CN217628644U - 基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽，该电解槽至少包括：析氢阴极、析氧阳极、NiOOH/Ni(OH)2复合电极、筒体组件、法兰盖组件、绝缘组件等。该电解槽适用于单电解槽三电极体系的两步法电解制氢路线。通过上述方式，本申请电解槽采用单个筒体本体的结构，且无需在电解槽内部增加执行机构，能够满足电化学法两步产生氢气的应用需求。本申请电解槽在使用上操作简单并具备安全性与高效能，能满足电子业制程气体、分析设备、合成用氢气或其它作业的需求。
Description
技术领域
本申请涉及电解制氢技术领域，具体涉及一种基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽。
背景技术
各行业寻求新的途径减少化石燃料的利用，大力发展新能源，氢气作为一种无污染、来源广的能量载体受到广泛关注。氢气从产生方式分为绿氢、蓝氢和灰氢，其中绿氢是指产生过程中没有碳排放产生的氢气，目前主要指电解水制氢技术。现有的可大规模使用的电解水制氢技术只有碱性制氢，然而为了保证氢气的纯度及生产氢气的安全，需要在电解槽内设置隔膜，从而使电解产生的氢气和氧气分离，但同时出现了膜电阻增加了能耗。
实用新型内容
本申请的目的在于提出一种可靠性高的基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽的设计方案，旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为达到上述目的，本申请提出一种基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽，至少包括：三电极组件、筒体组件以及法兰盖组件；
所述三电极组件包括：析氧阳极、析氢阴极以及NiOOH/Ni(OH)2复合电极，所述析氧阳极、所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极和所述析氢阴极间隔层叠设置，且NiOOH/Ni(OH)2复合电极安装于其他两种电极之间；
所述筒体组件包括：筒体本体以及位于筒体本体两侧的两个筒体法兰，所述筒体本体上设有进液口和排液口，所述筒体本体用于盛装碱性电解液，其中，三电极组件放置在所述筒体内；
所述法兰盖组件包括两个法兰盖，两个所述法兰盖分别通过紧固件与两个所述筒体法兰紧固连接，其中电极外接的法兰盖上开设有穿线孔a1、a2和a3；
其中，所述析氧阳极、所述析氢阴极、所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极的电极引出线分别穿过所述穿线孔a1、a2、a3，并外露于所述法兰盖外侧面，所述电极引出线用于外接电源，以使所述析氢阴极、所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极以及所述电源组成第一电路，所述析氧阳极、所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极以及所述电源组成第二电路，当所述电解槽处于析氢工作状态时所述第一电路闭合且所述第二电路断开，当所述电解槽处于析氧工作状态时所述第二电路闭合且所述第一电路断开。
进一步地，所述筒体法兰与所述法兰盖之间设有密封垫片。
进一步地，所述析氧阳极上设有m个第一定位通孔，所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极上设有m个第二定位通孔，所述析氢阴极上设有m个第三定位通孔；
所述电解槽还包括绝缘组件，所述绝缘组件包括m个第一定位绝缘螺杆，所述第一定位绝缘螺杆的外圆周上设有绝缘定位套筒，其中，m个第一定位绝缘螺杆分别依次穿过m个第一定位通孔、m个第二定位通孔和m个第三定位通孔，所述绝缘定位套筒将所述析氧阳极、所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极和所述析氢阴极固定在所述第一定位绝缘螺杆的预设位置上，以使所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极、所述析氧阳极、所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极和所述析氢阴极间隔层叠设置。
进一步地，所述电解槽还包括绝缘组件，所述绝缘组件还包括：底部绝缘支撑板、多个中间绝缘支撑板、n个第二定位绝缘螺杆；
