CN116411297A - 一种零间隙碱水电解制氢电解槽装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种零间隙碱水电解制氢电解槽装置，包括槽体、设于槽体中的阳极电极和阴极电极、设于阳极电极和阴极电极之间的隔膜；所述阳极电极与隔膜之间、阴极电极与隔膜之间均设有缓冲结构；所述槽体与阴极电极之间、槽体与阳极电极之间均设有弹性保持元件；所述弹性元件将阴极电极、阴极侧的缓冲结构、隔膜、阳极侧的缓冲结构、阳极电极抵压构成零间隙配置结构。与现有技术相比，本发明创新式地采用电极和隔膜之间的缓冲结构来保护隔膜的工作安全，在现有理论的基础上将缓冲结构设置在隔膜和电极之间，防止了电极和隔膜的内部摩擦，同时缓解了外部压力对隔膜的影响。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其是涉及一种零间隙碱水电解制氢电解槽装置。
背景技术
随着能源短缺和环境污染等问题日益严重，寻找一种能够替代化石燃料的可再生清洁能源逐渐成为各国政府关注的焦点。随着我国风能和光伏产业的迅速发展，可再生电能资源逐渐变得丰富。因此，利用可再生电能进行电解水制氢是顺应我国能源发展趋势的必然需求。因此随着对可再生能源需求的加大，对于大规模的高纯度氢气制备的需要也越来越强，为了解决这一问题，需要提高电解槽效率。
在传统的碱水电解槽中，电极与隔膜之间存在距离，在电解过程中电极上产生的氢气和氧气会以气泡的形式存在并在该间距中积累。气泡的积累可能导致电极表面的活性位点被覆盖、电解质的实际电阻上升，进而表现为电解槽的性能下降。因此，目前提出了“零间隙电解槽的概念”，在该电解槽中依靠弹性元件的压紧作用将阴极和阳极紧贴着隔膜进行装配，这种设计可以迫使气泡离开电极反应区域，降低电解槽电阻，显著地提高效率，展现出了广阔的使用前景。
但目前零间隙电解槽的相关专利仍然较少，同时并未集中在碱性水电解槽，相关研究也与工业碱性电解水条件差距较大。目前工业上的电解槽电极结构粗糙，隔膜机械性能较差，相互接触挤压容易造成隔膜破裂导致短路，风险较高，目前的专利一般通过控制弹性元件的压紧作用来保护膜，但目前研究尚未关注隔膜和电极之间的内部挤压可能造成的隔膜损坏风险。中国发明CN201980038703.4披露了一种具有弹性保持元件的零间隙电解槽，其中阳极、离子交换膜和阴极直接接触，设有柔性弹性保持元件布置在阳极和/或阴极的另一侧。该专利主要针对氯碱电解或盐酸电解，装置利用保持元件将电极和离子交换膜压在一起，环形的保持元件通过控制压紧力方向避免隔膜出现横向位移。与之类似的，中国发明CN114787421A公开了一种弹性聚合材料组成的织物，通过织物内部的床垫状纤维结构，使得接触压力分布更均匀，避免区域接触压力过大导致隔膜破裂。但考虑到实际应用中电极的粗糙程度，电极和隔膜的直接接触依然有引起隔膜破裂的风险。
考虑到以上问题，目前急需一种新型的零间隙碱水电解制氢电解槽装置，使其在实现零间隙配置并提高效率的基础上，在电极和隔膜内部设置缓冲，进一步保护隔膜，提高电解安全性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种零间隙碱水电解制氢电解槽装置，创新式地采用电极和隔膜之间的缓冲结构来保护隔膜的工作安全，在现有理论的基础上将缓冲结构设置在隔膜和电极之间，防止了电极和隔膜的内部摩擦，同时缓解了外部压力对隔膜的影响。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供了一种零间隙碱水电解制氢电解槽装置，包括槽体、设于槽体中的阳极电极和阴极电极、设于阳极电极和阴极电极之间的隔膜；
所述阳极电极与隔膜之间、阴极电极与隔膜之间均设有缓冲结构；
