CN113463121A - 一种电解槽和电解制氢方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电解槽和电解制氢方法，电解槽包括两个相对的端极结构和压紧于两端极结构之间的中间极板和若干电解单元，各相邻电解单元之间通过隔离结构相隔离，隔离结构包括隔板和套设于隔板周向外侧的隔离框，隔离框设置有电解液进口和电解液出口，电解液进口和电解液出口靠近隔板中心的方向均设置有梳齿结构，梳齿结构的梳齿和空隙厚度均在3毫米至5毫米之间，各电解液进口和电解液出口仅在隔离框的一侧设置有梳齿结构。采用如上结构，电解液能通过梳齿结构的空隙流入或流出电解单元内部，梳齿结构受到挤压时，由于梳齿结构的梳齿和空隙较为密集，梳齿能抵接相对的隔离框，梳齿结构不会形变，电解液进口和电解液出口的流量便不会变小或堵塞。

Description

一种电解槽和电解制氢方法

技术领域

本发明涉及电解制氢设备技术领域，具体涉及一种电解槽和电解制氢方法。

背景技术

电解制氢工艺通常采用隔膜型水溶液电解槽进行制氢，电解液注入电解槽内部后，为电解槽连通直流电，电解槽内部的正极和负极即可分别生成氧气和氢气。

现有技术中电解槽包括主极板，主极板的周向外侧设置有电解液进口和电解液出口，电解液进口和电解液出口通常采用梳齿结构，梳齿结构中各梳齿之间的空隙可供电解液进出。电解槽在安装密封过程中，需要安装压紧于主极板周向外沿的密封垫，密封垫挤压主极板，导致设置于主极板的电解液进口和电解液出口同样受到挤压，而由于梳齿结构较为稀疏，梳齿结构便会产生形变，造成电解液进口和电解液出口流量变小，甚至发生堵塞。

因此，如何提供一种电解液进口和电解液出口不会由于挤压而流量变小或堵塞的电解槽，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电解液进口和电解液出口不会由于挤压而流量变小或堵塞的电解槽。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电解槽，包括两个相对的端极结构和压紧于两所述端极结构之间的中间极板和若干电解单元，各相邻所述电解单元之间通过隔离结构相隔离，所述隔离结构包括隔板和套设于所述隔板周向外侧的隔离框，所述隔离框设置有电解液进口和电解液出口，所述电解液进口和所述电解液出口靠近隔板中心的方向均设置有梳齿结构，所述梳齿结构的梳齿和空隙厚度均在3毫米至5毫米之间，各电解液进口和电解液出口仅在隔离框的一侧设置有梳齿结构。

采用如上结构，电解液能够通过电解液进口和电解液出口的梳齿结构的空隙流入或流出电解单元内部，在电解液进口和电解液出口受到挤压时，由于梳齿结构的梳齿和空隙较为密集，梳齿能够抵接相对的隔离框，梳齿结构不会产生形变，电解液进口和电解液出口的流量便不会变小或堵塞。

可选地，所述隔离框两面均设有密封水线，相邻所述隔离结构之间通过相对的所述密封水线压紧有密封垫。

可选地，所述密封水线为嵌入式结构，包括若干卡槽、棱线和设置于所述密封水线两端的棱边，所述卡槽的宽度在10毫米至20毫米之间，所述棱线的宽度在0.6毫米至1毫米之间，所述棱边与所述卡槽底部的高度差在1毫米至1.5毫米之间。

