CN117535727A - 一种电解水制氢可视化装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电解氢技术领域，尤其涉及一种电解水制氢可视化装置以及一种测试方法，电解水制氢可视化装置包括两个端板，且两个端板均为透明材质；端板上开设有中心反应区以及导流槽，其中一个端板的一端开设有两个出气孔以及电解液入口，另一端板上开设有与出气孔对应设置的导气槽；两个中心反应区之间夹持有隔膜以及扩散网；在其中一个端板上设置有用于向电解液入口喷射示踪剂的喷射装置，扩散网上设置有用于显示示踪剂痕迹的显示结构，通过上述装置解决现有技术中无法直接观察电解液在电解槽内流动及分布的均匀性等问题。

Description

一种电解水制氢可视化装置及测试方法

技术领域

本申请涉及电解水制氢技术领域，尤其是涉及一种电解水制氢可视化装置及测试方法。

背景技术

为实现规模化低碳甚至无碳能源，回归地球生态平衡，在“双碳”战略指导下，我国正加速能源清洁化转型进程，脱碳减排需求日益增长，风电、光伏等可再生能源将迎来爆发式增长，可再生能源将逐步替代传统化石能源占据能源领域主导地位。而氢能作为一种未来能源界极具发展潜力的能源，因其热值高、来源多样、储量丰富及适于大容量、长时间存储的特性，被认为是21世纪的“终极能源”，也为大规模储能技术提供了一种新思路。我国在2020年12月将氢能写入《新时代的中国能源发展》白皮书中，提出要加速发展制氢、储氢、用氢等产业链技术装备，大力推动储能系统规模化示范，完善和落实可再生能源电力消纳机制。

氢气制备主要技术包括电解制氢水、化石能源制氢及化工原料制氢，当前主流的可再生能源制氢技术是采用电解水制氢。电解槽是电解水制氢的主要反应装置，电解槽通常由端板、双极板、端极板、垫圈等组成；电解液在电解槽内流动及分布的均匀性，对传热、传质及反应有显著的影响，了解这些信息对改进和提升电解槽的性能有重要作用。然而，目前电解槽端板无法直接观察电解槽内电解反应的具体情况，同时，由于电解液为无色透明液体，也不利于观察。通过仿真计算的方法虽然可以得到一些有用的信息和启示，但是在复杂的热、质、能交变环境下，仿真结果往往失真度较大，因此，这些都成为制约改善提高电解水制氢槽性能的重要因素。

发明内容

为了准确合理的测试出电解槽在电解过程中电解液的流动分布的均匀性，本申请提供一种电解水制氢可视化装置。

第一方面，本申请提供的一种电解水制氢可视化装置采用如下的技术方案：

一种电解水制氢可视化装置，包括两个端板，且两个所述端板均为透明材质；

所述端板上开设有中心反应区以及导流槽，其中一个端板的一端开设有两个出气孔以及电解液入口，另一所述端板上开设有与出气孔对应设置的导气槽；两个所述中心反应区之间夹持有隔膜以及扩散网；

在其中一个所述端板上设置有用于向电解液入口喷射示踪剂的喷射装置，所述扩散网上设置有用于显示示踪剂痕迹的显示结构。

通过采用上述技术方案，观测过程中，通过喷射装置向电解液入口内喷射示踪剂，示踪剂与电解液同步进入中心反应区中，从而经过扩散网使得将电解液与示踪剂变得均匀分散后，在电解反应过程中，工作人员观测端板即可观测到可视化装置内部的电解液流动情况以及反应情况，通过示踪剂的颜色了解到电解液流动的是否均匀，以及流向动态，后期还可通过显示结构更加清楚的观测到电解反应的情况。

可选的，所述端板上设置有水封线槽，所述水封线槽中嵌设有密封垫片。

通过采用上述技术方案，提升整个装置的密封性。

可选的，所述中心反应区包括开设在端板上的导电环槽、用于嵌设扩散网的极网槽，所述导电环槽包括嵌槽以及支耳槽，所述嵌槽和极网槽为同轴设置，所述极网槽位于嵌槽之内，且极网槽槽深小于嵌槽槽深，嵌槽和极网槽之间的高度差等于导电环的厚度，所述支耳槽的槽深大于嵌槽槽深。

通过采用上述技术方案，通入电解液入口的电解液在扩散网的作用下均匀流动，最终进入中心反应区中，电解环槽中嵌设有导电环，通电后电解，使得电解液发生电解反应，从而生成氢气和氧气。

