本发明的极板的侧面结构示意图
图4为本发明的极板的冷却水流道位置示意图
图5为图1所极板A-A截面的结构示意图
图6为图5中A区域的局部放大示意图
图7为图1、图3所示极板B-B截面的结构示意图
图8为极板内冷却水流动方向的示意图
图中各标号表示：
1、极板，21、阳极进液孔，22、阳极进液孔，23、阴极进液孔，24、阴极进液孔，3、氢气出气孔，4、氧气出气孔，51、冷却水进口，52、冷却水出口，61、氢侧内密封线，62、氧侧内密封线，63、环形内密封线，7、外密封线，8、冷却水流道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1～8所示，极板1上设置有多个电解液进液孔、冷却水进口51、氢气出气孔3、氧气出气孔4和冷却水出口52，其中多个电解液进液孔及冷却水进口51设置于极板1的下部，氢气出气孔3、氧气出气孔4和冷却水出口52设置于极板1的上部；极板1边缘设有外密封线7，围绕多个电解液进液孔、氢气出气孔3、氧气出气孔4、冷却水进口51和冷却水出口52及电解反应发生区域设有极板内密封线，在极板边缘设有外密封线，极板1内设置连通冷却水进口51和冷却水出口52的冷却水流道。
进一步的，多个电解液进液孔包括两个阳极进液孔21、22与两个阴极进液孔23、24，并且阳极进液孔21～22和阴极进液孔23～24在极板1上交错布置。
进一步的，其中极板内密封线分为氢侧内密封线61、氧侧内密封线62和环形内密封线63，氢侧内密封线61将阴极进液孔23～24、氢气出气孔3及阴极电解反应发生区域包围起来，未被氢侧内密封线61包围的阳极进液孔21～22、氧气出气孔4及冷却水进口51和冷却水出口52分别设置环形内密封线63。
进一步的，氧侧内密封线62将阳极进液孔21～22、氧气出气口4及阳极电解反应发生区域包围起来，未被氧侧内密封线62包围的阴极进液孔23～24、氢气出气孔3及冷却水进口51和冷却水出口52分别设置环形内密封线63。
进一步的，极板1氢侧和氧侧上的环形内密封线型式、高度、宽度、数量、间距等均相同，统一采用编号63。极板1的内、外密封线均为凸线型式，其截面可为三角形、梯形、方形等，优选型式为三角形，本示例采用的型式为三角形。
进一步的，每组内密封线的数量根据极板大小可设置两道以上，外密封线的数量根据极板大小可设置两道以上，优选为三道。内、外密封线的宽度、高度及密封线的间距等参数可根据极板的大小进行调整。优选的密封线宽度为0.6mm，高度为0.3mm。
进一步的，阴极进液孔23～24、阳极进液孔21～22、氢气出气孔3、氧气出气孔4、冷却水进口51、冷却水出口52等孔心到极板1中心的距离均为L。
进一步的，电解液进液孔数量为偶数，其中一个阳极进液孔21位于极板中心垂线上，其余阳极进液孔22与阴极进液孔23～24分布于阳极进液孔21两侧，并与阳极进液孔21形成不同的夹角；冷却水进口51位于阳极进液孔21的一侧，与阳极进液孔21的夹角θ1＝12.5～30°。
进一步的，氢气出气孔3和氧气出气孔4分布于极板1中心垂线的两侧，与中心垂线的夹角θ2＝7.5～15°。
进一步的，冷却水出口52位于极板另一侧的与冷却水进口51位置相对称的位置，且冷却水出口52与极板1中心垂线的夹角θ3＝15～30°。
进一步的，极板1内设置连通冷却水进口51和出口52的冷却水流道8，且冷却水进口51位于冷却水流道8的最低点，使用时，冷却水从冷却水进口51流入极板1，向上流动，并从冷却水出口52流出极板1。
进一步的，冷却水流道8主要分布于电解水反应发生区域，即图4所示的氢侧内密封线61所包围的区域。
