CN117926292A - 螺旋板式电解槽和电解水制氢的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电解设备技术领域，公开了一种螺旋板式电解槽和电解水制氢的方法，所述电解槽包括螺旋体，所述螺旋体由第一电极组件和第二电极组件平行卷绕以形成用于发生还原反应的螺旋形阴极室和用于发生氧化反应的螺旋形阳极室；所述第一电极组件包括依次堆叠设置的阳极板、阳极电极、隔膜和阴极电极，所述第二电极组件为阴极板；所述电解槽还包括与所述螺旋形阴极室和螺旋形阳极室分别连通的电解质进口、与螺旋形阴极室连通的氢气出口以及与螺旋形阳极室连通的氧气出口。该电解槽具有单台产气量高的特点并且能够适用于不同产气量需要。相比于传统的多室电解槽，大幅降低电解槽的体积和重量。

Description

螺旋板式电解槽和电解水制氢的方法

技术领域

本发明涉及电解设备技术领域，具体涉及一种螺旋板式电解槽和电解水制氢的方法。

背景技术

当前，碱性电解水制氢在行业中占主导地位，并以高产气量为主攻方向。碱性电解槽作为碱性电解水制氢的关键设备，其结构、性能的升级就显得尤为重要。国内碱式电解槽绝大多数是拉杆式圆柱形/方形电解槽，电极基底为镍网，催化剂为镍基合金，隔膜为聚苯硫醚（PPS）膜，包括数十甚至上百个电解小室，由拉紧螺杆和端板把这些电解小室压在一起形成圆柱状/方形，每个电解小室以相邻的2个极板为分界，包括正负双极板、阳极电极、隔膜、密封垫圈、阴极电极6个部分。电解槽内装入电解质，隔膜将槽体分成阴、阳两室，通直流电后阴极和阳极分别产生氧气和氢气。

现有碱性电解槽极板整体采用金属板材，主极板与极框经焊接成型，并通过“堆量方案”（增加电解小室数、增大电极面积）来增大产气量，随着电解小室、电极面积的不断增加，使得碱性电解槽的体积和重量越来越大，例如：1000Nm³/h碱性电解槽长度可达6米以上，重量超过40吨，目前碱性电解槽的规模已做到2000Nm³，随着对于产气量的要求增大，面临诸多问题。其一，电解槽尺寸过大、重量过重将引起拉紧螺杆变形，导致电解槽密封性变差，进而造成氢气纯度降低；其二，多小室的存在使得电解槽的泄露点增多，氢气纯度降低；其三，大尺寸的电解槽的生产、运输与维护成本过高；其四，限制了单槽产氢量的突破。

因此，开发效率更高、尺寸更小的电解槽对于增大产气量、提高氢气纯度具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的大产气量电解槽尺寸大，产氢效率低、单槽产气量受限的问题，提供一种螺旋式电解槽和电解水制氢的方法，该电解槽具有较大的电极面积，可大大增加单台电解槽的产气量。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种螺旋板式电解槽，所述电解槽包括螺旋体，所述螺旋体由第一电极组件和第二电极组件平行卷绕以形成用于发生还原反应的螺旋形阴极室24和用于发生氧化反应的螺旋形阳极室19；所述第一电极组件包括依次堆叠设置的阳极板20、阳极电极21、隔膜22和阴极电极23，所述第二电极组件为阴极板25；

所述电解槽还包括与所述螺旋形阴极室24和螺旋形阳极室19分别连通的电解质进口10、与螺旋形阴极室24连通的氢气出口5以及与螺旋形阳极室19连通的氧气出口1。

本发明另一方面提供一种电解水制氢的方法，包括：在直流电作用下，将电解质送入上述螺旋板式电解槽；优选地，所述电解质为碱性水溶液。

通过上述技术方案，本发明提供的电解槽通过第一电极组件和第二电极组件平行卷绕以形成用于发生还原反应的螺旋形阴极室和用于发生氧化反应的螺旋形阳极室，在相同体积下，可大幅增加电极面积，从而增加单台电解槽的产气量。进一步地，可以通过调整螺旋圈数来调控电极面积，以适用于不同产气量需要。相比于传统的多室电解槽，可降低生产成本、简化生产工序、减小同样产气量下电解槽的体积和重量。除此之外，阴极室和阳极室分别设置电解质进口，阴极室和阳极室分开进液，能够进一步减少灌装电解质的时间，提高电解槽的产气纯度。