可选的，所述导流槽设置为两个，其中一个位于中心反应区的一端并与其中一个出气孔相连通，另一个位于中心反应区的另一端，并与电解液入口相连通。

通过采用上述技术方案，与电解液入口相连的导流槽便于电解液通入中心反应区中，最终生成的气体便于从中心反应区上端的导流槽中流出，最终从出气孔排出所制的气体。

可选的，所述支耳槽中嵌设有支耳垫片。

通过采用上述技术方案，进一步提升整个装置的密封性，使得整个装置难以从支耳槽的部位漏水。

可选的，所述喷射装置包括可拆卸连接在端板上的安装板、固定在安装板上的针筒、设置在针筒中的推料塞、设置在安装板上的气缸，所述气缸的活塞杆与推料塞相连接，所述示踪剂装设在针筒的料腔内。

通过采用上述技术方案，气缸上通过电磁阀控制气缸活塞杆的伸出，从而实现脉冲式推动推料塞，使得推料塞将针筒料腔内的物料快速推出，并与电解液同步融合进入中心反应区内。

可选的，所述显示结构包括间隔均匀开设在扩散网侧壁上的凹槽、设置在凹槽内的示踪块，所述示踪块的材质与隔膜的材质相同。

通过采用上述技术方案，由于隔膜为可透水的布料材质具有一定的吸附性，因而将示踪块也采用与隔膜同样的材质，可保障在电解反应正常进行的情况下，便于后期的观测。示踪块吸附示踪剂后显色，便于工作人员后期复盘测试结果时进行观测判断。

第二方面，本申请提供的一种电解水制氢可视化装置采用如下的技术方案：

一种电解水制氢可视化装置的测试方法，采用所述的电解水制氢可视化装置进行测试，包括以下步骤：

预检查，检查可视化装置的密封性等相关性能；

通液，向电解液入口同步通入电解液以及示踪剂，示踪剂通过脉冲式点喷；

记录、观测，开启无影灯，并进行人为观测。

通过采用上述技术方案，人为先针对可视化装置的密封性等特性进行合规检测，然后同步通入示踪剂以及电解液至设备中进行电解反应，然后人为观测示踪剂的流转状况，并初期判断最初观测到的情形，开启无影灯便于将端板罩设呈高透的状态，更加便于精确观测。

可选的，在记录步骤中同步架设摄像机进行拍摄记录，便于后期分析记录。

通过采用上述技术方案，通过摄像机实时记录，便于后期复盘分析。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.在电解反应过程中，工作人员观测端板即可观测到可视化装置内部的电解液流动情况以及反应情况，通过示踪剂的颜色了解到电解液流动的是否均匀，以及流向动态，后期还可通过显示结构更加清楚的观测到电解反应的情况；

2.通过在扩散网上设置凹槽以及示踪块，将示踪块的材质设置为与隔膜相同的材质，一方面不影响正常的电解反应，另一方面示踪块吸附示踪剂后显色，便于工作人员后期复盘测试结果时进行观测判断。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请的整体结构示意图。

图2是本申请中心反应区中，用于展示扩散网-电极-隔膜-电极-扩散网的位置示意图。

图3是本申请的左板结构示意图。

图4是本申请的左板结构示意图，主要用于体现支耳垫片。

图5是本申请右板结构示意图。

图6是本申请左板外侧示意图，主要用于体现喷射装置。

图7是本申请中喷射装置的结构示意图。

图8是本申请中扩散网的结构示意图。

图9是本申请中可视化装置的测试流程图。

附图标记：1、端板；2、中心反应区；3、导流槽；4、出气孔；5、电解液入口；6、导气槽；7、隔膜；8、扩散网；9、喷射装置；10、水封线槽；11、密封垫片；12、导电环槽；13、极网槽；14、嵌槽；15、支耳槽；16、支耳垫片；17、安装板；18、针筒；19、推料塞；20、气缸；21、凹槽；22、示踪块；

S1、预检测；S2、通液；S3、记录观测。

具体实施方式

以下结合附图1-9对本申请作进一步详细说明。

本发明不局限于碱性电解水制氢，亦适用于质子交换膜电解水制氢和阴离子交换膜电解水制氢。

第一方面：本申请实施例公开一种电解水制氢可视化装置。

实施例1：

参照图1，电解水制氢可视化装置包括端板1，端板1的个数设置为两个，在本实施例中将端板1分为左板和右板，两个端板1均为透明材质，在一些具体的实施例中，左板、右板的材质可选为高透PC（聚碳酸酯）、高透PVC（聚氯乙烯）、高透PS（聚苯乙烯）等。

参照图2和图3，在两个端板1相互贴合的一侧均开设有中心反应区2以及导流槽3，中心反应区2包括导电环槽12以及极网槽13，导电环槽12包括嵌槽14以及支耳槽15，其中嵌槽14用于嵌设导电板，支耳槽15用于嵌设与导电板相连的支耳，外界电路通过电连接支耳，从而使得导电板带电。

参照图4，为了进一步提升整个装置的密封性，在本实施例中每个支耳槽15中均嵌设有支耳垫片16，单个导电板的支耳上设置为两片支耳垫片16，两片支耳垫片16分别贴合在导电板支耳的两侧。

参照图4和图5，在左板上开设有两个出气孔4以及一个电解液入口5，并在右板上开设有与出气孔4所对应的导气槽6，其中两个出气孔4分别为氢气出口和氧气出口。导气槽6的个数与出气孔4的个数相对等。

参照图2，电极、隔膜7以及扩散网8；隔膜7位于反应区中部，将反应区分为阴极、阳极两部分；电极分别位于隔膜两侧，电极一侧与隔膜7贴合，另一侧与扩散网8贴合；扩散网8为多孔状金属网板，其一侧与电极贴合，另一侧与端板1贴合。

参照图2和图3，极网槽13用于嵌设扩散网8，嵌槽14和极网槽13为同轴设置，极网槽13位于嵌槽14之内，且极网槽13槽深小于嵌槽14槽深，嵌槽14和极网槽13之间的高度差等于导电环的厚度，支耳槽15的槽深大于嵌槽14槽深。

参照图2和图3，在本申请中，在单个端板1上，导流槽3设置为两个，其中一个导流槽3为与中心反应区2的一端并与其中一个出气孔4相连通，另一个位于中心反应区2的另一端，并与电解液入口5相连通。

参照图2和图4，为了进一步保障整个装置的密封性，在端板1上设置有水封线槽10，且在水封线槽10中嵌设有密封垫片11。导流槽3设置在中心反应区2的外围，水封线槽10设置在导流槽3的外围。

参照图6，在本实施例中，在端板1上加装有用于向电解液入口5喷射示踪剂的喷射装置9，当然喷射装置9也可以直接为人为操控的注液设备，如带有活塞推杆的注液筒等，也可无须安装在端板1上。

参照图6和图7，在本实施例中，喷射装置9包括安装板17、针筒18、推料塞19以及气缸20，其中安装板17通过螺栓可拆卸连接在端板1的侧壁上，针筒18的针头朝向电解液入口5，推料塞19滑移在针筒18内，气缸20安装在安装板17上，气缸20通过电磁阀控制，气缸20的活塞杆与推料塞19相连接。实际使用过程中，通过PLC设备控制电磁阀进行脉冲式开断，从而使得气缸20的活塞进行脉冲式伸出，进而将针筒18中的示踪剂挤入电解液入口5中。

参照图7，在本实施例中，针筒18上装设有用于向针筒18内腔加注示踪剂物料的开口料腔，开口料腔与针筒18的内腔呈相连通。在一些具体的实施例中，示踪剂可选为甲紫溶液、碘伏溶液、发光粉末，其中反光粉末可以是光纤所制成的粉末、反光PVC粉末等。

实施例2：

参照图2和图8，实施例2与实施例1的不同之处在于，扩散网8上设置有用于显示示踪剂痕迹的显示结构，显示结构包括间隔均匀开设在扩散网8侧壁上的凹槽21以及嵌设在凹槽21中的示踪块22，示踪块22的材质与隔膜7的材质相同。由于隔膜7的材质呈布料的特性，具有一定的吸附性，从而无论示踪剂为带有染色的液体或者是罩设反光的荧光粉末材质，均可实现吸附，便于工作人员后期观测复盘。

第二方面：本申请公开一种电解水制氢可视化装置的测试方法，采用实施例1或实施例2中公开的结构进行测试：

参照图1-9，具体地，测试方法以碱性电解水制氢为例，左板、右板材质选为高透亚克力板，示踪工具选蓝色墨水为示踪剂，以左板侧（简称左侧）为阳极反应区，右板侧（简称左侧）为阴极反应区，具体测试方法如下：

S1、对可视化装置的密封性等相关参数进行检测；

在完成S1步骤后进行S2、通液；在通液过程中，将适量蓝色墨水在阴、阳极反应区电解液入口5处，快速脉冲注入电解液，电解液通过电解液入口5，经左、右侧导流槽3分别进入阳、阴极反应区；

然后将电源线分别接入左、右侧导电环支耳，检查无误后，打开电源；

阴极为析氢反应，产生的氢气随电解液经导流槽3汇聚于右侧的导气槽6与右出气孔4形成的通道内，再通过右出气孔4排出；

阳极为析氧反应，产生的氧气随电解液经导流槽3汇聚于左导气槽6与左出气孔4形成的通道内，再通过左出气孔4排出；

在反应过程中，可进行S3记录观测步骤，可通过观察阴、阳极反应区的示踪剂流动路径、分布状况，以观察阴、阳极反应区内气体、电解液的流向及流动均匀性等情况。

观测过程中，开启无影灯，便于更加准确的观测，同时也可架设摄像机进行拍摄记录，便于后期分析记录。

除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电解水制氢可视化装置，其特征在于：包括两个端板(1)，且两个所述端板(1)均为透明材质；

所述端板(1)上开设有中心反应区(2)以及导流槽(3)，其中一个端板(1)的一端开设有两个出气孔(4)以及电解液入口(5)，另一所述端板(1)上开设有与出气孔(4)对应设置的导气槽(6)；两个所述中心反应区(2)之间夹持有隔膜(7)以及扩散网(8)；

在其中一个所述端板(1)上设置有用于向电解液入口(5)喷射示踪剂的喷射装置(9)，所述扩散网(8)上设置有用于显示示踪剂痕迹的显示结构。

2.根据权利要求1所述的一种电解水制氢可视化装置，其特征在于：所述端板(1)上设置有水封线槽(10)，所述水封线槽(10)中嵌设有密封垫片(11)。

3.根据权利要求1所述的一种电解水制氢可视化装置，其特征在于：所述中心反应区(2)包括开设在端板(1)上的导电环槽(12)、用于嵌设扩散网(8)的极网槽(13)，所述导电环槽(12)包括嵌槽(14)以及支耳槽(15)，所述嵌槽(14)和极网槽(13)为同轴设置，所述极网槽(13)位于嵌槽(14)之内，且极网槽(13)槽深小于嵌槽(14)槽深，嵌槽(14)和极网槽(13)之间的高度差等于导电环的厚度，所述支耳槽(15)的槽深大于嵌槽(14)槽深。

4.根据权利要求3所述的一种电解水制氢可视化装置，其特征在于：所述导流槽(3)设置为两个，其中一个位于中心反应区(2)的一端并与其中一个出气孔(4)相连通，另一个位于中心反应区(2)的另一端，并与电解液入口(5)相连通。

5.根据权利要求3所述的一种电解水制氢可视化装置，其特征在于：所述支耳槽(15)中嵌设有支耳垫片(16)。

6.根据权利要求1所述的一种电解水制氢可视化装置，其特征在于：所述喷射装置(9)包括可拆卸连接在端板(1)上的安装板(17)、固定在安装板(17)上的针筒(18)、设置在针筒(18)中的推料塞(19)、设置在安装板(17)上的气缸(20)，所述气缸(20)的活塞杆与推料塞(19)相连接，所述示踪剂装设在针筒(18)的料腔内。

7.根据权利要求1所述的一种电解水制氢可视化装置，其特征在于：所述显示结构包括间隔均匀开设在扩散网(8)侧壁上的凹槽(21)、设置在凹槽(21)内的示踪块(22)，所述示踪块(22)的材质与隔膜(7)的材质相同。

8.一种电解水制氢可视化装置的测试方法，采用如权利要求1-7任一一项所述的电解水制氢可视化装置进行测试，其特征在于：包括以下步骤：

预检查，检查可视化装置的密封性等相关性能；

通液，向电解液入口(5)同步通入电解液以及示踪剂，示踪剂通过脉冲式点喷；

记录、观测，开启无影灯，并进行人为观测。

9.根据权利要求8所述的一种电解水制氢可视化装置的测试方法，其特征在于：在记录步骤中同步架设摄像机进行拍摄记录，便于后期分析记录。