CN118186425A - 弹性支撑组件及电解装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种弹性支撑组件及电解装置，电解装置包括极板、边框以及电极，极板与边框结合形成电极反应腔，电极设置于电极反应腔内并与极板之间存在间隙；弹性支撑组件设置于间隙内，且与极板和电极紧密接触，其中，弹性支撑组件的相对两侧分别用于与极板和电极相抵接，弹性支撑组件上设置有多个通孔，各通孔相连通并形成流道结构，弹性支撑组件的孔隙率大于或者等于90％。采用该弹性支撑组件及电解装置，能够同时解决电解装置内部接触电阻过大、气液流动阻力大，以及电解装置组装工艺苛刻的问题。

Description

弹性支撑组件及电解装置

技术领域

本申请涉及电解水制氢与电解槽领域，特别是涉及一种弹性支撑组件及电解装置。

背景技术

近年来随着可再生能源成本逐步降低，可再生能源制氢需求大幅提升。电解槽是电解水制氢的核心装备。在电解水制氢过程，电解液连续流过电解槽，发生电化学反应产生氢气、氧气后，会通过流道结构将气液两相流引出电解槽。

然而，受电解槽结构限制，现有的流道结构设计会导致电解槽存在内部接触电阻过大、气液流动阻力大以及电解槽组装工艺苛刻的问题，不利于推广使用。

发明内容

本申请提供一种弹性支撑组件及电解装置，能够同时解决电解装置内部接触电阻过大、气液流动阻力大以及电解装置组装工艺苛刻的问题。

一方面，根据本申请实施例提出了一种弹性支撑组件，用于电解装置，所述电解装置包括极板、边框以及电极，所述极板与所述边框结合形成电极反应腔，所述电极设置于所述电极反应腔内并与所述极板之间存在间隙；所述弹性支撑组件设置于所述间隙内，且与极板和电极紧密接触，其中，所述弹性支撑组件的相对两侧分别用于与所述极板和所述电极相抵接，所述弹性支撑组件上设置有多个通孔，各所述通孔相连通并形成流道结构，所述弹性支撑组件的孔隙率大于或者等于90％

根据本申请实施例的一个方面，所述弹性支撑组件设置为板体，所述板体往复弯折形成凸部和凹部，所述凸部和所述凹部中的一者与所述极板相抵接，另一者与所述电极相抵接。

根据本申请实施例的一个方面，所述板体由金属丝编织形成，所述金属丝之间围合形成所述通孔；或者，所述板体设置为实心板，且在所述板体上开设有多个所述通孔。

根据本申请实施例的一个方面，所述金属丝包括延伸方向相交的第一连接丝和第二连接丝，所述第一连接丝和所述第二连接丝共面设置并围合形成所述通孔。

根据本申请实施例的一个方面，所述第一连接丝可设置为一体式结构，各所述第一连接丝由一端的所述第二连接丝依次连接至另一端的所述第二连接丝；或者，所述第一连接丝包括沿其延伸方向间隔设置的多个连接段，每个所述连接段与均与若干所述第二连接丝相连，相邻两个所述第一连接丝的所述连接段沿所述延伸方向至少部分交叠设置。

根据本申请实施例的一个方面，所述凸部和所述凹部设置为条状结构，且所述凸部和所述凹部平行设置。

根据本申请实施例的一个方面，所述弹性支撑组件内的所述凸部与所述凹部沿同一方向交替排布；或者，所述弹性支撑组件具有相接设置的第一区域和第二区域，第一区域内所述凸部与所述凹部的交替排布方向与第二区域内所述凸部与所述凹部的交替排布方向相交。

