CN118932367A - 一种内嵌金属片的极框极板及电解槽 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内嵌金属片的极框极板及电解槽，包括极框极板，极框极板采用塑料极框极板，所述极框极板底部设有多个碱液入口，极框极板顶部设有氢气出口和氧气出口，极框极板的极板内排布有若干金属片，所述金属片嵌入塑料极框极板内部，且与塑料极框极板整体注塑成型。本发明在极板中间嵌入金属片，且金属片与极板的密封在注塑时自形成，解决了整体变形的问题，且金属片保证了塑料极板两侧电子的传递，金属片相对金属销在安装时节约了大量时间，且金属片的接触面积更大，电子传递的欧姆电阻更小，提高了电密/温度的均匀性，利于产氢效率的提高，金属片采用间断式交叉分布，可以实现金属片中断处的流量再分配，电解效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及一种电解槽，尤其涉及一种内嵌金属片的极框极板及电解槽。
背景技术
目前，电解水技术主要分为ALK(碱性电解)、PEM、AEM和SOEC(固态氧化电解槽)，其中PEM对绿电兼容性较好，且电密较高，是另一种具有前景的技术，但PEM目前依赖贵金属电极，且需要适用耐强酸的材料，所以价格昂贵，后期研发方向是低成本、稳定性电极；而介于PEM和ALK之间的AEM制氢技术集成了两种技术优势，即不使用贵金属的同时实现高电密，且对绿电波动兼容性较好，但目前受限于阴离子隔膜的稳定性和电极的稳定性，商业化道路还比较长。SOEC(固态氧化电解槽)依靠高温裂解技术，反应温度在600-800之间，对于材料的要求较高，目前尚处于实验室研发阶段。ALK因为技术成熟、价格便宜得到了广泛应用。市面上95％以上电解槽都为碱性电解槽。
传统碱性电解槽小室的极框与极板均是金属材质。极框需要多个机加工工序完成，极板的结构氛围乳突结构或者平板结构，但都需要机加工方能进行下面的焊接固定，焊接完成后仍需要镀镍。这种方案制造的电解槽工艺复杂、质量重、价格高，对安装、运输、维修等都是很大的挑战，而且极板与极框的焊接会引起电化学腐蚀，影响电解槽寿命。由于极框和极板都是金属件，对吊装依赖性较大，安装电解槽依赖于定位销定位，常因孔的尺寸和位置偏差导致难以装配，时常插拔/摇晃导致定位偏差，对安装工技术提出较高要求。且传统电解槽设计不支持在线维修，需拉回原厂更换，且垫片需全部更换，成本高。
目前市场上也有金属极板内嵌到塑料极框的结构，即在注塑极框时，将金属极板放入模具，将其做成一个整体。但是塑料和金属膨胀系数不同，冷却下来后金属极板具有明显变形，无法使用，且电化学腐蚀问题仍然存在。
发明内容
发明目的：本发明目的是提出一种内嵌金属片的极框极板及电解槽，将金属片与塑料极框和塑料极板一次注塑成型，简化了工艺，同时杜绝了电化学腐蚀的风险，解决了整体变形问题。
技术方案：本发明包括极框极板，所述极框极板采用塑料极框极板，所述极框极板底部设有多个碱液入口，极框极板顶部设有氢气出口和氧气出口，极框极板的极板内排布有若干金属片，所述金属片嵌入塑料极框极板内部，且与塑料极框极板整体注塑成型。
所述金属片采用完整金属片或间断式金属片，间断式的金属片长度更短，降低了金属片的变形对温度的敏感性，与塑料件的密封更加可靠。
所述金属片采用间断式金属片时，间断式金属片设有多排，且多排金属片交叉错位排列，每排分别设有多根金属片，相邻排之间的金属片错位分布，交叉处可以实现金属片之间的流量再分配。
所述金属片沿入口至出口的纵向方向嵌入塑料极框极板内部，金属片保证了塑料极板两侧电子的传递。
所述极框极板沿其周向设有内密封面和外密封面，所述金属片设置在内密封面内的区域，金属片的接触面积更大，电子传递的欧姆电阻更小，提高了电密/温度的均匀性，利于产氢效率的提高。
所述内密封面和外密封面之间的区域用于安装垫片。
所述氢气出口和氧气出口处均设有出口水线，降低氢氧互串的概率。
所述氢气出口和氧气出口的数量为多个时，氢气出口与氧气出口交叉分布，或者分别在极框极板两侧分布。
