CN113755855A - 一种电解槽极框及电解槽 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电解槽极框及电解槽，属于电解制氢技术领域。所述电解槽极框采用工程塑料整体注塑成型，沿内边框正反面分别对应设有一圈凹槽；电解槽极框的底部外边框与凹槽间设有一个碱液/纯水流道孔，碱液/纯水流道孔贯穿电解槽极框的正反面；碱液/纯水流道孔与凹槽之间通过碱液/纯水进口通道连通；电解槽极框的顶部外边框与凹槽间设有两个左右相邻的气液流道孔，气液流道孔贯穿电解槽极框的正反面，其中一个气液流道孔与凹槽之间通过气液出口通道连通。还提供了一种电解槽，所述电解槽中的电解槽极框为本发明所述的一种电解槽极框。所述电解槽极框性能优良，制造成本低，可以降低电解槽制造成本、减缓现有金属极框冲蚀磨损现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种电解槽极框及电解槽，具体地说，涉及一种适用于水电解制氢电解槽的极框以及使用所述电解槽极框的电解槽，属于电解制氢技术领域。
背景技术
目前，在水电解制氢领域，已形成了产氢量为0.5Nm3/h～1000Nm3/h的碱性水电解制氢设备和产氢量为0.1Nm3/h～50Nm3/h的纯水电解制氢设备产品体系，主要面向的应用领域包括电力、电子、有色冶金、石油化工、食品、医药、玻璃、多晶硅、气象探测、军工航天以及新能源转化等。大容量水电解制氢设备制备的氢气不仅纯度高，而且可以节省基建和设备投资，减少单位制氢能耗和运行成本，从而降低生产成本，因此受到用户的广泛青睐，是今后工业水电解制氢设备发展的必然趋势。
现有技术中，碱性水电解制氢电解槽由金属极框、极板、隔膜和密封垫片等零部件组成。其中，金属极框和极板焊接，组成金属极框组件，多个金属极框组件依次紧密排列，金属极框组件的空腔成为电解室，每两个金属极框组件之间用隔膜分隔，将电解室分为正极和负极两个空间。金属极框是电解槽最核心的部件，金属极框通常为圆环结构，底部有一个贯穿极框正面和反面的碱液流道孔，径向方向开多孔道矩形碱液进口通道与碱液流道孔相连，顶部有贯穿极框正面和反面的气液流道孔，径向方向开多孔道矩形气液出口通道与气液流道孔相连。
目前，大容量水电解制氢电解槽的金属极框存在制造成本高、易冲蚀损坏等问题。因为所述电解槽使用的极框通常为整块镀镍的金属板，镀镍的金属极框加工成本高，且电镀本身也属于高能耗、高污染的工艺。此外，镀镍的金属极框在碱性工况下普遍存在镍层脱落以及金属冲蚀损坏的问题。以上问题都限制了水电解制氢的推广应用和更大产气量设备的设计制造。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种电解槽极框；所述电解槽极框性能优良，制造成本低，可以降低电解槽制造成本、减缓现有金属极框冲蚀磨损现象。
本发明的目的之二在于提供一种电解槽，所述电解槽中的电解槽极框采用本发明所述的一种电解槽极框。
为实现本发明的目的，提供以下技术方案。
一种电解槽极框，所述电解槽极框的形状根据需求设计，例如圆框、矩形框等；电解槽极框的尺寸根据需求设计。在电解槽极框上，沿内边框正面和反面分别对应设有一圈凹槽，用于组装极板时起定位作用。
电解槽极框的底部外边框及其相邻的凹槽之间设有一个碱液/纯水流道孔，碱液/纯水流道孔贯穿电解槽极框的正面和反面；碱液/纯水流道孔与凹槽之间通过碱液/纯水进口通道连通；电解槽极框的顶部外边框及其相邻的凹槽之间设有两个左右相邻的气液流道孔，气液流道孔贯穿电解槽极框的正面和反面，其中一个气液流道孔与凹槽之间通过气液出口通道连通。
电解槽极框采用工程塑料整体注塑成型。
优选电解槽极框的外形为圆框。
所述电解槽极框适用于碱性水电解制氢设备或纯水电解制氢设备；当电解槽极框用于碱性水电解制氢设备时，碱液/纯水流道孔和碱液/纯水进口通道中流通的是碱液，当电解槽极框用于纯水电解制氢设备时，碱液/纯水流道孔和碱液/纯水进口通道中流通的是纯水。