根据本申请实施例的一个方面，所述第一区域内的所述凸部与所述第二区域内的所述凸部对应相接，和/或，所述第一区域内的所述凹部与所述第二区域内的所述凹部对应相接。

根据本申请实施例的一个方面，所述弹性支撑组件为金属材质，包括不锈钢、镍、钛以及金属合金的至少一者。

另一方面，根据本申请实施例提出了一种电解装置，包括极板、电极以及上述任一实施例所述的弹性支撑组件，所述弹性支撑组件夹设于所述极板和所述电极之间。

极板本申请实施例所提供的弹性支撑组件，用于设置在电极板和电极之间，弹性支撑组件具有一定的弹性，使得在电解装置的组装过程中，压紧力有更多的弹性余量，使电解装置中部和边缘均能与电极和极板接触均匀，有效降低接触电阻。并且，利用弹性支撑组件弹性变形，在保证极板与催化电极之间良好接触，降低接触电阻的同时，增加电解装置安装过程的调节余量。进一步地，弹性支撑组件上设置有通孔且通孔的孔隙率大于等于90％，使流体传质阻力显著减小，从而能够同时解决电解装置内部接触电阻过大、气液流动阻力大以及电解装置组装工艺苛刻的问题，更便于使用。

另外，由于弹性支撑组件独立于极板和电极，单独成为电解装置的一个部件，便于拆卸更换与维护，对其它部件不造成影响。并且，通过弹性支撑组件变形，使电解装置板框间压紧力，与极板、弹性支撑组件、电极之间的压紧力，借助压紧力相互解耦途径，提升电解装置组装工艺可靠性。

附图说明

下面将参考附图来描述本申请示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本申请一个实施例提供的电解装置的导电机理的示意图；

图2是本申请一个实施例提供的电解小室的剖视图；

图3是本申请一个实施例提供的弹性支撑组件的结构示意图；

图4是本申请一个实施例提供的弹性支撑组件的剖视图；

图5是本申请另一个实施例提供的弹性支撑组件的结构示意图；

图6是本申请又一个实施例提供的弹性支撑组件的结构示意图。

附图中：

10-电解装置；

1-极板；2-弹性支撑组件；21-第一连接丝；211-连接段；22-第二连接丝；3-电极；4-隔膜；S1-凸部；S2-凹部；K-通孔；

X-第一方向。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本申请的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本申请造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本申请的拼接工装进行限定。在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

近年来随着可再生能源成本逐步降低，可再生能源制氢需求大幅提升。电解槽是电解水制氢的核心装备，以下称电解装置10。

请一并参阅图1和图2，图1为本申请一个实施例提供的电解装置10的导电机理的示意图，图2为本申请一个实施例提供的电解小室的剖视图。

本申请实施例提供了一种电解装置10，电解装置10主要由极板1、边框、隔膜4、电极3等部件循环叠加形成的多个电解小室串联而成，多个电解小室通过紧固螺栓组装成一个整体，各部分结构均承担着各自的功能和作用，共同完成电解水制氢的任务。

其中，以上涉及到的技术术语如下：

电解小室：由极板1、边框、电极3以及隔膜4等构成，在直流电的作用下，能将水电解生成氢气和氧气的最小单元。

极板1：位于一个完整的电解小室的两端，极板1与边框围合形成阴极区域和阳极区域的反应腔室，实现阴极电解液和阳极电解液的分流，一定程度上减小了氢中氧和氧中氢的含量，保证电解装置10运行的安全性。

电极3：电子或电器装置、设备中的一种部件，用做导电介质(固体、气体、真空或电解质溶液)中输入或导出电流的两个端。输入电流的一极叫阳极或正极，放出电流的一极叫阴极或负极。

隔膜4：电解反应时，用以将阴极和阳极分开防止在电解小室中直接反应损失能量的一层薄膜。

其中，电解装置10的主要原理是，在电解水制氢过程，电解液连续流过阴极区域和阳极区域的反应腔室，进行电解反应后，会在阳极产生氧气，在阴极产生氢气，气液两相会再通过流道结构引出电解装置10，从而完成电解水制氢。因此，如何设计和优化流道结构，使得气体快速流出电解装置10就显得尤为重要。