其中，所述底部绝缘支撑板的边缘和多个所述中间绝缘支撑板的边缘均与所述筒体本体的内壁面卡接，所述中间绝缘支撑板上开设有通槽以及分布在所述通槽四周的n个第四定位通孔，所述底部绝缘支撑板上开设有n个第五定位通孔；
其中，所述三电极组件分别穿过多个所述中间绝缘支撑板的通槽，且所述三电极组件一端抵接在所述底部绝缘支撑板上；
n个第二定位绝缘螺杆分别穿过多个所述中间绝缘支撑板的n个第二定位通孔后，再分别穿过所述底部绝缘支撑板的n个第三定位通孔。
进一步地，所述绝缘组件还包括：定位螺母，所述定位螺母将多个所述中间绝缘支撑板和所述底部绝缘支撑板固定在所述第二定位绝缘螺杆的预设位置上。
进一步地，所述绝缘组件还包括：层叠设置在所述三电极组件与其中一个所述法兰盖之间的端部绝缘板和端部绝缘密封垫，其中，所述三电极组件与所述端部绝缘板抵接，所述端部绝缘密封垫与所述法兰盖抵接；
所述穿线孔内对应于所述电极引出线设置有绝缘套，所述析氧阳极、所述析氢阴极、所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极的电极引出线依次穿过所述端部绝缘板、所述端部绝缘密封垫和所述法兰盖。
进一步地，所述电极引出线穿出所述法兰盖后，用螺母拧紧固定，所述螺母与所述法兰盖外侧面之间垫有绝缘垫片。
进一步地，所述绝缘组件选用材质为四氟材料、酚醛树脂玻璃纤维、布胶板、树脂或橡胶中的至少一种的绝缘组件。
进一步地，所述第二定位绝缘螺杆的远离所述底部绝缘支撑板的一端与所述法兰盖之间的连接采用焊接或者内外螺纹连接；或者，所述第二定位绝缘螺杆为外部包覆有绝缘材料的不锈钢螺杆。
进一步地，所述第一定位绝缘螺杆为外部包覆有绝缘材料的不锈钢螺杆。
与现有技术相比，本申请具有如下优点：
(1)本申请电解槽采用单个筒体本体的结构，且无需在电解槽内部增加执行机构，能够满足电化学法两步产生氢气的应用需求。本申请电解槽在使用上操作简单并具备安全性与高效能，能满足电子业制程气体、分析设备、合成用氢气或其它作业的需求。
(2)本申请装置的工作特点在于将电解水制氢气和电解水制氧气分两步进行，因此可以实现氢气和氧气的分别制取，从而能制备出高纯度的氢气和氧气，不会出现氧气和氢气混合的情况，并提高碱性电解水制氢的安全性。
(3)由于氢气和氧气的分别制取，本申请装置的电解槽可以不用设置隔膜，与传统的碱性电解水制氢相比，省去了隔膜，加大了电解质中OH-离子的传输速率，降低了成本，也同时提高了电解制氢的效率和速率。
附图说明
图1为本申请实施例提供的基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽的剖面结构示意图；
图2为图1的筒体组件的结构示意图；
图3为图1的三电极组件的结构示意图；
图4a-图4d为图3的三电极组件中各个电极的不同排列方式示意图；
图5为图3的中间绝缘支撑板的结构示意图；
图6为图3的底部绝缘支撑板的结构示意图；
图7为图1的三电极组件与法兰盖的连接方式示意图；
图8为图4的析氧阳极或析氢阴极的结构示意图；
图9为图4的NiOOH/Ni(OH)2复合电极的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
参见图1，该基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽，至少包括：三电极组件1、筒体组件2以及法兰盖组件。
参见图2，筒体组件2包括：筒体本体21以及位于筒体本体21两侧的两个筒体法兰2a、 2b，筒体本体21上设有进液口211和排液口212，筒体本体21用于盛装碱性电解液。上述筒体本体21内的电解液为碱性电解液。优选地，筒体本体21内的电解液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。更优选地，筒体本体21内的电解液为质量百分数30％的KOH溶液。
参见图4a-4d、7和8，三电极组件1包括：析氢阴极12、析氧阳极13以及NiOOH/Ni(OH)2。析氢阴极12采用Ni-Fe电极、析氧阳极13采用泡沫镍。复合电极14，析氧阳极13、NiOOH/Ni(OH)2复合电极和析氢阴极12可以间隔层叠设置。具体而言，上述三个电极可以采用左、中、右排列，其中，中间为Ni(OH)2/NiOOH电极14，左侧或右侧为析氢阴极12(如镍铁电极等)，另外一侧电极采用析氧阳极13(如镍基电极等)。
其中，析氢阴极12、析氧阳极13以及NiOOH/Ni(OH)2复合电极14放置在筒体本体21内。
