CN218203071U - 一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽，由若干个电解小室以及端压板、极框、密封垫等组成，每一个电解小室包含集电隔气板、由氢气通道层和析氢阴极组成的组合阴极、毛细吸液隔膜、由氧气通道层和析氧阳极组成的组合阳极、供液管、储液槽。电解槽工作时通过位于两个电极之间的一张毛细吸液隔膜，利用毛细作用自发将电解液从储液槽吸上来进行电解，所生成的气体通过氢气通道层或氧气通道层逸出，水电解制氢/氧过程没有气泡形成。本实用新型的技术方案采用供液管保证大尺寸制氢水电解槽内毛细吸液隔膜中的电解液供给，满足大电流下电解液的消耗，既具备优异的析氢/析氧活性，良好的流场特性，又能有效降低能耗。

Description

一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽

技术领域

本实用新型涉及水电解制氢领域，特别涉及一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽。

背景技术

氢能作为一种可持续的新型清洁能源，因具有高效、可压缩存储运输、产物无污染等优点而成为近来新能源领域新方向。将太阳能、风能等间歇性能源制取得到的电能，通过电解水析氢反应转化为可存储、可运输的氢能，被认为是解决当今环境污染和能源危机最有效的途径之一。氢能在工业、交通运输和发电、储能领域，都有很好的用途。随着各国承诺到2050年前后实现净零排放目标后，都拼命寻找化石燃料的替代品，于是全球对氢能的兴趣大幅增长。很多国家都制定“氢能战略”，来开发制氢技术，降低成本，扩大应用规模。但电解水制氢的一个痛点是，耗电比较大，价格比较高。电力成本占到制氢成本的80%左右。要降低制氢成本，要么寻找便宜的电力，要么改进技术提高电解效率。

在技术层面，电解水制氢主要分为 AWE、PEM 水电解，固体聚合物阴离子交换膜（AEM）水电解、固体氧化物（SOE）水电解。

在市场化进程方面，碱水电解（AWE）作为最为成熟的电解技术占据着主导地位，尤其是一些大型项目的应用。AWE 采用氢氧化钾（KOH）水溶液为电解质，以石棉为隔膜，分离水产生氢气和氧气，效率通常在 70%-80%。一方面，AWE 在碱性条件下可使用非贵金属电催化剂（如 Ni、Co、Mn等），因而电解槽中的催化剂造价较低，但产气中含碱液、水蒸气等，需经辅助设备除去；另一方面， AWE 难以快速启动或变载、无法快速调节制氢的速度，因而与可再生能源发电的适配性较差。

PEM水电解最显著的特点是用聚合物质子交换膜（PEM）取代了 AWE 电解槽中的石棉隔膜。PEM水电解槽所使用的质子交换膜（如Nafion, 厚度通常只有 0.2 mm）具有很高的质子导电性（0.1 - 0.02 S cm^-1），可作为固体电解质。因此，PEMWE 电解槽可以直接使用去离子水作为电解液，避免了 AWE 中碱性电解液带来的各种问题。此外，PEM水电解采用“零极距”式电解槽结构，系统更为紧凑。与此同时，得益于质子交换膜优异的气体阻隔能力，使得大电流密度（> 2 A cm^-2）、高气压（350 bar）条件下的电解水成为可能。但是当前的PEM水电解依赖贵金属基阴/阳极催化剂，以及双极板、MEA的价格昂贵，导致PEM水电解制氢的系统成本极高，限制了其商业化的前景。