目前的流道结构主要有两种结构形式。

一种是直接在极板1上加工形成，比较常见的是乳突式流道和沟槽式流道，乳突式流道是在极板1上冲压形成凸起，沟槽式流道是在极板1上冲压形成凹槽，但受极板1的结构限制，流道结构的孔隙率有限，会使得流体流道阻力较大，不利于气体扩散，造成系统内阻较大，电压损耗高，电解槽产氢效率低下。

另一种是在极板1的表面上焊接或者捆绑有板网结构，再覆盖电极3，为保证板网结构的可靠性，板网结构包括主体框架以及设置于主体框架一侧的丝网，以通过主体框架实现支撑。其虽然能够在一定程度上提高流道结构的孔隙率，以使气体扩散，但由于主体框架的存在，孔隙率的提升也会受到限制。并且，采用将板网结构焊接或者捆绑在极板1上的形式，也增加了安装难度和制造成本，且不利于电解装置10的组装。

因此，现有技术中的流道结构，并不能兼顾电解装置10的组装以及气体扩散问题。对此，本申请实施例提出了一种新的流道结构的形成方式，以克服上述缺陷。

请参阅图2至图4，图3示出了本申请一个实施例提供的弹性支撑组件2的结构示意图，图4示出了本申请一个实施例提供的弹性支撑组件2的剖视图。

本申请实施例提供了一种弹性支撑组件2，用于电解装置，电解装置包括极板1、边框以及电极3，极板1与边框结合形成电极反应腔，电极3设置于电极反应腔内并与极板1之间存在间隙。弹性支撑组件2设置于间隙内，且与极板1和电极3紧密接触，其中，弹性支撑组件2的相对两侧分别用于与极板1和电极3相抵接，弹性支撑组件2上设置有多个通孔K，各通孔K相连通并形成流道结构，弹性支撑组件2的孔隙率大于或者等于90％。

在本申请实施例中，通过在极板1和电极3之间设置弹性支撑组件2，来利用弹性支撑组件2形成流道结构。弹性支撑组件2具有一定的弹性，使得在电解装置10的组装过程中，压紧力有更多的弹性余量，使电解装置10中部和边缘均能与电极3和极板1接触均匀，有效降低接触电阻。并且，利用弹性支撑组2件弹性变形，在保证极板1与催化电极3之间良好接触，降低接触电阻的同时，增加电解装置10安装过程的调节余量。进一步地，弹性支撑组件2上设置有通孔K且通孔K的孔隙率大于等于90％，使流体传质阻力显著减小，并且弹性可变形量增加。因此，上述弹性支撑组件2能够同时解决电解装置10内部接触电阻过大、气液流动阻力大以及电解装置10组装工艺苛刻的问题，更便于使用。

可以理解的是，弹性支撑组件2可以用于电解装置10并作为电解装置10的组成部分，当然，也可以作为独立的构件单独生产或者销售。由于弹性支撑组件2独立于极板1和电极3，单独成为电解装置10的一个部件，故其便于拆卸更换与维护，且在更换与维护时，无需改动电解装置10内其他部件的结构，对其他部件不造成影响。

由于弹性支撑组件2具有一定的弹性，故在进行电解装置10的组装时，可优先保证电解小室之间的压紧密封，以使得电解装置10能够加压操作。在电解小室内，在极板1和电极3的压紧下，弹性支撑组件2能够发生弹性变形，既保证极板1与电极3之间的良好接触，降低接触电阻，与此同时，还能够利用弹性支撑组件2弹性变形，使电解小室之间的压紧力与电解小室内的极板1、弹性支撑组件2以及电极3之间的压紧力相互解耦，彼此之间相互独立，从而提升电解装置10组装工艺的可靠性，提高电解装置10的制造效率。

可选地，当弹性支撑组件2沿第一方向X夹设于极板1和电极3之间时，弹性支撑组件2沿第一方向X在极板1上的正投影覆盖电极3沿第一方向X在极板1上的正投影，以进一步保证弹性支撑组件2的中部和边缘均能够与极板1和电极3接触均匀，有效降低接触电阻。