所述槽体与阴极电极之间、槽体与阳极电极之间均设有弹性保持元件；
所述弹性元件将阴极电极、阴极侧的缓冲结构、隔膜、阳极侧的缓冲结构、阳极电极抵压构成零间隙配置结构。
对本发明中一些部件进行说明：
槽体：电解槽的基体，内部的密闭空间构成电解池。
氢气通道：电解产生氢气的出口。
阴极接线柱：电极的电流输出端口，通过导线与脉冲电压发生器连接，形成电流回路。
阳极接线柱：外接电源对电极的电流输入端口，通过导线与脉冲电压发生器连接，形成电流回路。
氧气通道：电解产生氧气的出口。
弹性元件：设置在槽体和被平坦压靠在镍毡上的阳极或者阴极之间，用于实现电极与隔膜之间的零间隙配置。
出液口：碱液流出口。
进液口：碱液输入口。
进一步地，所述槽体上设有氢气通道和氧气通道。
进一步地，所述阳极电极和阴极电极上分别设有阳极接线柱和阴极接线柱。
进一步地，外接电源通过阳极接线柱自阳极电极输入电流，电流经过电解质、阳极侧的缓冲结构、隔膜后，再经过阴极侧的缓冲结构、阴极电极后再通过阴极接线柱输出，进行电解过程，电解过程产生的氢气通过氢气通道排出，产生的氧气通过氧气通道排出。
进一步地，所述阳极侧和阴极侧的槽体壁面上分别设有阳极端壳板和阴极端壳板，所述阳极端壳板和阴极端壳板上分别设有阳极支撑网、阴极支撑网。
进一步地，阳极侧和阴极侧的弹性保持元件分别设于阳极支撑网和阳极电极之间、阴极支撑网和阴极电极之间。
进一步地，所述槽体上还设有进液口和出液口。
进一步地，所述槽体中装设有25wt％-35wt％的氢氧化钾或者氢氧化钠作为电解液，电解液通过进液口进入电解槽体，通过出液口离开槽体。
进一步地，所述弹性元件为弹簧或弹性波纹网。
进一步地，所述阳极支撑网、阴极支撑网均为细织镍线编织成的金属网；
所述缓冲结构为镍毡。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
(1)安装方便：相较于一般的零间隙配置结构，本发明仅要求在电极与隔膜之间增设一层缓冲结构，缓冲结构可以选择镍毡，其成本低廉、安装方便。
(2)保障安全：选择镍毡等多孔材料作为电极和隔膜之间的缓冲机构，材料的柔软结构不仅可以将外部受力均匀的分散到隔膜上去，从而避免对隔膜产生强烈冲击，同时也能阻止电极和隔膜的直接接触摩擦，进一步防止隔膜损坏，提高电解槽安全性。
(3)提高效率：缓冲结构的多孔构造可以在电解过程中提高电极比表面积，加速反应进行，同时零间隙配置也极大地降低了电极和隔膜之间的溶液阻抗，提高了制氢效率。
附图说明
图1为本技术方案中零间隙配置结构的作用机制图；
图2为本发明中零间隙配置的碱水电解制氢电解槽结构示意图。
图中，1为缓冲结构、2为阳极、3为隔膜、4为阴极、5为槽体、6为氢气通道、7为阴极接线柱、8为阳极接线柱、9为氧气通道、10为弹性元件、11为出液口、12为进液口。
具体实施方式
在原理上，本发明提出的装配方案设计简洁，仅需在电极和隔膜之间多添加一层缓冲结构，缓冲结构可以选择多孔镍毡，镍毡构造简单，可以通过简单方式制造，可以通过该镍毡以非常容易的方式进行隔膜和电极的装配，并且在电解过程中隔膜不会出现弯折、破裂等危险状况，能保持稳定结构、维护电解工作安全，因此该电解槽耐久性能和安全性能优异，同时零间隙配置也大幅提高了电解效率，经济效益较好，实用价值较高。
使本发明具有特征的零间隙配置结构由阴极、阳极、缓冲结构和隔膜构成。如图1所示，本发明通过在阴极/阳极与隔膜之间设置了一层缓冲结构的方式，将隔膜收纳于两侧缓冲结构内部以保持隔膜工作稳定性。在实际安装时，为保证隔膜安装的容易性，保证隔膜完整地被缓冲结构收纳，通过设置尺寸比隔膜尺寸略大的缓冲结构来实现上述效果。
根据本发明，通过在电解槽中设置上述装配方案，从而将隔膜收纳在缓冲结构中不外露而提高隔膜安全性。当受到外力如弹性元件的压紧力时，缓冲结构内部的柔软结构可以将受力均匀的分散到隔膜上去，从而避免对隔膜产生强烈冲击，进而防止隔膜损坏。因此，隔膜不会出现破裂、扭转、褶皱等情况，隔膜不会出现局部高负荷，将长期保持在稳定工作状态。
