CN118028853A - 一种电解水制氢用电解槽 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电解水制氢用电解槽，包括槽体，槽体上设置有端板，阴极室，阳极室，阴极，阴极室导电性框体，阳极，阳极室导电性框体，导电性框体上均设置有供气体和电解液流过的通道，槽体的下方设置有电解液入口管，槽体的上方设置有氢气出口管和氧气出口管，阴极室和阳极室之间设置有绝缘层和隔膜层，每片阴极通过阴极电源接线柱与阴极电源螺栓连接，阴极电源螺栓连接直流电解电源的负极，每片阳极通过阳极电源接线柱与阳极电源螺栓连接，阳极电源螺栓连接直流电解电源的正极。本发明的电解槽，结构简单紧凑，没有双极板，建设投资省；阴极与阳极的间距小，电解效率高；流道结构简单、压降小，产生的气体不易滞留在电解槽中。
Description
技术领域
本发明涉及一种电解水制氢用电解槽。属于电解水制氢领域。
背景技术
为应对气候危机，低碳清洁能源的生产与应用日益受到关注。其中电解水制氢的生产过程清洁，无有毒有害副产物发生，是一种绿色制氢过程。
电解水制氢的关键核心设备是电解槽。电解槽的基本组成主要包括：电极板、扩散层、催化剂、隔膜。对于复极式电解槽，电极板在电解时为双极板，一侧是阴极，另一侧是阳极；对于单极式电解槽，电极板在电解时为单极板。电极板为金属材质，其作用是提供电子和物理隔离电解小室，电极板的材质为金属，表面镀有耐腐蚀涂层，如镍等。
例如，CN104711628提出一种单极式电解槽，电解槽主要包括外筒、内筒、氧气出口管、氢气出口管、碱液进液管、陶瓷密封组件、陶瓷绝缘组件和控制单元。通电运行时，在单极式电解槽内筒内产生氢气，在电解槽外筒与内筒之间产生氧气。陶瓷密封组件耐辐射和耐强碱腐蚀，适用于含氚重水处理，具有较长的使用寿命，并可降低设备成本投资。
CN104364425提出一种设备费用低、能够进行稳定电解的整体式双极性碱性水电解单元以及电解槽。每个电解单元具备：析氧用的由多孔质体构成的阳极；析氢用的阴极；分隔阳极和阴极的导电性隔壁；和包围导电性隔壁的外框；在导电性隔壁和/或外框的上部设置有气体和电解液的通过部，在导电性隔壁和/或外框的下部设置有电解液的通过部。
在碱性水电解中，为了提高性能，降低能量损失很重要。电解的能量损失包括阴极的过电压、阳极的过电压、隔膜的电阻损失、电解液导致的电阻损失、电解池的结构电阻导致的电阻损失等。若能够降低上述这些损失、改良电解单元的结构来提高电解电流密度,则设备可以小型化并能大幅节省投资成本。其中，电极板的重量和厚度在电解槽中的总重量和总占地面积占比较大，且电极板常存在酸碱腐蚀的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单紧凑，不需要电极板，电解槽阴阳极之间的间距小，欧姆电阻低，电解制氢效率高的电解水制氢用电解槽。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种电解水制氢用电解槽，包括槽体，其特征在于：所述槽体的两端设置有端板，所述槽体内依次交错排布有阴极室和阳极室，所述阴极室包括两片阴极，且两片阴极之间形成有空腔，两片所述阴极之间设置有阴极室导电性框体，所述阳极室包括两片阳极，且两片阳极之间形成有空腔，两片所述阳极之间设置有阳极室导电性框体，所述阴极室导电性框体和阳极室导电性框体分别位于对应空腔的两侧，且导电性框体上均设置有供气体和电解液流过的通道，所述槽体的下方设置有电解液入口管，槽体的上方设置有氢气出口管和氧气出口管，所述阴极室和阳极室之间设置有绝缘层和隔膜层，每片所述阴极通过阴极电源接线柱与阴极电源螺栓连接，所述阴极电源螺栓连接直流电解电源的负极，每片所述阳极通过阳极电源接线柱与阳极电源螺栓连接，所述阳极电源螺栓连接直流电解电源的正极。
作为优选，上述所述绝缘层设置于所述阴极室导电性框体和阳极室导电性框体之间，所述隔膜层设置于所述阴极与阳极之间。
作为优选，上述所述阴极，隔膜层和阳极依序紧贴排列，所述阴极与隔膜层的间距为0～2mm，隔膜层与阳极的间距为0～2mm。
作为优选，上述所述阴极和阳极为多孔结构的丝网、冲压多孔板、烧结毡、仿丝纤维其中的一种或多种组合。
作为优选，上述所述阴极和阳极的厚度均为0.1～10mm，孔隙率均为30％～70％，所述阴极表面设置有析氢反应催化剂层，所述阳极表面设置有析氧反应催化剂层。
作为优选，上述所述阴极的厚度为0.2～2mm，所述阳极的厚度为0.3～2mm。
作为优选，上述所述端板的厚度大于1cm。
作为优选，上述所述阴极和阳极的基体为不锈钢或镍或钛。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的电解槽，结构简单紧凑，没有双极板，建设投资省；阴极与阳极的间距小，电解效率高；流道结构简单、压降小，产生的气体不易滞留在电解槽中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施案例或现有技术中的技术方案，下面将对实施案例或现有技术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发明的一些实施案例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种电解水制氢用电解槽的结构示意图；
图2为本发明一种电解水制氢用电解槽的气液相流道图；
图3本发明一种电解水制氢用电解槽中阴极室和阳极室交错排列图。
图中：1-阴极；2-阳极；3-隔膜层；4-阴极室；5-阳极室；6-阴极电源接线柱；7-阳极电源接线柱；8-端板；9-电解液入口管；10-氢气出口管；11-氧气出口管；12-阴极室导电性框体；13-绝缘层；14-阳极室导电性框体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-3所示，一种电解水制氢用电解槽，包括槽体，槽体的两端设置有端板8，槽体内依次交错排布有阴极室4和阳极室5，阴极室4包括两片阴极1，且两片阴极1之间形成有空腔，两片阴极1之间设置有阴极室导电性框体12，阳极室5包括两片阳极2，且两片阳极2之间形成有空腔，两片阳极2之间设置有阳极室导电性框体14，阴极室导电性框体12和阳极室导电性框体14分别位于对应空腔的两侧，且导电性框体上均设置有供气体和电解液流过的通道，槽体的下方设置有电解液入口管9，槽体的上方设置有氢气出口管10和氧气出口管11，阴极室4和阳极室5之间设置有绝缘层13和隔膜层3，每片阴极1通过阴极电源接线柱6与阴极电源螺栓连接，阴极电源螺栓连接直流电解电源的负极，每片阳极2通过阳极电源接线柱7与阳极电源螺栓连接，阳极电源螺栓连接直流电解电源的正极。
工作时，电解液经电解液入口管9分别流入阴极室4和阳极室5，电解产生的氢气经氢气出口管10流出电解槽，去下游的气液分离器，产生的氧气经氧气出口管11流出电解槽，去下游的气液分离器。本发明的电解槽，结构简单紧凑，没有双极板；阴极1与阳极2的间距小，电解效率高；流道结构简单、压降小，产生的气体不易滞留在电解槽中。
进一步地，绝缘层13设置于阴极室导电性框体12和阳极室导电性框体14之间，隔膜层3设置于阴极1与阳极2之间，阴极1，隔膜层3和阳极2依序紧贴排列，阴极1与隔膜层3的间距为0～1mm，隔膜层3与阳极2的间距为0～1mm。上述设计中，间距优选为0mm，这样电解效率更高更稳定。
进一步地，阴极和阳极为多孔结构的丝网、冲压多孔板、烧结毡、仿丝纤维其中的一种或多种组合，阴极和阳极的厚度均为0.1～10mm，孔隙率均为30％～70％，阴极表面设置有析氢反应催化剂层，阳极表面设置有析氧反应催化剂层，阴极的厚度为0.2～2mm，阳极的厚度为0.3～2mm，端板的厚度大于1cm，阴极和阳极的基体为不锈钢或镍或钛。