附图说明

图1是本发明一种实施方式中的电解槽的整体结构示意图；

图2是本发明一种实施方式中的电解槽的透视图；

图3是本发明一种实施方式中的电解槽的图2中区域I的放大图；

图4是本发明中电解槽沿A-A面的结构示意图。

附图标记说明

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参照附图所示的方位。“内、外”是指相对于各部件本身轮廓的内外。

本发明第一方面提供一种螺旋板式电解槽，所述电解槽包括螺旋体，所述螺旋体由第一电极组件和第二电极组件平行卷绕以形成用于发生还原反应的螺旋形阴极室24和用于发生氧化反应的螺旋形阳极室19；所述第一电极组件包括依次堆叠设置的阳极板20、阳极电极21、隔膜22和阴极电极23，所述第二电极组件为阴极板25；

所述电解槽还包括与所述螺旋形阴极室24和螺旋形阳极室19分别连通的电解质进口10、与螺旋形阴极室24连通的氢气出口5以及与螺旋形阳极室19连通的氧气出口1。

根据本发明，本发明中电解槽的透视图如图2所示，通过第一电极组件和第二电极组件从螺旋体的中心向到螺旋体的外周平行卷绕以形成用于发生还原反应的螺旋形阴极室和用于发生氧化反应的螺旋形阳极室，本发明对于所述第一电极组件和第二电极组件的卷绕圈数没有特别的限定，可以根据实际需要进行选择。可以理解的是，在相同体积下，本发明提供的电解槽以螺旋体卷绕的方式设置的电极组件能够大幅增加电极有效面积，从而增加单台电解槽的产气量。通过改变第一电极组件和第二电极组件的螺旋圈数可以灵活调节不同的电极面积，以适用于不同的实验和生产需求以及不同产气量的需要。所述电解槽可以为卧式或立式设置，本发明对此没有特别的要求。

根据本发明，所述第一电极组件包括依次堆叠设置的阳极板20、阳极电极21、隔膜22和阴极电极23，所述第二电极组件为阴极板25。在电解槽运行过程中，在直流电的作用下，在阴极电极23一侧的水分子得到电子发生还原反应析出氢气，氢氧根离子在电场和氢氧根浓度差的作用下穿过隔膜22到达阳极电极21，失去电子发生氧化反应，生成氧气和水。

本发明对于所述阳极板20、阳极电极21、隔膜22、阴极电极23以及阴极板25的材质没有特别的限定，可以采用本领域常规的电极和隔膜材料进行。

根据本发明一些优选的实施方式，所述阳极板和阴极板的材质可以各自独立地为不锈钢和碳钢镀镍等。

优选地，所述阳极电极和阴极电极可以各自独立地选自纯镍网和/或泡沫镍，所述阳极电极表面还可以喷涂有催化材料，只要有利于氧化还原反应的进行即可，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

所述隔膜例如可以选自石棉隔膜、聚苯硫醚（PPS）隔膜、聚苯硫醚（PPS）涂覆无基层的复合膜、聚四氟乙烯树脂改性石棉隔膜、聚醚醚酮纤维隔膜、聚砜纤维隔膜等。

根据本发明，所述外壳体7设置有与所述螺旋形阴极室24与螺旋形阳极室19分别连通的电解质进口10，电解质从电解质进口10分别进入阳极室19和阴极室24，沿着螺旋通道由内向外充满整个电解槽。本发明对于所述电解质进口10的个数没有特别的限定，可以设置一个电解质入口分别与螺旋形阴极室和螺旋形阳极室连通，也可以设置有两个电解质入口，各自独立地与螺旋形阴极室和螺旋形阳极室连通，优选情况下，电解质进口10的个数为至少2个，以满足阴极室和阳极室分开进液，采用上述优选的实施方式，既有利于减少灌装电解质的时间，又可提高电解槽的产气纯度。

根据本发明一些优选的实施方式，所述电解质为碱性水溶液，例如可以为质量分数为30%的KOH溶液。

根据本发明一些优选的实施方式，所述阳极板20上设置有通孔，使得阳极电极21上电解出的氧气通过通孔进入阳极室19中。本发明对于所述通孔的大小和数量没有特别的限定，以能够有利于氧气通过且使得阳极板具有一定的机械强度为准。优选情况下，所述阳极板的通孔直径为0.01 mm-10 mm，通孔密度为300-800个/m²。

根据本发明一些优选的实施方式，第一电极组件和第二电极组件的卷绕间距为1-15 mm，优选为1-5 mm。控制卷绕间距在上述优选范围内，有利于减小相同产气量的电解槽体积。

