CN118028856B - 一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电解装置技术领域，公开了一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽，所述零间隙电解槽的电解单元包括分别作为阴极和阳极的两个极板、位于两个极板之间将两个极板分隔的隔膜和内设气体通道的植物维管束仿生结构，所述极板朝向所述隔膜的一侧设有若干反应流道，所述植物维管束仿生结构充满所述反应流道，所述植物维管束仿生结构包括疏水的气体通道和设在所述气体通道外侧的弹性催化元件，所述弹性催化元件与所述隔膜紧密贴合没有间隙；所述植物维管束仿生结构的出气端延伸到所述电解槽的电解单元外，所述出气端延伸至所述电解单元的出口。本发明避免气体在催化剂与隔膜间形成气泡导致间隙增大，又减少了气体在隔膜之间发生渗透的几率，还防止出现大量气泡充斥整个小室。
Description
技术领域
本发明属于电解装置技术领域，具体涉及一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽。
背景技术
碱性电解槽制氢是较成熟的电解制氢技术。在现有技术中，碱性电解水制氢设备是由多个螺杆穿过两个端压板将多个双极板进行挤压限位，如图8所示，相邻两个极板1之间所形成的空腔为电解槽的小室，而电极8位于电解槽的小室内，通过电极上的催化剂促进电解反应发生，而正负极板1的小室之间通过隔膜3分隔，隔膜3常采用多孔膜。但现有技术还具有下列缺陷。
该类电解槽在反应过程中，产生的氢气和氧气等气体与液体一同流动，而生成的气体与原液体相比体积明显增大，因此会导致以下缺陷：
1.传统的碱性电解水制氢催化剂往往采用热喷涂或等离子喷涂工艺负载在极板1上，反应过程中产生气体造成流道中压力增大，导致催化剂涂层难以与所述隔膜3贴合严实，增大了二者间的间距，造成较高的溶液电阻和能量损失。
2.传统的碱性电解水制氢所述隔膜3往往采用多孔膜，如聚苯硫醚编制膜或复合膜。如果催化剂与所述贴合过紧，产生的气体容易透过所述扩散到膜对面，导致气体不纯，增加纯化成本，并有可能导致爆炸风险。
3.传统的碱性电解水制氢电解槽宽载荷运行时，尤其是低载荷运行，氢气容易透过所述扩散散到氧气侧，容易导致紧急关机或安全事故。
4.传统的碱性电解水制氢电解槽运行时，气泡充斥整个小室，尤其是小室的上半部分气泡浓度较高，造成电极8上电流分布不均，这会导致电解槽使用一定时间后可靠性降低，电解槽寿命衰减。
5.现有的零间隙碱性电解槽结构复杂，如采用弹性保持元件，通过螺旋形、管型或环形的弹性结构将电极8和隔膜3压紧，形成零间隙结构。但这类电解槽结构复杂、材料防腐蚀成本增大，经济性较低。
发明内容
本发明目的是提供一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽，以解决现有技术中结构复杂、材料防腐蚀成本较大，以及无法避免在反应的小室内形成气泡，导致电流密度分布不均的技术问题。
所述的一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽，包括若干串联设置的电解单元，所述电解单元通过压紧结构压紧固定，所述电解单元包括分别作为阴极和阳极的两个极板、位于两个极板之间将两个极板分隔的隔膜和密封结构，所述电解单元内设气体通道的植物维管束仿生结构，所述极板朝向所述隔膜的一侧设有若干反应流道，所述植物维管束仿生结构充满所述反应流道，所述植物维管束仿生结构包括疏水的气体通道和设在所述气体通道外侧的弹性催化元件，所述弹性催化元件与所述隔膜紧密贴合没有间隙；所述植物维管束仿生结构的出气端延伸到所述电解槽的电解单元外，所述出气端延伸至所述电解单元的出口。
优选的，所述气体通道为疏水多孔的纤维束或由所述纤维束组成的织物，所述弹性催化元件与所述气体通道组合形成植物维管束仿生结构，所述气体通道实现气体的快速扩散。
优选的，所述纤维束为疏水多孔纤维束，所述纤维束的材质为聚苯硫醚、聚砜、聚四氟乙烯中的任意一种。
优选的，所述植物维管束仿生结构具有弹性，在被压紧之前，所述植物维管束仿生结构的侧面从所述反应流道凸出。
优选的，所述弹性催化元件与所述气体通道组合为层状结构，所述层状结构再卷绕形成具有弹性的植物维管束仿生结构。
优选的，所述层状结构包括所述气体通道排布形成连续的通道层，所述通道层上贴合一层所述弹性催化元件形成所述层状结构。
优选的，所述层状结构包括所述气体通道排布形成连续的通道层，所述通道层被两层所述弹性催化元件夹在中间形成所述层状结构。
优选的，所述气体通道有多组，所述弹性催化元件逐组卷绕包覆所述气体通道形成层状结构，所述气体通道位于弹性催化元件内，且相邻两组气体通道之间被所述弹性催化元件分隔。
优选的，所述弹性催化元件为多孔金属材料，多孔金属材料采用镍金属毡、镍合金毡、泡沫镍或镍网中的任意一种。
优选的，每个反应流道形成了次级电解单元，每个次级电解单元的一端均设有相应的出口，所述植物维管束仿生结构的出气端均对应延伸至相应的出口。