可选地，所述电解单元包括隔膜，所述隔膜包括高聚物纺织物层，所述高聚物纺织物层的两侧均覆盖有金属氧化物层。

可选地，所述隔膜的厚度范围是500微米至800微米。

可选地，所述电解单元还包括分别设置于所述隔膜两侧的第一极板和第二极板，所述第一极板和所述第二极板的材质均为镍基材料，且二者均为3D网络结构。

可选地，所述端极结构包括拉紧螺栓、弹性件、端夹板和端极板，两所述端极结构的所述拉紧螺栓和所述弹性件能够相配合，将两所述端极结构的所述端夹板和所述端极板压紧。

可选地，所述隔板双面均匀分布有乳突状结构。

本发明还提供一种电解制氢方法，基于上文所描述的电解槽，所述电解槽还包括输入管路和输出管路，所述输入管路与所述电解液进口连通，所述输出管路与所述电解液出口相连通，所述电解制氢方法具体步骤如下：将所述电解槽组装完成后，将电解液通过所述输入管路注入所述电解槽内部，电解液通过所述电解液进口进入各所述电解单元，并排除所述电解槽内部的空气；将所述电解槽内部压力保持在1.6MPa至3.2MPa之间，为所述电解槽通直流电，两所述端极结构连接负极，所述中间极板连接正极，流经各所述电解单元的电解液在直流电作用下电解，在所述电解单元内部分别形成氢气和氧气；含有氢气和氧气的电解液通过所述电解液出口从所述电解单元流出，合流至所述输出管路后流出所述电解槽，经冷却、分离、洗涤和纯化步骤，最终得到氢气。

附图说明

图1是本发明实施例所提供电解槽梳齿结构的放大结构示意图；

图2是本发明实施例所提供电解槽的结构示意图；

图3是图2中隔离结构第一种实施方式的结构示意图；

图4是图2中隔离结构第二种实施方式的立体结构示意图；

图5是图3中密封水线的放大结构示意图；

图6是图2中电解单元、隔离结构和中间极板的局部放大示意图；

图7是图2中电解槽的侧视图。

图1-7中的附图标记说明如下：

1端极结构、11拉紧螺栓、12弹性件、13端夹板、14端极板、15支撑部、2电解单元、21隔膜、22第一极板、23第二极板、3隔离结构、31隔板、32隔离框、33密封水线、331卡槽、332棱线、333棱边、34密封垫、35电解液进口、36电解液出口、37梳齿结构、371梳齿、372空隙、4中间极板。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1-4，图1是本发明实施例所提供电解槽梳齿结构的放大结构示意图；图2是本发明实施例所提供电解槽的结构示意图；图3是图2中隔离结构第一种实施方式的结构示意图；图4是图2中隔离结构第二种实施方式的立体结构示意图。

本发明实施例提供一种电解槽，包括两个相对的端极结构1和压紧于两端极结构1之间的中间极板4和若干电解单元2，各相邻电解单元2之间通过隔离结构3相隔离，隔离结构3包括隔板31和套设于隔板31周向外侧的隔离框32，隔离框32设置有电解液进口35和电解液出口36，电解液进口35和电解液出口36靠近隔板31中心的方向均设置有梳齿结构37，梳齿结构37的梳齿371和空隙372厚度均在3毫米至5毫米之间。

采用如上结构，电解液能够通过电解液进口35和电解液出口36的梳齿结构37的空隙372流入或流出电解单元2，在电解液进口35和电解液出口36收到挤压时，由于梳齿结构37的梳齿371和空隙372较为密集，梳齿371能够抵接相对的隔离框32，使梳齿结构37整体不产生形变，电解液进口35和电解液出口36的流量便不会减小，更不会出现堵塞情况。

电解液进口35和电解液出口36设置于隔离框32，且各电解液进口35和电解液出口36仅在隔离框32的一侧设置有梳齿结构37，在各隔离框32在压紧后，各电解液进口35和电解液出口36的两侧均能够与梳齿结构37相连通，电解液可以通过梳齿结构37流入或流出电解单元2。

如图3所示，在隔离结构3的第一种实施方式中，隔离框32的两侧分别设置有两个电解液进口35和电解液出口36，各电解液进口35和电解液出口36对称设置、结构一致，仅是名称不同以区分用途，各电解液进口35和电解液出口36均在隔离框32的同一侧设置梳齿结构37，在各隔离框32压紧后，各电解液进口35和电解液出口36的两侧便均能够与梳齿结构37相连通。

如图4所示，在隔离结构3的第二种实施方式中，隔离框32的两侧同样分别设置有两个电解液进口35和电解液出口36，其中，相对隔离框32对称的一对电解液进口35和电解液出口36在一侧设置梳齿结构37，另一对对称设置的电解液进口35和电解液出口36在隔离框32另一侧设置梳齿结构37，各电解液进口35和电解液出口36的两侧同样均能够与梳齿结构37相连通。

当然，除上述两种实施方式以外，各电解液进口35和电解液出口36的梳齿结构37还可以采用其他设置方式，本发明对此不做限定，只要在各隔离框32压紧后，各电解液进口35和电解液出口36的两侧均能够与梳齿结构37相连通即可。另外，电解液进口35和电解液出口36的设置位置及设置数量，本发明亦不做限定，只要二者可供电解液进出即可。

