CN117385384A - 一种具有内部自然循环的电解槽 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种具有内部自然循环的电解槽，至少包括阴极室、阳极室、离子膜，所述阳极室具体包括：第一极框，第二极框，进液极框，分离极框，循环管，进液极框的一端开设有进液接口，进液极框开设有若干出流孔，分离极框上开设有若干出流孔柱，循环管在靠近所述进液极框处设有循环出液孔，循环管在靠近所述分离极框端设有循环进液孔，第一极框，第二极框，进液极框，分离极框之间围设成方形，所述阳极室和阴极室的结构相同。这样，使得电解槽的碱液流量进行自然循坏，阴阳极室的压力差大大减小，降低阴阳极室之间的压差，提高离子膜的使用寿命。

Description

一种具有内部自然循环的电解槽

技术领域

本发明涉及氢能电解设备领域，具体是一种具有内部自然循坏的电解槽。

背景技术

氢能是一种热值高、燃烧充分并且无污染的二次清洁能源，是碳中和、碳达峰背景下具有巨大开发潜力的能源。电解水技术是常用的制氢途径，其中，碱性电解水制氢具有技术成熟、生产成本低等优点，已经成功进行大规模工业化应用。碱性电解水技术的核心装备是碱性电解槽，通常由若干个电解小室、阴阳电极、离子膜、极框、垫片等组成，电解小室由阴极室和阳极室构成。

在实现现有技术的过程中，发明人发现：

传统的碱性电解槽使用大功率的水泵为电解槽提供碱液，同时为碱液提供在电解小室内的循环动力。相应的，还辅助带走电解产生的氢气和氧气，同时使电解小室内的碱液更加均匀。但该过程由于水泵较大的流量，阴阳极室的压差一般都很大，运行过程中会产生较大的机械振动会降低离子膜的使用寿命。

因此，需要提供一种阴阳极室压差较小的电解槽运行过程中机械振动低的技术方案以解决现有技术中电解槽运行过程中由于阴阳极室的压差造成较大的机械振动降低离子膜的使用寿命的技术问题。

发明内容

本申请实施例提供一种具有内部自然循环的电解槽，至少包括阴极室、阳极室、设于阴极室和阳极室之间的离子膜，所述阳极室具体包括：第一极框，第二极框，与第一极框的端部、第二极框的端部相接的进液极框，与第一极框的尾部、第二极框的尾部相接的分离极框，若干与进液极框和分离极框相接的、位于第一极框，第二极框的循环管，进液极框的一端开设有进液接口，进液极框开设有若干出流孔，分离极框上开设有若干出流孔柱，循环管在靠近所述进液极框处设有循环出液孔，循环管在靠近所述分离极框端设有循环进液孔，第一极框，第二极框，进液极框，分离极框之间围设成方形。

进一步的，所述阴极室的阴电极和和阳极室的阳电极之间的间距等于离子膜厚度。

进一步的，进液极框的若干出流孔平均设于若干循环管之间。

进一步的，所述出流孔柱的高度高于分离极框高度的一半。

进一步的，所述循环管的横截面为梯形。

进一步的，所述循环管与进液极框相接处和循环管与分离极框相接处还设有连接件；

所述连接件的高度为1mm-2mm。

进一步的，所述阴极室和离子膜之间、阳极室和离子膜之间均设有弹性垫片。

进一步的，所述阳极室内至少还设有缓冲网和支撑网。

本申请提供的实施例至少具有以下有益效果：通过本申请实施例提供的具有内部自然循环的电解槽，使得电解槽的碱液流量进行自然循坏，使得阴阳极室的压力差大大减小，降低阴阳极室之间的压差，提高离子膜的使用寿命，并且，采用自然循环的电解槽优点总结就是运行成本降低、经济性提高、装置运行效率和寿命增加。此外，碱液流量进行自然循坏减少了水泵的电能消耗和原料水消耗。而且，该电解槽电解小室出口的氢气和氧气与碱液已经处于分离状态，无需额外设置气液分离装置，降低了后处理系统的复杂性，提高了氢气纯化的效率。而且，由于电解小室内部处于自然循环状态，碱液能够充分地参混在一起，使得碱液的浓度和电流密度分布更加均匀。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种具有内部自然循环的电解槽结构示意图；

图2为本申请实施例提供的阳极室结构示意图。

图3为本申请实施例提供基于CFD流体仿真得到的循环管出口位置流线分布图。

图4为本申请实施例提供基于CFD流体仿真得到的循环管入口位置流线分布图。

附图中各部件的标记如下：

具有内部自然循环的电解槽-100；

阴极室-10；第一极框-1；第二极框-2；进液极框-3；出流孔-31；进液接口-32；分离极框-4；出流孔柱-41；循环管-5；循环出液孔-51；循环进液孔-52；连接件-53；弹性垫片-6；

