CN116516416A - 一种电解槽的检测方法、单电池及电堆装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电解槽技术领域，尤其涉及一种电解槽的检测方法、单电池及电堆装置。检测方法包括：准备单电池，将电解槽中阳极板流道化分为多个气液比例不同的待检测区域；对应电解槽中待检测区域的气液比例，向单电池的阳极流道内通入对应比例的气体和液体；观察单电池在反应过程中的情况，得出电解槽中待检测区域的反应情况。从小单电池反应电解槽中真实大单电池在反应过程中对性能的影响，并通过调节小型单电池中气体和液体的比例反应电解槽中真实大电池上不同位置上的性能，降低检测难度，节省检测成本。

Description

一种电解槽的检测方法、单电池及电堆装置

技术领域

本申请涉及电解槽技术领域，尤其涉及一种电解槽的检测方法、单电池及电推装置。

背景技术

电解槽是一种设备，用于将电能转化为化学能，通过电解化学反应将化学物质分解成其组成元素或反应产物。电解槽通常由两个电极（阳极和阴极）和一个电解质溶液组成。当电解槽通电时，电流通过电解质溶液，将电子从阳极移动到阴极。这个过程中，阳极通常会吸收电子，而阴极会释放电子。这使得阳极和阴极之间的电荷产生差异，从而促进了化学反应的发生。

现有的电解槽的体积较大，导致对电解槽性能检测较为困难，单用小型单电池难以体现电解槽的反应情况，特别在电解槽的长流道情况下，流道的前中后各段种气液比例不同，导致性能差异明显。

发明内容

本申请提供了一种电解槽的检测方法、单电池及电堆装置，旨在利用调整单电池中气液混合占比反馈电池槽中待检测区域的反应情况。

本申请第一方面提供了一种电解槽的检测方法，所述检测方法包括：

提供单电池，将所述电解槽中阳极板流道化分为多个气液比例不同的待检测区域；

对应所述电解槽中待检测区域的气液比例，向所述单电池的阳极流道内通入对应比例的气体和液体；

若所述单电池在反应过程中无气泡积聚，则所述电解槽中待检测区域在反应过程中反应速率正常，若所述单电池在反应过程中气泡积聚，则所述电解槽中待检测区域在反应过程中反应速率降低，以从所述单电池在反应过程中的反应情况，反应出所述电解槽中待检测区域的反应情况。

在一种可能的设计中，由得到液体的反应流量；

其中，J为电流密度符号，A为膜电极活性反应面积，M为水的摩尔质量为18，F为法拉第常数，n为1mol水的得失电子数，R为计量比，m_water为水的流量，单位为kg/s；

由得到液体的体积流量；

其中，为体积流量，ρ为液体密度；

由得到需调节的/>气体流量，其中α为气体体积占比，以根据所述电解槽中待检测区域的气液比例向所述单电池的阳极流道内通入对应比例的气体和液体。

在一种可能的设计中，通入所述单电池的阳极流道内的气体和液体中，气体的体积占比为10％~90％。

在一种可能的设计中，向所述单电池的阳极流道内通入对应比例的气体和液体时，所述检测方法还包括：

在检测过程中，随所述单电池反应时间的增加，通入所述单电池的阳极流道内的气体和液体的比例逐渐增大。

在一种可能的设计中，气体向所述单电池的阳极流道内流动的方向与液体向所述单电池的阳极流道内流动的方向所呈夹角小于150°。

在一种可能的设计中，所述检测方法还包括：

准备多个层叠设置的所述单电池形成电堆装置，对应所述电解槽中待检测区域的气液比例，向所述电堆装置的阳极流道内通入对应比例的气体和液体；

若所述电堆装置在反应过程中无气泡积聚，则所述电解槽中待检测区域在反应过程中反应速率正常，若所述电堆装置在反应过程中气泡积聚，则所述电解槽中待检测区域在反应过程中反应速率降低，以从所述电堆装置在反应过程中的反应情况，反应出所述电解槽中待检测区域的反应情况。

在一种可能的设计中，气体和液体包括空气和水、氧气和水、氮气和水、二氧化碳和水。

在一种可能的设计中，所述检测方法所检测的所述电解槽包括PEM电解槽和ALK电解槽。

本申请第二方面提供了一种单电池，用于实现上述所述的电解槽的检测方法，所述单电池包括：

阳极板，所述阳极板设有阳极流道；

膜电极组件，层叠于所述阳极板；

阴极板，层叠于所述膜电极组件层叠，所述阴极板设有阴极流道；

连通件，所述连通件安装于所述阳极板，所述连通件设有与阳极流道相连通的进气口和进液口，所述进气口与所述进液口所呈夹角小于150°。

本申请第三方面提供一种电堆装置，所述电堆包括多个叠装的单电池，所述单电池为上述所述的单电池；

所述单电池的数量≤10。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为本申请所提供单电池中空气占比不同时单电池的性能差异；