请继续参考图1，本实施例中两个端极结构1将中间极板4、若干电解单元2和若干隔离结构3压紧于二者之间，中间极板4设置于两个端极结构1之间的中心处，两侧交叠设置电解单元2和隔离结构3。中间极板4两侧首先分别紧贴设置有隔离结构3，之后再依次交叠设置电解单元2和隔离结构3，以使中间极板4两侧距离最近的两个电解单元2能够形成正常的电解环境；两端的端极结构1均包括端极板14，两个端极板14相对设置，与中间极板4不同，端极板14向中心的一侧首先设置电解单元2，之后再一侧交叠设置隔离结构3和电解单元2，端极板14能够与距离最近的一个隔离结构3相配合，以使二者之间的电解单元2能够形成正常的电解环境。

可以理解，电解槽中具体包括何种数量的电解单元2和隔离结构3，具体可根据实际应用中的需求自由设置，本发明不做限定，若设置电解单元2和隔离结构3数量较多，则为满足电解所需的电压需求，中间极板4与端极结构1之间所需连通的电压较高；若设置电解单元2和隔离结构3数量较少，则中间极板4与端极结构1之间所需连通的电压较低。另外，端极结构1、电解单元2、隔离结构3和中间极板4的大小和具体结构，本发明均不做限定，只要其能够在通电后对电解液进行电解，以生成对应的产物即可。

本实施例中，隔离框32两面均设有密封水线33，相邻隔离结构3之间通过相对的密封水线33压紧有密封垫34。

隔板31和隔离框32能够分隔相邻电解单元2，防止各电解单元2之间相互干扰；两相邻隔离框32能够压紧二者之间的密封垫34，将密封垫34压紧于相对设置的密封水线33之间，以将各电解单元2密封，其中，密封垫34的材质可以是氟基塑料。当然，隔离结构3之间的密封方式，本发明同样不做限定，只要其能够使各电解单元2保持密封，且电解槽整体同样保持密封即可。

请参考图5，图5是图3中密封水线的放大结构示意图。

本实施例中，密封水线33为嵌入式结构，包括若干卡槽331、棱线332和设置于密封水线33两端的棱边333，卡槽331的宽度在10毫米至20毫米之间，棱线332的宽度在0.6毫米至1毫米之间，棱边333与卡槽331底部的高度差在1毫米至1.5毫米之间。

需要说明，现有技术中的密封水线33为每隔固定距离设置一道V形槽的结构，若干V形槽形成完整的密封水线33，密封垫34安装于相邻密封水线33之间的安装工艺为：先将密封垫34夹紧于各相邻密封水线33之间，两端的端极结构1将各部件压紧，从电解液进口35向电解槽内通入蒸汽，以检查是否存在漏气情况；再将两端的端极结构1拆卸，查看密封垫34是否已经被压为贴合密封水线33的形状；若密封垫34未被压为贴合密封水线33的形状，则重复上述压紧、通蒸汽、检查漏气和检查密封垫34形状的步骤，直到密封垫34与密封水线33完全贴合，该步骤通常会重复两到三次才能够完成安装。

而采用本实施例的结构后，可将密封垫34更为有效的压入密封水线33的卡槽331内，同时在各卡槽331之间设置棱线332，使密封垫34更为严密的贴合，提升密封性能。本实施例中，卡槽311的宽度优选为10毫米，棱线332的宽度优选为0.6毫米，棱边333与卡槽331底部的高度差优选为1毫米，该尺寸密封垫34与密封水线33的能够更为紧密的贴合，密封垫34更不易脱离，提升密封性能，使电解槽能够适应更高压力的运行工况，减少后续对氢气压缩所需的能耗。

除此之外，由于密封水线33的尺寸是固定的，在实际应用中，亦可在密封垫34生产时便将其塑形为贴合密封水线33的形状，如此便可改善密封垫34的安装工艺，在安装时直接将密封垫34对应贴合于相邻密封水线33之间，仅需两端的端极结构1压紧，并向电解槽内部通入蒸汽以检测是否存在漏气即可，无需重复上述步骤反复安装，便可直接使用。