阳极室-20；

离子膜-30。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参照图1，为本申请提供的一种具有内部自然循环的电解槽，包括：阴极室10、阳极室20、设于阴极室10和阳极室20之间的离子膜30，所述阳极室20具体包括：第一极框1，第二极框2，与第一极框1的端部、第二极框2的端部相接的进液极框3，与第一极框1的尾部、第二极框2的尾部相接的分离极框4，若干与进液极框3和分离极框4相接的、位于第一极框1，第二极框2的循环管5，进液极框3的一端开设有进液接口32，进液极框3开设有若干出流孔31，分离极框4上开设有若干出流孔柱41，循环管5在靠近所述进液极框3处设有循环出液孔51，循环管5在靠近所述分离极框4端设有循环进液孔52，第一极框1，第二极框2，进液极框3，分离极框4之间围设成方形，所述阳极室20和阴极室10的结构相同。

具体的，阳极室20中第一极框1，第二极框2，进液极框3，分离极框4之间通过焊接固定，用于支撑整个电解小室框架。并且，第一极框1，第二极框2，进液极框3，分离极框4采用304钢材。第一极框1，第二极框2设计为空心结构，以便于减少原材料和重量。

进液极框3的一端开设有进液接口32，进液极框3开设有若干出流孔31。进液接口32用于碱液流入。进液接口32与外部水泵相连。应当指出，此处所述的水泵仅用于辅助碱液进入进液极框3，而非大功率的水泵不仅辅助碱液进入进液极框3，还用于提供在电解小室的循环动力。进液极框3开设有若干出流孔31，用于碱液能够均匀进入电解小室。在本申请提供的一种优选实施例中，进液接口32和进液极框3采用一体加工成型，使用材料为304钢材。

分离极框4上开设有若干出流孔柱41，用于电解小室内部的氢气或氧气携带少量的碱液从出流孔柱41流出。可以理解的是，碱液由于密度大，会下落到分离极框4下方，氢气或氧气由于密度小，则会浮在上方，因此顺利实现气液分离，省去了后处理系统中的气液分离装置，进一步降低装置的复杂性和成本。

进一步的，所述出流孔柱41的高度高于分离极框4高度的一半。即出流孔柱41的高度不宜过低，以便于氢气或氧气与碱液的分离。

进一步的，进液极框3的若干出流孔31平均设于若干循环管5之间。即可以理解为，为了碱液能够均匀进入电解小室，设置进液极框3的若干出流孔31平均设于若干循环管5之间。更进一步的，分离极框4的若干出流孔柱41平均设于若干循环管5之间，是为了氢气或氧气均匀的从出流孔柱41流出。

还可以理解的是，循环管5数量的设置根据电解小室进行调整。出流孔31的直径、出流孔柱41的直径根据实际情况进行调整。

如图1、2或3所示，循环管5在靠近所述进液极框3处设有循环出液孔51，如图1、2或4所示，循环管5在靠近所述分离极框4端设有循环进液孔52。可以理解的是，当电解槽运行时，电解小室内部部分碱液被电解成氢气和氧气，从而密度降低，但循环管5内部碱液依旧为液体，两者形成了密度差和压力值，进而使得循环管5内部碱液会经过循环出液孔51进入电解小室，同时利用水泵补充少量碱液，使碱液充满小室内部。电解小室内碱液则会通过循环管5循环进液孔52流入循环孔内部，从而形成自然循环。

进一步的，所述循环管5的横截面为梯形。循环管5的横截面形状为梯形，梯形底部通过焊接方式与壁面相连，通过焊接可以稳定地固定在电解小室内部。

进一步的，所述循环管5与进液极框3相接处和循环管5与分离极框4相接处还设有连接件53；所述连接件53的高度为1-2mm。

具体的，循环管5的两端不直接与进液极框3和分离极框4相连接，而是通过连接件53连接，以降低循环管5连接的工艺难度。连接件53的高度为1mm-2mm即指循环管5与进液极框3的距离、循环管5与分离极框4的距离在1mm-2mm之间。

还应当指出的是，本申请提供的电解槽包括阴极室10、阳极室20、离子膜30。阳极室20和阴极室10的结构相同，阳极室20中第一极框1，第二极框2，进液极框3，分离极框4之间围设成方形，则阴极室10也成方形，则电解槽整体也是呈方形。可以理解电解槽呈方形有利于在电解槽内布置循环管5道。

进一步的，所述阴极室10的阴电极和和阳极室20的阳电极之间的间距等于离子膜30厚度。即阴阳电极间距等于离子膜30的厚度，这有利于减小电解槽的欧姆电阻，提高电流密度和氢气产量。

进一步的，所述阴极室10和离子膜30之间、阳极室20和离子膜30之间均设有弹性垫片6。应当指出，此处所述的弹性垫片6主要用于挤压机在将多个电极小室积压在一起时，弹性垫片6被压缩，且其起到密封的作用。

