CN209798117U - 一种具有串联结构的制氢装置 - Google Patents

Abstract

一种具有串联结构的制氢装置，包括水箱设备、电解槽和电源，所述电解槽包括串联排布的第一电解单元和第二电解单元，所述第一电解单元前端和第二电解单元的后端均安装有具有出氢口的金属板，所述第一电解单元和第二电解单元之间设置有一个共用的供水区，所述供水区与水箱设备相连接，所述第一电解单元和第二电解单元共接一个电源；两个电解单元串联，能明显提高产氢效率；两个电解单元的阳极共用一个循环水进出口，并在进出口处连接水泵等水箱设备，能加快水的循环速度，加快循环水散热效率，同时两个电解单元共用一个供水区，还能减少制氢装置的整体结构，提高制氢装置的工作稳定性和安全性。

Description

一种具有串联结构的制氢装置

技术领域

本实用新型涉及电解技术领域，具体涉及一种具有串联结构的制氢装置。

背景技术

水电解制氢是一种较为方便的制取氢气的方法，目前，纯水电解产氢一般有三种电解槽，分别为碱性电解槽、固体氧化物电解槽和聚合物电解槽，其中聚合物电解纯水技术的核心部件为选择性质子透过膜和钛电极，选择性质子透过膜起到传导质子和分隔阴阳室的双重作用，钛电极位于选择性质子透过膜的两侧，分别作为阳极片和阴极片，根据供水方式不同，聚合物水电解分为阳极循环供水、阴极循环供水和静态供水。由于阳极循环供水电解的电流密度和电流效率最高，且在给定操作温度和压力下槽电压最低，因此应用最为广泛，但是阳极循环供水电解的电解效率仍受到选择性质子透过膜和钛电极不同结合方式的制约，且工作温度偏高时，尤其是在体积一定的情况下，要求产氢效率高时，发热严重散热迟缓，难以满足长期高效动态稳定制氢的要求。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的旨在提供一种体积小、高产氢量，以及低发热的串联制氢装置。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种具有串联结构的制氢装置，包括水箱设备、电解槽和电源，所述电解槽包括串联排布的第一电解单元和第二电解单元，所述第一电解单元前端和第二电解单元的后端均安装有具有出氢口的金属板，所述第一电解单元和第二电解单元之间设置有一个共用的供水区，所述供水区与水箱设备相连接，所述第一电解单元和第二电解单元共接一个电源。

进一步的，所述第一电解单元依次设置有阴极片A、组合部件和阳极片B，所述第二电解单元依次设置有阳极片A、组合部件和阴极片B，阳极片B和阳极片A之间共用一个供水区进行水循环；所述阳极片A和阴极片A通过导线连接，所述阴极片B和阳极片B与电源连接。

进一步的，所述第一电解单元的阴极片A和阳极片B外分别贴合有第一绝缘硅胶和第二绝缘硅胶，所述第二电解单元的阳极片A和阴极片B外分别贴合有第三绝缘硅胶和第四绝缘硅胶。

进一步的，所述供水区上开设有进水口、出水口、孔道a1和孔道a2，所述进水口与供水区的孔道a1相连通，孔道a1在第一电解单元处依次经过开设在第二绝缘硅胶的孔道b1、开设在阳极片B上的孔道c1，到达阳极片B的导水侧；阳极片B上的孔道c2依次经过第二绝缘硅胶上的孔道b2、供水区上的孔道a2，到达与孔道a2相连通的出水口；所述孔道a1在第二电解单元处依次经过开设在第三绝缘硅胶上的孔道d1、开设在阳极片A上的孔道e1，到达阳极片A的导水侧；阳极片A上的孔道e2依次经过第三绝缘硅胶上的孔道d2、供水区上的孔道a2，到达与孔道a2相连通的出水口。

进一步的，所述阴极片A上开设有中心孔道f1，所述中心孔道f1与开设在第一绝缘硅胶的中心孔道g1、第一电解单元前端金属板的出氢口相连通；所述阴极片B上开设有中心孔道f2，所述中心孔道f2与开设在第四绝缘硅胶的中心孔道g2、第二电解单元后端金属板的出氢口相连通。

