CN220079209U - 一种用于电解水制氢的新型电解槽模块及电解槽 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于电解水制氢的新型电解槽模块及电解槽。该电解槽模块包括阴极端板、第一端板极框、第一阴极集流板、第一阴极电极、第一隔膜、第一阳极电极、第一阳极集流板、第二端板极框和阳极端板；在阴极端板、第一端板极框、第二端板极框和阳极端板上设置有固定孔和液体进出口；在第一端板极框和第二端板极框的至少一侧面设置有导流结构；在对应设置导流结构的区域还分布有过孔，在第一阴极集流板和第一阳极集流板的一侧面设置有与过孔相适配的导电凸台，导电凸台嵌入过孔中。本实用新型可增大集流板与电极之间接触面积，使二者贴合更紧密，在保证碱液流动性的同时，减小电阻，提高导电性能，降低制氢能耗，并且装配方便。

Description

一种用于电解水制氢的新型电解槽模块及电解槽

技术领域

本实用新型涉及制氢电解槽领域，具体地说是涉及一种用于电解水制氢的新型电解槽模块以及电解槽。

背景技术

氢元素主要以化合物的形式存在于水和化石燃料之中，而氢能作为一种二次能源，需要通过制氢技术进行提取。根据氢能生产来源和生产过程的排放情况，人们又将氢能分别称为：灰氢、蓝氢和绿氢。绿氢是通过可再生能源发电，再通过电解水获取氢气。因其制取过程中只产生水，碳排放可以达到净零。故绿氢被称为最纯正的绿色新能源，在全球新能源转型中扮演着重要角色。

电解水制氢是在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子分解为氢气和氧气，分别在阴、阳极析出。而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(PEM)电解以及固体氧化物(SOEC)三种技术路线。其中碱性电解水制氢技术是目前发展最为成熟的技术。但是，现有碱性电解水制氢电解槽结构设计复杂，槽体由多组极框、电极、隔膜、密封垫组成，模块化程度低，装配流程繁琐，生产成本高，在装配时易导致性能差异情况产生。再者，现有电解槽基本是将流道设置在阳极集流板和阴极集流板上，而且是整体成型，即如果集流板一侧为形成流道的凸起结构，则另一侧对应凹陷，这样就会降低集流板与电极之间的接触面积，影响导电性能。另外，现有碱性电解水制氢电解槽的材料主要为碳钢镀镍，其重达数吨乃至数十吨以上，拆卸、维护难度大。

实用新型内容

基于上述技术问题，本实用新型提出一种用于电解水制氢的新型电解槽模块及电解槽。

本实用新型所采用的技术解决方案是：

一种用于电解水制氢的新型电解槽模块，包括阴极端板、第一端板极框、第一阴极集流板、第一阴极电极、第一隔膜、第一阳极电极、第一阳极集流板、第二端板极框和阳极端板；

在阴极端板、第一端板极框、第二端板极框和阳极端板的对应位置处设置有固定孔和液体进出口；

在第一端板极框和第二端板极框的至少一侧面设置有导流结构，所述导流结构包括若干个平行布置的第一导流条，相邻第一导流条之间形成导流通道；

在第一端板极框和第二端板极框对应设置导流结构的区域还分布有过孔，在第一阴极集流板和第一阳极集流板分别接近第一端板极框和第二端板极框的一侧面设置有与过孔相适配的导电凸台，导电凸台嵌入过孔中；

所述阴极端板、第一端板极框、第一阴极集流板、第一阴极电极、第一隔膜、第一阳极电极、第一阳极集流板、第二端板极框和阳极端板叠放布置，在固定孔中穿过有螺杆，在螺杆的端部配置有紧固螺母。

优选的，所述第一端板极框为阴极端板极框，所述导流结构设置在阴极端板极框朝向第一阴极集流板的一侧面；所述第二端板极框为双极板极框，所述导流结构在双极板极框的两侧面均有布置，且呈对称分布；

在双极板极框和阳极端板之间还依次设置有第二阴极集流板、第二阴极电极、第二隔膜、第二阳极电极、第二阳极集流板和阳极端板极框；

阴极端板、阴极端板极框、第一阴极集流板、第一阴极电极、第一隔膜、第一阳极电极、第一阳极集流板分别与阳极端板、阳极端板极框、第二阳极集流板、第二阳极电极、第二隔膜、第二阴极电极、第二阴极集流板沿双极板极框所在的平面呈对称布置。

