CN113802136A - 一种电解槽系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于氢能技术领域，公开了一种电解槽系统，包括多级电解槽、采集模块、存储模块和第一处理模块；多级电解槽包括两端板电极，及设置在两端板电极之间的多个隔板电极；在端板电极和隔板电极上均安装有接线柱，其中一个端板电极上的接线柱作为阳极接线柱，其余接线柱作为阴极接线柱；阳极接线柱与每一个阴极接线柱之间均与采集模块连接；采集模块与第一处理模块连接。还公开了其工作方法，处理模块通过电压的变化，判断各级电解槽的运行情况，当某级电解槽的运行工作电压大于预设值时，说明该级电解槽运行故障，便于定位电解槽故障的区间，只对这一级电解槽进行检修就可以，不需要对全电解槽进行整体的检修。

Description

一种电解槽系统及其工作方法

技术领域

本发明属于氢能技术领域，特别涉及一种电解槽系统及其工作方法。

背景技术

氢能是一种绿色的二次能源，在能源结构转型、工业碳减排领域具有重要的作用。为了克服传统化石原料制氢碳排放较高的问题，电解水制氢是未来氢气最重要的生产方式。碱性电解水制氢由于技术相对成熟、设备制造成本低、单台设备规模较大，因此是当前应用最为广泛的电解水制氢技术。碱性电解槽通常由两侧的端板、极板、极网、隔膜、密封垫圈、拉紧螺栓组成。由于电解槽仅仅依靠两侧端板和拉紧螺栓固定，因此，在大型碱性电解槽检修时，必须拆卸两侧端板，并拆解中间每个极板、极网、隔膜及密封垫圈，检修维护的工作量很大，且重新组装时需要更换密封垫圈，增加了成本；同时，现有电解槽气体的产量通常依靠调节电流密度的大小来实现，在采用波动性电源进行电解制氢过程中，由于电流变化幅度较大，容易对电极造成冲击，使得电极表面催化层脱落，产气效率下降，使用寿命降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电解槽系统及其工作方法，解决了大型碱性电解槽检修维护工作大，成本高的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种电解槽系统，包括多级电解槽、采集模块、存储模块和第一处理模块；

多级电解槽包括两端板电极，及设置在两端板电极之间的多个隔板电极，端板电极与多个隔板电极可拆卸连接；端板电极与隔板电极之间及相邻两个隔板电极之间均设有电解单元，每个电解单元形成一级电解槽；

在端板电极和隔板电极上均安装有接线柱，接线柱与电源连接，其中一个端板电极上的接线柱作为阳极接线柱，其余接线柱作为阴极接线柱；

阳极接线柱与每一个阴极接线柱之间均与采集模块连接，采集模块用于采集阳极与每个阴极之间的工作电压；

采集模块与第一处理模块连接，第一处理模块用于计算初始运行阶段每级电解槽的初始工作电压；第一处理模块与存储模块连接，存储模块用于存储每级电解槽的初始工作电压；

第一处理模块，还用于比较某级电解槽的运行工作电压与预设值，当某级电解槽的运行工作电压大于预设值时，第一处理模块断开电源；其中，预设值大于每级电解槽的初始工作电压。