进一步的，所述阳极片B的一面设置为平整结构，另一面设置为具有环形导水槽的电极。

进一步的，所述组合部件包括选择性质子透过膜、两个压膜硅胶圈和两块微孔钛板，所述两块微孔钛板分别结合在选择性质子透过膜的两侧，所述两个压膜硅胶圈分别安装在两块微孔钛板的四周处。

进一步的，所述选择性质子透过膜设置为全氟磺酸离子膜。

进一步的，所述水箱设备包括水箱和水泵，水泵通过管道与进水口相连通，水泵与水箱相连通，水箱通过管道与出水口相连通。

进一步的，多个电解槽串联排布，相邻的电解槽供水区之间通过管道相连通。

本实用新型的有益效果在于：

两个电解单元串联，能明显提高产氢效率；两个电解单元的阳极共用一个循环水进出口，并在进出口处连接水泵等水箱设备，能加快水的循环速度，加快循环水散热效率，同时两个电解单元共用一个供水区，还能减少制氢装置的整体结构，提高制氢装置的工作稳定性和安全性。

附图说明

图1示出了本实用新型实施例所提供的制氢装置的整体结构图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的电解槽的爆炸结构图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的电解槽进出水通道的结构图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的电解槽的立体图。

附图标记：1、水箱；2、电解槽；21、出氢口；22、第一绝缘硅胶；23、第一电解单元；231、阴极片A；232、阳极片B；24、第二绝缘硅胶；25、供水区；251、进水口；252、出水口；26、第三绝缘硅胶；27、第二电解单元；271、阳极片A；272、阴极片B；28、第四绝缘硅胶；29、组合部件；291、压膜硅胶圈；292、微孔钛板；293、选择性质子透过膜；3、水泵；4、电源。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述：

如图1所示，一种具有串联结构的制氢装置，包括水箱设备、电解槽2和电源4，所述电解槽2包括串联排布的第一电解单元23和第二电解单元27，所述第一电解单元23前端和第二电解单元27的后端均安装有具有出氢口21的金属板，所述第一电解单元23和第二电解单元27之间设置有一个共用的供水区25，所述供水区25与水箱设备相连接，所述第一电解单元23和第二电解单元27共接一个电源4。如图4所示，两块金属板与第一电解单元23、第二电解单元27等各个部件之间通过螺栓固定锁紧，使各个部件紧密贴合。

如图2所示，所述第一电解单元23依次设置有阴极片A 231、组合部件29和阳极片B232，所述组合部件29包括选择性质子透过膜293、两个压膜硅胶圈291和两块微孔钛板292，所述选择性质子透过膜293设置为全氟磺酸离子膜，所述两块微孔钛板292分别紧密结合在选择性质子透过膜293的两侧，减少电解单元内的间隙，可大大降低其电解时的电阻，所述两个压膜硅胶圈291分别安装在两块微孔钛板292的四周处，压膜硅胶圈291密封微孔钛板292的四周，能防止电解水和电解产物从边缘泄露，提高其电解安全性；两块压膜硅胶圈291外安装有阴极片A 231和阳极片B 232，其中阴极片A 231和阳极片B 232将组合部件29夹紧，紧密结合，组成第一电解单元23；其中阴极片A 231与阳极片B 232之间的选择性质子透过膜293，能保证纯水电解的氢气和氧气在机体内不会接触，避免机内燃爆风险，提高其安全性，同时也避免了电解碱性电解液的高腐蚀性安全隐患。其中所述阳极片B 232的一面设置为平整结构，另一面设置为具有环形导水槽的电极；而第一电解单元23的两端，即阴极片A 231和阳极片B 232外分别贴合有第一绝缘硅胶22和第二绝缘硅胶24，起到绝缘作用。