上述双极板极框、第二阴极集流板、第二阴极电极、第二隔膜、第二阳极电极和第二阳极集流板可共同作为一个模块单元，上述模块单元可设置多个，叠放布置在阴极端板和阳极端板之间。

优选的，所述阴极端板极框、双极板极框和阳极端板极框均包括板体，在板体的中间区域且对应设置导流结构的侧面设置有凹槽区域，导流结构和过孔均在凹槽区域分布；

在凹槽区域的外侧周圈设置有密封槽，密封条嵌入密封槽中；

所述第一导流条呈竖向布置，在相邻第一导流条的端部之间还设置有第二导流条，第二导流条呈横向布置，第二导流条的伸展方向与阴极端板极框、双极板极框和阳极端板极框设置液体进出口的侧边相平行；

所述第一阴极集流板、第一阴极电极、第一阳极电极、第一阳极集流板、第二阳极集流板、第二阳极电极、第二阴极电极和第二阴极集流板的尺寸相同，且与阴极端板极框、双极板极框和阳极端板极框上的凹槽区域相匹配。

优选的，该电解水制氢电解槽模块的长宽比为0.2-5。

优选的，该电解水制氢电解槽模块还可以按上述结构方式进行扩展。更加优选组件片数为30-500片。其中，单个第一阴极集流板、第一阴极电极、第一隔膜等均称为一片组件。

优选的，所述阴极端板极框、双极板极框和阳极端板极框均是由极框塑料材料一体成型。所述极框塑料材料选自聚砜等。

优选的，所述第一隔膜和第二隔膜的尺寸相同，且大于第一阴极电极、第一阳极电极、第二阳极电极、第二阴极电极的尺寸；第一隔膜和第二隔膜的尺寸与密封槽以内尺寸一致。

优选的，在第一阴极集流板和第一阴极电极之间，第一阳极电极和第一阳极集流板之间，第二阳极集流板和第二阳极电极之间，以及第二阴极电极和第二阴极集流板之间设置有弹性支撑结构。

一种电解水制氢电解槽，其采用若干个如上所述的电解槽模块通过串联或并联组装制成。

本实用新型的有益技术效果是：

(1)本实用新型中的阴极端板极框、双极板极框等为平面实体结构，通过将导流条设置在极框中间区域，相邻导流条之间形成液体流道，相比于现有流道设置在集流板等上的方式，可使得集流板与电极接触的一侧保持为平面状，增大集流板与电极之间接触面积，使二者贴合更紧密，在保证碱液流动性的同时，减小电阻，提高导电性能，降低制氢能耗。

(2)本实用新型中的极框采用一体成型，而且极框上集成有导流条、过孔等结构，模块化程度高，制造简单，装配方便，生产成本低，并且可降低电解槽的整体重量，拆装维护方便，利于市场化推广使用。

(3)本实用新型还在第一阴极集流板和第一阴极电极之间，第一阳极电极和第一阳极集流板之间等增设有弹性支撑结构，以进一步确保电极与隔膜之间零间隙，进一步减小电阻，提高导电性能，降低制氢能耗。

(4)本实用新型采用导电凸台与过孔配合的方式，可提高导电性能，并且这种连接方式可使得单个双极板极框即可完成与两侧的阴极集流板和阳极集流板的固定，制造生产方便，组装效率高。

(5)本实用新型电解槽模块可通过串联或并联的方式，累加组装得到电解槽，实现吉瓦级的产能需求，能够快速大规模应用到氢能源领域。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型用于电解水制氢的新型电解槽模块的结构原理示意图；