进一步，采集模块连接有第二处理模块，第二处理模块用于计算初始运行阶段每级电解槽的运行负荷；

第二处理模块与存储模块连接，存储模块内存储有各级电解槽的运行负荷，第二处理模块用于根据运行所需负荷与电解槽运行负荷进行比较，设置接入电源的电解槽的级数。

进一步，端板电极与隔板电极之间，及相邻两个隔板电极之间分别通过紧固螺栓固定连接。

进一步，电解单元包括极板、对称设置在极板两侧的隔膜单元，隔膜单元包括隔膜和对称设置在隔膜两侧的极网。

进一步，隔板电极的两侧面上均开有圆形凹槽，极板的两侧面上均开有圆形凹槽，左端板电极和右端板电极的内侧均开有圆形凹槽，极网嵌入在圆形凹槽内。

进一步，极网为镍网，其中阴极室一侧的镍网表面镀有催化层。

进一步，隔膜中间的多孔材料为表面亲水改性的聚苯硫醚编制布。

进一步，两端板电极、隔板电极及极板的材质均钢板，钢板表面镀有镍层，两端板电极、隔板电极及极板的边缘开有若干个碱液出入孔。

本发明还公开了所述的多级电解槽系统的工作方法，包括以下步骤：

S1、接通电源，将阳极接线柱与其中一个阴极接线柱接通，设置工作电流密度为额定电流密度A；

S2、切换接通另一个阴极接线柱，同时调整电流，保持工作电流密度为额定电流密度A，依次采集阳极与每个阴极之间的工作电压，记阳极与第n个阴极间的工作电压为Vn；n为电解槽的级数；

S3、计算初始运行阶段每级电解槽的工作电压，其中，第n级电解槽的工作电压为Vn-Vn-1；

S4、运行一段时间后，当其中某一个电解槽的工作电压或多个电解槽的工作电压大于预设值时，则说明该级电解槽发生故障，断开电源。

进一步，还包括对运行负荷的调节，设电解槽运行的总负荷为Q，则x级电解槽的运行负荷为xQ/n，x为整数，0≤x≤n；

当运行所需负荷为Qr，且(x-1)Q/n<Qr≤xQ/n，则调整工作电流密度为nAQr/(xQ)，同时，接通第x个阴极。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种电解槽系统，包括多级电解槽，通过增加隔板电极使得大型电解槽分为多级，然后在端板电极和隔板电极上增加接线柱，接线柱与采集模块连接，可以分别对各级电解槽的运行情况进行实时的监测，采集模块与处理模块连接，处理模块通过电压的变化，判断各级电解槽的运行情况，当某级电解槽的运行工作电压大于预设值时，说明该级电解槽运行故障，便于定位电解槽故障的区间，只对这一级电解槽进行检修就可以，不需要对全电解槽进行整体的检修，大大地降低了检修量，节约检修费用。

进一步，通过将电解槽分为多级，可以根据运行负荷的需要，设置接入电源的电解槽的级数，避免通过大幅度改变电流密度的方式调节运行负荷，减少电流密度的大幅度变化，维持系统运行的稳定性。

进一步，多级电解槽之间分别用紧固螺栓固定，从中间向两端安装，一段一段固定，在判断某一级电解槽运行故障时，可以不对全电解槽进行拆卸，而是从临近一端拆卸，避免电解槽全部拆卸后造成大量密封材料更换，节约检修费用。

附图说明

图1为本发明的一种多级电解槽的爆炸图；

图2为本发明的一种多级电解槽的装配示意图；

图3为本发明的隔板电极的结构示意图。

其中，1为端板电极，2为隔板电极，3为极板，4为隔膜，5为极网，6为电解单元，7为接线柱，8为紧固螺栓，9为紧固螺母；

21为螺栓孔，22为圆形凸起。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1和2所示，本发明公开了一种电解槽系统，包括多级电解槽、采集模块、存储模块和第一处理模块；多级电解槽包括两端板电极1，及设置在两端板电极1之间的多个隔板电极2，端板电极1与多个隔板电极2可拆卸连接；端板电极1与隔板电极2之间及相邻两个隔板电极2之间均设有电解单元6，每个电解单元6形成一级电解槽；在端板电极1和隔板电极2上均安装有接线柱7，接线柱7与电源连接，其中一个端板电极1上的接线柱7作为阳极接线柱，其余接线柱7作为阴极接线柱；阳极接线柱与每一个阴极接线柱之间均与采集模块连接，采集模块用于采集阳极与每个阴极之间的工作电压；采集模块与第一处理模块连接，第一处理模块用于计算初始运行阶段每级电解槽的初始工作电压；第一处理模块与存储模块连接，存储模块用于存储每级电解槽的初始工作电压；第一处理模块，还用于比较某级电解槽的运行工作电压与预设值，当某级电解槽的运行工作电压大于预设值时，第一处理模块断开电源；其中，预设值大于每级电解槽的初始工作电压。

更优地，采集模块连接有第二处理模块，第二处理模块用于计算初始运行阶段每级电解槽的运行负荷；第二处理模块与存储模块连接，存储模块内存储有各级电解槽的运行负荷，第二处理模块用于根据运行所需负荷与电解槽运行负荷进行比较，设置接入电源的电解槽的级数。