优选电解槽极框用于碱性水电解制氢设备，如碱性水电解制氢电解槽。
一种电解槽，所述电解槽适用于碱性水电解制氢，主要由一个以上的电解室构成；每个电解室主要由A组件和B组件两组组件组成；每组组件由一个本发明所述的一种电解槽极框、一个支撑网和一个极板组成。
A组件由一个本发明所述的一种电解槽极框、一个支撑网和一个极板组成；极板与所述电解槽极框组装时，将极板嵌入电解槽极框的凹槽上；因极板与电解槽极框不能焊接，所以在极板一侧放置支撑网，支撑网起支撑作用，将极板与电解槽极框压紧。
B组件由一个本发明所述的一种电解槽极框、一个支撑网和一个极板组成；极板与所述电解槽极框组装时，将极板嵌入电解槽极框的凹槽上；因极板与电解槽极框不能焊接，所以在极板一侧放置支撑网，支撑网起支撑作用，将极板与电解槽极框压紧。与A组件不同的是，B组件中电解槽极框放置时与A组件中电解槽极框的正反方向相反。
每个电解室主要由一组A组件、一组B组件、一个隔膜和一个密封垫片组成，隔膜夹在A组件和B组件的两块相邻的极板之间，将电解室分成阴极电解室和阳极电解室两个空间，密封垫片夹在A组件和B组件的两个电解槽极框的边框之间，起密封作用。由于A组件和B组件两组组件中的电解槽极框放置正反方向相反，使得A组件的电解槽极框中与凹槽通过气液出口通道连通的一个气液流道孔，与B组件的电解槽极框中未与气液出口通道连通的气液流道孔连通，形成用于排出氢气和液体的气液流道；同理，B组件的电解槽极框中与凹槽通过气液出口通道连通的一个气液流道孔，与A组件的电解槽极框中未与气液出口通道连通的气液流道孔连通，形成用于排出氧气和液体的气液流道。
将一个以上电解室一一排列，每两个电解室之间夹一个密封垫片，密封垫片起密封作用，并用电解槽紧固件压紧，即可组装得到所述电解槽。
本发明所述的一种电解槽的工作方式：
碱液通过电解槽极框的碱液/纯水流道孔和碱液/纯水进口通道进入到电解室中，在电解的作用下，水分解成氢气和氧气；电解室阳极产生氧气，电解室阴极产生氢气。电解室阴极的氢气和碱液从气液出口通道流出电解室、从一个气液流道孔流出电解槽；氧气和碱液从另一个气液流道孔流出电解槽。
密封垫片起到密封作用，支撑网起到将极板压紧到电解槽极框的凹槽上的作用，极板起到导电作用，隔膜起到分隔生成的氢气和氧气的作用。
有益效果
1.本发明提供了一种电解槽极框，所述极框适用于碱性水电解制氢设备和纯水电解制氢设备产品体系，通过采用工程塑料整体注塑成型替代金属材料，相比现有技术中的金属极框，更轻薄、耐腐蚀，同时，无需电镀工艺，更环保，成本也更低；所述极框可以减缓金属极框冲蚀磨损现象，能最大程度的减少加工工序和原材料钢材的耗用，降低了电解槽的制造成本；所述极框的总重量可降为现有技术中的金属极框的20％～40％，减轻了设备总质量，减少了运输成本；在市场竞争中具有极大的优势。
2.本发明提供了一种电解槽极框，所述极框使用工程塑料为原料，现有技术中，碱性水电解制氢电解槽所使用的金属极框结构精细复杂，所述金属极框上金属极框底部有一个贯穿极框正面和反面的碱液流道孔，径向方向开多孔道矩形碱液进口通道与碱液流道孔相连，顶部有贯穿极框正面和反面的气液流道孔，径向方向开多孔道矩形气液出口通道与气液流道孔相连。如按照现有金属极框的结构进行加工，会增加注塑成形的难度和成本，脱模时结构易被损坏；因此本发明根据电解槽使用工况和其内部的流场分布，重新设计了一种电解槽极框结构，通过电解槽极框的底部外边框和凹槽之间设有一个碱液/纯水流道孔，碱液/纯水流道孔与凹槽之间通过碱液/纯水进口通道连通，替代了现有技术中金属极框的多孔道碱液进口通道；电解槽极框的顶部外边框和凹槽之间设有两个相邻的气液流道孔，其中一个气液流道孔与凹槽之间通过气液出口通道连通，替代了现有技术中金属极框的多孔道气液出口通道；将原多孔道结构都简化为单孔道结构，通过对电解槽内部的模拟仿真验证和实验验证，该结构满足电解槽运行要求。
