CN219508035U - 石墨极板、碱性电解槽和电解水制氢设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种石墨极板、碱性电解槽和电解水制氢设备，所述石墨极板包括：主极板和极框，所述极框围绕所述主极板的周侧；其中，所述极框和所述主极板一体模压成型。极框和主极板采用模压成型，在加热和加压成型时，耐碱性树脂熔化后流动充分浸润石墨的缝隙形成主极板和极框的基体，同时也使得主极板和极框紧密结合从而实现整体一次成型，极框和主极板之间无需焊接，这样省略了后续的一体成型工艺，以及可避免由此带来的不利影响。
Description
技术领域
本实用新型涉及电解水制氢的技术领域，特别涉及一种石墨极板、碱性电解槽和电解水制氢设备。
背景技术
近年来，世界能源发生了重大变化，氢气被誉为“清洁能源”。因此，大规模的电解水制氢方法的研究已被列入国家能源开发计划中，并围绕着电解水制氢设备，开展了大量的研究。电解水制氢目前主要有三种技术路线，即碱性电解(AWE)，质子交换膜电解(PEM)以及固体氧化物电解(SOEC)三种技术路线。碱性电解水制氢技术路线最为成熟，成本最低，目前更具经济性。
极板是碱性电解槽的关键部件之一，要求具有电导率高、气密性好、机械性能良好、耐腐蚀性好及成本低等特点。在碱性电解槽中，极板大多采用金属极板，但金属极板使用过程中存在易腐蚀的缺点，这会对其性能和耐久性产生不利影响；并且金属极板通常由主板和边框焊接，焊接的过程中易产生变形等不利影响。
发明内容
(一)发明目的
本实用新型的目的是提供一种石墨极板、碱性电解槽和电解水制氢设备。
(二)技术方案
本实用新型的第一方面提供了一种石墨极板，用于碱性电解槽中，所述石墨极板包括：主极板和极框，所述极框围绕所述主极板的周侧；其中，所述极框和所述主极板一体模压成型。
进一步地，所述的石墨极板还包括：镀层，所述镀层覆盖在所述极框和所述主极板的表面上；所述镀层的厚度范围设为5-100μm。
进一步地，所述主极板的厚度小于所述极框的厚度，以使主极板的两个侧面均构成电解液的流道；所述主极板的侧面上设有突起。
进一步地，与所述主极板的侧面相切，所述突起的截面形状为圆弧形、矩形或多边形。
进一步地，所述突起设为若干个，所述突起间隔且错开分布。
进一步地，所述主极板的侧面上设有流道，所述流道设为直条形或S形。
进一步地，所述极框上设有碱液进口、碱液和氧气出口、碱液和氢气出口，以及凹槽；所述碱液进口、碱液和氧气出口、碱液和氢气出口均设为圆形、椭圆形、矩形或多边形；且所述碱液进口位于所述极框的一侧，所述碱液和氧气出口、所述碱液和氢气出口位于所述极框的相对另一侧。
进一步地，所述极框上设有凹槽，所述凹槽形成于靠近所述极框的边缘，且所述凹槽位于所述碱液进口、碱液和氧气出口、碱液和氢气出口的外侧；所述凹槽内设有密封垫。
进一步地，所述极框的材料为石墨粉和耐碱性树脂；所述主极板的材料为石墨粉、耐碱性树脂、导电剂和碳纤维。
本实用新型的第二方面提供了一种碱性电解槽，包括阴极、阳极、隔膜；以及，所述的石墨极板；所述石墨极板位于阴极或阳极的外侧，所述隔膜位于所述阴极和阳极的中间。
本实用新型的第三方面提供了一种电解水制氢设备，包括所述的碱性电解槽。
(三)有益效果
本实用新型的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
1、本实用新型提供的石墨极板，通过主极板和极框整体一次模压成型，极框和主极板之间无需焊接，这样省略了后续的一体成型工艺，以及可避免由此带来的不利影响。
2、本实用新型提供的石墨极板具有电导率高、化学稳定性、热稳定性强、耐腐蚀的特点，可满足碱性电解槽的使用要求。