其余的固体聚合物阴离子交换膜（AEM）水电解、固体氧化物（SOE）水电解技术尚处于初期示范阶段，短期内不具备大规模商业化的可能。

目前工业上通过水电解生产氢气的主要瓶颈：由于电解液中的气泡是不导电的，会阻挡电极上的催化点位与电解液的接触，降低析氢效率。这是因为在水电解的过程中，阴阳极连续不断地产生气体，首先在电极表面生成气泡，这些气泡随着时间的增长而逐渐变大，达到一定的尺寸后就要从电极表面脱附，随着电解时间不断增加，电极表面产生的气体更多，当气体逸出速度小于气体产生速度时，越来越多的气体会附着在电解表面以及扩散到电解液中，占据电极表面的活性点，增加电极的过电位，使得电解液的含气度增大，减小了电解液的有效截面积，致使电流通过电解液时电阻增加及电压损耗增大，因此降低气泡的影响对于电解能耗的降低以及经济效益的提高具有非常重要意义。

大型电解水制氢装置的电解槽，电极直径大，通过的电解液及气量大，而为了保证电解液在槽体内的均匀循环，需要在基板上设计复杂的气、液通道，这样一来就增加了加工难度，影响制氢设备的大规模普及。

一份题目为“压滤式碱性电解槽槽压影响因素研究”的学位论文（张延峰. 压滤式碱性电解槽槽压影响因素研究[D].湖南大学,2015.），于正文第20页中的图2.5，公开了一种电解小室的构成，接下来的第21页中的表2.6，提到了实验中使用的电极包括“泡沫镍、不同面密度泡沫镍基体上的镍钼合金”。这种电解槽的结构为传统结构，使用泡沫镍作为析氢/析氧电极，乳突板提供电解液流动的通道，电解液在其中的传质并不均匀，电解效率也不高，能耗较高。

一份题目为“A high-performance capillary-fed electrolysis cellpromisesmore cost-competitive renewablehydrogen”的期刊论文（Hodges, A., Hoang, A.L.,Tsekouras, G. et al. A high-performance capillary-fed electrolysis cellpromises more cost-competitive renewable hydrogen. Nat Commun13, 1304(2022).），公开了一种通过毛细管供液的水电解制氢电解槽，与传统结构不同，该种电解槽的电解室内不再提供循环流动的电解液，而是通过位于阴、阳极之间的多孔毛细隔膜，把电解液从储液槽吸上来，提供给水电解的阴、阳极进行电解，所产生的的气体进入集气室后排出，不再像传统结构那样变成气泡被电解液带出，由于没有水被吸引到释放气体的电极一侧，阻力进一步减少。这一方案克服了传统水电解槽固有的气液反向流动及其质量运输限制，由于省去了液体循环，因此可以省去通常需要的气液分离器罐及其管道、泵和配件，进一步，还允许风冷，或辐射自冷，无需水冷式冷却器，减少能耗，并且每个电解槽的储液槽中的液体电解质体积变小，减少了所需的总水量。然而，这种电解槽的缺点是多孔毛细隔膜有吸液高度限制，在大型制氢机里面，隔膜会做得很高，紧靠毛细隔膜从底部或顶部储液槽吸液难以满足大电流水电解制氢的电解液消耗。因而该论文的方案很难作出大尺寸的制氢机，从而限制了其大规模商用。

对于工业应用的大尺寸制氢水电解槽来说，同时需要兼顾电解液压力、稳定性以及总体经济性的平衡。现代大尺寸制氢机的工作电流一般在1000安培以上，电流越大消耗的电解液量越多，在实际的制氢水电解槽设计中，需要在电解液输送、气体产物扩散和总体能耗之间作出平衡。因此，现阶段需要寻找将毛细吸液结构供液技术应用到大尺寸制氢电解槽，使其同时既具有较高的析氢效率，又可以保证电解液和气体产物的输送分离的一种技术方案。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽，与传统的水电解槽不同，在本实用新型技术方案中，储液槽中的电解液不直接与阳极和阴极接触，而是通过位于两个电极之间的一张毛细吸液隔膜供液，利用毛细作用自发、不断地将电解液吸上来，该毛细吸液隔膜具有多孔、亲水的结构。因此，电极从毛细吸液隔膜的一侧吸收薄薄的一层电解液，通过电解反应直接产生氢气和氧气，随后分别逸出到复合阴极和阳极区域的氢气通道层、氧气通道层，不会出现传统制氢电解槽中的气泡现象。