所述极框极板上还设有多个定位结构，定位结构采用凹凸配合的结构实现多个电解小室之间的定位安装。
一种应用上述极框极板的电解槽，该电解槽的一端是阳极板，另一端是阴极板，中间有若干极框极板将电解槽分成多个小室；相邻极框极板相对的一侧均设有电极，且电极极性相反，每两个极框极板之间均设有隔膜和垫片，垫片保证电解小室内密封和外密封。
有益效果：本发明具有以下优点：
(1)极框极板采用一体成型注塑工艺，塑料极框和塑料极板一次注塑成型，避免了后续机加工以及极板和极框的固定工序，泄露风险根本上得到了消除，且一体式塑料极框与极板较传统金属极框与极板重量下降超80％；极框与极板全部是耐碱材质，耐化学腐蚀性强，无金属杂质，根本上杜绝了电化学腐蚀的风险，而且一体式塑料极板与极框大大降低了设备重量与尺寸，简化了安装、运输和维护，成本也具有明显优势；
(2)在极板中间嵌入金属片，且金属片与极板的密封在注塑时自形成，解决了整体变形的问题，且金属片保证了塑料极板两侧电子的传递，金属片相对金属销在安装时节约了大量时间，且金属片的接触面积更大，电子传递的欧姆电阻更小，提高了电密/温度的均匀性，利于产氢效率的提高；
(3)金属片采用间断式交叉分布，可以实现金属片中断处的流量再分配；电密更加均匀、温度更加均匀，电解效率更高；同时，间断式的金属片长度更短，降低了金属片的变形对温度的敏感性，与塑料件的密封更加可靠。
附图说明
图1是本发明极框极板的侧视图；
图2是本发明实施例一的极框极板上的金属片分布示意图；
图3是本发明实施例二的极框极板上的金属片分布示意图；
图4是本发明电解小室的结构示意图；
图5是本发明实施例一的流量分配图；
图6是本发明实施例二的流量分配图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的内嵌金属片的极框极板为一体式塑料极框极板，采用一体成型注塑工艺制成，材料采用耐碱的塑料材质，如PSU或者PPSU等，耐化学腐蚀性强，无金属杂质，根本上杜绝了电化学腐蚀的风险，而且一体式塑料极板与极框大大降低了设备重量，简化了安装、运输和维护，降低了成本。形状可以采用圆形、方形或其他形状。本实施例以方形结构的极框极板为例说明。
如图1所示，本实施例的极框极板9包括碱液入口1、氢气出口2和氧气出口3，极框极板底部设有多个碱液入口1，极框极板顶部设有氢气出口2和氧气出口3，氢气出口2和氧气出口3处均设有出口水线4，降低氢氧互串的概率。氢气出口2和氧气出口3的数量可根据实际情况而定，当有多个出口时，氢气出口2与氧气出口3可交叉分布，也可分别在极框极板两侧分布。
为了保证密封，极框极板沿其周向设有内密封面6和外密封面5，密封面根据需要可添加密封水线特征，内密封面6和外密封面5之间的区域用于安装垫片，同时，极框极板的角部还设有多个定位结构8，定位结构8设置在内密封面6和外密封面5之间的区域，定位结构8采用凹凸配合的结构实现多个电解小室之间的定位安装。极框极板9的极板内排布有若干金属片7，金属片7嵌入塑料极框极板内部，且与塑料极框极板整体注塑成型或者后期采用胶固定。
实施例1
如图2所示，极框极板中位于内密封面6内部的区域内排布有若干完整的金属片7，本实施例的金属片7采用镍片，金属片7沿入口至出口的纵向方向嵌入塑料极框极板内部，且与塑料极框极板整体注塑成型；金属片7保证了塑料极板两侧电子的传递，金属片7接触面积较大，电子传递的欧姆电阻更小，提高了电密/温度的均匀性，利于产氢效率的提高。金属片7与电极接触，因此与金属片7接触的电极部分发生析氢和析氧反应更为强烈。
实施例2
完整的金属片内嵌会存在碱液流量在各个金属片之间分布不均的现象，当碱液从碱液入口进入小室内部时，各个金属片之间的流量分配并不均匀，根据两点之间线段最短的原则，碱液将优先选择最短路径，所以进出口连线的区域流量会偏大，而远离进出口区域的流量偏小。如采用如图5所示的连续金属片方案，碱液在上升过程中无法调节，同一水平高度上各个金属片之间的压力有偏差，甚至双极板的两侧也存在压差，使隔膜两侧氢氧渗透的风险提高，影响安全性。同时，金属片接触的电极是产氢或产氧场所，也是欧姆热源的主要场所，流量不均也会导致小室内部温度不均，不仅对电解槽性能有影响，而且影响电解槽寿命。
本实施例在此基础上进一步优化，本实施例的金属片7设有多排，且多排金属片7交叉错位排列，每排分别设有多根金属片7，相邻排之间的多根金属片7错位分布，每根金属片7均沿入口至出口的纵向方向嵌入塑料极框极板内部，且与塑料极框极板整体注塑成型，如图6所示。
本实施例的金属片7采用镍片，采用本实施例的交叉式金属片分布形式时，可以明显改善小室内部压力平衡，由于流量分配不均的问题可以在金属片交叉处实现水平方向的平衡，压力高的碱液自然流向压力低的地方，所以小室内部同一高度的压力几乎是相等的；由于压力是实现流量分配的动力，因此，交叉处可以实现金属片之间的流量再分配。其次，交叉设计使得交叉处附近速度大小和方向有明显改变，小室内的紊流加快了电极表面气泡脱落，气泡电阻更低，电极活性面积利用率更高，电解效率更高；同时，交叉式分布形式的金属片更短，降低了金属片变形对温度的敏感性，与塑料件的密封更加可靠。
本发明还包括一种应用上述极框极板的电解槽，电解槽的一端是阳极板，另一端是阴极板，中间有若干极框极板9把电解槽分成多个小室，如图4所示为单个小室的示意图。包括极框极板9，相邻极框极板9相对的一侧均设有电极，分别为阳极电极11和阴极电极10，每两个极框极板9之间均设有隔膜12和垫片13，垫片13用于保证电解小室内密封和外密封。在阳极板与阴极板的总电势作用下，中间各极框极板9均匀的分配电势，使每个小室组成有阳极板与阴极板的电解池。
工作原理：碱液从底部流入，经碱液入口分配到各个极框极板之间的小室内，随着碱液上升，阴阳极不断产氢和氧气，温度也不断升高，氢氧与碱液的混合液分别到达各自出口流出电解槽，在工作过程中，塑料极板隔绝两侧的气体混合，防止串气，并提供碱液和气体流动的空间，金属片负责电子传输。整体采用注塑成型工艺，省去加工、检测、焊接、电镀等工艺，大大简化工艺，降低了成本。
Claims (10)
1.一种内嵌金属片的极框极板，其特征在于，包括极框极板，所述极框极板采用塑料极框极板，极框极板的极板内排布有若干金属片，所述金属片嵌入塑料极框极板内部，所述金属片采用完整金属片或间断式金属片，当采用间断式金属片时，间断式金属片设有多排，且多排金属片交叉错位排列。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌金属片的极框极板，其特征在于，所述金属片采用间断式金属片时，每排分别设有多根金属片，相邻排之间的金属片错位分布。
3.根据权利要求1或2所述的一种内嵌金属片的极框极板，其特征在于，所述金属片沿入口至出口的纵向方向嵌入塑料极框极板内部。
4.根据权利要求1所述的一种内嵌金属片的极框极板，其特征在于，所述极框极板底部设有多个碱液入口，极框极板顶部设有氢气出口和氧气出口。
5.根据权利要求4所述的一种内嵌金属片的极框极板，其特征在于，所述极框极板沿其周向设有内密封面和外密封面，所述金属片设置在内密封面内的区域。
6.根据权利要求5所述的一种内嵌金属片的极框极板，其特征在于，所述内密封面和外密封面之间的区域用于安装垫片。
7.根据权利要求4所述的一种内嵌金属片的极框极板，其特征在于，所述氢气出口和氧气出口处均设有出口水线。
8.根据权利要求7所述的一种内嵌金属片的极框极板，其特征在于，所述氢气出口和氧气出口的数量为多个时，氢气出口与氧气出口交叉分布，或者分别在极框极板两侧分布。
9.根据权利要求1所述的一种内嵌金属片的极框极板，其特征在于，所述极框极板上还设有多个定位结构。
10.一种应用权利要求1～9任一项所述的内嵌金属片的极框极板的电解槽，其特征在于，该电解槽的一端是阳极板，另一端是阴极板，中间有若干极框极板将电解槽分成多个小室；相邻极框极板相对的一侧均设有电极，且电极极性相反，每两个极框极板之间均设有隔膜和垫片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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