3、本实用新型提供的石墨极板，主极板的厚度小于极框的厚度的设置，主极板的侧面相对于周侧的极框形成凹陷区域，该凹陷区域可构成电解液的流道；一方面，突起以“顶对顶”的形式起到支撑作用，另一方面，还可以使隔膜两侧的石墨极板与电极实现多点接触，尽可能多的接触能够降低小室内部构件的接触电阻；另外突起还有利于增强电解液流动的扰动程度，减小流道内各处的电解液浓度差，使电解液分布更均匀，从而降低电解水制氢设备的能耗，提高其长期运行的稳定性。
附图说明
图1是根据本实用新型一实施方式的石墨极板的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是根据本实用新型另一实施方式的碱性电解槽小室结构示意图。
附图标记：
111-极框；112-主极板；113-突起；114-碱液进口；115-碱液和氧气出口；116-碱液和氢气出口；
11-石墨极板；12-隔膜；13-电极。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。
本实用新型的第一方面提供了一种石墨极板，用于碱性电解槽中，如图1-图3所示，所述石墨极板包括：主极板112和极框111，所述极框111围绕所述主极板112的周侧；其中，所述极框111和所述主极板112一体模压成型。所述主极板112的材料可包括石墨粉、耐碱性树脂、导电剂和碳纤维，以提高主极板112的电导率及电学性能；所述极框111的材料可包括石墨粉和耐碱性树脂；通过在石墨粉中添加一定比例的耐碱性树脂，可使主极板112和极框111的化学稳定性和热稳定性增强且具有耐腐蚀的特点，而且可提高石墨极板的气密性，以及弯曲强度和抗拉强度等机械性能；相对于主极板112，极框111的树脂含量可设为更多，使极框111的强度和耐腐蚀性进一步增强，可有效提高电解槽的整体性能；极框111和主极板112采用模压成型，在加热和加压成型时，耐碱性树脂熔化后流动充分浸润石墨的缝隙形成主极板112和极框111的基体，同时也使得主极板112和极框111紧密结合从而实现整体一次成型，极框111和主极板112之间无需焊接，这样省略了后续的一体成型工艺，以及可避免由此带来的不利影响。
一些实施例中，所述的石墨极板还包括：镀层，所述镀层覆盖在所述极框111和所述主极板112的表面上；所述镀层的厚度范围设为5-100μm。其中，所述镀层的材料可设为镍或钛。镀层为镍层或钛层，镍层或钛层可设为单层或多层，其厚度范围可设为5-100μm；镀层可覆盖于石墨极板的外周表面，这样进一步地可提高石墨极板的耐腐蚀性和气密性。将本实用新型实施例中的石墨极板应用于碱性电解槽中，从而可使制得的氢气气体纯度提高。
一些实施例中，所述主极板112的厚度小于所述极框111的厚度，以使主极板112的两个相对侧面均构成电解液的流道；且所述主极板112的相对两个侧面上均设有突起113。所述突起113的高度可设为与所述极框111平齐；或者，突起113的高度可设为略高于极框111。由于主极板112的厚度小于极框111的厚度的设置，主极板112的侧面相对于周侧的极框111形成凹陷区域，该凹陷区域可构成电解液的流道；一方面，突起113以“顶对顶”的形式起到支撑作用，另一方面，还可以使隔膜两侧的石墨极板与电极(阴极或阳极)实现多点接触，尽可能多的接触能够降低小室内部构件的接触电阻；另外突起113还有利于增强电解液流动的扰动程度，减小流道内各处的电解液浓度差，使电解液分布更均匀，从而降低电解水制氢设备的能耗，提高其长期运行的稳定性。
一些实施例中，与所述主极板112的侧面相切，所述突起113的截面形状为圆弧形、矩形或多边形。优选的，突起113的截面形状设为圆弧形，这样可使石墨极板与电极(阴极或阳极)可有效实现点接触，通过多点接触以降低小室内部构件的接触电阻。
