CN116752162A - 质子膜电解水制氢电解装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种质子膜电解水制氢电解装置，其属于氢电解制备领域。包括电解单元，电解单元包括依次排列的阴极板、阴极气道扩散层、质子膜、阳极水道扩散层、阳极板；其中阴极气道扩散层外套接有阴极气道密封板，质子膜外套接有质子膜密封板，阳极水道扩散层套接有氧气水道密封板；阴极板、阴极气道密封板、质子膜密封板、氧气水道密封板、阳极板通过压紧组件依次压紧密封贴合；同时阴极板、阴极气道扩散层、质子膜、阳极水道扩散层、阳极板依次压紧接触；阴极板具有出氢气口，阳极板具有用于氧气和水排出的第一出口；电解单元还包括连接阳极板和阴极板的进水通道。本申请的有益效果在于提供了一种采用纯水电解的质子膜电解水制氢电解装置。
Description
技术领域
本申请涉及氢电解制备领域，具体而言，涉及一种质子膜电解水制氢电解装置。
背景技术
当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是所用的能源如石油、天然气、煤，石油气均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必须寻找新的能源。随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源、能源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的储量丰富的新的含能体能源。氢正是这样的二次能源。
世界各国正在研究如何能大量而廉价的生产氢。利用太阳能来分解水是一个主要研究方向，在光的作用下将水分解成氢气和氧气，关键在于找到一种合适的催化剂。
目前国内碱性水电解在水电解行业中占主导地位，技术相对成熟，设备造价低，是实现大规模生产氢的重要手段，但目前存在的问题之一就是能耗较大。
现在尚没有一种成熟的采用纯水电解的质子膜电解水制氢电解装置。
发明内容
本申请的内容部分用于以简要的形式介绍构思，这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。本申请的内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。
为了解决以上背景技术部分提到的技术问题，本申请的一些实施例提供了一种质子膜电解水制氢电解装置，包括电解单元，电解单元包括依次排列的阴极板、阴极气道扩散层、质子膜、阳极水道扩散层、阳极板；其中所述阴极气道扩散层外套接有阴极气道密封板，所述质子膜外套接有质子膜密封板，所述阳极水道扩散层套接有氧气水道密封板；阴极板、阴极气道密封板、质子膜密封板、氧气水道密封板、阳极板通过压紧组件依次压紧密封贴合；所述阴极板具有出氢气口，所述阳极板具有用于氧气和水排出的第一出口；电解单元还包括连接阳极板和阴极板的进水通道。
进一步地，所述阳极板与阴极板均一面具有流道，另一面为光面；电解单元设置多个，相邻的电解单元中阳极板与阴极板的光面贴合。
如此阳极板的光面和阴极板的光面抵接，接触面积更大，导电性更强。
进一步地，阳极板和阴极板的光面上内凹形成密封槽，密封槽囊括出氢气口、第一出口的范围；所述密封槽内设置密封圈。
如此密封圈可以密封出氢气口、第一出口，对阳极板和阴极板的平整度加工要求降低。
进一步地，所述压紧组件包括压紧螺杆、压紧螺母，压紧螺杆依次穿过阴极板、阴极气道密封板、质子膜密封板、氧气水道密封板、阳极板与压紧螺母连接；压紧组件沿电解单元边缘均布。
通过压紧螺栓和压紧螺母实现阴极板、阴极气道密封板、质子膜密封板、氧气水道密封板、阳极板的紧密贴合。
进一步地，所述压紧螺杆上覆盖有绝缘层。
绝缘层的设置避免压紧螺杆导电。
进一步地，所述阴极板、阴极气道密封板、质子膜密封板、氧气水道密封板、阳极板大小一致，阴极板、阴极气道密封板、质子膜密封板、氧气水道密封板、阳极板至少一部分位于压紧螺杆外侧。
压紧螺杆外部的面积大，一方面可以增大电极板(阴极板和阳极板)的导电面积，减小电阻，另一方面可以加大密封面积，使得产品的稳定性得到有效提升。
进一步地，阴极气道扩散层与阴极气道密封板厚度一致，质子膜和质子膜密封板厚度一致，阳极水道扩散层与氧气水道密封板厚度一致；阴极板和阳极板的水道、气道所在区域的厚度与压紧螺杆外侧的密封部分的厚度一致。
这样外部的密封部分与内部的接触电化学反应部分的厚度尺寸是相同的。形成只需要压板(压板指的是阴极板、阴极气道密封板、质子膜密封板、氧气水道密封板、阳极板等)压紧，且保证压板的平面度，电解槽的外部密封要求和内部分的接触要求都能实现。
进一步地，电解单元还包括定位螺杆，定位螺杆依次穿过阴极板、阴极气道密封板、质子膜密封板与定位螺母连接。
定位螺杆一方面起到定位作用，方便电解单元各组件的装配；另一方面也能进一步起到压紧作用，使得电解单元在被压紧螺杆压紧时中间区域不会发生拱起现象。
进一步地，相抵接的阴极板和阳极板上至少一个连接有电压采集片。
如此可以时时采集各极板的电压，从而方便后续进行针对性的检修或更换。
进一步地，所述阴极板和阳极板的流道均采用电化学腐蚀工艺加工形成。
电化学腐蚀工艺无毛刺，表面光滑，精度高，加工过程不易发生形变。
进一步地，所述流道包括阳极板的阳极水道、位于阴极板上的阴极气道，所述阳极板上开设第一连接孔，所述阴极板上开设第二连接孔；所述阳极板在光面上开设连通第一出口的第一延伸流道，第一延伸流道通过第一连接孔与阳极水道连通；所述阴极板在光面上开设连通出氢气口的第二延伸流道，所述第二延伸流道通过第二连接孔与阴极气道连通；所述阳极板上还开设第三连接孔，所述阳极板的光面上开设有第三延伸流道，所述第三延伸流道通过第三连接孔与阳极板上的进水口连通。
采用上述方式，通过连接孔和延伸流道的设置，可减小出氢气口和第一出口、进水通道的大小，从而增加接触面积，提升导电性能。
本申请的有益效果在于：提供了一种具有新的质子膜电解水制氢电解装置。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
另外，贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，元件和元素不一定按照比例绘制。
在附图中：
图1是本申请实施例的正面整体示意图；
图2是电解单元的爆炸示意图；
图3是阴极板的其中一个面的示意图；
图4是图3的A部放大图；
图5是阴极板的另一个面(光面)示意图；
图6是图5的B部放大图；
图7是阳极板的光面的示意图；
图8是阳极板进水口处结构的放大图；
图9是阳极板第一出口处结构的放大图；
图10是阳极板的另一个面的示意图；
图11的是图10的C部放大图；
图12是本申请实施例的反面整体示意图。
附图标记：
1、阴极板；11、出氢气口；12、连接口；13、阴极气道；14、第二连接孔；15、第二延伸流道；2、阴极气道扩散层；3、质子膜；4、阳极水道扩散层；5、阳极板；51、进水口；52、第一出口；53、第二通口；54、阳极水道；55、第一连接孔；56、第一延伸流道；57、第三连接孔；58、第三延伸流道；6、阴极气道密封板；7、质子膜密封板；8、氧气水道密封板；91、第一通口；92、第一接口；93、第二接口；94、第一密封槽；95、第二密封槽；96、第三密封槽；97、密封圈；98、电压采集片；10、圆孔；101、压紧螺杆；102、压紧螺母；103、定位孔；104、定位螺杆；105、定位螺母；106、进水接口；107、出氢接口；108、氧水接口；109、接电极；110、绝缘板；111、盖板。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
下面将参考附图1-12并结合实施例来详细说明本公开。
质子膜3电解水制氢电解装置，包括位于两端的盖板111，在盖板111内侧各设置一绝缘板110，在两个盖板111之间设置电解单元，电解单元设置多个。
电解单元包括依次排列的阴极板1、阴极气道扩散层2、质子膜3、阳极水道扩散层4、阳极板5。其中所述阴极气道扩散层2外套接有阴极气道密封板6，质子膜3外套接有质子膜密封板7，阳极水道扩散层4套接有氧气水道密封板8。具体为：在阴极气道密封板6中间开设一贯通的安装槽，阴极气道扩散层2与该安装槽大小一致并设置在该安装槽内。同样的，在质子膜密封板7中间开设一贯通的安装槽，质子膜3与该安装槽大小一致并设置在该安装槽内。在氧气水道密封板8中间开设一贯通的安装槽，阳极水道扩散层4与该安装槽大小一致并安装在该安装槽内。其中阴极板1、阴极气道密封板6、质子膜密封板7、氧气水道密封板8、阳极板5大小一致，并通过压紧组件依次压紧密封贴合。
其中阳极板5的一端开设有两个进水口51，对应的阴极板1、阴极气道密封板6、质子膜密封板7、氧气水道密封板8均开设有与进水口51大小一致且相互对齐的第一通口91，进水口51与所有第一通口91组成了两组进水通道。如此通过第一通口91和进水口51形成的进水通道，使得水进入不同的电解单元中。
阳极板5另一端开设有第一出口52和第二通口53，阴极板1上远离第一通口91的一端开设出氢气口11和连接口12，第一出口52和连接口12对应，第二通口53和出氢气口11对应。阴极气道密封板6、质子膜密封板7、氧气水道密封板8上均开设有与第一出口52对应的第一接口92，阴极气道密封板6、质子膜密封板7、氧气水道密封板8上均开设有与出氢气口11连通的第二接口93。
如此，不同电解单元的氧气和水通过第一出口52和第一接口92形成的通道往外排出。不同电解单元的产生的氢气从出氢气口11和第二接口93形成的通道排出。
其中阳极板5与阴极板1均一面具有流道，另一面为光面；相邻的电解单元中阳极板5与阴极板1的光面贴合。其中阳极板5的流道为阳极水道54，具体结构为在阳极板5的表面内凹形成一凹槽，凹槽内均布有圆形凸起，圆形凸起的高度与凹槽深度一致。相邻的圆形凸起间隔设置形成水道，圆形凸起与凹槽侧壁之间也形成水道。阳极水道54上靠近第一出口52处开设第一连接孔55，阳极板5在光面上开设连通第一出口52的第一延伸流道56，第一延伸流道56通过第一连接孔55与阳极水道54连通。在阳极板5靠近进水口51的一端开设有第三连接孔57，阳极板5的光面上开设有第三延伸流道58，第三延伸流道58通过第三连接孔57与阳极板5上的进水口51连通。
阴极板1的流道为阴极气道13，具体结构为在阴极板1表面内凹形成一凹槽，凹槽内均布有间隔设置的条形体，条形体靠近第一通口91的一端与凹槽内壁固定，另一端与凹槽侧壁间隔设置，阴极板1靠近出氢气口11处开设有第二连接孔14，第二连接孔14与条形体之间形成的氢气流道连通，条形体的厚度与凹槽深度一致。阴极板1在光面上开设连通出氢气口11的第二延伸流道15，第二延伸流道15通过第二连接孔14与阴极气道13连通。
阳极水道54、阴极气道13、第一延伸流道56、第二延伸流道15、第三延伸流道58、第一连接孔55、第二连接孔14和第三连接孔57均采用电化学腐蚀工艺加工形成。
阳极板5和阴极板1的光面上内凹形成密封槽，密封槽采用电化学腐蚀工艺。具体的，密封槽包括位于阳极板5的进水口51处的第一密封槽94，位于第一出口52处的第二密封槽95、位于阴极板1的出氢气口11处第三密封槽96，第一密封槽94囊括进水口51以及第三延伸流道58；第二密封槽95囊括第一出口52和第一延伸流道56；第三密封槽96囊括出氢气口11和第二延伸流道15。上述的囊括指的是被囊括的部件位于密封槽围成的封闭区域内。密封槽内均设置密封圈97，密封圈97为矩形框状结构，密封圈97厚度大于密封槽的深度，从而在阳极板5和阴极板1抵接时挤压密封圈97形成更好的密封效果。密封圈97可以采用聚四氟乙烯材料制成。
且为了方便检测单个电解单元的电压，在相抵接的阴极板1和阳极板5上至少一个连接有电压采集片98。实际由于阴极板1和阳极板5贴合，因此只在所有阴极板1上进行设置电压采集片98即可。
阴极板1、阴极气道密封板6、质子膜密封板7、氧气水道密封板8、阳极板5上、绝缘板110、盖板111上均沿圆周方向开设有均布圆孔10。压紧组件包括压紧螺杆101、压紧螺母102，压紧螺杆101上覆盖绝缘层，该绝缘层采用热缩管，从而使得压紧螺杆101绝缘。压紧螺杆101同时穿过各个部件上的圆孔10，并在两端连接压紧螺母102实现电解装置的连接。圆孔10距离各板件边缘的间距接近圆孔10直径，圆孔10直径与压紧螺杆101直径基本一致或圆孔10略大。压紧螺杆101位于第一出口52、进水通道、出氢气口11、质子膜3、连接口12、第一接口92、第二接口93的外围，且与上述结构间隔设置。
且阴极板1、阴极气道密封板6、质子膜密封板7、氧气水道密封板8、阳极板5上、绝缘板110、盖板111上均开设两个定位孔103，其中一个定位孔103位于第一出口52和第二通口53之间；另一个定位孔103位两个进水口51之间。定位螺杆104也做绝缘处理，并依次穿过上述的定位孔103且两端连接定位螺母105。阴极板1、阴极气道密封板6、质子膜密封板7、氧气水道密封板8、阳极板5与绝缘板110大小一致，且绝缘板110的大小与盖板111基本一致，从附图1看，本方案中盖板111略大于绝缘板110的大小。
其中绝缘板110上和盖板111上也设置有对应的第一通口91，第一通口91与进水通道连通，且盖板111上对应设置有用于连接外部进水管的进水接口106。其中绝缘板110上和盖板111上也设置对应出氢气口11的第二通口53、对应第一出口52的连接口12，其中盖板111对应第二通口53设置有出氢接口107，盖板111上对接连接口12设置有氧水接口108。
在其中一块阴极板1和阳极板5上均设置接电极109，两个接电极109分别用于连接外部电源的正负极。
工作或安装过程：纯水从进水接口106进入，穿过进水通道通过进水口51、第三延伸流道58、第三连接孔57、阳极水道54进入阳极水道扩散层4，之后，氧气和水经过阳极水道扩散层4、阳极水道54、第一连接孔55、第一出口52等最终从氧水接口108出来；氢气从阴极气道扩散层2、阴极气道13、第二连接孔14、第二延伸流道15、出氢气口11最终从出氢接口107出来。
以上描述仅为本公开的一些较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种质子膜电解水制氢电解装置，包括电解单元，其特征在于：电解单元包括依次排列的阴极板、阴极气道扩散层、质子膜、阳极水道扩散层、阳极板；其中所述阴极气道扩散层外套接有阴极气道密封板，所述质子膜外套接有质子膜密封板，所述阳极水道扩散层套接有氧气水道密封板；阴极板、阴极气道密封板、质子膜密封板、氧气水道密封板、阳极板通过压紧组件依次压紧密封贴合；所述阴极板具有出氢气口，所述阳极板具有用于氧气和水排出的第一出口；电解单元还包括连接阳极板和阴极板的进水通道。
2.根据权利要求1所述的质子膜电解水制氢电解装置，其特征在于：所述阳极板与阴极板均一面具有流道，另一面为光面；电解单元设置多个，相邻的电解单元中阳极板与阴极板的光面贴合。
3.根据权利要求2所述的质子膜电解水制氢电解装置，其特征在于：阳极板和阴极板的光面上内凹形成密封槽，密封槽囊括出氢气口、第一出口、进水口的范围；所述密封槽内设置密封圈。
4.根据权利要求1所述的质子膜电解水制氢电解装置，其特征在于：
所述压紧组件包括压紧螺杆、压紧螺母，压紧螺杆依次穿过阴极板、阴极气道密封板、质子膜密封板、氧气水道密封板、阳极板与压紧螺母螺纹配合连接；压紧组件沿电解单元边缘均布。
5.根据权利要求4所述的质子膜电解水制氢电解装置，其特征在于：所述阴极板、阴极气道密封板、质子膜密封板、氧气水道密封板、阳极板大小一致，阴极板、阴极气道密封板、质子膜密封板、氧气水道密封板、阳极板至少一部分位于压紧螺杆外侧。
6.根据权利要求5所述的质子膜电解水制氢电解装置，其特征在于：阴极气道扩散层与阴极气道密封板厚度一致，质子膜和质子膜密封板厚度一致，阳极水道扩散层与氧气水道密封板厚度一致；阴极板和阳极板的水道、气道所在区域的厚度与压紧螺杆外侧的密封部分的厚度一致。
7.根据权利要求1所述的质子膜电解水制氢电解装置，其特征在于：电解单元还包括定位螺杆，定位螺杆依次穿过阴极板、阴极气道密封板、质子膜密封板与定位螺母连接。
8.根据权利要求1所述的质子膜电解水制氢电解装置，其特征在于：相抵接的阴极板和阳极板上至少一个连接有电压采集片。
9.根据权利要求2所述的质子膜电解水制氢电解装置，其特征在于：
所述阴极板和阳极板的流道均采用电化学腐蚀工艺加工形成。
10.根据权利要求2所述的质子膜电解水制氢电解装置，其特征在于：
所述流道包括阳极板的阳极水道、位于阴极板上的阴极气道，所述阳极板上开设第一连接孔，所述阴极板上开设第二连接孔；所述阳极板在光面上开设连通第一出口的第一延伸流道，第一延伸流道通过第一连接孔与阳极水道连通；所述阴极板在光面上开设连通出氢气口的第二延伸流道，所述第二延伸流道通过第二连接孔与阴极气道连通；所述阳极板上还开设第三连接孔，所述阳极板的光面上开设有第三延伸流道，所述第三延伸流道通过第三连接孔与阳极板上的进水口连通。
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| CN117187842A (zh) * | 2023-09-20 | 2023-12-08 | 北京英博新能源有限公司 | 一种电解槽 |
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