电解单元6包括极板3、对称设置在极板3两侧的隔膜单元，隔膜单元包括隔膜4和对称设置在隔膜4两侧的极网5。

具体地，极板3两侧的中间为圆形凹槽，圆形凹槽内有圆形凸起22，用于支撑极网5；极网5由金属丝编织而成。

隔膜4将极板3与隔板电极2之间、极板3与端板电极1之间的空间分隔为阴极室和阳极室；

隔膜4的中间为多孔材料，外围为密封垫圈。

如图3所示，隔板电极2两侧的中间为圆形凹槽，凹槽内设有若干个圆形凸起22，用于支撑极网5。

隔板电极2的外围设置有螺栓孔21，用于穿过紧固螺栓8。

端板电极1面向电解槽内部一侧的中间为圆形凹槽，凹槽内设有若干个圆形凸起22，用于支撑极网5，另一侧为平面结构；端板电极1的外围设置有螺栓孔21，用于穿过紧固螺栓8。

紧固螺栓8全长范围内均带螺纹；紧固螺母9通过压紧隔板电极2和端板电极1将极板3、极网5、隔膜4组合压紧密封。

接线柱7位于隔板电极2和端板电极1上。

所述极板3、隔板电极2、端板电极1为钢板镀镍材质，外圈开有若干个碱液出入孔。

所述极网5为镍网，其中阴极室一侧的镍网表面镀有催化层。

所述隔膜4中间的多孔材料为表面亲水改性的聚苯硫醚编制布。

如图1所示，左侧端板电极1上的接线柱7连接直流电源的阳极，剩余隔板电极2和端板电极1上的接线柱7连接直流电源的阴极。

所述端板电极1和隔板电极2之间或隔板电极2之间为电解槽的一级。

所述的多级电解槽系统的工作方法，该方法是利用所述系统实现的，包括如下步骤：

1.接通直流电源，电解槽最左侧端板的接线柱7接通阳极，同时，接通其中一块隔板电极2或另一块端板电极1的接线柱7，作为阴极；设置工作电流密度为额定电流密度A；

2.切换接通阴极的接线柱7，同时调整电流，保持工作电流密度为额定电流密度A，依次记录阳极与每个阴极之间的工作电压，其中，阳极与从左向右第一个、第二个、第三个....第n个阴极间的工作电压依次为V₁、V₂、V₃......V_n；

3.计算初始运行阶段每级电解槽的工作电压，其中，第一级、第二级、第三级......第n级电解槽的工作电压分别为V₁、V₂-V₁、V₃-V₂......V_n-V_n-1；

4.长时间运行后，当V₁、V₂-V₁、V₃-V₂......V_n-V_n-1中某一个或多个数值大于初始值的120％时，则相应一级的电解槽需要拆卸检修维护，此时断开电源，排出碱液，并从离该极最近一侧拆卸紧固螺母9、端板电极1、极网5、隔膜4、隔板电极2，对该级电解槽进行检修维护。

还包括对运行负荷的调节，设电解槽运行的总负荷为Q，则x级电解槽的运行负荷为xQ/n，x为整数，0≤x≤n；

当运行所需负荷为Qr，且(x-1)Q/n<Qr≤xQ/n(x为整数，0≤x≤n)，则调整工作电流密度为nAQr/(xQ)，同时，接通第x个阴极。

本发明通过增加带有接线柱7的隔板电极2，使得电解槽分为多级，可以分别对各级电解槽的运行情况进行实时的监测，通过电压的变化，判断各级电解槽的运行情况，当运行故障时，便于定位电解槽故障的区间；

通过将电解槽分为多级，可以根据运行负荷的需要，设置接入电源的电解槽的级数，避免通过大幅度改变电流密度的方式调节运行负荷，减少电流密度的大幅度变化，维持系统运行的稳定性；

通过将电解槽分为多级，每级分别用紧固螺栓8固定，在判断某一级电解槽运行故障时，可以不对全电解槽进行拆卸，而是从临近一端拆卸，避免电解槽全部拆卸后造成大量密封材料更换，节约检修费用。