法兰盖组件包括两个法兰盖3a和3b，两个法兰盖3a、3b分别通过紧固件与两个筒体法兰2a、2b紧固连接，与上述三个电极外接的法兰盖3a上开设有穿线孔a1、a2和a3。
其中，析氢阴极12、析氧阳极13以及NiOOH/Ni(OH)2复合电极14的电极引出线分别穿过穿线孔a1、a2、a3，并外露于法兰盖3a外侧面，电极引出线用于外接电源(图未示出)，以使析氢阴极12、NiOOH/Ni(OH)2复合电极14以及电源组成第一电路，析氧阳极13、 NiOOH/Ni(OH)2复合电极14以及电源组成第二电路，当电解槽处于析氢工作状态时第一电路闭合且第二电路断开，当电解槽处于析氧工作状态时第二电路闭合且第一电路断开。
在一些实施例中，筒体法兰2a与法兰盖3a之间设有密封垫片，筒体法兰2b与法兰盖3b 之间设有密封垫片。密封垫片可以为橡胶密封垫片或四氟材料密封垫片。
在一些实施例中，析氧阳极13上设有m个第一定位通孔，NiOOH/Ni(OH)2复合电极14 上设有m个第二定位通孔，析氢阴极12上设有m个第三定位通孔。其中，m为大于或等于 3的整数，例如m为3或4或5。
电解槽还包括绝缘组件，参见图3，绝缘组件包括m个第一定位绝缘螺杆11，第一定位绝缘螺杆11的外圆周上设有绝缘定位套筒8。其中，第一定位绝缘螺杆11依次穿过第一定位通孔、第二定位通孔和第三定位通孔，绝缘定位套筒8将析氢阴极12、析氧阳极13以及NiOOH/Ni(OH)2复合电极14固定在第一定位绝缘螺杆11的预设位置上，以使析氢阴极12、析氧阳极13以及NiOOH/Ni(OH)2复合电极14间隔层叠设置，NiOOH/Ni(OH)2复合电极安装于其他两种电极之间。
在一些实施例中，绝缘组件还包括：底部绝缘支撑板4、多个中间绝缘支撑板6、n个第二定位绝缘螺杆5。其中，n为大于或等于4的整数，例如n为4或5或6。
其中，底部绝缘支撑板4的边缘和多个中间绝缘支撑板6的边缘均与筒体本体21的内壁面卡接。
参见图5，中间绝缘支撑板6上开设有通槽以及分布在通槽四周的n个第四定位通孔。参见图6，底部绝缘支撑板4上开设有n个第五定位通孔。其中，三电极组件1分别穿过多个中间绝缘支撑板6的通槽，且三电极组件1一端抵接在底部绝缘支撑板上。n个第二定位绝缘螺杆5分别穿过多个中间绝缘支撑板6的n个第二定位通孔后，再分别穿过底部绝缘支撑板4的n个第三定位通孔。
在一些实施例中，绝缘组件还包括：定位螺母7，定位螺母7将多个中间绝缘支撑板6 和底部绝缘支撑板4固定在第二定位绝缘螺杆5的预设位置上。
在一些实施例中，绝缘组件还包括：层叠设置在三电极组件1与其中一个法兰盖3a之间的端部绝缘板9和端部绝缘密封垫10，其中，三电极组件1与端部绝缘板9抵接，端部绝缘密封垫10与法兰盖3a抵接。
穿线孔a1、a2和a3内对应于电极引出线设置有绝缘套，析氢阴极12、析氧阳极13以及 NiOOH/Ni(OH)2复合电极14的电极引出线依次穿过端部绝缘板9、端部绝缘密封垫10和法兰盖3a。
在一些实施例中，参见图7，电极引出线穿出法兰盖3a后，用螺母16拧紧固定，螺母16与法兰盖3a外侧面之间垫有绝缘垫片15
在一些实施例中，上述绝缘组件、绝缘垫片15的材质可以包括四氟材料、酚醛树脂玻璃纤维、布胶板、树脂或橡胶中的至少一种。第一定位绝缘螺杆5和第二定位绝缘螺杆11也可以为外部包覆有绝缘材料的不锈钢螺杆，绝缘材料可以包括四氟材料、酚醛树脂玻璃纤维、布胶板、树脂或橡胶中的至少一种。
在一些实施例中，第二定位绝缘螺杆5的远离底部绝缘支撑板4的一端与法兰盖3a之间的连接采用焊接或者内外螺纹连接。
与现有技术相比，本申请具有如下优点：
(1)本申请电解槽采用单个筒体本体的结构，且无需在电解槽内部增加执行机构，能够满足电化学法两步产生氢气的应用需求。本申请电解槽在使用上操作简单并具备安全性与高效能，能满足电子业制程气体、分析设备、合成用氢气或其它作业的需求。
(2)本申请装置的工作特点在于将电解水制氢气和电解水制氧气分两步进行，因此可以实现氢气和氧气的分别制取，从而能制备出高纯度的氢气和氧气，不会出现氧气和氢气混合的情况，并提高碱性电解水制氢的安全性。
(3)由于氢气和氧气的分别制取，本申请装置的电解槽可以不用设置隔膜，与传统的碱性电解水制氢相比，省去了隔膜，加大了电解质中OH-离子的传输速率，降低了成本，也同时提高了电解制氢的效率和速率。
本申请的基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽在电解水制氢中的应用，具体如下：