在一些可选地实施例中，弹性支撑组件2设置为板体，板体沿第一方向X往复弯折形成凸部S1和凹部S2，凸部S1和凹部S2中的一者与极板1相抵接，另一者与电极3相抵接。

即弹性支撑组件2采用波纹结构设计，故其能够利用波纹结构形成足够的骨架支撑力，并且具有一定的弹性，相较于现有技术中的板网结构，无需在弹性支撑组件2内额外设置主体框架即能够保证足够的支撑，从而能够大幅度提高了弹性支撑组件2的孔隙率，以使得弹性支撑组件2的孔隙率能够提升至90％以上，使流体传质阻力显著减小，更便于气体扩散。

另外，为形成具有波纹结构的弹性支撑组件2，弹性支撑组件2初始可设置为板体，可通过模具高温成型为波纹结构，采用模具加工的方式，将板体沿第一方向X往复弯折形成凸部S1和凹部S2，无需复杂的钣金冲压等工艺过程，降低加工成本以及制造难度。

其中，针对于极板1来说，其包括单极板以及双极板，单极板仅作为阴极板或者阳极板中的一者，其有一侧表面会进行电化学反应，而对于双极板来说，在能够作为该电解小室的阴极板还可以同时作为相邻另一电解小室的阳极板，即双极板的两侧均可进行电化学反应。本申请实施例中的极板1，既可以是单极板，也可以是双极板。

以极板1为双极板，材料为不锈钢316L，极板1和电极3沿第一方向X的尺寸均为1.5mm为例。

可选地，板体沿第一方向X的尺寸为0.1mm～0.3mm，且模具加工后的弹性支撑组件2沿第一方向X的尺寸为0.8mm～1.5mm。进一步地，凸部S1和凹部S2可设置为圆弧结构，即在模具加工时将凸部S1和凹部S2去尖形成弧形，凸部S1与凹部S2的结构尺寸相同，以凸部S1为例，可使得凸部S1的圆弧半径为0.3mm～0.8mm，且相邻凸部S1的圆弧中心距为1.6mm～3mm。

上述设置结构，能够在弹性支撑组件2形成足够的骨架支撑力的同时，使得弹性支撑组件2具有一定的弹性，以在降低接触电阻的同时，满足电解装置10的组装需要。并且，凸部S1的尺寸范围也能够优化流道结构，降低气液流动阻力，更便于气体扩散，提高制氢效率。

作为一种优选地实施例，可以使板体沿第一方向X的尺寸为0.3mm，并且模具加工后的弹性支撑组件2沿第一方向X的尺寸为1.2mm，凸部S1的圆弧半径为0.3mm，且相邻凸部S1的圆弧中心距为2.4mm。

针对于弹性支撑组件2来说，其可以是在板体上形成通孔K后再通过模具加工的方式形成波纹结构，在一些可选地实施例中，板体设置为实心板，且在板体上开设有多个通孔K，或者，板体金属丝编织形成，金属丝之间围合形成通孔K。

即板体可通过在实心板上开孔形成，也可以由金属丝编织形成。以金属丝编织成型为例，其可通过金属丝编织形成平板网，在将平板网通过模具压制变形制成呈波纹结构的弹性支撑组件2。相较于直接在实心板上开孔，其制造工艺更为简单，并且材料用量也减少，制作成本明显减少，有效降低电解装置10总体成本。

为便于描述，以下均以板体由金属丝编织形成为例进行说明。

可选地，金属丝可以仅包括金属单质形成的纯金属丝，也可以由两种以上的金属单质组合形成的合金丝，金属单质包括镍、不锈钢、铜、钛中的至少一者。金属丝可均设置为纯金属丝，也可均设置为合金丝，也可以部分设置为纯金属丝，部分设置为合金丝。

作为一种优选地实施例，金属丝可设置为镍丝，且金属丝的直径为0.16mm。

上述设置，能够在形成足够的骨架支撑力的同时，增加弹性支撑组件2的弹性，使得电解装置10在组装过程中，压紧力有更多的弹性余量，降低电解装置10的组装工艺的精度要求，并且使弹性支撑组件2能够与电极3和极板接触均匀，有效降低接触电阻。