3.本发明提供了一种电解槽，所述电解槽的采用的极框为本发明所述的电解槽极框，由于本发明电解槽极框采用的材质是工程塑料，因此不能与金属材质的极板焊接，所以需要改变现有技术中极板与极框的连接方式；相应的，也需要改变电解槽组合方式，得到了一种具有新结构的碱性水电解制氢电解槽，所述电解槽的总重量可降为现有技术中采用金属极框的碱性水电解制氢电解槽总重量的50％～70％，减少了运输成本；在市场竞争中具有极大的优势。
附图说明
图1为实施例1中一种电解槽极框的主视图。
图2为实施例1中一种电解槽极框的A-A剖视图。
图3为实施例1中一种电解槽A组件的A-A剖视图。
图4为实施例1中一种电解槽B组件的A-A剖视图。
图5为实施例1中一种电解槽的A-A剖视图。
其中，1—碱液/纯水流道孔，2—碱液/纯水进口通道，3—凹槽，4—气液出口通道，5—气液流道孔，6—密封垫片，7—电解槽极框，8—支撑网，9—极板，10—隔膜，11—阴极电解室，12—阳极电解室，13—紧固件
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不作为对本发明专利的限定。
实施例1
一种电解槽极框，所述电解槽极框7的外形为圆框；电解槽极框7的尺寸根据需求设计为：整体厚度为7mm，外直径610mm，内直径492mm。在电解槽极框7上，沿内边框正面和反面分别对应设有一圈凹槽3，凹槽3的直径为498mm，用于组装极板9时起定位作用。
所述电解槽极框7的底部外边框及其相邻的凹槽3之间设有一个碱液/纯水流道孔1，碱液/纯水流道孔1贯穿电解槽极框7的正面和反面；碱液/纯水流道孔1与凹槽3之间通过碱液/纯水进口通道2连通；电解槽极框7的顶部外边框及其相邻的凹槽3之间设有两个左右相邻的气液流道孔5，气液流道孔5贯穿电解槽极框7的正面和反面；其中一个气液流道孔5与凹槽3之间通过气液出口通道4连通。
电解槽极框7使用工程塑料聚砜为原料，整体注塑成型。
一种电解槽，所述电解槽适用于碱性水电解制氢，由一个电解室构成；每个电解室主要由A组件和B组件两组组件组成；每组组件由一个本实施例所述的电解槽极框7、一个支撑网8和一个极板9组成。
A组件由一个本实施例所述的电解槽极框7、一个支撑网8和一个极板9组成；极板9与所述电解槽极框7组装时，将极板9嵌入电解槽极框7的凹槽3上；因极板9与电解槽极框7不能焊接，所以在极板9一侧放置支撑网8，支撑网8起支撑作用，将极板9与电解槽极框7压紧。
B组件由一个本实施例所述的电解槽极框7、一个支撑网8和一个极板9组成；极板9与所述电解槽极框7组装时，将极板9嵌入电解槽极框7的凹槽3上；因极板9与电解槽极框7不能焊接，所以在极板9一侧放置支撑网8，支撑网8起支撑作用，将极板9与电解槽极框7压紧。与A组件不同的是，B组件中电解槽极框7放置时与A组件中电解槽极框7的正反方向相反。
每个电解室主要由一组A组件、一组B组件、一个隔膜10和一个密封垫片6组成，隔膜10夹在A组件和B组件的两块相邻的极板9之间，将电解室分成阴极电解室11和阳极电解室12两个空间，密封垫片6夹在A组件和B组件的两个电解槽极框7的边框之间，起密封作用。由于A组件和B组件两组组件中的电解槽极框7放置正反方向相反，使得A组件的电解槽极框7中与凹槽3通过气液出口通道4连通的一个气液流道孔5，与B组件的电解槽极框7中未与气液出口通道4连通的气液流道孔5连通，形成用于排出氢气和碱液的气液流道；同理，B组件的电解槽极框7中与凹槽3通过气液出口通道4连通的一个气液流道孔5，与A组件的电解槽极框7中未与气液出口通道4连通的气液流道孔5连通，形成用于排出氧气和碱液的气液流道。
将两个电解室之间夹一个密封垫片6，密封垫片6起密封作用，并用电解槽紧固件13压紧，即可组装得到所述电解槽。
本实施例所述的一种电解槽的工作方式：
碱液通过电解槽极框7的碱液/纯水流道孔1、碱液/纯水进口通道2进入到电解室中，在电解的作用下，水分解成氢气和氧气；电解室阳极产生氧气，电解室阴极产生氢气。电解室阴极的氢气和碱液从气液出口通道4流出电解室、从一个气液流道孔5流出电解槽；氧气和碱液从另一个气液流道孔5流出电解槽。