该基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽包括析氢和析氧两种工作状态。
在处于析氢工作状态时，析氢阴极12连接直流电源的正极，Ni(OH)2/NiOOH电极14连接直流电源的负极，将筒体本体21内的质量百分数30％的KOH溶液的温度控制在60℃以内。该过程中，电解液中的水分子在析氢阴极12表面被电化学还原，产生氢气，即 H2O+e-→1/2H2↑+OH-，而NiOOH/Ni(OH)2复合电极14发生以下反应：Ni(OH)2+OH-－ e-→NiOOH+H2O。
在处于析氧工作状态时，析氧阳极13连接直流电源的负极，Ni(OH)2/NiOOH电极14连接直流电源的正极，将筒体本体21内的质量百分数30％的KOH溶液的温度控制在110℃以内。该过程中，碱性电解液中的氢氧根离子在析氧阳极表面被电化学氧化成为氧气，即2OH－2e-→1/2O2+H2O，而NiOOH/Ni(OH)2复合电极发生以下反应： NiOOH+H2O+e-→-Ni(OH)2+OH-。
本申请的基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽在电解水制氢中的应用，具体如下：
该基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽包括析氢和析氧两种工作状态。
析氢阴极12采用Ni-Fe电极，析氧阳极13采用泡沫镍，析氢阴极12、析氧阳极13分别在Ni(OH)2/NiOOH复合电极14的两侧。在外接直流电时，存在两路直流电；其中一路直流电的正极接泡沫镍电极13，负极接Ni(OH)2/NiOOH复合电极14；另一路直流电的正极接 Ni(OH)2/NiOOH复合电极14，负极接Ni-Fe电极12。在工作时，两路直流电交替电解。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽，其特征在于，至少包括：三电极组件、筒体组件以及法兰盖组件；
所述三电极组件包括：析氧阳极、析氢阴极以及NiOOH/Ni(OH)2复合电极，所述析氧阳极、所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极和所述析氢阴极间隔层叠设置，且NiOOH/Ni(OH)2复合电极安装于其他两种电极之间；
所述筒体组件包括：筒体本体以及位于筒体本体两侧的两个筒体法兰，所述筒体本体上设有进液口和排液口，所述筒体本体用于盛装碱性电解液，其中，三电极组件放置在所述筒体内；
所述法兰盖组件包括两个法兰盖，两个所述法兰盖分别通过紧固件与两个所述筒体法兰紧固连接，其中电极外接的法兰盖上开设有穿线孔a1、a2和a3；
其中，所述析氧阳极、所述析氢阴极、所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极的电极引出线分别穿过所述穿线孔a1、a2、a3，并外露于所述法兰盖外侧面，所述电极引出线用于外接电源，以使所述析氢阴极、所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极以及所述电源组成第一电路，所述析氧阳极、所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极以及所述电源组成第二电路，当所述电解槽处于析氢工作状态时所述第一电路闭合且所述第二电路断开，当所述电解槽处于析氧工作状态时所述第二电路闭合且所述第一电路断开。
2.根据权利要求1所述的基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽，其特征在于，所述筒体法兰与所述法兰盖之间设有密封垫片。
3.根据权利要求1所述的基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽，其特征在于，
所述析氧阳极上设有m个第一定位通孔，所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极上设有m个第二定位通孔，所述析氢阴极上设有m个第三定位通孔；