所述第二电解单元27依次设置有阳极片A 271、组合部件29和阴极片B 272，其中所述组合部件29包括选择性质子透过膜293、两个压膜硅胶圈291和两块微孔钛板292，所述选择性质子透过膜293设置为全氟磺酸离子膜，所述两块微孔钛板292分别紧密结合在选择性质子透过膜293的两侧，减少电解单元内的间隙，可大大降低其电解时的电阻，所述两个压膜硅胶圈291分别安装在两块微孔钛板292的四周处，压膜硅胶圈291密封微孔钛板292的四周，能防止电解水和电解产物从边缘泄露，提高其电解安全性；两块压膜硅胶圈291外安装有阳极片A 271和阴极片B 272，阳极片A 271和阴极片B 272将组合部件29夹紧，使其紧密结合，组合第二电解单元27；其中阳极片A 271与阴极片B 272之间的选择性质子透过膜293，能保证纯水电解的氢气和氧气在机体内不会接触，避免机内燃爆风险，提高其安全性，同时也避免了电解碱性电解液的高腐蚀性安全隐患。其中所述阳极片A 271的一面设置为平整结构，另一面设置为具有环形导水槽的电极，阳极片B 272的结构与阳极片A相同。而所述第二电解单元27的两端，即阳极片A 271和阴极片B 272外分别贴合有第三绝缘硅胶26和第四绝缘硅胶28，起到绝缘作用。

所述阳极片A 271和阴极片A 231通过导线连接，所述阴极片B 272和阳极片B 232与电源4连接，实现第一电解单元23和第二电解单元27串联连接，使得单位时间内统一电流大小下，具有更高的产氢量，提高产氢效率。

而为了减少电解过程中的热量，在第一电解单元23与第二电解单元27之间共用一个供水区25，即阳极片B 232和阳极片A 271之间共用一个供水区25进行水循环，所述供水区25上开设有进水口251、出水口252、孔道a1和孔道a2，其中出水口252即是出氧口，在出水的同时将氧气排出；其中第一电解单元23和第二电解单元27分别于供水区25存在进出水通道，实现电解水工作，还能减少制氢装置的整体体积，如图3所示，具体进出水通道如下：

第一电解单元23电解水的进水电解通道为：所述进水口251与供水区25的孔道a1相连通，孔道a1在第一电解单元23处依次经过开设在第二绝缘硅胶24的孔道b1、开设在阳极片B 232上的孔道c1，到达阳极片B 232的导水侧；即进水口251将水透过第二绝缘硅胶24引进阳极片B 232的导水侧，水在阳极片B 232处发生电解，水分子失去电子e-生成氢离子和氧气(2H2O-4e-＝4H++O2↑)。

第一电解单元23电解水后的出水通道为：阳极片B 232上的孔道c2依次经过第二绝缘硅胶24上的孔道b2、供水区25上的孔道a2，到达与孔道a2相连通的出水口252；即阳极片B 232上的水经过第二绝缘硅胶24后经出水口252排出，而经过电解后产生的氧气也跟随出水方向在出水口252处进行排出。

第一电解单元23电解水后的出氢通道为：所述阴极片A 231上开设有中心孔道f1，所述中心孔道f1与开设在第一绝缘硅胶22的中心孔道g1、第一电解单元23前端金属板的出氢口21相连通；水在阳极片B 232上进行电解后，氢离子以水合质子(H3O+)的形式通过选择性质子透过膜293传递到阴极片A 231一侧，在微孔钛板292上获得电生成子e-氢气(4H3O++4e-＝4H2O+H2↑)从上方阴极片A 231中心孔道f1集中，经第一绝缘硅胶22的中心孔道g1到达出氢口21排出，从而达到氢氧分离安全稳定。

第二电解单元27电解水的进水电解通道为：所述孔道a1在第二电解单元27处依次经过开设在第三绝缘硅胶26上的孔道d1、开设在阳极片A 271上的孔道e1，到达阳极片A271的导水侧；即进水口251将水透过第三绝缘硅胶26引进阳极片A 271的导水侧，水在阳极片A 271处发生电解。

第二电解单元27电解水后的出水通道为：阳极片A 271上的孔道e2依次经过第三绝缘硅胶26上的孔道d2、供水区25上的孔道a2，到达与孔道a2相连通的出水口252，即阳极片A 271上的水经过第三绝缘硅胶26后经出水口252排出，而经过电解后产生的氧气也跟随出水方向在出水口252处进行排出。

第二电解单元27电解水后的出氢通道为：所述阴极片B 272上开设有中心孔道f2，所述中心孔道f2与开设在第四绝缘硅胶28的中心孔道g2、第二电解单元27后端金属板的出氢口21相连通。即所述阳极片A 271上的氢离子以水合质子(H3O+)的形式通过选择性质子透过膜293传递到阴极片B 272一侧，在微孔钛板292上获得电生成子e-氢气(4H3O++4e-＝4H2O+H2↑)从下方阴极片B 272的中心孔道f2集中，经第四绝缘硅胶28的中心孔道g2到达出氢口21排出，从而达到氢氧分离安全稳定。