本发明具有以下优点：本方案设置反应流道从而在极板上分割出若干更小的电解单元。弹性催化元件采用多孔金属材料，因此能作为液体流场，同时疏水多孔的纤维束形成类似植物维管束的仿生结构，则能作为气体通道实现气、液流分离输送。如此，本方案让电解单元中产生的气体快速经所述气体通道输送到位于电解单元外的出气管。
由于气体通道具有疏水特性防止液体流入，而气体在气体通道中的扩散速度远快于液体在流道中的流速，因此产生的气体会快速被气体通道引导排出电解单元，既避免气体在催化剂与隔膜间聚集成气泡，增大压力形成间隙，又减少了气体在隔膜之间发生渗透的几率，还防止出现大量气泡充斥整个小室，导致小室内电极电流密度分布不均，缩减电解槽寿命。本发明对结构改动较小，结构上相对简单可靠，因此能用于工业电解水零间隙碱性电解槽的设计、生产。
附图说明
图1为本发明一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽中电解单元的示意图。
图2为图1所示结构在反应流道端部的示意图。
图3为图1所示结构中植物维管束仿生结构的结构示意图。
图4为图1所示结构中层状结构的第一种实施例的结构示意图。
图5为图1所示结构中层状结构的第二种实施例的结构示意图。
图6为图1所示结构中层状结构的第三种实施例的结构示意图。
图7为图1所示结构中极板采用双极板结构时的结构示意图。
图8为现有技术的电解槽中电解单元的示意图。
附图中的附图标记包括：1、极板，2、植物维管束仿生结构，3、隔膜，4、反应流道，5、出口，6、弹性催化元件，7、气体通道，8、电极。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1-图7所示，本发明提供了一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽，包括若干串联设置的电解单元，所述电解单元通过压紧结构压紧固定，所述电解单元包括分别作为阴极和阳极的两个极板1、位于两个极板1之间将两个极板1分隔的隔膜3和密封结构，所述电解单元内设气体通道7的植物维管束仿生结构2，所述极板1朝向所述隔膜3的一侧设有若干反应流道4，所述植物维管束仿生结构2充满所述反应流道4，所述植物维管束仿生结构2包括疏水的气体通道7和设在所述气体通道7外侧的弹性催化元件6，所述弹性催化元件6具有促进电解反应的催化剂，所述弹性催化元件6与所述隔膜3紧密贴合没有间隙；所述植物维管束仿生结构2的出气端延伸到所述电解槽的电解单元外，所述出气端延伸至所述电解单元的出口5。
所述气体通道7为疏水多孔的纤维束或由所述纤维束组成的织物，所述弹性催化元件6与所述气体通道7组合形成植物维管束仿生结构2，其中气体通道7起到类似植物的维管束的作用，实现气体的快速扩散，同时基于其疏水特性避免液体进入气体通道7。本实施例采用的所述纤维束为疏水聚苯硫醚多孔纤维束，此外也可以采用聚砜、聚四氟乙烯等材质的疏水纤维束。
所述弹性催化元件6为多孔金属材料，多孔金属材料采用镍金属毡、镍合金毡、泡沫镍或镍网中的任意一种。多孔金属材料具有一定弹性，因此围绕气体通道7组合后形成的植物维管束仿生结构2具有一定弹性，在被压紧之前其侧面从所述反应流道4凸出，组装电解槽时被所述隔膜3压紧并与所述隔膜3零间隙紧密贴合。
所述弹性催化元件6与所述气体通道7组合为层状结构，所述层状结构再卷绕形成具有弹性的植物维管束仿生结构2。所述层状结构包括以下三种结构。第一种：所述气体通道7排布形成连续的通道层，通道层可以通过若干纤维束排布形成也可以直接用织物裁剪形成，所述通道层上贴合一层所述弹性催化元件6形成所述层状结构。第二种：与第一种卷绕结构相似，所述气体通道7排布形成连续的通道层，所述通道层被两层所述弹性催化元件6夹在中间形成所述层状结构。第三种：所述气体通道7有多组，所述弹性催化元件6逐组卷绕包覆所述气体通道7形成层状结构，即气体通道7位于弹性催化元件6内，且相邻两组气体通道7之间被所述弹性催化元件6分隔。
所述极板1朝向隔膜3一侧与所述隔膜3直接零间隙接触，所述反应流道4有若干条并且相互平行排列，这样每个反应流道4形成了电解单元中更小的次级电解单元，每个次级电解单元的一端均设有相应的出口5，植物维管束仿生结构2的所述出气端均对应延伸至相应的出口5。所述隔膜3为多孔膜。除位于两端的极板1外，各个极板1为双极板1，所述双极板1的两侧均与相应电解单元中的隔膜3相对。此外，本实施例中电解槽采用方形结构，相应的极板1和隔膜3的形状均为方形。
具体应用时，还需要注意极板1和流道的形状参数对具体反应的影响，反应流道4的尺寸影响反应效率，这方面的主要参数包括流道宽度a、流道深度h、流道间距c和极板1厚度b(对双极板1而言，极板1厚度为双极板1两侧反应流道4间的距离)。此外，弹性催化元件6的厚度、弹性催化元件6与所述气体通道7的组合结构，气体通道7和弹性催化元件6之间的搭配比例(即二者相对占比多少)，所用纤维束或织物的材质、孔隙率、厚度这些因素都会对电解槽的性能造成影响，其中植物维管束仿生结构2对生成气体在扩散时所受的阻力及其形成气泡的大小数量均有影响。
在实施前进行优化的测试中需要对下列参数进行试验检测，从而对上述因素进行优化。检测的参数包括：1.不同条件下电解槽运行过程中，表示电流密度和过电势关系的线性伏安曲线(LSV)；2.不同条件下相邻小室的温度；3.不同条件下相邻极板1间的电压；4.不同条件下气体出口5的气液比例和液体的pH值5；不同条件下，电解槽阴极出气口输出的“氢气中氧气”的浓度以及阳极出气口输出的“氧气中氢气”的浓度。
采用本发明公开的方案后，电解槽在电解水的过程中，弹性催化元件6零间隙紧贴隔膜3，液体进入后在弹性催化元件6与隔膜3之间不断电解生成气体，这些气体在液体中渗透到疏水的气体通道7中，气体通道7让生成的气体沿自身快速扩散，由此将生成的气体快速输送到相应的出口5，输出所述电解单元。这种纤维束的输气速度远大于电解单元中的液体流速，因此能快速将生成的气体导出，避免大量气体在电解单元中聚集形成气泡。同时这种结构只是对催化结构和极板1结构改进，且极板1结构改进较小，相比于结构相对复杂的弹性保持元件，结构较为简单。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的发明构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽，包括若干串联设置的电解单元，所述电解单元通过压紧结构压紧固定，所述电解单元包括分别作为阴极和阳极的两个极板(1)、位于两个极板(1)之间将两个极板(1)分隔的隔膜(3)和密封结构，其特征在于：所述电解单元还包括内设气体通道(7)的植物维管束仿生结构(2)，所述极板(1)朝向所述隔膜(3)的一侧设有若干反应流道(4)，所述植物维管束仿生结构(2)充满所述反应流道(4)，所述植物维管束仿生结构(2)包括疏水的气体通道(7)和设在所述气体通道(7)外侧的弹性催化元件(6)，所述弹性催化元件(6)与所述隔膜(3)紧密贴合没有间隙；所述植物维管束仿生结构(2)的出气端延伸到所述电解槽的电解单元外，所述出气端延伸至所述电解单元的出口(5)。
2.根据权利要求1所述的一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽，其特征在于：所述气体通道(7)为疏水多孔的纤维束或由所述纤维束组成的织物，所述弹性催化元件(6)与所述气体通道(7)组合形成植物维管束仿生结构(2)，所述气体通道(7)实现气体的快速扩散。
3.根据权利要求2所述的一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽，其特征在于：所述纤维束为疏水多孔纤维束，所述纤维束的材质为聚苯硫醚、聚砜、聚四氟乙烯中的任意一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽，其特征在于：所述植物维管束仿生结构(2)具有弹性，在被压紧之前，所述植物维管束仿生结构(2)的侧面从所述反应流道(4)凸出。
5.根据权利要求4所述的一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽，其特征在于：所述弹性催化元件(6)与所述气体通道(7)组合为层状结构，所述层状结构再卷绕形成具有弹性的植物维管束仿生结构(2)。
6.根据权利要求5所述的一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽，其特征在于：所述层状结构包括所述气体通道(7)排布形成连续的通道层，所述通道层上贴合一层所述弹性催化元件(6)形成所述层状结构。
7.根据权利要求5所述的一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽，其特征在于：所述层状结构包括所述气体通道(7)排布形成连续的通道层，所述通道层被两层所述弹性催化元件(6)夹在中间形成所述层状结构。
8.根据权利要求5所述的一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽，其特征在于：所述气体通道(7)有多组，所述弹性催化元件(6)逐组卷绕包覆所述气体通道(7)形成层状结构，所述气体通道(7)位于弹性催化元件(6)内，且相邻两组气体通道(7)之间被所述弹性催化元件(6)分隔。
9.根据权利要求1所述的一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽，其特征在于：所述弹性催化元件(6)为多孔金属材料，多孔金属材料采用镍金属毡、镍合金毡、泡沫镍或镍网中的任意一种。
10.根据权利要求1所述的一种具有植物维管束仿生结构的零间隙电解槽，其特征在于：每个反应流道(4)形成了次级电解单元，每个次级电解单元的一端均设有相应的出口(5)，所述植物维管束仿生结构(2)的出气端均对应延伸至相应的出口(5)。
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