所述电解槽还包括绝缘组件，所述绝缘组件包括m个第一定位绝缘螺杆，所述第一定位绝缘螺杆的外圆周上设有绝缘定位套筒，其中，m个第一定位绝缘螺杆分别依次穿过m个第一定位通孔、m个第二定位通孔和m个第三定位通孔，所述绝缘定位套筒将所述析氧阳极、所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极和所述析氢阴极固定在所述第一定位绝缘螺杆的预设位置上，以使所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极、所述析氧阳极、所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极和所述析氢阴极间隔层叠设置。
4.根据权利要求1所述的基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽，其特征在于，所述电解槽还包括绝缘组件，所述绝缘组件还包括：底部绝缘支撑板、多个中间绝缘支撑板、n个第二定位绝缘螺杆；
其中，所述底部绝缘支撑板的边缘和多个所述中间绝缘支撑板的边缘均与所述筒体本体的内壁面卡接，所述中间绝缘支撑板上开设有通槽以及分布在所述通槽四周的n个第四定位通孔，所述底部绝缘支撑板上开设有n个第五定位通孔；
其中，所述三电极组件分别穿过多个所述中间绝缘支撑板的通槽，且所述三电极组件一端抵接在所述底部绝缘支撑板上；
n个第二定位绝缘螺杆分别穿过多个所述中间绝缘支撑板的n个第二定位通孔后，再分别穿过所述底部绝缘支撑板的n个第三定位通孔。
5.根据权利要求4所述的基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽，其特征在于，
所述绝缘组件还包括：定位螺母，所述定位螺母将多个所述中间绝缘支撑板和所述底部绝缘支撑板固定在所述第二定位绝缘螺杆的预设位置上。
6.根据权利要求4所述的基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽，其特征在于，
所述绝缘组件还包括：层叠设置在所述三电极组件与其中一个所述法兰盖之间的端部绝缘板和端部绝缘密封垫，其中，所述三电极组件与所述端部绝缘板抵接，所述端部绝缘密封垫与所述法兰盖抵接；
所述穿线孔内对应于所述电极引出线设置有绝缘套，所述析氧阳极、所述析氢阴极、所述NiOOH/Ni(OH)2复合电极的电极引出线依次穿过所述端部绝缘板、所述端部绝缘密封垫和所述法兰盖。
7.根据权利要求6所述的基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽，其特征在于，
所述电极引出线穿出所述法兰盖后，用螺母拧紧固定，所述螺母与所述法兰盖外侧面之间垫有绝缘垫片。
8.根据权利要求3-7任一项所述的基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽，其特征在于，
所述绝缘组件选用材质为四氟材料、酚醛树脂玻璃纤维、布胶板、树脂或橡胶中的至少一种的绝缘组件。
9.根据权利要求4所述的基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽，其特征在于，
所述第二定位绝缘螺杆的远离所述底部绝缘支撑板的一端与所述法兰盖之间的连接采用焊接或者内外螺纹连接；
或者，所述第二定位绝缘螺杆为外部包覆有绝缘材料的不锈钢螺杆。
10.根据权利要求3所述的基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽，其特征在于，所述第一定位绝缘螺杆为外部包覆有绝缘材料的不锈钢螺杆。
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|---|---|---|---|---|
| CN114892182A (zh) * | 2022-05-10 | 2022-08-12 | 上海嘉氢源科技有限公司 | 基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽及其应用 |
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2022
- 2022-05-10 CN CN202221117169.1U patent/CN217628644U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114892182A (zh) * | 2022-05-10 | 2022-08-12 | 上海嘉氢源科技有限公司 | 基于三电极体系的两步法电解水制氢的电解槽及其应用 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |