CN116377461A - 一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽，包括：第一外层夹具、第一集电板、第二外层夹具、第二集电板、电解单元。通过上述方式，本发明一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽，通过结合了电极与流场的一体式阳/阴极室结构，增大了阳极的反应面积，可以有效的提高电解电流密度，从而提高产氢速率。另外，采用了无贵金属或低载量贵金属的阳极电极，取代了现有技术中使用铂电极进行电解的方案，在保证效率的同时，大大降低了其生产成本。

Description

一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽
技术领域
本发明涉及制氢电解槽技术领域，可应用于水煤浆电解、废水处理等，特别是涉及一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽。
背景技术
在煤清洁制氢、有机废水处理与制氢等领域中，含有煤粉或有机成分的废水在电解槽阳极被氧化分解成二氧化碳，同时在阴极生成高纯氢气。废水电氧化也可以在阴极副产氢气的同时，通过氧化有机物获得达标水质。其中水煤浆电解技术是一种新型的制氢技术，通过对酸性水煤浆施加0.85至1.2V的电压以达到制氢的目的。
传统水煤浆电解制氢技术一般使用电解槽来实现，电解槽的阴极室内有阴极和硫酸溶液，产生氢气，电解槽的阳极室有阳极和煤浆溶液。但是目前，水煤浆电解技术中所使用的电解槽的阴、阳电极一般为贵金属材料，例如铂以及铂合金等，由于铂的成本较为昂贵，所以导致了电解槽成本的增加。另外，现有电解槽的体积大，阳极与阴极的电解效率低。最后，水煤浆中煤颗粒会对电极产生磨损，影响阳极使用寿命。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽，具有可靠性能高、电解效率高等优点，同时在制氢电解槽的应用及普及上有着广泛的市场前景。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：
提供一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽，其包括：第一外层夹具、第二外层夹具、内嵌热机构以及若干电解单元，用于加热电解单元的所述内嵌热机构设置于外层夹具内，所述第一外层夹具与所述第二外层夹具活动连接，以将一个或多个电解单元夹紧在所述第一外层夹具与所述第二外层夹具之间，且所述电解单元的两端分别与第一外层夹具和第二外层夹具上集电板连接导通，
所述电解单元包括阳极部、阳极流场、密封绝缘层、质子交换膜、气体扩散电极、阴极部、阴极流场，所述阳极部与第一外层夹具上的集电板相接触，所述阴极部与第二外层夹具上的集电板相接触，用于流通和存储阳极电解液的所述阳极流场设置于所述阳极部的内侧面上，用于收集氢气的所述阴极流场设置于所述阴极部的内侧面上，所述质子交换膜设置于阳极部上并覆盖所述阳极流场，所述密封绝缘层设置于质子交换膜外周的阳极部上，防止阳极部与阴极部连接导通以及两极之间流体互串或向外泄漏，所述气体扩散电极的一侧与质子交换膜相连接，另一侧与阴极部相连接并覆盖所述阴极流场。
在本发明一个较佳实施例中，所述第一外层夹具的内壁上设置有第一集电板，设置于所述第二外层夹具的内壁上设置有第二集电板，集电板设置于内嵌热机构外侧的外层夹具上，并与内嵌热机构相接触。
在本发明一个较佳实施例中，所述阳极部为一体式石墨阳极室，阴极部为设置有阴极流场的石墨板。
在本发明一个较佳实施例中，下凹的流道连通组合形成阳极/阴极流场，且流道的开口设置于阳极部/阴极部的内壁表面，流场采用蛇形排布结构或点状排布结构。
在本发明一个较佳实施例中，所述气体扩散电极的一侧上设置有与质子交换膜紧 贴的阴极低载铂催化剂层，所述气体扩散电极的另一侧紧贴在阴极部流场上，其中，阴极低载铂催化剂的载铂量为0~0.50mg/cm²。
在本发明一个较佳实施例中，朝向气体扩散电极的阳极部侧壁和/或所述阳极流场的内壁上设置有阳极低载铂催化剂层，其中，阳极低载铂催化剂的载铂量为0~0.50mg/cm²。
在本发明一个较佳实施例中，当第一外层夹具与第二外层夹具之间设置有多个电解单元时，所述电解单元依次连接组装形成压滤结构，所述压滤结构的一端为由一个阳极部构成的阳极端部，另一端为由一个阴极部构成的阴极端部，在阳极端部与阴极端部之间，相邻两个电解单元中的一个阴极部与一个阳极部分别位于同一个双极板的两侧。
在本发明一个较佳实施例中，在压滤结构中，所有的阳极流场相互连通行形成阳极整体流场，所有的阴极流场相互连通形成阴极整体流场。
在本发明一个较佳实施例中，整体流场中的一个阳/阴极流场的端部与相邻的另一个阳/阴极流场的端部相连通，且位于阳/阴极整体流场一端的阳/阴极流场上连通有一用于输入电解液的入口，位于阳/阴极整体流场另一端的阳/阴极流场上连通有一用于排出流场中电解液的出口，其中，入口和/或出口延伸至该阳极流场所在的阳极部的侧壁上。
在本发明一个较佳实施例中，所述密封绝缘层上设置有便于相邻电解单元中的流场进行连通的通口。
本发明的有益效果是：通过结合了电极与流场的一体式阳/阴极室结构，增大了阳极的反应面积，可以有效的提高电解电流密度，从而提高产氢速率。另外，采用了无贵金属或低载量贵金属的阳极电极，取代了现有技术中使用铂电极进行电解的方案，在保证效率的同时，大大降低了其生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽一较佳实施例的爆炸结构示意图；
图2是本发明的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽一较佳实施例的双极板阳极流场结构示意图；
图3是本发明的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽一较佳实施例的双极板阴极流场结构示意图；
图4是本发明的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽一较佳实施例的双极板剖视结构示意图；
图5是本发明的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽一较佳实施例的进行组装时的状态结构示意图；
图6是本发明的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽一较佳实施例中一体式石墨腔体阳极与含Pt阳极的电解曲线对比图；
图7是本发明的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽一较佳实施例中温度对电解速率的影响示意图。
实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7，本发明实施例包括：
一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽，其结构包括：第一外层夹具1（包含内嵌热机构5）、第一集电板（正极铜板）2、第二外层夹具3（包含内嵌热机构5）、第二集电板（负极铜板）4、电解单元，所述第一集电板设置于所述第一外层夹具的内壁上，所述第二集电板设置于所述第二外层夹具的内壁上，所述第一外层夹具与所述第二外层夹具活动连接，以将一个或多个电解单元夹紧在所述第一外层夹具与所述第二外层夹具之间，且所述电解单元的两端分别与第一集电板和第二集电板相连接（紧贴）导电。
进一步优选的，外层夹具内设置有内嵌热机构，使用内嵌热机构对电解单元进行加热，或者对进入流场的电解溶液加热，可以显著提升电解效率效果，特别是从室温加热至40℃时，即有>20%的电解速率提升效果。
其中，所述内嵌热机构可以采用陶瓷加热片5、加热管等电加热设备。
进一步优选的，集电板设置于内嵌热机构外侧的外层夹具上，并与内嵌热机构紧贴。
进一步优选的，所述第一外层夹具和所述第二外层夹具上设置有螺纹孔，连接螺栓6分别与第一外层夹具和所述第二外层夹具上的所述螺纹孔活动连接，以锁紧或者解锁第一外层夹具和所述第二外层夹具。
所述电解单元包括阳极部、阳极流场8、防水绝缘（硅橡胶）层9、质子交换膜（PEM）10、气体扩散电极（Pt气体扩散电极）11、阴极部、阴极流场13。
所述阳极部与第一集电板相接触导通，所述阴极部与第二集电板相接触导通，用于流通和存储阳极电解液的所述阳极流场被雕刻于于所述阳极部的内侧面上，用于流通和收集氢气的所述阴极流场被雕刻于于所述阴极部的内侧面上，，所述质子交换膜设置于阳极部上并覆盖所述阳极流场，所述密封绝缘层设置于质子交换膜外周的阳极部上，防止阳极部与阴极部连接导通、以及两极之间流体互串，所述气体扩散电极的一侧与质子交换膜相连接，另一侧与阴极部相连接并覆盖所述阴极流场。
进一步优选的，所述阳极部为一体式石墨腔体（阳极室），所述阴极部为石墨阴极室。阳极部和阴极部的主体结构为一块平板，在其一面雕刻流场，另一面用于集电或与另外一个电解单元相连。
进一步优选的，阳极/阴极流场由多个开口设置于阳极/阴极部表面的下凹的流道连通组合形成，流场可以采用蛇形排布结构、点状排布结构等。其中，阳极流场的结构可以与阴极流场的结构相同，也可以选择不同的结构。
进一步优选的，不仅可以利用极部本身做电极，还可以将阴极低载铂催化剂层附着在电极基体上，组成气体扩散电极，气体扩散电极的无催化剂的一面紧贴在阴极流场上，有催化剂的一面紧贴在质子交换膜上，阴极流场壁上无铂催化剂层。其中，铂催化剂层的载铂量为0~0.50mg/cm²。
阳极部为一体式电极-腔体结构，此处阳极一体式电极-腔体内可通过多种方法添加阳极低载铂催化剂层，从而在保证较低电解槽生产成本的同时，进一步提高电解电流密和产氢速率，也可以选择不添加，即载铂量为0~0.50mg/cm²。
使用无Pt的一体式石墨腔体阳极的制氢电解槽相比增加了Pt气体扩散电极的非一体式阳极，无Pt阳极与含Pt电极的电解速率相当。
进一步优选的，铂催化剂层的设置方法可以是物理方法，如溅射、气相沉积、涂层等；也可以采用化学或电化学方法，如气相裂解、电镀等。
进一步优选的，根据实际的工作需求和电解要求，多个所述电解单元依次连接组装形成压滤结构，以提高产品的适配性。
进一步优选的，所述压滤结构的一端为由一个阳极部构成的阳极端部7，另一端为由一个阴极部构成的阴极端部12，在阳极端部与阴极端部之间，相邻两个电解单元中的一个阴极部与一个阳极部分别位于同一个双极板14的两侧，以进一步提高反应效率、减小体积。
进一步优选的，在所述压滤结构中，每个电解单元中的阳极流场相互连通，以形成阳极整体流场；每个电解单元中的阴极流场相互连通，以形成阴极整体流场；使得阳极/阴极电解液可以在整体流场中流动，提高电解效率。其中，为了便于流场的连通，可以在所述密封绝缘层的对应位置上开设有便于相邻电解单元中的流场进行连通的通口，由于密封绝缘层具有一定的弹性，所以在外层夹具夹紧后，密封绝缘层会产生一定的形变，以防止电解液的泄露。
进一步优选的，阳极整体流场中的一个阳极流场的端部与相邻的另一个阳极流场的端部相连通，或者相邻的阳极流场收尾连接。且位于阳极整体流场一端的阳极流场上连通有一用于输入电解液的入口，位于阳极整体流场另一端的阳极流场上连通有一用于排出流场中电解液的出口，其中，入口和/或出口延伸至该阳极流场所在的阳极部的侧壁上。
同理，阴极整体流场中的一个阴极流场的端部与相邻的另一个阴极流场的端部相连通，或者相邻的阴极流场收尾连接。且位于阴极整体流场一端的阴极流场上连通有一用于输入电解液的入口，位于阴极整体流场另一端的阴极流场上连通有一用于排出流场中电解液的出口，其中，入口和/或出口延伸至该阳极流场所在的阳极部的侧壁上。
本发明一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽的有益效果是：
1.通过结合了电极与流场的一体式阳/阴极室结构，增大了阳极的反应面积，可以有效的提高电解电流密度，从而提高产氢速率；
2.采用了无贵金属或低载量贵金属的阳极电极，取代了现有技术中使用铂电极进行电解的方案，在保证效率的同时，大大降低了其生产成本，同时避免了煤浆中煤颗粒对阳极磨损导致的使用寿命缩短问题。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽，其特征在于，包括：第一外层夹具、第二外层夹具、内嵌热机构以及若干电解单元，用于加热电解单元的所述内嵌热机构设置于外层夹具内，所述第一外层夹具与所述第二外层夹具活动连接，以将一个或多个电解单元夹紧在所述第一外层夹具与所述第二外层夹具之间，且所述电解单元的两端分别与第一外层夹具和第二外层夹具上集电板连接导通，
所述电解单元包括阳极部、阳极流场、密封绝缘层、质子交换膜、气体扩散电极、阴极部、阴极流场，所述阳极部与第一外层夹具上的集电板相接触，所述阴极部与第二外层夹具上的集电板相接触，用于流通和存储阳极电解液的所述阳极流场设置于所述阳极部的内侧面上，用于收集氢气的所述阴极流场设置于所述阴极部的内侧面上，所述质子交换膜设置于阳极部上并覆盖所述阳极流场，所述密封绝缘层设置于质子交换膜外周的阳极部上，防止阳极部与阴极部连接导通以及两极之间流体互串或向外泄漏，所述气体扩散电极的一侧与质子交换膜相连接，另一侧与阴极部相连接并覆盖所述阴极流场。
2.根据权利要求1所述的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽，其特征在于，所述第一外层夹具的内壁上设置有第一集电板，设置于所述第二外层夹具的内壁上设置有第二集电板，集电板设置于内嵌热机构外侧的外层夹具上，并与内嵌热机构相接触。
3.根据权利要求1所述的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽，其特征在于，所述阳极部为一体式石墨阳极室，阴极部为设置有阴极流场的石墨板。
4.根据权利要求1所述的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽，其特征在于，下凹的流道连通组合形成阳极/阴极流场，且流道的开口设置于阳极部/阴极部的内壁表面，流场采用蛇形排布结构或点状排布结构。
5.根据权利要求1所述的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽，其特征在于，所述气体扩散电极的一侧上设置有与质子交换膜紧贴的阴极低载铂催化剂层，所述气体扩散电极的另一侧紧贴在阴极部流场上，其中，阴极低载铂催化剂的载铂量为0~0.50mg/cm²。
6.根据权利要求5所述的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽，其特征在于，朝向气体扩散电极的阳极部侧壁和/或所述阳极流场的内壁上设置有阳极低载铂催化剂层，其中，阳极低载铂催化剂的载铂量为0~0.50mg/cm²。
7.根据权利要求1所述的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽，其特征在于，当第一外层夹具与第二外层夹具之间设置有多个电解单元时，所述电解单元依次连接组装形成压滤结构，所述压滤结构的一端为由一个阳极部构成的阳极端部，另一端为由一个阴极部构成的阴极端部，在阳极端部与阴极端部之间，相邻两个电解单元中的一个阴极部与一个阳极部分别位于同一个双极板的两侧。
8.根据权利要求7所述的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽，其特征在于，在压滤结构中，所有的阳极流场相互连通行形成阳极整体流场，所有的阴极流场相互连通形成阴极整体流场。
9.根据权利要求8所述的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽，其特征在于，整体流场中的一个阳/阴极流场的端部与相邻的另一个阳/阴极流场的端部相连通，且位于阳/阴极整体流场一端的阳/阴极流场上连通有一用于输入电解液的入口，位于阳/阴极整体流场另一端的阳/阴极流场上连通有一用于排出流场中电解液的出口，其中，入口和/或出口延伸至该阳极流场所在的阳极部的侧壁上。
10.根据权利要求9所述的一种具有一体式电极及电极腔体的制氢电解槽，其特征在于，所述密封绝缘层上设置有便于相邻电解单元中的流场进行连通的通口。
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