本实用新型的技术方案为：

一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽，由若干个电解小室以及端压板、极框、密封垫等组成，电解小室之间是串联的或者是并联的，其特征在于：每一个电解小室包含集电隔气板、毛细吸液隔膜、供液管、储液槽、氢气通道层、析氢阴极、氧气通道层、析氧阳极；

所述的毛细吸液隔膜设置在析氢阴极和析氧阳极之间；

氢气通道层的一侧与析氢阴极连接，另一侧与集电隔气板的负极侧连接，氧气通道层的一侧与析氧阳极连接，另一侧与集电隔气板的正极侧连接；

所述储液槽与毛细吸液隔膜连通；

所述的电解小室内的毛细吸液隔膜高度＞300mm；

氢气通道层、析氢阴极、或者两者的组合作为供液管承载体，氧气通道层、析氧阳极、或者两者的组合作为供液管承载体，供液管在电解小室内是在供液管承载体内的一处或多处位置安装，每一处安装位置的供液管数量是一根或者是多根；

所述供液管上设置有若干渗液孔，开孔方向朝向毛细吸液隔膜，渗流孔的开孔方向垂直于毛细吸液隔膜表面，或者与毛细吸液隔膜表面成一定角度，渗流孔是单排的或者是多排的。

所述的储液槽在以下的一处或多处位置安装：电解小室的底部、电解小室的顶部、电解小室的侧部。

进一步地，所述的电解小室内毛细吸液隔膜高度≥800mm。

在传统的水电解中，电解液是充满整个电解小室内，并且通过供液泵不断循环，两个电极都淹没在电解液中，电解产生的气体就会在它们周围形成气泡，然后被电解液带走。而在本实用新型的技术方案中，电解小室与储液槽之间由隔板隔开，毛细吸液隔膜通过隔板上的开口浸入到储液槽内。电解液通过毛细吸液隔膜的毛细作用进入电解小室，在复合阳极和复合阴极表面覆盖一层薄薄的液膜，电解消耗的水由毛细吸液隔膜补充。因而，在本实用新型的技术方案中由于产生的氢气和氧气气体很容易通过覆盖在各自电极上的液体电解质薄层进行迁移，在这种电解槽中，水直接转化为大量气体，而不形成气泡。

由于没有电解液被吸引到释放气体的多孔扩散层一侧，气泡只在每个电极与毛细吸液隔膜紧贴的一侧形成，因此气体的扩散阻力进一步减少，两者不会互相妨碍，而且当水从毛细吸液隔膜中被电解出来时，毛细作用会吸取更多的水来替代它。这样就避免了气泡吸附在电极表面上，阻止电解液扩散至催化位点，导致电解效率下降的问题。

氢气通道层和氧气通道层使用厚度较大、具有三维网状结构且孔径较大的多孔金属，目的是减小气体的流动阻力，使得电解产生的气体能更快地传输到气体收集装置，提高电解效率，同时多孔金属又可以起到很好的导电作用，将电流引入到阴极和阳极反应处。三维多孔镍金属自身具有的强度也可以支撑电解小室的结构，防止被极框挤压变形。

期刊中所述的毛细吸液隔膜是利用多孔隔膜的毛细力将电解液从储液槽吸到电解小室内，补充电解反应消耗的水，然而，毛细现象存在吸液高度和吸液速度的限制。在体积较大的制氢机中，会用到1-2米高的隔膜，在这样的高度下，仅仅依靠隔膜的毛细力从储液槽补充电解液，在现代制氢机动辄1000A以上的电解电流下，毛细吸液隔膜的供液速度会跟不上电解水的消耗速度，哪怕是通过在隔膜的底部和顶部都设置储液槽的方式都难以弥补。在这种结构的电解槽中，假如阴阳极电解液的唯一来源是毛细吸液隔膜通过毛细作用从储液槽吸取的话，一旦在水电解反应进行的过程中，毛细吸液隔膜出现供液不足的情况，就会导致制氢机工作电流下降，制氢量减少的问题，如果继续情况继续恶化至毛细吸液隔膜有局部完全失水变得干燥的话，干燥的部位电阻升高并发热，由此导致槽压升高，极端情况下毛细吸液隔膜可能会被烧穿，引起制氢机故障。本实用新型通过在电解小室中设置供液管，解决了这个问题。供液管设置在组合阴极内或组合阳极内，其安装位置包括但不限于以下的几种：析氢阴极内、析氧阳极内、析氢阴极与氢气通道层之间、析氧阳极与氧气通道之间、供液管与析氢阴极共同侵入氢气通道层的表面以下、供液管与析氧阳极共同侵入阳气通道层的表面以下、上述的任意两种以上方式的组合。供液管的安装包括但不限于以下的方式：通过挤压嵌入、通过预设槽道嵌入、通过预设孔洞嵌入、焊接、上述的任意两种以上方式的组合。

所述供液管上设置有若干渗液孔，开孔方向朝向毛细吸液隔膜，通过渗流孔向电解反应区域补充电解液。每一处安装位置的供液管可以是单根，也可以是多根，供液管上的渗流孔可以是单排，也可以是多排，供液管的形状不受限制，可根据制氢机设计的具体消耗量自由选择。通过设计供液管在电解小室中的布局，以及供液管上渗流孔的设计，可以维持电解液在电解反应区域的均匀分布，并且保证不间断供液，增加可靠性。

本实用新型所公开的一种采用毛细吸液结构供液的水制氢电解槽系统的设计便于制造、扩展和安装，最高可以提供95%的整体系统效率，而传统目前的电解槽技术的效率为75%或更低。对于氢气生产商来说，这将大大降低生产绿色氢气的成本和运营成本。与现有技术相比，本实用新型的技术方案解决了采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽的稳定供液问题，更加可靠稳定，具有很大的商业应用前景。

附图说明

图1为本实用新型的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽内供液管的形式示意图；

图2为本实用新型的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽内供液管的安装位置示意图；

图3为本实用新型的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽内供液管的安装位置示意图；

图4为本实用新型的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽内供液管的安装位置示意图；

图5为本实用新型的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽内供液管的安装位置示意图；

图6为本实用新型的实施例一中的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽内的电解小室正视图；

图7为本实用新型的实施例一中的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽内的的供液管示意图；

图8为本实用新型的实施例一中的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽内的的供液管在阴极内排布方式的示意图；

图9为本实用新型的实施例二中的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽内的电解小室正视图；

图10为本实用新型的实施例二中的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽内的供液管示意图；

图11为本实用新型的实施例二中的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽内的的供液管在电解小室内排布方式的示意图；

图12为本实用新型的实施例三中的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽内的电解小室俯视图；

图13为本实用新型的实施例三中的作为集电隔气板的五层金属复合板结构示意图；

图14为本实用新型的实施例三中的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽内的供液管示意图

图15为本实用新型的实施例三中的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽内的的供液管在电解小室内排布方式的示意图。

具体实施方式

本实用新型的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽，包括两块端压板，若干极框，以及若干电解小室，端压板与电解小室之间以及相邻电解小室之间均设置极板，当电解小室之间是并联时，电解小室之间的极板为双极板。端压板、若干电解小室以及双极板通过螺柱固定连接。

每一个电解小室包括集电隔气板、氢气通道层、析氢阴极、毛细吸液隔膜、氧气通道层、析氧阳极、供液管、储液槽。

集电隔气板包括但不限于以下形式：金属平板，厚度1-10mm；由模具对厚度为1-10mm的金属平板冲压而成的乳突板，其中乳突状凸起高度为2-15mm。其材质包括但不限于以下材料：铁、铜、铝、银、镍、钛、碳材料、铜合金、铝合金、银合金、镍合金、不锈钢、碳钢、钛合金材料中的任意一类材料或者是它们中的任意两种以上制成的复合材料。。

氢气通道层和氧气通道层包括但不限于以下形式：通过在聚氨酯海绵上沉积金属层，然后经过烧结还原得到的泡沫金属；用有机高分子纤维编织成三维多孔材料，然后在其表面上沉积金属层，最后经过烧结还原得到的多孔金属；也可以是用金属线编织成的三维多孔金属。其材质包括但不限于以下材料：由铜、铝、银、镍、钛中的任意一类金属形成的单金属材料，或是铜合金、铝合金、镍合金、钛合金材料，或是以前述材料为基体进行表面镀膜或涂覆的多层复合材料。

析氢阴极包括多孔载体层和析氢催化剂层，多孔载体层包括但不限于以下形式：通过在聚氨酯海绵上沉积金属层，然后经过烧结还原得到的泡沫金属；用有机高分子纤维编织成三维多孔材料，然后在其表面上沉积金属层，最后经过烧结还原得到的多孔金属；也可以是用金属线编织成的三维多孔金属；平面金属网。其材质包括但不限于以下材料：由铜、铝、银、镍、钛中的任意一类金属形成的单金属材料，或是铜合金、铝合金、镍合金、钛合金材料，或是以前述材料为基体进行表面镀膜或涂覆的多层复合材料。

阴极的多孔载体层可以直接在表面设置析氢催化剂，也可以先经过表面粗糙化处理后再在其表面设置催化剂。多孔载体层表面粗糙化处理包括但不限于以下方式：在三维多孔镍金属表面通过热喷涂技术生成一层金属层、在三维多孔镍金属表面涂覆一层含有金属或金属氧化物粉体的浆料然后烧结还原、利用水热法在三维多孔镍金属表面制备具有较高比表面积的金属化合物、将三维多孔镍金属作为阴极采用较大电流密度电沉积一层金属、在三维多孔镍金属表面喷涂一层雷尼镍层然后经过碱溶处理。

析氢催化剂不包括但不限于以下材质：含铁、钴、镍、钼、铜、镧、铈的二元或三元合金，含铁、钴、镍、钼、铜、镧、铈的硫化物，含铁、钴、镍、钼、铜、镧、铈的的磷化物，含铁、钴、镍、钼、铜、镧、铈的氮化物，包含上述两种以上材料的混合物。

析氧阳极包括多孔载体层和析氢催化剂层，多孔载体层包括但不限于以下形式：通过在聚氨酯海绵上沉积镍金属层，然后经过烧结还原得到的泡沫金属；用有机高分子纤维编织成三维多孔材料，然后在其表面上沉积镍金属层，最后经过烧结还原得到的多孔镍金属；也可以是用金属线编织成的三维多孔镍金属；平面金属网。其材质包括但不限于以下材料：由铜、铝、银、镍、钛中的任意一类金属形成的单金属材料，或是铜合金、铝合金、银合金、镍合金、钛合金材料，或是以前述材料为基体进行表面镀膜或涂覆的多层复合材料。

阳极的多孔载体层可以直接在表面设置析阳催化剂，也可以先经过表面粗糙化处理后再在其表面设置催化剂。多孔载体层表面粗糙化处理包括但不限于以下方式：在三维多孔镍金属表面通过热喷涂技术生成一层金属层、在三维多孔镍金属表面涂覆一层含有金属或金属氧化物粉体的浆料然后烧结还原、利用水热法在三维多孔镍金属表面制备具有较高比表面积的金属化合物、将三维多孔镍金属作为阴极采用较大电流密度电沉积一层金属、在三维多孔镍金属表面喷涂一层雷尼镍层然后经过碱溶处理。

析氧催化剂不包括但不限于以下材质：含铁、钴、镍、锰的单金属或者双金属氢氧化物、羟基氧化物或层状氧化物，含铁、钴、镍的单金属或合金的氧化物，含镍、钴的尖晶石结构化合物，包含上述两种以上材料的混合物。

毛细吸液隔膜包括但不限于以下材质：尼龙纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、乙烯-乙烯醇共聚物、聚醚砜、聚苯硫醚中的至少一种制备得到的片状材料。其厚度为0.05-5mm。

供液管包括但不限于以下形式（如图1所示）：方管（11），圆管（12），半圆管（13）。其材质包括但不限于以下材料：铁、铜、铝、镍、钛、碳材料、铜合金、铝合金、镍合金、不锈钢、碳钢、钛合金材料、聚四氟乙烯、聚醚醚酮中的任意一类材料或者是它们中的任意两种以上制成的复合材料。

供液管的安装位置包括但不限于以下的几种：

如图2所示，供液管（21）设置于析氢阴极内（22）；

如图2所示，供液管（21）设置于析氧阳极内（22）；

如图3所示，供液管（31）设置于氢气通道层内（33）；

如图3所示，供液管（31）设置于氧气通道层内（33）；

如图4所示，供液管（41）设置于析氢阴极（42）与氢气通道层之间（43）；

如图4所示，供液管（41）设置于析氧阳极（42）与氧气通道之间（43）；

如图5所示，供液管（51）与析氢阴极（52）共同侵入氢气通道层（53）的表面以下（24）；

如图5所示，供液管（51）与析氧阳极（52）共同侵入氧气通道层（53）的表面以下；

上述的任意两种以上方式的组合。

供液管的安装包括但不限于以下的方式：通过挤压嵌入、通过预设槽道嵌入、通过预设孔洞嵌入、焊接、上述的任意两种以上方式的组合。

所述供液管上设置有若干渗液孔，开孔方向朝向毛细吸液隔膜，通过渗流孔向电解反应区域补充电解液。每一处安装位置的供液管数量是一根或者是多根，供液管上的渗流孔是单排的或者是多排的。

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例一

本实施例中的的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽，包括两块端压板，若干极框，以及若干电解小室，端压板与电解小室之间以及相邻电解小室之间均设置极板，电解小室之间是并联，电解小室之间的极板为双极板。端压板、若干电解小室以及双极板通过螺柱固定连接。

如图6所示，每一个电解小室包括集电隔气板（61、69）、氢气通道层（62）、析氢阴极（63）、毛细吸液隔膜（64）、析氧阳极（65）、氧气通道层（66）、供液管（67）、储液槽（68）。

所述的毛细吸液隔膜（64）设置在析氢阴极（63）和析氧阳极（65）之间。

氢气通道层（62）的一侧与析氢阴极（63）连接，另一侧与集电隔气板（61）的负极侧连接，氧气通道层（66）的一侧与析氧阳极（65）连接，另一侧与集电隔气板（69）的正极侧连接。

所述储液槽（68）与毛细吸液隔膜（64）连通。

本实施例中的集电隔气板采用的是厚度为3mm的金属镍板。

本实施例中的氢气通道层和氧气通道层均采用是厚度为8mm，平均孔径为1000μm的泡沫镍。

本实施例中采用的析氢阴极是厚度为1.5mm，平均孔径为500μm的泡沫镍，其表面覆盖有镍钼合金作为催化剂。

本实施例中采用的析氧阳极是厚度为1.5mm，平均孔径为500μm的泡沫镍，其表面覆盖有铁镍双金属羟基氧化物作为催化剂。

本实施例中采用的毛细吸液隔膜是厚度为0.1mm，平均孔径为8μm，经过亲水处理的聚醚砜膜，其在电解小室内的高度是500mm。

本实施例中采用的供液管是方形镍管（如图7所示），在朝向毛细吸液隔膜的表面上设置两排渗流孔。供液管通过在析氢阴极内的预设槽道嵌入到析氢阴极内，有渗流孔的一侧表面与析氢阴极的表面平齐。如图8所示，每一个析氢阴极（81）内的预设槽道嵌入1根供液管（82），相邻的两个预设槽道间距为180mm。每一根供液管都与电解小室外部的工业管道连通。

储液槽（68）设置在电解小室的底部，储液槽与电解小室之间设置有隔板。每一个电解小室的储液槽在未接供液管道之前，相互之间是不连通的。

实施例二

本实施例中的的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽，包括两块端压板，若干极框，以及若干电解小室，端压板与电解小室之间以及相邻电解小室之间均设置极板，电解小室之间是并联，电解小室之间的极板为双极板。端压板、若干电解小室以及双极板通过螺柱固定连接。

如图9所示，每一个电解小室包括集电隔气板（91、99）、氢气通道层（92）、析氢阴极（93）、毛细吸液隔膜（94）、析氧阳极（95）、氧气通道层（96）、供液管（97）、储液槽（98）。

所述的毛细吸液隔膜（94）设置在析氢阴极（93）和析氧阳极（95）之间。

氢气通道层（92）的一侧与析氢阴极（93）连接，另一侧与集电隔气板（91）的负极侧连接，氧气通道层（96）的一侧与析氧阳极（95）连接，另一侧与集电隔气板（99）的正极侧连接。

所述储液槽（98）与毛细吸液隔膜（94）连通。

本实施例中的集电隔气板采用的是两面有许多圆丘状凸起的乳突板，是由模具对厚度为2mm的钢板冲压而成，凸起的高度为5mm，钢板表面覆盖有镍层，镍层厚度为80μm。

本实施例中的氢气通道层和氧气通道层均采用是厚度为10mm，平均孔径为1500μm的三维编织镍网。

本实施例中采用的析氢阴极是厚度为2mm，平均孔径为400μm的泡沫镍，其表面涂覆一层含有金属或金属氧化物粉体的浆料后经烧结还原，然后再覆盖有镍钨合金作为催化剂。

本实施例中采用的析氧阳极是厚度为2mm，目数为300目的平面镍网，其表面喷涂一层雷尼镍层后经过碱溶处理，然后再覆盖有尖晶石型结构的 Li₂CoO₄作为催化剂。

本实施例中采用的毛细吸液隔膜是厚度为0.7mm，平均孔径为10μm，经过亲水处理的聚苯硫醚膜，其在电解小室内的高度是1500mm。

本实施例中采用的供液管是圆形聚四氟乙烯管（如图10所示），通过挤压使供液管嵌入析氧阳极与氧气通道之间，以及析氢阴极与氢气通道层之间，在朝向毛细吸液隔膜的表面上设置有一排渗流孔。如图11所示，每处安装位置嵌入2根供液管（111），相邻的两个供液管安装位置的间距为300mm。每一根供液管都与电解小室外部的供液管道连通。

储液槽（98）设置在电解小室的底部和顶部，储液槽与电解小室之间设置有隔板。每一个电解小室的储液槽在未接供液管道之前，相互之间是不连通的。

实施例三

本实施例中的的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽，包括两块端压板，若干极框，以及若干电解小室，端压板与电解小室之间以及相邻电解小室之间均设置极板，电解小室之间是并联，电解小室之间的极板为双极板。端压板、若干电解小室以及双极板通过螺柱固定连接。

如图12所示，每一个电解小室包括集电隔气板（121、129）、氢气通道层（122）、析氢阴极（123）、毛细吸液隔膜（124）、析氧阳极（125）、氧气通道层（126）、供液管（127）、储液槽（128）。为了便于理解，本实施例中的电解小室的示意图为俯视图。

所述的毛细吸液隔膜（124）设置在析氢阴极（123）和析氧阳极（125）之间。

氢气通道层（122）的一侧与析氢阴极（123）连接，另一侧与集电隔气板（121）的负极侧连接，氧气通道层（126）的一侧与析氧阳极（125）连接，另一侧与集电隔气板（129）的正极侧连接。

所述储液槽（128）与毛细吸液隔膜（124）连通。

本实施例中的集电隔气板厚度为6mm的金属复合板，如图13所示，该金属复合板由五层金属轧制复合而成，中间层为厚度2mm的不锈钢片（131），中间层的两侧为两片厚度1mm的铜片（132），两个铜层的外侧为两片厚度1mm的镍片（133）。

本实施例中的氢气通道层和氧气通道层均采用是厚度为12mm，平均孔径为1200μm的泡沫镍。

本实施例中采用的析氢阴极是用有机高分子纤维编织成三维多孔材料，然后在其表面上沉积金属层，最后经过烧结还原得到的多孔金属，其厚度为1mm，平均孔径为300μm，然后在其表面制备MoNi₄纳米棒作为催化剂。

本实施例中采用的析氧阳极是用有机高分子纤维编织成三维多孔材料，然后在其表面上沉积金属层，最后经过烧结还原得到的多孔金属，其厚度为1mm，平均孔径为300μm，表面通过热喷涂技术生成一层粗糙的镍金属层，然后再覆盖有Co₃O₄作为催化剂。

本实施例中采用的毛细吸液隔膜是厚度为1mm，平均孔径为6μm，经过亲水处理的聚苯硫醚膜，其在电解小室内的高度是2000mm。

本实施例中采用的供液管是半圆形钛管（如图14所示），通过挤压使供液管与析氧阳极共同侵入到氧气通道层的表面以下（参见图5），半圆形钛管的平面在朝向毛细吸液隔膜，弧形面与析氧阳极焊接在一起，半圆形钛管的平面表面上设置有三排渗流孔。如图15所示，每处安装位置嵌入5根供液管（151），相邻的两个供液管安装位置的间距为500mm。每一根供液管都与电解小室外部的供液管道连通。

储液槽（128）设置在电解小室两个侧面，储液槽与电解小室之间设置有隔板。每一个电解小室的储液槽在未接供液管道之前，相互之间是不连通的。

Claims (3)

1.一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽，包含若干个电解小室以及端压板、极框、密封垫，电解小室之间是串联的或者是并联的，其特征在于：每一个电解小室包含集电隔气板、毛细吸液隔膜、供液管、储液槽、氢气通道层、析氢阴极、氧气通道层、析氧阳极；

所述的毛细吸液隔膜设置在析氢阴极和析氧阳极之间；

氢气通道层的一侧与析氢阴极连接，另一侧与集电隔气板的负极侧连接，氧气通道层的一侧与析氧阳极连接，另一侧与集电隔气板的正极侧连接；

所述储液槽与毛细吸液隔膜连通；

所述的电解小室内的毛细吸液隔膜高度＞300mm；

氢气通道层、析氢阴极、或者两者的组合作为供液管承载体，氧气通道层、析氧阳极、或者两者的组合作为供液管承载体，供液管在电解小室内是在供液管承载体内的一处或多处位置安装，每一处安装位置的供液管数量是一根或者是多根；

所述供液管上设置有若干渗液孔，开孔方向朝向毛细吸液隔膜，渗流孔的开孔方向垂直于毛细吸液隔膜表面，或者与毛细吸液隔膜表面成一定角度，渗流孔是单排的或者是多排的。

2.根据权利要求1所述的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽，其特征在于所述的储液槽在以下的一处或多处位置安装：电解小室的底部、电解小室的顶部、电解小室的侧部。

3.根据权利要求1所述的一种采用毛细吸液结构供液的大尺寸制氢水电解槽，其特征在于所述的电解小室内毛细吸液隔膜高度≥800mm。

Images