Claims (10)

1.一种电解槽系统，其特征在于，包括多级电解槽、采集模块、存储模块和第一处理模块；

多级电解槽包括两端板电极(1)，及设置在两端板电极(1)之间的多个隔板电极(2)，端板电极(1)与多个隔板电极(2)可拆卸连接；端板电极(1)与隔板电极(2)之间及相邻两个隔板电极(2)之间均设有电解单元(6)，每个电解单元(6)形成一级电解槽；

在端板电极(1)和隔板电极(2)上均安装有接线柱(7)，接线柱(7)与电源连接，其中一个端板电极(1)上的接线柱(7)作为阳极接线柱，其余接线柱(7)作为阴极接线柱；

阳极接线柱与每一个阴极接线柱之间均与采集模块连接，采集模块用于采集阳极与每个阴极之间的工作电压；

采集模块与第一处理模块连接，第一处理模块用于计算初始运行阶段每级电解槽的初始工作电压；第一处理模块与存储模块连接，存储模块用于存储每级电解槽的初始工作电压；

第一处理模块，还用于比较某级电解槽的运行工作电压与预设值，当某级电解槽的运行工作电压大于预设值时，第一处理模块断开电源；其中，预设值大于每级电解槽的初始工作电压。

2.根据权利要求1所述的一种电解槽系统，其特征在于，采集模块连接有第二处理模块，第二处理模块用于计算初始运行阶段每级电解槽的运行负荷；

第二处理模块与存储模块连接，存储模块内存储有各级电解槽的运行负荷，第二处理模块用于根据运行所需负荷与电解槽运行负荷进行比较，设置接入电源的电解槽的级数。

3.根据权利要求1所述的一种电解槽系统，其特征在于，端板电极(1)与隔板电极(2)之间，及相邻两个隔板电极(2)之间分别通过紧固螺栓(8)固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种电解槽系统，其特征在于，电解单元(6)包括极板(3)、对称设置在极板(3)两侧的隔膜单元，隔膜单元包括隔膜(4)和对称设置在隔膜(4)两侧的极网(5)。

5.根据权利要求4所述的一种电解槽系统，其特征在于，隔板电极(2)的两侧面上均开有圆形凹槽，极板(3)的两侧面上均开有圆形凹槽，左端板电极(1)和右端板电极(1)的内侧均开有圆形凹槽，极网(5)嵌入在圆形凹槽内。

6.根据权利要求4所述的一种电解槽系统，其特征在于，极网(5)为镍网，其中阴极室一侧的镍网表面镀有催化层。

7.根据权利要求4所述的一种电解槽系统，其特征在于，隔膜(4)中间的多孔材料为表面亲水改性的聚苯硫醚编制布。

8.根据权利要求4所述的一种电解槽系统，其特征在于，两端板电极(1)、隔板电极(2)及极板(3)的材质均钢板，钢板表面镀有镍层，两端板电极(1)、隔板电极(2)及极板(3)的边缘开有若干个碱液出入孔。

9.权利要求1～8任意一项所述的多级电解槽系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、接通电源，将阳极接线柱与其中一个阴极接线柱接通，设置工作电流密度为额定电流密度A；

S2、切换接通另一个阴极接线柱，同时调整电流，保持工作电流密度为额定电流密度A，依次采集阳极与每个阴极之间的工作电压，记阳极与第n个阴极间的工作电压为Vn；n为电解槽的级数；

S3、计算初始运行阶段每级电解槽的工作电压，其中，第n级电解槽的工作电压为Vn-Vn-1；

S4、运行一段时间后，当其中某一个电解槽的工作电压或多个电解槽的工作电压大于预设值时，则说明该级电解槽发生故障，断开电源。

10.根据权利要求9所述的多级电解槽系统的工作方法，其特征在于，还包括对运行负荷的调节，设电解槽运行的总负荷为Q，则x级电解槽的运行负荷为xQ/n，x为整数，0≤x≤n；

当运行所需负荷为Qr，且(x-1)Q/n<Qr≤xQ/n，则调整工作电流密度为nAQr/(xQ)，同时，接通第x个阴极。

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