并且，由于采用了尺寸较隔膜尺寸略大的缓冲结构，电极将无法直接接触到隔膜表面，粗糙的电极表面将只与缓冲结构接触。因此，隔膜不会出现破裂、戳穿、划伤等情况，隔膜不会出现局部高负荷，将长期保持在稳定工作状态。
此外，在实际工作中，通过设置较薄的缓冲结构，较薄的厚度并不会破坏电解槽零间隙配置，缓冲结构本身的高比表面积还会进一步促进电解反应的进行，实现效率和安全的同步提高。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
图2是用于本发明第1实施例的说明性示意图，展示了采用新型零间隙设计方案的碱性水电解槽剖视图。在使用该电解槽进行电解时，采用质量分数25％-35％的氢氧化钾或者氢氧化钠作为电解液。电解液通过进液口12进入电解槽体5，通过出液口11离开槽体5。外接电源通过阳极接线柱8向阳极电极2输入电流，经过电解质、阳极侧缓冲结构1、隔膜2后再经过阴极侧缓冲结构1以及阴极电极4后再通过阴极接线柱7输出，进行电解过程。电解过程产生的氢气通过氢气通道6排出，产生的氧气通过氧气通道9排出。
如图2所示，本发明设计的电解槽装置包括端壳板、阳极电极2、阴极电极4、缓冲结构1和隔膜3，隔膜3设置在阳极电极2和阴极电极4之间，缓冲结构1设置在阳极/阴极电极和隔膜之间。其中端壳板包括阳极端壳板和阴极端壳板，端壳板安装有阳极/阴极支撑网，集成在槽体5的两端。在阴极支撑网和阴极电极之间以及阳极支撑网和阳极电极之间设置有弹性保持元件10。所述弹性保持元件10起到了螺旋弹簧的作用，一方面固定在阳极支撑网上与槽体5紧固，另一方面在朝向阳极电极2/阴极电极4的方向对阳极电极2/阴极电极4施加轴向方向的压力，即在垂直电极方向延伸。具体安装时，按照阴极端壳板、阴极支撑网、阴极电极4、缓冲结构1、隔膜3、阳极电极2、缓冲结构1、阳极支撑网和阳极端壳版的顺序依次组装，最终集成在槽体5上。
上述电解槽的特征在于，具体实施时，由固定在槽体5上的弹性元件10将阴极电极7、阴极侧缓冲结构1、隔膜3、阳极侧缓冲结构1和阳极电极2压在一起构成零间隙配置结构。通过在阴极/阳极与隔膜之间设置了一层缓冲结构的方式，电解槽能有效的将隔膜收纳于两侧缓冲结构内部以提高隔膜工作稳定性。在实际安装时通过设置尺寸比隔膜尺寸略大的缓冲结构来保证隔膜安装的容易性以及隔膜完整地被缓冲结构收纳。因此隔膜收纳在缓冲结构中不外露，不受局部冲击与摩擦。当受到外力如弹性元件的压紧力时，缓冲结构内部的柔软结构可以将受力均匀的分散到隔膜上去，从而避免对隔膜产生强烈冲击，进而防止隔膜损坏。由于采用了尺寸较隔膜尺寸略大的缓冲结构，电极将无法直接接触到隔膜表面，粗糙的电极表面将只与缓冲结构接触。在实际工作中，通过设置厚度≤0.5mm的缓冲结构，较薄的厚度并不会破坏电解槽零间隙配置，同时使用缓冲结构本身的高比表面积进一步促进电解反应的进行。
在第1实施例中使用的碱水电解槽中，所述槽体5为方形钣金结构，槽体5上方的左右两边分别设置了氢气通道6和氧气通道9，槽体外部的中间部位左右两侧安装有阴极接线柱7和阳极接线柱8，接线柱外侧设有绝缘套，两组接线柱均与槽体5贯穿，顶部分别通过导线与脉冲电压发生器连接，槽体外左侧面的下部设置有进液口12，槽体外右侧面的下部设置有出液口11。其中阴极接线柱7和阳极接线柱8的顶部可通过导线与脉冲电压发生器连接；进液口12可与水泵、电解液储存箱相连，输入电解液为氢氧化钾或氢氧化钠溶液；出液口11可与废液收集箱连接；氢气通道6和氧气通道9可再连接气体纯化干燥等装置。