一些实施例中，所述突起113设为若干个，所述突起113间隔且错开分布。本实用新型实施例提供的石墨极板可设为圆形、椭圆形、矩形或多边形；突起113的排布可随石墨极板的外轮廓形状进行设置，相邻的突起113之间可形成电解液的流道，突起113可设为矩形或圆周形排布阵列，且突起113在横向或纵向上间隔且错开分布，这样有利于增强电解液流动的扰动程度。
一些实施例中，所述主极板112的侧面上设有流道，所述流道设为直条形或S形。主极板112的厚度与极框111的厚度可设为相同，流道为凹陷于主极板112的侧面；优选的，流道设为S形，可延长电解液的流动路径，以提高制氢的工作效率。
一些实施例中，所述极框111上设有碱液进口114、碱液和氧气出口115、碱液和氢气出口116；所述碱液进口114、碱液和氧气出口115、碱液和氢气出口116均设为圆形、椭圆形、矩形或多边形；且所述碱液进口114位于所述极框111的一侧，所述碱液和氧气出口115、所述碱液和氢气出口116位于所述极框111的相对另一侧。电解液从碱液进口114进入电解槽小室，分别进入阳极区域和阴极区域，生成氧气和氢气，然后氧气和电解液从碱液和氧气出口115流出，氢气和电解液从碱液和氢气出口116流出。由于阳极区的电解液和阴极区的电解液是不能相通混合在一起的，因此可将碱液和氧气出口115与主极板112的一个侧面上的流道相连通；相对应地，可将碱液和氢气出口116与主极板112的另相对一个侧面上的流道相连通；碱液进口114与主极板112的两个侧面上的流道均连通；这样电解液从外部进入电解槽小室，阴极电解液与阳极电解液通过碱液进口114进行分流，进入阴极区电解液流道与阳极区电解液流道，以实现分区流动。
一些实施例中，所述极框111上设有凹槽，所述凹槽形成于靠近所述极框111的边缘，且所述凹槽位于所述碱液进口114、碱液和氧气出口115、碱液和氢气出口116的外侧，所述凹槽内设有密封垫。密封垫的设置可实现对碱性电解槽中的电解液、制备得到的氧气和氢气进行有效地密封。
本实用新型的第二方面提供了一种碱性电解槽，包括阴极、阳极、隔膜；以及，所述的石墨极板；所述石墨极板位于阴极或阳极的外侧，所述隔膜位于所述阴极和阳极的中间。
工业电解水中石墨极板11起到支撑电解槽、提供氢气和氧气的流体通道，并分隔氢气和氧气、收集电子、传导热量的作用。本实用新型实施例中的碱性电解槽主要由电源、电解槽箱体、电解液、电极13(电极包括阴极和阳极)和隔膜12组成。电解液(碱液)是氢氧化钾溶液(KOH)，其浓度为20％～30wt％；隔膜12主要由石棉组成，主要起分离气体的作用，而两个电极则主要由金属合金组成。其工作的主要原理是：在阴极，水分子被分解为氢离子(H+)和氢氧根离子(OH-)，氢离子得到电子生成氢原子，并进一步生成氢分子(H2)；氢氧根离子(OH-)则在阴、阳极之间的电场力作用下穿过多孔的隔膜11，到达阳极，在阳极失去电子生成一个水分子和氧分子。
在本实用新型实施例中的碱性电解槽的小室中，装配好的电解槽是隔膜12两侧的电极13，以电极13外侧的石墨极板11均相互压紧，极框111上设有密封垫，以实现对碱性电解槽中的电解液、制备得到的氧气和氢气进行有效地密封。石墨极板11位于电极13的两侧，其作用有点类似于实验室中的电极夹，作用是传导电子，如图2所示，两个石墨极板11分别位于一个完整的小室结构的两端，与隔膜12分别形成了阴极区域和阳极区域电解液流动的腔室；电解液从外部进入电解槽小室，阴极电解液与阳极电解液通过碱液进口114进行分流，进入主极板112两侧的阴极区电解液流道与阳极区电解液流道，以实现分区流动，再进入电解液流动的腔室，如此实现了阴极碱液和阳极碱液的分流，在阴极区域制得氧气，氧气和电解液从碱液和氧气出口115流出；在阳极区域制得氢气，氢气和电解液从碱液和氢气出口116流出；一定程度上减小了氢中氧和氧中氢的含量，保证了电解槽运行的安全性。石墨极板11的外周表面上形成有镍层或钛层，这样进一步地可提高石墨极板11的耐腐蚀性和气密性；并且可使石墨极板11上电解电流密度更均匀，同时减小石墨极板11与电极13的接触电阻，增大电流密度，降低制氢能耗。