根据本发明，优选地，所述第一电极组件和/或第二电极组件上设置有使第一电极组件和第二电极组件的卷绕相互隔开的支撑件18；所述支撑件18为定距柱。采用上述支撑件结构既保证了螺旋通道间距均匀，又有支撑电极和隔膜的作用，同时还有利于降低极室内部构件的接触电阻。

本发明对于所述定距柱的具体规格和排列方式没有特别的限定，可以根据实际需要进行调整，以满足上述卷绕间距为准。需要说明的是，为了避免阳极板和阴极板之间发生短路，应避免定距柱同时与阴极板和阳极板相抵接，如图3所示，优选情况下，设置在第二电极组件上的定距柱与第一电极组件相抵接，设置在第一电极组件上的定距柱不与第二电极组件接触，优选地，第一电极组件上的定距柱的端部与第二电极组件间距为1-5mm。可以理解的是，在电解槽制造过程中，可以通过在第一电极组件上的定距柱的端部增设临时垫片的方式保证第一电极组件和第二电极组件的卷绕间距，在卷绕完成后去除临时垫片。

优选地，所述定距柱的排列方式采用正三角形、转角正三角形、正方形或转角正方形排列中的任意一种，任意两个定距柱之间的间距为80-200 mm。

根据本发明一些优选的实施方式，所述第一电极组件中，阳极板20、阳极电极21、隔膜22和阴极电极23通过固定组件一11连接密封。

所述固定组件一11可以为绝缘紧固件和/或密封垫片。

根据本发明一些优选的实施方式，所述螺旋体的轴向中心设置有第一隔板12和第二隔板14，第一隔板12与第一电极组件卷绕的一端通过焊接连接，第二隔板14与第二电极组件卷绕的一端通过焊接连接，以使得阴极室24和阳极室19不互通。

优选地，所述第一隔板12和第二隔板14之间设置绝缘密封垫片13，通过绝缘螺栓16加紧并绝缘。

根据本发明一些优选的实施方式，所述电解槽包括套设在所述螺旋体外部的外壳体7，所述外壳体7的形状优选为圆柱体。

根据本发明一些优选的实施方式，第一电极组件的卷制端部通过固定组件二15与外壳体7的内壁加紧并绝缘；第二电极组件的卷制端部通过连接板17与外壳体7的内壁焊接连接。既简化了制造工序、又保证了尺寸偏差，并提高了密封性能。

根据本发明一些优选的实施方式，所述外壳体7的一端设置有与所述阳极板20抵接的上压板3，另一端设置有与所述阴极板25抵接的下压板8，上压板3和下压板8通过连接法兰和绝缘紧固件4与外壳体7固定。

优选地，所述上压板3和外壳体7的端部之间依次设置有绝缘密封盘根26和盘根支撑板27，电解槽外壳体的上下两端采用连接法兰通过绝缘紧固件4分别与上压板3和下压板8连接，螺旋板式电解槽的螺旋通道上下两端部采用耐温耐腐蚀的绝缘盘根进行密封，通过盘根支撑板对绝缘盘根进行支撑，既解决了极板与极板间的绝缘问题，又有效的保证了密封、提高了氢气的纯度。

优选情况下，上压板3和下压板8与外壳体7的两端的密封面为RF（Raised Face）凸面密封形式，既增加了对盘根的压紧力及密封性，又实现了检修可拆开检修的作用。既简化了制造工序、又保证了尺寸偏差，并提高了密封性能。

根据本发明一些优选的实施方式，所述上压板3设置有氢气流道28和氧气流道29，所述氢气出口5通过氢气流道28与螺旋形阴极室24连通，所述氧气出口1通过氧气流道29与螺旋形阳极室19连通。

根据本发明一些优选的实施方式，所述上压板3设置有阳极接线板2，所述外壳体7设置有阴极接线板9，以使得阳极板20和阴极板25之间形成通电回路。

根据本发明，所述外壳体7的侧壁上可以设置有至少两个耳座6，用于电解槽的支承固定，还可以设置成裙座，本发明对于所述耳座的型式和设置位置没有特别的限定，本领域技术人员可以根据实际安装需要进行选择支座型式和设置位置。