图2为图1中部分曲线的放大示意图；

图3为本申请所提供单电池的结构示意图；

图4为图3的透视示意图。

附图标记：

1-单电池；

11-阳极板；

111-阳极流道；

112-连通件；

112a-进液口；

112b-进气口；

112c-氧出口；

12-膜电极组件；

121-阳极多孔传输层；

122-质子交换膜；

123-阴极多孔传输层；

13-阴极板；

131-阴极流道；

132-氢出口。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

需要注意的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。

真实使用的电解槽的体积往往较大，在对电解槽的反应速率、耗能、气液积聚情况等性能检测时较为困难。

为此，本实施例提供了一种电解槽的检测方法，检测方法包括：准备单电池1，该单电池1为小型单电池1，将电解槽中阳极板11流道化分为多个气液比例不同的待检测区域；对应电解槽中待检测区域的气液比例，向单电池1的阳极流道111内通入对应比例的气体和液体；观察单电池1在反应过程中的情况，得出电解槽中待检测区域的反应情况。如，若单电池1在反应过程中无气泡积聚，则电解槽中待检测区域在反应过程中反应速率正常，若单电池1在反应过程中气泡积聚，则电解槽中待检测区域在反应过程中反应速率降低，以从单电池1在反应过程中的反应情况，反应出电解槽中待检测区域的反应情况。

电解槽中真实大电池的流道较长，特别在流道中后段的区域，随着液体的反应，气泡积聚较多，会降低反应速率，影响电解槽的电化学性能，但由于电解槽的体积较大，检测困难，为此本实施例在电解槽的阳极板11流道中截取出气液比例不同的各区域作为待检测区域，向单电池1中通入与其中一待检测区域中相对应比例的气体和液体，使单电池1模拟电解槽中该待检测区域，观察单电池1在反应过程中的电化学性能，为了解电解槽中真实大电池的电化学性能提供支撑。具体来说，可以在电解槽的阳极板11流道中截取出水气比例为1∶0、为4∶1、为2∶1、为1∶1、为1∶2等待检测区域，对应地，在每次检测过程中，向单电池1的阳极流道111输入与其中一待检测区域的水气比例相对应的气体和液体。

举例来说，本实施例向单电池1的阳极流道111中输入的水气比例为1∶1，来模拟电解槽的阳极板11流道中水气比例为1∶1的区域的反应情况，观察单电池1在反应过程中的情况。如，该反应过程中气体是否会形成过多气泡，导致气体排出缓慢，气泡积累导致局部液体供给不足，反应速率降低，并导致高电密工作下散热较慢，出现局部热点损害膜电极组件12的情况。若单电池1出现该情况，对应电解槽的待检测区域也出现该种情况，可考虑在电解槽的阳极板11流道设计二级结构等，冲击气泡，即本实施例的检测方法为后续电解槽的阳极板11流道的设计提供有效支撑。如，反应过程中气体是否会侵占膜电极组件12的反应面积，使液体无法到达膜电极组件12，导致反应降低，气体生成效率降低。若单电池1出现该情况，对应电解槽的待检测区域也出现该种情况，可考虑对电解槽的膜电极组件12进行再设计等，即本实施例的检测方法为后续电解槽的膜电极组件12的设计提供有效支撑。如，反应过程中气体的气量过多，是否有漏气的风险，若单电池1出现该情况，对应电解槽的待检测区域也出现该种情况，可考虑对电解槽的密封结构进行再设计等，即本实施例的检测方法为后续电解槽的密封设计提供有效支撑。

又如，如图1所示，通过调节本实施例中单电池1的阳极流道111中气液的混合占比，表征电解槽的阳极板11流道的情况。其中，横坐标代表电流密度，纵坐标代表电压。气液介质分别为空气和纯水，空气占比为0％、20％、33％和50％表征电解槽的阳极板11流道中不同气液比例的待检测区域。

如图1和图2所示，在相同单位面积内，相同电流下，空气占比不同，则测得的电压不同，空气占比越高则电压越高，电流×电压＝功率，说明消耗的功率越高，也就是说达到相同的气体生成量时，空气占比越高，能耗越高，进而说明电解槽的阳极板11流道设计的越长则能耗越高。并结合本实施例中单电池1的阳极流道111中通入的不同水气比例所检测得出的反应情况作为依据，可得知电解槽的阳极板11流道的适用长度。