具体地，上述阴极和阳极表面还可设置有催化剂，催化剂分为主剂和助剂，其中主剂为镍、氧化镍、或其他化合物，助剂为除镍外的其他元素，包括Mo、W、P等中的一种或几种。主剂与助剂混合均匀或形成合金，催化剂层的厚度为50μm～200μm，催化剂颗粒大小为1～10μm，通过喷涂、涂覆或电化学沉积等方式均匀分布在阴极和阳极表面。
下面将通过实施例来进一步说明本发明，但是本发明并不因此而受到任何限制。
实施例1
使用5个如具体实施方式中相同的单元(见图1)，组装成电解单元，两端配置端板8，每个电解单元连接阴极电源接线柱6和阳极电源接线柱7，形成电解槽。阴极1和阳极2的直径均为120mm，面积为0.0113m2，阴极1和隔膜之间的距离为0.2mm，阳极2和隔膜层3之间的距离为0.2mm，阴极1、隔膜层3和阳极2采用固定连接，且阴极1与阳极2之间有聚四氟材料垫片进行绝缘。在电解槽的外部安装了电解液入口管9，氢气出口管10，氧气出口管11。阴极1和阳极2的材质为50目镍丝网，隔膜层3采用聚苯硫醚改性复合膜。电解液为25％～30％KOH溶液，采用可调电解电源对电解槽进行电解，调节电流的大小，使电流密度为2000A。
实施例2
同实施例1一样，区别在于调节电流的大小，使电流密度为4000A。
对比例1
含有双极板的电解槽，阴极和阳极的直径120mm，面积0.0113m2，6个电解小室串联，阴极和阳极的材质为50目镍丝网，隔膜层3采用聚苯硫醚改性复合膜。电解液为25％～30％KOH溶液，调节电流的大小，使电流密度为2000A。
上述实施例1和2以及对比例的实验结果见表1。
表1
通过上述实施例和对比例，以及表1可知，本发明的电解槽，结构简单紧凑，主要没有双极板，建设投资省，电解槽的重量也更轻；同时，阴极与阳极的间距小，电解效率也更高。
以上结合附图对本发明的实施方式作详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种电解水制氢用电解槽，包括槽体，其特征在于：所述槽体的两端设置有端板，所述槽体内依次交错排布有阴极室和阳极室，所述阴极室包括两片阴极，且两片阴极之间形成有空腔，两片所述阴极之间设置有阴极室导电性框体，所述阳极室包括两片阳极，且两片阳极之间形成有空腔，两片所述阳极之间设置有阳极室导电性框体，所述阴极室导电性框体和阳极室导电性框体分别位于对应空腔的两侧，且导电性框体上均设置有供气体和电解液流过的通道，所述槽体的下方设置有电解液入口管，槽体的上方设置有氢气出口管和氧气出口管，所述阴极室和阳极室之间设置有绝缘层和隔膜层，每片所述阴极通过阴极电源接线柱与阴极电源螺栓连接，所述阴极电源螺栓连接直流电解电源的负极，每片所述阳极通过阳极电源接线柱与阳极电源螺栓连接，所述阳极电源螺栓连接直流电解电源的正极。
2.根据权利要求1所述的一种电解水制氢用电解槽，其特征在于：所述绝缘层设置于所述阴极室导电性框体和阳极室导电性框体之间，所述隔膜层设置于所述阴极与阳极之间。
3.根据权利要求2所述的一种电解水制氢用电解槽，其特征在于：所述阴极，隔膜层和阳极依序紧贴排列，所述阴极与隔膜层的间距为0～2mm，隔膜层与阳极的间距为0～2mm。
4.根据权利要求1所述的一种电解水制氢用电解槽，其特征在于：所述阴极和阳极为多孔结构的丝网、冲压多孔板、烧结毡、仿丝纤维其中的一种或多种组合。
5.根据权利要求4所述的一种电解水制氢用电解槽，其特征在于：所述阴极和阳极的厚度均为0.1～10mm，孔隙率均为30％～70％，所述阴极表面设置有析氢反应催化剂层，所述阳极表面设置有析氧反应催化剂层。
6.根据权利要求5所述的一种电解水制氢用电解槽，其特征在于：所述阴极的厚度为0.2～2mm，所述阳极的厚度为0.3～2mm。
7.根据权利要求1所述的一种电解水制氢用电解槽，其特征在于：所述端板的厚度大于1cm。
8.根据权利要求1所述的一种电解水制氢用电解槽，其特征在于：所述阴极和阳极的基体为不锈钢或镍或钛。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20240514 |