请参阅2至图4，在一些可选地实施例中，金属丝包括延伸方向相交的第一连接丝21和第二连接丝22，第一连接丝21和第二连接丝22共面设置并围合形成通孔K。

即板体可仅由一层金属丝编织成型，多根金属丝共面设置并编织形成网目状的板体，以简化弹性支撑组件2的制造工艺。并且，也更便于调整编织成型的板体上通孔K到的孔径，以使得弹性支撑组件2满足孔隙率需求，例如可将板体的孔径设置为46目。

可选地，第一连接丝21和第二连接丝22呈垂直状布置，通孔K呈矩形或者方形设置，以增强了弹性支撑组件2的整体结构强度，保证弹性支撑组件2支撑的可靠性和稳定性。此外，任意两个相邻的第一连接丝21之间的距离相等，和/或，任意两个相邻的第二连接丝22之间的距离相等，以使得网目更加均匀，更便于气体均匀扩散。

请参阅图3至图5，图5是本申请另一个实施例提供的弹性支撑组件2的结构示意图。

针对于第一连接丝21和第二连接丝22来说，在一些可选地实施例中，第一连接丝21可设置为一体式结构，并沿第一连接丝21的延伸方向上，由一端的第二连接丝22依次连接至另一端的第二连接丝22。或者，第一连接丝21包括沿其延伸方向间隔设置的多个连接段211，每个连接段211与均与若干第二连接丝22相连，相邻两个第一连接丝21的连接段211沿延伸方向至少部分交叠设置。

即当第一连接丝21和第二连接丝22共面形成板体时，第一连接丝21可一体设置并与第二连接丝22相连，以简化第一连接丝21和第二连接丝22的设置结构。或者，第一连接丝21也可以设置为多个连接段211，例如，以五根第二连接丝为例，相邻两个第一连接丝21中，一个第一连接丝21可包括两个连接段211，第一个连接段211连接第一根第二连接丝22和第二根第二连接丝22，第二个连接段211连接第四根第二连接丝22以及第五根第二连接丝22，另一个第一连接丝21可包括一个连接段211，其用于连接第二根至第四根第二连接丝22，这样相邻两个第一连接丝21即相互交叠设置，从而能够提高弹性支撑组件2的结构强度。

此外，在另一些实施例中，多根金属丝还可包括与第一连接丝21和第二连接丝22的延伸方向相交的第三连接丝，即可通过第一连接丝21、第二连接丝22以及第三连接丝共面设置，来形成网目状的板体，通过设置第三连接丝，能够进一步增加弹性支撑组件2的结构强度。

请一并参阅图3、图5和图6，图6是本申请又一个实施例中弹性支撑组件2的结构示意图。

在一些可选地实施例中，凸部S1和凹部S2设置为条状结构，凸部S1和凹部S2平行设置。相较于将凸部S1和凹部S2设置为环状结构，通过将凸部S1和凹部S2设置为条状结构，能够增加弹性支撑组件2的结构强度，并且也更便于弹性支撑组件2的制备。

进一步地，弹性支撑组件2内的凸部S1与凹部S2沿同一方向交替排布，或者，弹性支撑组件2具有相接设置的第一区域和第二区域，第一区域内凸部S1与凹部S2的交替排布方向与第二区域内凸部S1与凹部S2的交替排布方向相交。

其中，根据反应腔内流道结构的导流需要，可以调整弹性支撑组件2内的凸部S1与凹部S2的交替排布方向，例如，可使得弹性支撑组件2内的凸部S1与凹部S2沿同一方向交替排布，且该交替排布方向与反应腔的入口至出口的方向形成一定的夹角，来实现电解液的导流。

或者，也可以使得弹性支撑组件2内设置有第一区域和第二区域，第一区域和第二区域内凸部S1与凹部S2的交替排布方向相交，以在第一区域和第二区域的相接处改变导流方向，从而顺应反应腔内流体的流动方向。