本实施例从小型单电池1的反应能反馈电解槽中真实大单电池1在反应过程中对性能的影响，并通过调节小型单电池1中气体和液体的比例反应电解槽中真实大电池上不同位置上的性能，降低检测难度，节省检测成本。

本实施例中，由测得液体的反应流量；

其中，J为电流密度符号，A为膜电极活性反应面积，M为水的摩尔质量为18，F为法拉第常数，n为1mol水的得失电子数，R为计量比，m_water为水的流量，单位为kg/s；

由测得液体的体积流量；

其中，为体积流量，ρ为液体密度；

由测得需调节的/>气体流量，其中α为气体体积占比，以根据电解槽中待检测区域的气液比例向单电池1的阳极流道111内通入对应比例的气体和液体。

本实施例通过上述公式确定电解槽中待检测区域的水的体积流量，并通过气体体积占比，得到待检测区域内的气体流量，进而推导出单电池1的阳极流道111内所需通入的气体和液体。

通入所述单电池1的阳极流道111内的气体和液体中，气体的体积占比为10％~90％。本实施例中，在检测的过程中，通入单电池1的阳极流道111内的气液中液体所占比例量保持不变，气体所占比例量逐渐增加，进而根据电解槽中各待检测区域的气液比例的不同，调节通入单电池1的气体占比，使单电池1能够对应检测电解槽中各待检测区域。

在一些实施例中，向单电池1的阳极流道111内通入对应比例的气体和液体时，检测方法还包括：在检测过程中，随单电池1反应时间的增加，通入单电池1的阳极流道111内的气体和液体的比例逐渐增大。对应电解槽的待检测区域在反应过程中气液比例的变化，增加单电池1的阳极流道111内的气体的比例，使单电池1能够反馈电解槽在真实反应过程中的情况，保证单电池1的检测效果。其中，虽然本实施例中单电池1中通入的液体会发生反应生成气体，但单电池1体型较小，反应生成的气体较小，可忽略不计，因此可按比例增加气体的通入量。

如图3和图4所示，气体向单电池1的阳极流道111内流动的方向与液体向单电池1的阳极流道111内流动的方向所呈夹角小于150°。本实施例中，气体向单电池1的阳极流道111内流动的方向与液体向单电池1的阳极流道111内流动的方向可以相平行，即二者的流动方向所呈夹角为0°。或者，气体向单电池1的阳极流道111内流动的方向与液体向单电池1的阳极流道111内流动的方向可以呈夹角设置，夹角角度小于150°，避免气体向单电池1的阳极流道111内流动的方向与液体向单电池1的阳极流道111内流动的方向所呈夹角过大，导致二者的流动方向相对，减小二者流入单电池1的阳极流道111内的过程中相互影响，减慢二者流动速度的风险。

因电解槽包括多个相堆叠的大型电池，在电解槽反应过程中，随气体的增加，

各层大型电池之间的性能也可能会相互影响，为此，在一些实施例中，检测方法还包括：准备多个层叠设置的单电池1形成电堆装置，对应电解槽中待检测区域的气液比例，向电堆装置的阳极流道111内通入对应比例的气体和液体；观察电堆装置在反应过程中各层单电池1在反应过程中的情况，得出电解槽中各层待检测区域的反应情况。如，若电堆装置在反应过程中无气泡积聚，则电解槽中待检测区域在反应过程中反应速率正常，若电堆装置在反应过程中气泡积聚，则电解槽中待检测区域在反应过程中反应速率降低，以从电堆装置在反应过程中的反应情况，反应出电解槽中待检测区域的反应情况。具体反应情况同上述单电池1，本实施例在此不再赘述。

本实施例中，可采用若干个小型单电池1进行堆叠，形成电堆装置，通过电堆装置模拟电解槽，检测电堆装置的各单电池1中气体反应较多时，相邻单电池1之间的性能是否有影响，进而得知电解槽中相邻大电池之间产生的对性能的影响。

在一些实施例中，气体和液体可以为空气和水、氧气和水、氮气和水、二氧化碳和水等等，气体也可以选用其他可用于检测的气体，所选用的气体不对单电池1的反应有影响即可，本实施例在此不作具体限定。

在一些实施例中，检测方法所检测的电解槽包括生成氢气和氧气的PEM（质子交换膜122）电解槽和生成氯气和钠氢氧化物的ALK（碱性）电解槽。

为实现上述利用调整单电池1中气液混合占比反馈电池槽中待检测区域的反应情况的检测方法。如图3和图4所示，本实施例还提供了一种单电池1，单电池1包括阳极板11、膜电极组件12和阴极板13，阳极板11、膜电极组件12和阴极板13依次堆叠。阳极板11设有阳极流道111，膜电极组件12包括质子交换膜122、阳极多孔传输层121和阴极多孔传输层123，阴极板13设有阴极流道131。以制氢为例，将水通入阳极流道111内，用电流将水分解成氧气和质子，质子经膜电极组件12传导至阴极板13，电子通过外部电路流到阴极板13，使质子发生还原反应，得到电子生成氢气。阳极板11还设有与阳极流道111连通的氧出口112c，用于输送收集氧气，阴极板13设有与阴极流道131相连通的氢出口132，用于输送收集氢气。