在第1实施例中使用的碱水电解槽中，所述阴极4/阳极2由导电性电极材料构成，使用镍复合电极如镀镍铁板以及镍合金等；所述隔膜可以为聚砜类、聚醚类、PTFE、PPS和复合型无机隔膜等多种隔膜类型；所述弹性保持元件10为细织镍线编制成的弹性波纹网；所述电极支撑网为细织镍线编织成的金属网；所述缓冲结构1为镍毡，由镍丝纤维铺制而成，厚度≤0.5mm，丝径粗细与具体选用的孔隙尺寸相关，整体孔隙率在50％-90％之间，表面光滑无毛刺，同时任何满足上述要求的现有市售的型号镍毡均可以用于本实施例。
实施时拓展地，本发明设计的零间隙电解槽在加压系统中也能应用。
实施时拓展地，本发明设计的零间隙配置方案不仅可以应用于单级式电解槽，也能应用于多级式电解槽。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种零间隙碱水电解制氢电解槽装置，其特征在于，包括槽体(5)、设于槽体(5)中的阳极电极(2)和阴极电极(4)、设于阳极电极(2)和阴极电极(4)之间的隔膜(3)；
所述阳极电极(2)与隔膜(3)之间、阴极电极(4)与隔膜(3)之间均设有缓冲结构(1)；
所述槽体(5)与阴极电极(4)之间、槽体(5)与阳极电极(2)之间均设有弹性保持元件(10)；
所述弹性元件(10)将阴极电极(7)、阴极侧的缓冲结构(1)、隔膜(3)、阳极侧的缓冲结构(1)、阳极电极(2)抵压构成零间隙配置结构。
2.根据权利要求1所述的一种零间隙碱水电解制氢电解槽装置，其特征在于，所述槽体(5)上设有氢气通道(6)和氧气通道(9)。
3.根据权利要求2所述的一种零间隙碱水电解制氢电解槽装置，其特征在于，所述阳极电极(2)和阴极电极(4)上分别设有阳极接线柱(8)和阴极接线柱(7)。
4.根据权利要求3所述的一种零间隙碱水电解制氢电解槽装置，其特征在于，外接电源通过阳极接线柱(8)自阳极电极(2)输入电流，电流经过电解质、阳极侧的缓冲结构(1)、隔膜(2)后，再经过阴极侧的缓冲结构(1)、阴极电极(4)后再通过阴极接线柱(7)输出，进行电解过程，电解过程产生的氢气通过氢气通道(6)排出，产生的氧气通过氧气通道(9)排出。
5.根据权利要求1所述的一种零间隙碱水电解制氢电解槽装置，其特征在于，所述阳极侧和阴极侧的槽体(5)壁面上分别设有阳极端壳板和阴极端壳板，所述阳极端壳板和阴极端壳板上分别设有阳极支撑网、阴极支撑网。
6.根据权利要求5所述的一种零间隙碱水电解制氢电解槽装置，其特征在于，阳极侧和阴极侧的弹性保持元件(10)分别设于阳极支撑网和阳极电极(2)之间、阴极支撑网和阴极电极(4)之间。
7.根据权利要求1所述的一种零间隙碱水电解制氢电解槽装置，其特征在于，所述槽体(5)上还设有进液口(12)和出液口(11)。
8.根据权利要求7所述的一种零间隙碱水电解制氢电解槽装置，其特征在于，所述槽体(5)中装设有25wt％-35wt％的氢氧化钾或者氢氧化钠作为电解液，电解液通过进液口(12)进入电解槽体(5)，通过出液口(11)离开槽体(5)。
9.根据权利要求1所述的一种零间隙碱水电解制氢电解槽装置，其特征在于，所述弹性元件(10)为弹簧或弹性波纹网。
10.根据权利要求1所述的一种零间隙碱水电解制氢电解槽装置，其特征在于，所述阳极支撑网、阴极支撑网均为细织镍线编织成的金属网；
所述缓冲结构(1)为镍毡。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117587433A (zh) * | 2023-11-22 | 2024-02-23 | 苏州希倍优氢能源科技有限公司 | 一种低能耗碱性水电解制氢装置及安装方法 |
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2023
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