CN116949471A - 一种无循环水电解槽 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无循环水电解槽，涉及制氢电解槽技术领域，包括阳极端板与阴极端板，所述阳极端板与阴极端板之间配合安装有若干电解单元，所述电解单元包括阳极极框与阴极极框，所述阳极极框与阴极极框上开设有电解液通道，所述阳极极框与阴极极框之间配合安装有亲水材料隔膜，所述亲水材料隔膜两侧配合安装有阳极与阴极，所述阳极极框上的腔室内配合安装有阳极支撑，所述阴极极框上的腔室内配合安装有阴极支撑。本发明的阳极与阴极一侧分别设有阳极支撑与阴极支撑，阳极支撑与阴极支撑可以有效防止气泡滞留在电极上的活性点位，使得后续的反应更加顺畅，防止过电位升高造成的电耗增加，大幅提升了电解系统的响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及制氢电解槽技术领域，具体为一种无循环水电解槽。
背景技术
随着全球变暖、化石能源的逐渐枯竭，可再生能源成为全球各国争先发展的目标，氢能源作为可再生能源的首选载体得到了大力发展；电解水制氢是耦合可再生能源发电制取绿氢的有效方式，因此近些年来得到长足发展，电解槽由端板配合若干电解单元组成，用隔膜将电解电源内的阳极室和阴极室隔开，当直流电通过电解槽时，在阳极与溶液界面处发生氧化反应，在阴极与溶液界面处发生还原反应，以制取氧气与氢气，通过电解水制氢制氧不仅原材料来源广泛、价格低廉，而且成品的纯度高、制配过程清洁；作为电解水制氢系统的核心部件电解槽，是决定系统先进与否的决定性因素,传统碱性电解槽分为两大类：自然循环电解槽和强制循环电解槽；自然循环电解槽系统没有循环泵配置，根据热对流原理凭借电解过程中电极发热来推动电解液完成系统的对流循环，由于电极表面电解液更新缓慢造成浓差极化较大，因此电流密度开不上去一般≤4000A/m2；强制循环电解槽系统配置有循环泵，循环量一般控制在1～4次/min，由于电极表面电解液更新较快，浓差极化现象较小，电流密度可以开的较高目前一般≤000A/m2。
上述两种供液方式均存在大量气泡滞留在电极活性点位的问题，使得后续反应难以发生，进而致使过电位升高增加电耗，同时电极两侧的压力平衡和气液分离都会增加控制难度，大幅拉低电解系统响应速度，难以适应可再生能源发电制氢的快速响应需求，大幅降低单位时间、功率内制配的氢气与氧气的质量。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的目前的供液方式会在存在大量气泡滞留在电极活性点位使得后续反应难以发生的问题，本发明的目的在于提供一种无循环水电解槽。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无循环水电解槽，包括阳极端板与阴极端板，所述阳极端板与阴极端板之间配合安装有若干电解单元，所述电解单元包括阳极极框与阴极极框，所述阳极极框与阴极极框配合安装，所述阳极极框与阴极极框上均开设有氧气通道与氢气通道，所述阳极极框与阴极极框上开设有电解液通道，所述阳极极框与阴极极框之间配合安装有亲水材料隔膜，所述亲水材料隔膜两侧配合安装有阳极与阴极，所述阳极与阴极均镶嵌在相应的阳极极框或阴极极框内，所述阳极极框与阴极极框上均开设有腔室，每个所述腔室均与相应的阳极与阴极对应设置，所述阳极极框上的腔室内配合安装有阳极支撑，所述阴极极框上的腔室内配合安装有阴极支撑。
优选的，所述阳极端板、阴极端板上均插接并滑动配合有若干锁紧螺杆，所述阳极端板、阴极端板与相应的电解单元通过锁紧螺杆固定连接，所述电解单元呈直线阵列设置。
优选的，相邻的两个所述氧气通道呈连通设置，相邻的两个所述氢气通道呈连通设置，所述阴极端板上安装有氢气出口管，所述阴极端板上安装有氧气出口管，所述氢气出口管与氢气通道连通，所述氧气出口管与氧气通道连通。
优选的，相邻的两个电解液通道连通设置，所述阴极端板一侧安装有电解液管路，所述电解液管路的一端配合连接有电解液储罐，所述电解液储罐高于电解单元设置，所述阳极极框一侧安装有水道密封圈，所述水道密封圈与电解液通道配合设置。
优选的，所述阳极与阴极的纵截面的面积大小相同且小于亲水材料隔膜，所述阳极支撑与阴极支撑的纵截面的面积大小相同且均小于阴极。
优选的，所述阳极极框与阴极极框之间配合安装有外密封圈，所述阳极极框与阴极极框之间配合安装有内密封圈，所述外密封圈与内密封圈均为环形密封圈。
优选的，所述阳极极框内开设有氧气支通道，所述氧气支通道的一端延伸至氧气通道，所述氧气支通道的另一端延伸至阳极支撑一侧，所述阴极极框内开设有氢气支通道，所述氢气支通道的一端延伸至氢气通道，所述氢气支通道的另一端延伸至阴极支撑一侧。
优选的，所述阳极极框一侧开设有阳极侧布散液道，所述阴极极框一侧开设有阴极侧布散液道，所述阳极侧布散液道与阴极侧布散液道均为环形，所述阳极侧布散液道与阴极侧布散液道均分别位于亲水材料隔膜的两侧，所述阳极侧布散液道与阴极侧布散液道均位于相应的外密封圈与内密封圈之间，所述阳极极框与阴极极框上均安装有第一气道密封圈与第二气道密封圈，每个所述第一气道密封圈均与相应的氧气通道配合设置，每个所述第二气道密封圈均与相应的氢气通道配合设置。
优选的，所述阳极极框与阴极极框上均开设有安装槽，所述阳极极框一侧配合安装有阳极外密封圈，所述阴极极框一侧配合安装有阴极外密封圈，两个所述安装槽之间配合安装有散热隔板，所述散热隔板上固定安装有散热片，所述散热片上开设有若干平行设置的散热槽。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明的阳极与阴极一侧分别设有阳极支撑与阴极支撑，阳极支撑与阴极支撑可以有效防止气泡滞留在电极上的活性点位，使得后续的反应更加顺畅，防止过电位升高造成的电耗增加，大幅提升了电解系统的响应速度，大幅提升了单位时间、功率内制配的氢气与氧气的质量。
2、本发明不需要在隔膜两侧的氢氧电解腔循环电解液，只需要把亲水材料隔膜浸润到电解液中，当亲水材料隔膜表面电解液中水分被电极电解消耗时，亲水材料隔膜利用其本身毛细管特性从阳极侧布散液道和阴极侧布散液道，吸取电解液补充水分的消耗，保证电解过程的持续进行，氧腔或氢腔内均没有电解液的存在，使电极表面的活性点位能够持续工作。
3、两个相邻的电解单元之间均安装有散热片，散热片上固定安装有散热隔板，散热隔板上开设有散热槽，散热片与阳极支撑、阴极支撑直接接触，可以使得散热片有效带走电解单元上的热量，极大得提升了电解单元工作时的稳定性。
该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
附图说明
图1为本发明的一种无循环水电解槽的基本结构示意图。
图2为本发明的电解单元的结构爆炸图。
图3为本发明的电解单元的半剖视图。
图4为本发明的图3的另一视角图。
图5为本发明的电解单元的另一视角的半剖视图。
图6为本发明的图5的另一视角图。
图7为本发明的电解单元的另一视角的半剖视图。
图8为本发明的图7的另一视角图。
图中：100、电解单元；1、阳极极框；2、阴极极框；3、氧气通道；4、氢气通道；5、氧气支通道；6、氢气支通道；7、阳极侧布散液道；8、阴极侧布散液道；9、亲水材料隔膜；10、阳极；11、阳极支撑；12、阴极；13、阴极支撑；14、散热隔板；15、第一气道密封圈；16、第二气道密封圈；17、外密封圈；18、内密封圈；19、阳极外密封圈；20、阴极外密封圈；21、电解液通道；22、水道密封圈；23、阴极端板；24、阴极端板；25、锁紧螺杆；26、电解液管路；27、电解液储罐；28、氢气出口管；29、氧气出口管；30、散热片。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-图8所示，包括阳极端板23与阴极端板24，阳极端板23与阴极端板24之间配合安装有若干电解单元100，阳极端板23、阴极端板24上均插接并滑动配合有若干锁紧螺杆25，阳极端板23、阴极端板24与相应的电解单元100通过锁紧螺杆25固定连接，电解单元100呈直线阵列设置，根据需要支配氢气的功率，来选择夹在阳极端板与阴极端板之间的电解单元100的数量，电解单元100上设有用于锁紧螺杆穿过的安装孔，锁紧螺杆与安装孔滑动配合设置。
电解单元100包括阳极极框1与阴极极框2，阳极极框1与阴极极框2配合安装，阳极极框1与阴极极框2上均开设有氧气通道3与氢气通道4，相邻的两个氧气通道3呈连通设置，相邻的两个氢气通道4呈连通设置，阴极端板24上安装有氢气出口管28，阴极端板24上安装有氧气出口管29，氢气出口管28与氢气通道4连通，氧气出口管29与氧气通道3连通。
阳极极框1与阴极极框2上开设有电解液通道21，相邻的两个电解液通道21连通设置，阴极端板24一侧安装有电解液管路26，电解液管路26的一端配合连接有电解液储罐27，电解液储罐27高于电解单元100设置，阳极极框1一侧安装有水道密封圈22，水道密封圈22与电解液通道21配合设置电解液储罐通过支撑架进行支撑，支撑架为常规的现有技术未在图中画出。
阳极极框1与阴极极框2之间配合安装有亲水材料隔膜9，亲水材料隔膜9两侧配合安装有阳极10与阴极12，阳极10与阴极12均镶嵌在相应的阳极极框1或阴极极框2内，阳极10与阴极12的纵截面的面积大小相同且小于亲水材料隔膜9，阳极极框1与阴极极框2上均开设有腔室，每个腔室均与相应的阳极10与阴极12对应设置，阳极极框1上的腔室内配合安装有阳极支撑11，阴极极框2上的腔室内配合安装有阴极支撑13，阳极支撑11与阴极支撑13的纵截面的面积大小相同且均小于阴极10，阳极支撑11与阴极支撑13为多孔结构材料制成，在阳极与阴极上出现被电解出的气泡时，阳极支撑与阴极支撑能够很好得对起到进行吸收，防止气泡在电极活性点位累计，造成电解系统响应速度降低的情况。
阳极极框1与阴极极框2之间配合安装有外密封圈17，阳极极框1与阴极极框2之间配合安装有内密封圈18，外密封圈17与内密封圈18均为环形密封圈，通过外密封圈与内密封圈将整个用于电解反应的电极、亲水材料隔膜与电极支撑的密封，防止气体或电解液泄露。
阳极极框1内开设有氧气支通道5，氧气支通道5的一端延伸至氧气通道3，氧气支通道5的另一端延伸至阳极支撑11一侧，阴极极框2内开设有氢气支通道6，氢气支通道6的一端延伸至氢气通道4，氢气支通道6的另一端延伸至阴极支撑13一侧，通过氧气支通道与氢气支通道可以将电解产生的氧气或氢气传导至相应的氧气通道或氢气通道内。
阳极极框1一侧开设有阳极侧布散液道7，阴极极框2一侧开设有阴极侧布散液道8，阳极侧布散液道7与阴极侧布散液道8均为环形，阳极侧布散液道7与阴极侧布散液道8均分别位于亲水材料隔膜9的两侧，阳极侧布散液道7与阴极侧布散液道8均位于相应的外密封圈17与内密封圈18之间，阳极极框1与阴极极框2上均安装有第一气道密封圈15与第二气道密封圈16，每个第一气道密封圈15均与相应的氧气通道3配合设置，每个第二气道密封圈16均与相应的氢气通道4配合设置，充分浸润电解液的亲水材料隔膜9因为其本身毛细管特性，既能阻止氢、氧腔气体互串，又能阻止氢、氧腔气体穿过隔膜内部进入到电解液通道中。
阳极极框1与阴极极框2上均开设有安装槽，阳极极框1一侧配合安装有阳极外密封圈19，阴极极框2一侧配合安装有阴极外密封圈20，两个安装槽之间配合安装有散热隔板14，散热隔板14上固定安装有散热片30，散热片30上开设有若干平行设置的散热槽，散热片与阳极支撑、阴极支撑直接接触，可以使得散热片有效带走电解单元100上的热量，极大得提升了电解单元100工作时的稳定性。
需要说明的是，本发明结构的电解槽工作过程中，氢、氧侧工作压力保持在0.1～0.2MPa之间，这样浸润在亲水材料隔膜中的电解液在氢、氧侧气体压力驱使下，不会流进氢腔或氧腔，使氢腔和氧腔以及其内部的阴极支撑与阳极支撑始终保持全气体状态(即干的状态)，充分浸润电解液的亲水材料隔膜9因为其本身毛细管特性，既能阻止氢、氧腔气体互串，又能阻止氢、氧腔气体穿过隔膜内部进入到电解液通道中，当亲水材料隔膜9表面电解液中水分被电极电解消耗时，亲水材料隔膜9利用其本身毛细管特性从阳极侧布散液道7和阴极侧布散液道8，吸取电解液补充水分的消耗，保证电解过程的持续进行，放弃了传统了阳极与阴极浸泡在电解液中制配氢气的方式，使得氧腔或氢腔内均没有电解液的存在，保证电解过程的持续进行；
由于电解过程中无论是氧腔还是氢腔都没有电解液的存在，所以电极表面产生的气体就直接逸出，脱离电极表面活性点位，使电极表面的活性点位能够持续工作，相较于有电解液循环的电极表面(有气泡产生和附着)，提高电解效率30～46％左右，电流密度8000A/㎡时折合成过电位降低幅度为：96～123mV(单侧电极)，阳极支撑与阴极支撑可以有效防止气泡滞留在电极上的活性点位，使得后续的反应更加顺畅，防止过电位升高造成的电耗增加，大幅提升了电解系统的响应速度，大幅提升了单位时间、功率内制配的氢气与氧气的质量；
本发明无循环水电解槽，由于通过亲水材料隔膜9利用重力+毛细现象直接供应电解消耗的水，可以大大简化了电解辅助系统(简称BOP)，减掉了2个循环泵、2个气液分离器及附带的液位控制仪器仪表，减少辅助电力的同时，大大降低了电解辅助系统的体积(30％)和重量(45％)；
如果电解槽使用可再生能源发出的波动性电力来工作时，电量的波动(10％～100％)会导致氢氧侧压力不平衡，这对于传统的电解液双侧循环电解槽是一个无法逾越的挑战，因为压力失衡后就会导致氢氧侧液位差增大，而液位差一旦超出安全设定值(100mm水柱)就会报警停机。所以传统电解液双侧循环电解槽只能通过程序控制系统调节拉长波动周期，也就是降低响应速度来跟随电量波动，所以响应速度迟缓一般在每秒1％左右，(100％-10％)÷1％＝90S，那么每一个大的波动都需要将近90秒的时间来跟随变化，电量波动频繁时由于电解槽响应迟滞就会浪费大量的电力资源。而本发明的电解槽由于没有电解液循环，不存在氢氧侧液位不平衡问题，尤其是浸润电解液的亲水材料隔膜具有的阻气性，允许氢、氧两侧存在的压力差≤0.1MPa时能够正常工作。本发明的电解槽响应速度在每秒10％左右，(100％-10％)÷10％＝9S，即使处于较大波动时，也能够在10S内完成响应，而对于较小的电量波动可以实现秒级响应，完美耦合可再生能源发电制氢，进而大幅提升电解系统响应速度，可以适应可再生能源发电制氢的快速响应需求，大幅提升单位时间、功率内制配的氢气与氧气的质量。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种无循环水电解槽，其特征在于：包括阳极端板(23)与阴极端板(24)，所述阳极端板(23)与阴极端板(24)之间配合安装有若干电解单元(100)，所述电解单元(100)包括阳极极框(1)与阴极极框(2)，所述阳极极框(1)与阴极极框(2)配合安装，所述阳极极框(1)与阴极极框(2)上均开设有氧气通道(3)与氢气通道(4)，所述阳极极框(1)与阴极极框(2)上开设有电解液通道(21)，所述阳极极框(1)与阴极极框(2)之间配合安装有亲水材料隔膜(9)，所述亲水材料隔膜(9)两侧配合安装有阳极(10)与阴极(12)，所述阳极(10)与阴极(12)均镶嵌在相应的阳极极框(1)或阴极极框(2)内，所述阳极极框(1)与阴极极框(2)上均开设有腔室，每个所述腔室均与相应的阳极(10)与阴极(12)对应设置，所述阳极极框(1)上的腔室内配合安装有阳极支撑(11)，所述阴极极框(2)上的腔室内配合安装有阴极支撑(13)。
2.根据权利要求1所述的一种无循环水电解槽，其特征在于：所述阳极端板(23)、阴极端板(24)上均插接并滑动配合有若干锁紧螺杆(25)，所述阳极端板(23)、阴极端板(24)与相应的电解单元(100)通过锁紧螺杆(25)固定连接，所述电解单元(100)呈直线阵列设置。
3.根据权利要求1所述的一种无循环水电解槽，其特征在于：相邻的两个所述氧气通道(3)呈连通设置，相邻的两个所述氢气通道(4)呈连通设置，所述阴极端板(24)上安装有氢气出口管(28)，所述阴极端板(24)上安装有氧气出口管(29)，所述氢气出口管(28)与氢气通道(4)连通，所述氧气出口管(29)与氧气通道(3)连通。
4.根据权利要求1所述的一种无循环水电解槽，其特征在于：相邻的两个电解液通道(21)连通设置，所述阴极端板(24)一侧安装有电解液管路(26)，所述电解液管路(26)的一端配合连接有电解液储罐(27)，所述电解液储罐(27)高于电解单元(100)设置，所述阳极极框(1)一侧安装有水道密封圈(22)，所述水道密封圈(22)与电解液通道(21)配合设置。
5.根据权利要求1所述的一种无循环水电解槽，其特征在于：所述阳极(10)与阴极(12)的纵截面的面积大小相同且小于亲水材料隔膜(9)，所述阳极支撑(11)与阴极支撑(13)的纵截面的面积大小相同且均小于阴极(10)。
6.根据权利要求1所述的一种无循环水电解槽，其特征在于：所述阳极极框(1)与阴极极框(2)之间配合安装有外密封圈(17)，所述阳极极框(1)与阴极极框(2)之间配合安装有内密封圈(18)，所述外密封圈(17)与内密封圈(18)均为环形密封圈。
7.根据权利要求1所述的一种无循环水电解槽，其特征在于：所述阳极极框(1)内开设有氧气支通道(5)，所述氧气支通道(5)的一端延伸至氧气通道(3)，所述氧气支通道(5)的另一端延伸至阳极支撑(11)一侧，所述阴极极框(2)内开设有氢气支通道(6)，所述氢气支通道(6)的一端延伸至氢气通道(4)，所述氢气支通道(6)的另一端延伸至阴极支撑(13)一侧。
8.根据权利要求1所述的一种无循环水电解槽，其特征在于：所述阳极极框(1)一侧开设有阳极侧布散液道(7)，所述阴极极框(2)一侧开设有阴极侧布散液道(8)，所述阳极侧布散液道(7)与阴极侧布散液道(8)均为环形，所述阳极侧布散液道(7)与阴极侧布散液道(8)均分别位于亲水材料隔膜(9)的两侧，所述阳极侧布散液道(7)与阴极侧布散液道(8)均位于相应的外密封圈(17)与内密封圈(18)之间，所述阳极极框(1)与阴极极框(2)上均安装有第一气道密封圈(15)与第二气道密封圈(16)，每个所述第一气道密封圈(15)均与相应的氧气通道(3)配合设置，每个所述第二气道密封圈(16)均与相应的氢气通道(4)配合设置。
9.根据权利要求1所述的一种无循环水电解槽，其特征在于：所述阳极极框(1)与阴极极框(2)上均开设有安装槽，所述阳极极框(1)一侧配合安装有阳极外密封圈(19)，所述阴极极框(2)一侧配合安装有阴极外密封圈(20)，两个所述安装槽之间配合安装有散热隔板(14)，所述散热隔板(14)上固定安装有散热片(30)，所述散热片(30)上开设有若干平行设置的散热槽。
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|---|---|---|---|---|
| CN117165978A (zh) * | 2023-11-02 | 2023-12-05 | 华东理工大学 | 一种利用多孔结构调控气泡的电解槽、电解装置与方法 |
| CN117535692A (zh) * | 2023-11-28 | 2024-02-09 | 苏州希倍优氢能源科技有限公司 | 一种低压水电解制氢的电解槽和电解模组 |
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2023
- 2023-07-04 CN CN202310812072.5A patent/CN116949471A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117165978A (zh) * | 2023-11-02 | 2023-12-05 | 华东理工大学 | 一种利用多孔结构调控气泡的电解槽、电解装置与方法 |
| CN117165978B (zh) * | 2023-11-02 | 2024-01-30 | 华东理工大学 | 一种利用多孔结构调控气泡的电解槽、电解装置与方法 |
| CN117535692A (zh) * | 2023-11-28 | 2024-02-09 | 苏州希倍优氢能源科技有限公司 | 一种低压水电解制氢的电解槽和电解模组 |
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