可以理解的是，根据反应腔内流道结构的导流需要，弹性支撑组件2还可设置有第三区域或者更多区域，以进一步顺应反应腔内流体的流动方向，提高制氢效率。此外，当弹性支撑组件2设置有第一区域和第二区域时，第一区域的面积与第二区域的面积可以相等，也可以不等，其均可根据导流需要进行调整。

当弹性支撑组件2设置有第一区域和第二区域时，在一些可选地实施例中，第一区域内的凸部S1与第二区域内的各凸部S1对应相接，和/或，第一区域内的各凹部S2与第二区域内的凹部S2对应相接，通过使相邻区域内的波纹结构相接设置，能够更便于流体流动，进一步降低流体的流动阻力，以便于气体扩散，提高制氢效率。

由此，本申请实施例提供的电解装置10，因其包括上述各实施例提供的弹性支撑组件2，故电解装置10具有接触电阻小、流体阻力小、组装难度小以及组装可靠性高等优点，易于推广使用。

对于电解装置10来说，其可以在每一电解小室的极板1和电极3之间均设置上述各实施例中的弹性支撑组件2，也可以仅在部分电解小室的极板1和电极3之间设置弹性支撑组件2，本申请对此不作具体限定。

虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述，但在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种弹性支撑组件，用于电解装置，其特征在于，所述电解装置包括极板、边框以及电极，所述极板与所述边框结合形成电极反应腔，所述电极设置于所述电极反应腔内并与所述极板之间存在间隙；

所述弹性支撑组件设置于所述间隙内，且极板所述弹性支撑组件的相对两侧分别用于与所述极板和所述电极相抵接，所述弹性支撑组件上设置有多个通孔，各所述通孔相连通并形成流道结构，所述弹性支撑组件的孔隙率大于或者等于90％。

2.根据权利要求1所述的弹性支撑组件，其特征在于，所述弹性支撑组件设置为板体，所述板体往复弯折形成凸部和凹部，所述凸部和所述凹部中的一者与所述极板相抵接，另一者与所述电极相抵接。

3.根据权利要求2所述的弹性支撑组件，其特征在于，所述板体由金属丝编织形成，所述金属丝之间围合形成所述通孔；或者，所述板体设置为实心板，且在所述板体上开设有多个所述通孔。

4.根据权利要求3所述的弹性支撑组件，其特征在于，所述金属丝包括延伸方向相交的第一连接丝和第二连接丝，所述第一连接丝和所述第二连接丝共面设置并围合形成所述通孔。

5.根据权利要求4所述的支撑组件，其特征在于，所述第一连接丝可设置为一体式结构，各所述第一连接丝由一端的所述第二连接丝依次连接至另一端的所述第二连接丝；或者，所述第一连接丝包括沿其延伸方向间隔设置的多个连接段，每个所述连接段与均与若干所述第二连接丝相连，相邻两个所述第一连接丝的所述连接段沿所述第一连接丝的延伸方向至少部分交叠设置。

6.根据权利要求2所述的弹性支撑组件，其特征在于，所述凸部和所述凹部设置为条状结构，且所述凸部和所述凹部平行设置。

7.根据权利要求5所述的弹性支撑组件，其特征在于，所述弹性支撑组件内的所述凸部与所述凹部沿同一方向交替排布；或者，所述弹性支撑组件具有相接设置的第一区域和第二区域，第一区域内所述凸部与所述凹部的交替排布方向与第二区域内所述凸部与所述凹部的交替排布方向相交。

8.根据权利要求7所述的弹性支撑组件，其特征在于，所述第一区域内的所述凸部与所述第二区域内的所述凸部对应相接，和/或，所述第一区域内的所述凹部与所述第二区域内的所述凹部对应相接。

9.根据权利要求1所述的弹性支撑组件，其特征在于，所述弹性支撑组件为金属材质，包括不锈钢、镍、钛以及金属合金的至少一者。

10.一种电解装置，其特征在于，包括极板、电极以及权利要求1-9任意一项所述的弹性支撑组件，所述弹性支撑组件夹设于所述极板和所述电极之间。