本发明第二方面提供一种电解水制氢的方法，所述方法包括：在直流电作用下，将电解质送入上述螺旋板式电解槽中进行电解。

优选地，所述电解质为碱性水溶液，可以为KOH和/或NaOH的水溶液。

优选地，所述碱性水溶液的质量分数为20-30%。

下面参考图1至图4说明本发明的电解水制氢的一种具体实施方式。

所述电解槽的整体结构示意图如图1所示，其中，采用质量分数为30%的KOH溶液作为电解质。将电解质通过电解质进口10分别送入阴极室24和阳极室19中，在直流电的作用下，在阴极电极23一侧的水分子得到电子发生还原反应析出氢气，氢氧根离子在电场和氢氧根浓度差的作用下穿过隔膜22到达阳极电极21，失去电子发生氧化反应，生成氧气和水。电解出的氧气夹带电解质一起通过氧气流道29收集后从氧气出口1流出电解槽，氢气夹带电解质通过氢气流道28收集后从氢气出口5流出电解槽。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种螺旋板式电解槽，其特征在于，所述电解槽包括螺旋体，所述螺旋体由第一电极组件和第二电极组件平行卷绕以形成用于发生还原反应的螺旋形阴极室（24）和用于发生氧化反应的螺旋形阳极室（19）；所述第一电极组件包括依次堆叠设置的阳极板（20）、阳极电极（21）、隔膜（22）和阴极电极（23），所述第二电极组件为阴极板（25）；

所述电解槽还包括与所述螺旋形阴极室（24）和螺旋形阳极室（19）分别连通的电解质进口（10）、与螺旋形阴极室（24）连通的氢气出口（5）以及与螺旋形阳极室（19）连通的氧气出口（1）。

2.根据权利要求1所述的电解槽，其中，所述阳极板（20）上设置有通孔，使得阳极电极（21）上电解出的氧气通过通孔进入阳极室（19）中；

所述阳极板的通孔直径为0.01 mm-10 mm，通孔密度为300-800个/m²。

3.根据权利要求1所述的电解槽，其中，所述第一电极组件和/或第二电极组件上设置有使第一电极组件和第二电极组件的卷绕相互隔开的支撑件（18）；所述支撑件（18）为定距柱；

所述定距柱的排列方式采用正三角形、转角正三角形、正方形或转角正方形排列中的任意一种，任意两个定距柱之间的间距为80-200 mm。

4. 根据权利要求1所述的电解槽，其中，第一电极组件和第二电极组件的卷绕间距为1-15 mm。

5.根据权利要求1所述的电解槽，其中，所述第一电极组件中，阳极板（20）、阳极电极（21）、隔膜（22）和阴极电极（23）通过固定组件一（11）连接密封；

所述固定组件一（11）为绝缘紧固件和/或密封垫片。

6.根据权利要求1所述的电解槽，其中，所述螺旋体的轴向中心设置有第一隔板（12）和第二隔板（14），第一隔板（12）与第一电极组件卷绕的一端通过焊接连接，第二隔板（14）与第二电极组件卷绕的一端通过焊接连接，以使得阴极室（24）和阳极室（19）不互通；

所述第一隔板（12）和第二隔板（14）之间设置绝缘密封垫片（13），通过绝缘螺栓（16）加紧并绝缘。

7.根据权利要求1所述的电解槽，其中，所述电解槽包括套设在所述螺旋体外部的外壳体（7），第一电极组件的卷制端部通过固定组件二（15）与外壳体（7）的内壁加紧并绝缘；

第二电极组件的卷制端部通过连接板（17）与外壳体（7）的内壁焊接连接。

8.根据权利要求1所述的电解槽，其中，所述外壳体（7）的一端设置有与所述阳极板（20）抵接的上压板（3），另一端设置有与所述阴极板（25）抵接的下压板（8），上压板（3）和下压板（8）通过连接法兰与外壳体（7）固定；

所述上压板（3）和外壳体（7）的端部之间依次设置有绝缘密封盘根（26）、和盘根支撑板（27）。

9.根据权利要求8所述的电解槽，其中，所述上压板（3）设置有阳极接线板（2）；所述下压板（8）设置有阴极接线板（9），以使得阳极板（20）和阴极板（25）之间形成通电回路；

所述外壳体（7）侧壁上还设置有至少两个耳座（6）。

10.根据权利要求8或9所述的电解槽，其中，所述上压板（3）设置有氢气流道（28）和氧气流道（29），所述氢气出口（5）通过氢气流道（28）与螺旋形阴极室（24）连通，所述氧气出口（1）通过氧气流道（29）与螺旋形阳极室（19）连通。

11.一种电解水制氢的方法，其特征在于，所述方法包括：在直流电作用下，将电解质送入权利要求1-10中任意一项所述的螺旋板式电解槽中进行电解；

所述电解质为碱性水溶液。