其中，如图3和图4所示，单电池1还包括连通件112，该连通件112可以采用三通阀，连通件112安装于阳极板11，并与阳极流道111相连通。连通件112设有与阳极流道111相连通的进气口112b和进液口112a，进气口112b与进液口112a所呈夹角小于150°，进而限制气体向单电池1的阳极流道111内流动的方向与液体向单电池1的阳极流道111内流动的方向相对设置，保证二者流动速度。

本实施例还提供一种电堆装置，电堆包括多个叠装的单电池1，单电池1的数量≤10。该电堆装置即为小型电解槽，通过该电堆装置模拟电解槽中不同层大电池中同一气液比例的待检测区域的反应情况，对应反馈得到电解槽的性能。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电解槽的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：

提供单电池，将所述电解槽中阳极板流道化分为多个气液比例不同的待检测区域；

对应所述电解槽中待检测区域的气液比例，向所述单电池的阳极流道内通入对应比例的气体和液体；

若所述单电池在反应过程中无气泡积聚，则所述电解槽中待检测区域在反应过程中反应速率正常，若所述单电池在反应过程中气泡积聚，则所述电解槽中待检测区域在反应过程中反应速率降低，以从所述单电池在反应过程中的反应情况，反应出所述电解槽中待检测区域的反应情况。

2.根据权利要求1所述的电解槽的检测方法，其特征在于，

由得到液体的反应流量；

其中，J为电流密度符号，A为膜电极活性反应面积，M为水的摩尔质量为18，F为法拉第常数，n为1mol水的得失电子数，R为计量比，m_water为水的流量，单位为kg/s；

由得到液体的体积流量；

其中，为体积流量，ρ为液体密度；

由得到需调节的/>气体流量，其中α为气体体积占比，以根据所述电解槽中待检测区域的气液比例向所述单电池的阳极流道内通入对应比例的气体和液体。

3.根据权利要求2所述的电解槽的检测方法，其特征在于，通入所述单电池的阳极流道内的气体和液体中，气体的体积占比为10％~90％。

4.根据权利要求1所述的电解槽的检测方法，其特征在于，向所述单电池的阳极流道内通入对应比例的气体和液体时，所述检测方法还包括：

在检测过程中，随所述单电池反应时间的增加，通入所述单电池的阳极流道内的气体和液体的比例逐渐增大。

5.根据权利要求1所述的电解槽的检测方法，其特征在于，气体沿进气口向所述单电池的阳极流道内流动的方向与液体沿进液口向所述单电池的阳极流道内流动的方向所呈夹角小于150°。

6.根据权利要求1所述的电解槽的检测方法，其特征在于，所述检测方法还包括：

准备多个层叠设置的所述单电池形成电堆装置，对应所述电解槽中待检测区域的气液比例，向所述电堆装置的阳极流道内通入对应比例的气体和液体；

若所述电堆装置在反应过程中无气泡积聚，则所述电解槽中待检测区域在反应过程中反应速率正常，若所述电堆装置在反应过程中气泡积聚，则所述电解槽中待检测区域在反应过程中反应速率降低，以从所述电堆装置在反应过程中的反应情况，反应出所述电解槽中待检测区域的反应情况。

7.根据权利要求1所述的电解槽的检测方法，其特征在于，气体和液体包括空气和水、氧气和水、氮气和水、二氧化碳和水。

8.根据权利要求1所述的电解槽的检测方法，其特征在于，所述检测方法所检测的所述电解槽包括PEM电解槽和ALK电解槽。

9.一种单电池，用于实现权利要求1~8任一项所述的电解槽的检测方法，其特征在于，所述单电池包括：

阳极板，所述阳极板设有阳极流道；

膜电极组件，层叠于所述阳极板；

阴极板，层叠于所述膜电极组件层叠，所述阴极板设有阴极流道；

连通件，所述连通件安装于所述阳极板，所述连通件设有与阳极流道相连通的进气口和进液口，所述进气口与所述进液口所呈夹角小于150°。

10.一种电堆装置，其特征在于，所述电堆包括多个叠装的单电池，所述单电池为权利要求9所述的单电池；

所述单电池的数量≤10。