为了加快供水区25的水循环速率，在供水区25的进水口251和出水口252处安装水泵3，水泵3通过管道与进水口251相连通，水泵3与水箱1相连通，水箱1通过管道与出水口252相连通，水泵3工作提高了水循环的速度，还能加快电解热量的散发，防止电解温度过高；其中水泵3可设置为一个可随着水温升高，而加速工作的装置，可在制氢装置中安装温度传感器，当温度传感器感应温度升高到设定值时，反馈信号，控制水泵3加速工作，提高循环效率，加快水的降温，保证氢气在使用过程中的安全稳定。

在其他实施例中，制氢装置还可设置为多个电解槽2串联排布，每个电解槽2由两个电解单元和一个共用供水区25组合，将多个电解槽2进行串联，相邻电解槽2的供水区25之间通过管道相连通，能更进一步提高电解效率，产氢效率更高，发热更少；与此同时，也可将电解槽2中的两个电解单元采用并联形式。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有串联结构的制氢装置，包括水箱设备、电解槽和电源，其特征在于，所述电解槽包括串联排布的第一电解单元和第二电解单元，所述第一电解单元前端和第二电解单元的后端均安装有具有出氢口的金属板；

所述第一电解单元依次设置有阴极片A、组合部件和阳极片B，所述第一电解单元的阴极片A和阳极片B外分别贴合有第一绝缘硅胶和第二绝缘硅胶；所述第二电解单元依次设置有阳极片A、组合部件和阴极片B，所述第二电解单元的阳极片A和阴极片B外分别贴合有第三绝缘硅胶和第四绝缘硅胶；所述阳极片A和阴极片A通过导线连接，所述阴极片B和阳极片B与电源连接；阳极片B和阳极片A之间共用一个供水区进行水循环；

所述供水区上开设有进水口、出水口、孔道a1和孔道a2，所述进水口与供水区的孔道a1相连通，孔道a1在第一电解单元处依次经过开设在第二绝缘硅胶的孔道b1、开设在阳极片B上的孔道c1，到达阳极片B的导水侧；阳极片B上的孔道c2依次经过第二绝缘硅胶上的孔道b2、供水区上的孔道a2，到达与孔道a2相连通的出水口；所述孔道a1在第二电解单元处依次经过开设在第三绝缘硅胶上的孔道d1、开设在阳极片A上的孔道e1，到达阳极片A的导水侧；阳极片A上的孔道e2依次经过第三绝缘硅胶上的孔道d2、供水区上的孔道a2，到达与孔道a2相连通的出水口；所述阴极片A上开设有中心孔道f1，所述中心孔道f1与开设在第一绝缘硅胶的中心孔道g1、第一电解单元前端金属板的出氢口相连通；所述阴极片B上开设有中心孔道f2，所述中心孔道f2与开设在第四绝缘硅胶的中心孔道g2、第二电解单元后端金属板的出氢口相连通。

2.根据权利要求1所述的具有串联结构的制氢装置，其特征在于，所述阳极片B的一面设置为平整结构，另一面设置为具有环形导水槽的电极；阳极片A 的结构与阳极片B相同。

3.根据权利要求1所述的具有串联结构的制氢装置，其特征在于，所述组合部件包括选择性质子透过膜、两个压膜硅胶圈和两块微孔钛板，所述两块微孔钛板分别结合在选择性质子透过膜的两侧，所述两个压膜硅胶圈分别安装在两块微孔钛板的四周处。

4.根据权利要求3所述的具有串联结构的制氢装置，其特征在于，所述选择性质子透过膜设置为全氟磺酸离子膜。

5.根据权利要求1所述的具有串联结构的制氢装置，其特征在于，所述水箱设备包括水箱和水泵，水泵通过管道与进水口相连通，水泵与水箱相连通，水箱通过管道与出水口相连通。

6.根据权利要求1所述的具有串联结构的制氢装置，其特征在于，多个所述电解槽串联排布，相邻的电解槽供水区之间通过管道相连通。