密封垫片6起到密封作用，支撑网8起到将极板9压紧到电解槽极框7的凹槽3上的作用，极板9起到导电作用，隔膜10起到分隔生成的氢气和氧气的作用。
本实施例所述电解槽组装后开机运行状况良好，电解槽产生的氢气和氧气经过气液处理器进行气水分离后，使用氧分析仪，仪表型号DYF-0/1D，0～1％；厂家为中国船舶重工集团公司第七一八研究所，测量氢气纯度，氢气纯度高于99.8％；使用氢分析仪，仪表型号DQF-0/2，0～2％，厂家为中国船舶重工集团公司第七一八研究所，测量氧气的纯度，氧气纯度高于98.5％；氢氧气纯度均合格。
所述电解槽使用了本实施例所述的工程塑料材质的电解槽极框7，相比原来的金属极框，重量降为原来的20％，更轻薄、耐腐蚀，同时，无需电镀工艺，更环保，成本也更低。电解槽使用本实施例所述的电解槽极框7后，可以减缓电解槽极框7的冲蚀磨损现象，能最大程度的减少加工工序和原材料钢材的耗用，降低了电解槽的制造成本，在市场竞争中具有极大的优势。
Claims (7)
1.一种电解槽极框，其特征在于：在电解槽极框(7)上，沿内边框正面和反面分别对应设有一圈凹槽(3)；电解槽极框(7)的底部外边框及其相邻的凹槽(3)之间设有一个碱液/纯水流道孔(1)，碱液/纯水流道孔(1)贯穿电解槽极框(7)的正面和反面；碱液/纯水流道孔(1)与凹槽(3)之间通过碱液/纯水进口通道(2)连通；电解槽极框(7)的顶部外边框及其相邻的凹槽(3)之间设有两个左右相邻的气液流道孔(5)，气液流道孔(5)贯穿电解槽极框(7)的正面和反面，其中一个气液流道孔(5)与凹槽(3)之间通过气液出口通道(4)连通；
电解槽极框(7)采用工程塑料整体注塑成型。
2.根据权利要求1所述的一种电解槽极框，其特征在于：电解槽极框(7)的外形为圆框。
3.根据权利要求1所述的一种电解槽极框，其特征在于：电解槽极框(7)适用于碱性水电解制氢设备或纯水电解制氢设备。
4.根据权利要求1所述的一种电解槽极框，其特征在于：电解槽极框(7)适用于碱性水电解制氢电解槽。
5.根据权利要求1所述的一种电解槽极框，其特征在于：电解槽极框(7)的外形为圆框；电解槽极框(7)适用于碱性水电解制氢设备或纯水电解制氢设备。
6.根据权利要求1所述的一种电解槽极框，其特征在于：电解槽极框(7)的外形为圆框；电解槽极框(7)用于碱性水电解制氢电解槽。
7.一种电解槽，其特征在于：所述电解槽主要由一个以上的电解室构成；每个电解室主要由A组件和B组件两组组件组成；
A组件由一个如权利要求1～6中任一项所述的电解槽极框(7)、一个支撑网(8)和一个极板(9)组成；极板(9)与所述电解槽极框(7)组装时，将极板(9)嵌入电解槽极框(7)的凹槽(3)上；在极板(9)一侧放置支撑网(8)，支撑网(8)将极板(9)与电解槽极框(7)压紧；
B组件由一个如权利要求1～6中任一项所述的电解槽极框(7)、一个支撑网(8)和一个极板(9)组成；极板(9)与所述电解槽极框(7)组装时，将极板(9)嵌入电解槽极框(7)的凹槽(3)上；在极板(9)一侧放置支撑网(8)，支撑网(8)起支撑作用，将极板(9)与电解槽极框(7)压紧；与A组件不同的是，B组件中电解槽极框(7)放置时与A组件中电解槽极框(7)的正反方向相反；
每个电解室主要由一组A组件、一组B组件、一个隔膜10和一个密封垫片(6)组成，隔膜10夹在A组件和B组件的两块相邻的极板(9)之间，将电解室分成阴极电解室(11)和阳极电解室(12)两个空间，密封垫片(6)夹在A组件和B组件的两个电解槽极框(7)的边框之间；
将一个以上电解室一一排列，每两个电解室之间夹一个密封垫片(6)，密封垫片(6)起密封作用，并用电解槽紧固件(13)压紧，到一种电解槽。
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