请参考图6，图6是图2中电解单元、隔离结构和中间极板的局部放大示意图。

本实施例中，电解单元2包括隔膜21，隔膜21包括高聚物纺织物层，高聚物纺织物层的两侧均覆盖有金属氧化物层。

该材质的隔膜21具有更低的电压降，更能够提高能量转化效率，在同样的电流大小下，所需的电压更低，能够降低电解槽的整体能耗。另外，隔膜21具有更低的电压降便能够承载更高的电流密度，在电解单元2的数量以及输入的总电流不变的条件下，仅需更低的电极面积即可达到与原电解槽相同的电解效率，即仅需更小体积的电解单元2，便可完成电解过程，而由于电解单元2的体积减小，端极结构1、隔离结构3和中间极板4的体积均能够随之减小，间接降低了电解槽的整体成本。

具体的，隔膜21采用超薄聚苯硫醚毡作为支撑骨架，并根据所需的厚度，在两侧均喷涂有聚合物树脂和金属氧化物层，该金属氧化物层优选为氧化锆基多元氧化物，该材质具有更低的电压降，能够进一步提高能量转化效率。

本实施例中，隔膜21的厚度范围是500微米至800微米。该厚度条件下的隔膜21具有较好的能量转化效率，且能够有效分隔两侧的第一极板22和第二极板23，使各电解单元2能够保持较高效率的电解，且工作寿命较长。

可以理解，隔膜21还可以是除上文所描述以外的其他材质、结构和厚度，本发明对此不做限定，只要其能够实现与上文相同的技术效果即可。

本实施例中电解单元2还包括分别设置于隔膜21两侧的第一极板22和第二极板23，第一极板22和第二极板23的材质均为镍基材料，且二者均为3D网络结构。

具体如图6所示，第一极板22和第二极板23分别紧贴设置于隔膜21的两侧，实现电极与隔膜材料零极距接触，减小接触电阻，提高电解效率。第一极板22和第二极板23的采用镍基材料，能够进一步降低和隔膜21之间的接触电阻，减小隔膜21的电压降，提高能量转化效率，进一步提高电解效率；第一极板22和第二极板23均采用3D网络结构，该结构比表面积较高，在电解时能够提高电极活性面积，增加电极的活性位点，同时能够满足大电流、高电流密度的运行工况，提高电解产物的产量。

本实施例中，第一极板22和第二极板23实质上为同一结构且材质相同，仅为名称不同以区别电解时的正极与负极，如图6所示，中间极板4左侧的电解单元2内，隔膜21左侧设置第一极板22，隔膜21右侧设置第二极板23，而中间极板4右侧的电解单元2内，隔膜21右侧设置第一极板22，隔膜21左侧设置第二极板23。即，若采用中间极板4连正极，两侧的端极板14连负极，则中间极板4左侧的电解单元2内，隔膜21左侧的第一极板22为正极，隔膜21右侧的第二极板23为负极，中间极板4右侧的电解单元2内，隔膜21右侧的第一极板22为正极，隔膜21左侧的第二极板23为负极。

可以理解，在实际应用中，第一极板22和第二极板23还可以是其他材质和结构，二者可以是同样结构也可以是不同结构，本发明对此不做限定，只要二者能够与隔膜21形成电解单元2，对电解液进行电解以产生电解产物即可。

本实施例中，隔板31双面均匀分布有乳突状结构。乳突状结构能够使电解液的流动性增强，并与两侧的第一极板22和第二极板23充分接触。

请参考图7，图7是图2中电解槽的侧视图。

本实施例中端极结构1包括拉紧螺栓11、弹性件12、端夹板13和端极板14，两端极结构1的拉紧螺栓11和弹性件12能够相配合，将两端极结构1的端夹板13和端极板14压紧。

具体请参考图1和图7，本实施例中弹性件12为蝶弹簧组，若干拉紧螺栓11贯穿端夹板13的安装孔131，并通过蝶弹簧组和自身螺纹结构将电解单元2、隔离结构3和中间极板4压紧，使各部件保持相对固定，以保证电解槽能够正常运行，该种安装固定方式较为简单，且方便拆卸以供后续检查及修理。当然，端极结构1还可以是除上文所描述以外的其他结构，电解槽亦可通过其他结构进行安装固定，本发明对此不做限定，只要其能够将电解槽内各部件压紧，并使电解槽正常运行即可。

端极结构1还包括支撑部15。请继续参考图1和图7，支撑部15设置于端夹板13下端的两侧，将电解槽整体支撑于各支撑部15的上端，由于电解槽整体为圆柱体，各支撑部15便能够将电解槽固定于地面放置，防止电解槽相对地面滚动，并使电解槽的运输更为方便。