本实用新型的第三方面提供了一种电解水制氢设备，包括所述的碱性电解槽。
应当理解的是，本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种石墨极板，其特征在于，用于碱性电解槽中，所述石墨极板包括：
主极板和极框，所述极框围绕所述主极板的周侧；其中，
所述极框和所述主极板一体模压成型。
2.根据权利要求1所述的石墨极板，其特征在于，还包括：
镀层，所述镀层覆盖在所述极框和所述主极板的表面上；
所述镀层的厚度范围设为5-100μm。
3.根据权利要求1所述的石墨极板，其特征在于，所述主极板的厚度小于所述极框的厚度，以使所述主极板的两个相对侧面均构成电解液的流道；
所述主极板的侧面上设有突起。
4.根据权利要求3所述的石墨极板，其特征在于，与所述主极板的侧面相切，所述突起的截面形状为圆弧形、矩形或多边形。
5.根据权利要求3所述的石墨极板，其特征在于，所述突起设为若干个，所述突起间隔且错开分布。
6.根据权利要求1所述的石墨极板，其特征在于，所述主极板的侧面上设有流道，所述流道设为直条形或S形。
7.根据权利要求1所述的石墨极板，其特征在于，所述极框上设有碱液进口、碱液和氧气出口、碱液和氢气出口；
所述碱液进口、碱液和氧气出口、碱液和氢气出口均设为圆形、椭圆形、矩形或多边形；且所述碱液进口位于所述极框的一侧，所述碱液和氧气出口、所述碱液和氢气出口位于所述极框的相对另一侧。
8.根据权利要求7所述的石墨极板，其特征在于，所述极框上设有凹槽，所述凹槽形成于靠近所述极框的边缘，且所述凹槽位于所述碱液进口、碱液和氧气出口、碱液和氢气出口的外侧；
所述凹槽内设有密封垫。
9.一种碱性电解槽，其特征在于，包括：
阴极、阳极、隔膜；以及，
如权利要求1-8任一项所述的石墨极板；
所述石墨极板位于阴极或阳极的外侧，所述隔膜位于所述阴极和阳极的中间。
10.一种电解水制氢设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的碱性电解槽。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118064919A (zh) * | 2024-01-26 | 2024-05-24 | 浙江氢创时代科技有限公司 | 一种电解水制氢用极板 |
| CN118727005A (zh) * | 2024-07-23 | 2024-10-01 | 六盘山实验室 | 一种应用于碱性电解水制氢的轻量化电解小室 |
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2022
- 2022-11-23 CN CN202223138538.8U patent/CN219508035U/zh active Active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118064919A (zh) * | 2024-01-26 | 2024-05-24 | 浙江氢创时代科技有限公司 | 一种电解水制氢用极板 |
| CN118727005A (zh) * | 2024-07-23 | 2024-10-01 | 六盘山实验室 | 一种应用于碱性电解水制氢的轻量化电解小室 |
| CN118727005B (zh) * | 2024-07-23 | 2026-03-17 | 六盘山实验室 | 一种应用于碱性电解水制氢的轻量化电解小室 |
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