具体的，阴极室10和阳极室20放置在离子膜30的两侧，阴极室10电极网和阳极室20电极网与离子膜30之间加上一层弹性垫片6，弹性垫片6具有弹性。装配过程中使用挤压机将多个电极小室挤压在一起，在挤压机的外力作用下，弹性垫片68会被压缩一定距离，从而使阴极室10和阳极室20的电极网的距离能够等于离子膜30的厚度，从而实现膜极距。膜极距使电极间的距离降为0，欧姆电阻大大降低，能够有效提升电流密度和氢气产量。并且，此处的弹性垫片6被压缩后，还起到密封的作用。

进一步的，所述阴极室10、阳极室20、离子膜30上至少还设有缓冲网和支撑网。缓冲网和支撑网用于在电解槽受到外作用力时，对阴极室10、阳极室20的电极网起到保护作用。

以下为本申请提供的具有内部自然循环的电解槽，电解槽内至少包括阴极室10、阳极室20、离子膜30、垫片、电极网等结构。阴极室10和阳极室20结构相同，都为方形，即电解槽整体也是呈方形。离子膜30置于阴极室10和阳极室20之间。离子膜30与阴极室10和阳极室20之间还设有弹性垫片6。该装配过程为使用挤压机将多个电极小室挤压在一起，在挤压机的外力作用下，弹性垫片6会被压缩一定距离，从而使阴极室10和阳极室20的电极网距离等于离子膜30的厚度，从而实现膜极距。

阳极室20中包括：第一极框1、第二极框2、进液极框3、分离极框4、循环管5，第一极框1、第二极框2分别焊接连接进液极框3、分离极框4，第一极框1、第二极框2壁厚为1.5mm。进液极框3上设有进液接口32，进液极框3和进液接口32采用一体加工成型，进液极框34上部均匀布置10个出流孔31。分离极框4上部均匀布置10个出流孔柱41，出流孔柱416高度为分离极框4上高度的一半，分离极框45使用模具铸造成型。循环管5位于出流孔31之间，循环管5的结构是一种横截面为梯形的结构，阳极室20内部布置9个循环管5壁厚为1mm，通过焊接固定在电解小室内部，同时不会过多的增加重量，对电解小室强度造成影响。在循环管5靠近所述分离极框4端设有3个循环进液孔52，在循环管5靠近所述进液极框3处设有5个循环出液孔51，用于自然循环过程中碱液进出。

为了更容易理解自然循环过程，得到循环管5进出口位置的流线分布，对电解槽进行了流体仿真分析，如图3、图4所示，图3所示是循环管5出口位置流线分布，能够清楚地看到循环管5内部流体通过靠近所述进液极框3的循环出液孔51流入电解小室。同样的，从图4可以看出电解小室内流体通过靠近所述分离极框4端循环进液孔52进入循环管5内部，整个过程实现了循环。这个循环的动力来源是由于电解水使电解小室里的碱液和循环管52内部碱液形成了密度差，是自发性的，大大降低了电能和原材料的消耗。

还需要说明的是，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、商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、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理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权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种具有内部自然循环的电解槽，其特征在于,至少包括阴极室、阳极室、设于阴极室和阳极室之间的离子膜，所述阳极室具体包括：第一极框，第二极框，与第一极框的端部、第二极框的端部相接的进液极框，与第一极框的尾部、第二极框的尾部相接的分离极框，若干与进液极框和分离极框相接的、位于第一极框，第二极框的循环管，进液极框的一端开设有进液接口，进液极框开设有若干出流孔，分离极框上开设有若干出流孔柱，循环管在靠近所述进液极框处设有循环出液孔，循环管在靠近所述分离极框端设有循环进液孔，第一极框，第二极框，进液极框，分离极框之间围设成方形，所述阳极室和阴极室的结构相同。

2.如权利要求1所述电解槽，其特征在于，所述阴极室的阴电极和和阳极室的阳电极之间的间距等于离子膜厚度。

3.如权利要求1所述电解槽，其特征在于，进液极框的若干出流孔平均设于若干循环管之间。

4.如权利要求1所述电解槽，其特征在于，所述出流孔柱的高度高于分离极框高度的一半。

5.如权利要求1所述电解槽，其特征在于，所述循环管的横截面为梯形。

6.如权利要求1所述电解槽，其特征在于，所述循环管与进液极框相接处和循环管与分离极框相接处还设有连接件；

所述连接件的高度为1mm-2mm。

7.如权利要求1所述电解槽，其特征在于，所述阴极室和离子膜之间、阳极室和离子膜之间均设有弹性垫片。

8.如权利要求1所述电解槽，其特征在于，所述阳极室内至少还设有缓冲网和支撑网。