本发明还提供一种电解制氢方法，基于上文所描述的电解槽，电解槽还包括输入管路和输出管路，输入管路与电解液进口35相连通，输出管路与电解液出口36相连通。电解制氢方法具体步骤如下：

将电解槽组装完成后，将电解液通过输入管路注入电解槽内部，电解液通过电解液进口35进入各电解单元2，并排除电解槽内部的空气；

将电解槽内部压力保持在1.6MPa至3.2MPa之间，为电解槽通直流电，两端极结构1连接负极，中间极板4连接正极，流经各电解单元2的电解液在直流电作用下电解，在电解单元2内部分别形成氢气和氧气；

含有氢气和氧气的电解液通过电解液出口36从电解单元2流出，合流至输出管路后流出电解槽，经冷却、分离、洗涤和纯化步骤，最终得到氢气。

其中，电解液可选用质量分数为30％的氢氧化钾溶液，通过泵注入电解槽的输入管路。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电解槽，其特征在于：包括两个相对的端极结构(1)和压紧于两所述端极结构(1)之间的中间极板(4)和若干电解单元(2)，各相邻所述电解单元(2)之间通过隔离结构(3)相隔离，所述隔离结构(3)包括隔板(31)和套设于所述隔板(31)周向外侧的隔离框(32)，所述隔离框(32)设置有电解液进口(35)和电解液出口(36)，所述电解液进口(35)和所述电解液出口(36)靠近所述隔板(31)中心的方向均设置有梳齿结构(37)，所述梳齿结构(37)的梳齿(371)和空隙(372)厚度均在3毫米至5毫米之间，各所述电解液进口(35)和所述电解液出口(36)仅在所述隔离框(32)的一侧设置有所述梳齿结构(37)。

2.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于：所述隔离框(32)两面均设有密封水线(33)，相邻所述隔离结构(3)之间通过相对的所述密封水线(33)压紧有密封垫(34)。

3.根据权利要求2所述的电解槽，其特征在于：所述密封水线(33)为嵌入式结构，包括若干卡槽(331)、棱线(332)和设置于所述密封水线(33)两端的棱边(333)，所述卡槽(331)的宽度在10毫米至20毫米之间，所述棱线(332)的宽度在0.6毫米至1毫米之间，所述棱边(333)与所述卡槽(331)底部的高度差在1毫米至1.5毫米之间。

4.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于：所述电解单元(2)包括隔膜(21)，所述隔膜(21)包括高聚物纺织物层，所述高聚物纺织物层的两侧均覆盖有金属氧化物层。

5.根据权利要求4所述的电解槽，其特征在于：所述隔膜(21)的厚度范围是500微米至800微米。

6.根据权利要求4所述的电解槽，其特征在于：所述电解单元(2)还包括分别设置于所述隔膜(21)两侧的第一极板(22)和第二极板(23)，所述第一极板(22)和所述第二极板(23)的材质均为镍基材料，且二者均为3D网络结构。

7.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于：所述端极结构(1)包括拉紧螺栓(11)、弹性件(12)、端夹板(13)和端极板(14)，两所述端极结构(1)的所述拉紧螺栓(11)和所述弹性件(12)能够相配合，将两所述端极结构(1)的所述端夹板(13)和所述端极板(14)压紧。

8.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于：所述隔板(31)双面均匀分布有乳突状结构。

9.电解制氢方法，基于权利要求1-8中任一项所述的电解槽，其特征在于：所述电解槽还包括输入管路和输出管路，所述输入管路与所述电解液进口(35)连通，所述输出管路与所述电解液出口(36)相连通，所述电解制氢方法具体步骤如下：

将所述电解槽组装完成后，将电解液通过所述输入管路注入所述电解槽内部，电解液通过所述电解液进口(35)进入各所述电解单元(2)，并排除所述电解槽内部的空气；

将所述电解槽内部压力保持在1.6MPa至3.2MPa之间，为所述电解槽通直流电，两所述端极结构(1)连接负极，所述中间极板(4)连接正极，流经各所述电解单元(2)的电解液在直流电作用下电解，在所述电解单元(2)内部分别形成氢气和氧气；

含有氢气和氧气的电解液通过所述电解液出口(36)从所述电解单元(2)流出，合流至所述输出管路后流出所述电解槽，经冷却、分离、洗涤和纯化步骤，最终得到氢气。

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