进一步的，流道型式即截面形状可为方形、圆形或其它型式，本示例采用的型式为方形。垂直于极板面的方向定义为流道的高度，其尺寸根据极板厚度设定，一般为极板厚度的1/3～2/3；流道的宽度一般为其高度的2～5倍。流道的面积占电解水反应发生区域面积的比例小于1/3，可确保电解槽有足够的换热面积，提高电解槽温度调控的精度和速度，还能确保不影响极板的导电性能。
本发明提供的极板组装电解槽的方法是：将相同外径的密封垫片放置在极板上，将阴极网、隔膜、阳极网等电解槽组件嵌入到密封垫片内，再将另一片极板放置在密封垫片上，重复上述顺序继续叠放电解槽组件。电解槽组件堆叠完毕后，再用紧固件将电解槽拉紧，完成电解槽组装。
使用本发明提供的极板组装电解槽后，可将冷却水直接通入到电解槽内，根据电解槽实测温度调节冷却水流量，可提高电解槽的控温精度及调控温度的速度。冷却水的出水温度可接近电解槽的工作温度，达到70～80℃左右，可实现电解过程余热的回收利用。冷却水进口位于冷却水流动通道的最低点，在电解槽检修或停用时可将电解槽内的冷却水全部排出，防止冷却水结垢堵塞通道。
以上所述仅是本发明的其中一种实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，都可利用上述的技术内容对本发明做出可能的变动和修饰，这些变动和修饰也应视为本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种水冷式电解槽极板，极板上设置有多个电解液进液孔、冷却水进口、氢气出气孔、氧气出气孔和冷却水出口；其特征在于：多个电解液进液孔及冷却水进口设置于极板的下部，氢气出气孔、氧气出气孔和冷却水出口设置于极板的上部；极板边缘设有外密封线，围绕多个电解液进液孔、氢气出气孔、氧气出气孔、冷却水进口和冷却水出口及电解反应发生区域设有极板内密封线；极板内设置连通冷却水进口和出口的冷却水流道；电解液进液孔数量为偶数，其中一个阳极进液孔位于极板中心垂线上作为中心进液孔，其余阳极进液孔与阴极进液孔分布于阳极进液孔两侧；冷却水进口位于中心进液孔夹角θ1＝12.5～30°，氢气出气孔和氧气出气孔在极板中心垂线的两侧，与中心垂线的夹角θ2＝7.5～15°，冷却水出口与极板中心垂线的夹角θ3＝15～30°；冷却水进口位于冷却水流道的最低点，且冷却水流道主要分布于电解水反应发生区域，流道的高度为极板厚度的1/3～2/3、流道的宽度一为其高度的2～5倍、流道的面积占电解水反应发生区域面积的比例小于1/3。
2.根据权利要求1所述的水冷式电解槽极板，其特征在于：多个电解液进液孔包括两个阳极进液孔与两个阴极进液孔，并且阳极进液孔和阴极进液孔在极板上交错布置。
3.根据权利要求1所述的水冷式电解槽极板，其特征在于：其中极板内密封线分为氢侧内密封线、氧侧内密封线和环形内密封线。
4.根据权利要求3所述的水冷式电解槽极板，其特征在于：氢侧内密封线将阴极进液孔、氢气出气孔及阴极电解反应发生区域包围起来，未被氢侧内密封线包围的阳极进液孔、氧气出气孔及冷却水进口和冷却水出口分别设置环形内密封线。
5.根据权利要求3所述的水冷式电解槽极板，其特征在于：氧侧内密封线将阳极进液孔、氧气出气口及阳极电解反应发生区域包围起来，未被氧侧内密封线包围的阴极进液孔、氢气出气孔及冷却水进口和冷却水出口分别设置环形内密封线。
6.根据权利要求1所述的水冷式电解槽极板，其特征在于：极板内密封性与极板外密封线均为凸线型式，其截面可为三角形、梯形、方形。
7.根据权利要求6所述的水冷式电解槽极板，其特征在于：极板内密封线与外密封线的数量设置两道以上，其宽度、高度及密封线的间距参数可根据极板的大小进行调整。
8.根据权利要求1所述的水冷式电解槽极板，其特征在于：阴极进液孔、阳极进液孔、氢气出气孔、氧气出气孔、冷却水进口、冷却水出口的孔心到极板中心的距离均为L。
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