图2为本实用新型用于电解水制氢的新型电解槽模块中阴极端板极框的结构原理示意图；

图3为本实用新型中双极板极框分别与第一阳极集流板和第二阴极集流板连接处的局部结构示意图，主要示出导电凸台与过孔的配合结构；

图4为本实用新型中第一阳极电极和第一阳极集流板之间设置弹性支撑结构的局部结构原理示意图；

图5为本实用新型中长宽比为0.2的电解槽模块的结构示意图，该新型电解槽模块中设置有多个模块单元；

图6为本实用新型中长宽比为5的电解槽模块的结构示意图，该新型电解槽模块中设置有多个模块单元；

图7为本实用新型中长宽比为1的电解槽模块的结构示意图，该新型电解槽模块中设置有多个模块单元；

图8为本实用新型中长宽比为2.6的电解槽模块的结构示意图，该新型电解槽模块中设置有多个模块单元；

图9为本发明中电解槽一种实施方式的结构示意图。

图中：1-阴极端板，2-第一端板极框，3-第一阴极集流板，4-第一阴极电极，5-第一隔膜，6-第一阳极电极，7-第一阳极集流板，8-第二端板极框，9-阳极端板，10-固定孔，11-液体进出口，12-第一导流条，13-导流通道，14-过孔，15-导电凸台，16-第二阴极集流板，17-第二阴极电极，18-第二隔膜，19-第二阳极电极，20-第二阳极集流板，21-阳极端板极框，22-第二导流条，23-弹性支撑结构，24-渗流圆孔，201-板体，202-凹槽区域，203-密封条。

具体实施方式

结合附图，一种用于电解水制氢的新型电解槽模块，包括阴极端板1、第一端板极框2、第一阴极集流板3、第一阴极电极4、第一隔膜5、第一阳极电极6、第一阳极集流板7、第二端板极框8和阳极端板9。在阴极端板1、第一端板极框2、第二端板极框8和阳极端板9的对应位置处设置有固定孔10和液体进出口11。固定孔10为圆形，用于配合螺杆组装和紧固电解槽。液体进出口11用于进出电解液。在第一端板极框2和第二端板极框8的至少一侧面设置有导流结构，如图2所示，所述导流结构包括若干个平行布置的第一导流条12，相邻第一导流条12之间形成导流通道13。在第一端板极框2和第二端板极框8对应设置导流结构的区域还分布有过孔14，在第一阴极集流板3和第一阳极集流板7分别接近第一端板极框2和第二端板极框8的一侧面设置有与过孔相适配的导电凸台15，导电凸台15嵌入过孔14中，如图3所示。所述阴极端板1、第一端板极框2、第一阴极集流板3、第一阴极电极4、第一隔膜5、第一阳极电极6、第一阳极集流板7、第二端板极框8和阳极端板9叠放布置，在固定孔中穿过有螺杆，在螺杆的端部配置有紧固螺母。

进一步的，所述第一端板极框2为阴极端板极框，所述导流结构设置在阴极端板极框朝向第一阴极集流板的一侧面。所述第二端板极框8为双极板极框，所述导流结构在双极板极框的两侧面均有布置，且呈对称分布。在双极板极框和阳极端板之间还依次设置有第二阴极集流板16、第二阴极电极17、第二隔膜18、第二阳极电极19、第二阳极集流板20和阳极端板极框21。

上述第二阴极集流板16、第二阳极集流板20与第一阴极集流板3和第一阳极集流板7的结构一致，第二阴极电极17、第二阳极电极19与第一阴极电极4、第一阳极电极6的结构一致。第二隔膜18和第一隔膜5的结构一致。阴极端板极框和阳极端板极框21的结构一致。如在阳极端板极框21上的对应位置处也设置有固定孔和液体进出口等。

上述阴极端板1、阴极端板极框、第一阴极集流板3、第一阴极电极4、第一隔膜5、第一阳极电极6、第一阳极集流板7分别与阳极端板9、阳极端板极框21、第二阳极集流板20、第二阳极电极19、第二隔膜18、第二阴极电极17、第二阴极集流板16沿双极板极框即第二端板极框8所在的平面呈对称布置。

上述双极板极框、第二阴极集流板16、第二阴极电极17、第二隔膜18、第二阳极电极19和第二阳极集流板20可共同作为一个模块单元，上述模块单元可设置多个，叠放布置在阴极端板1和阳极端板9之间。即在阴极端板1和阳极端板9之间可根据需要重复设置多个模块单元。

上述电解水制氢电解槽模块可以按上述结构方式进行扩展。电解槽模块组件片数可为30-500片。其中，单个第一阴极集流板、第一阴极电极、第一隔膜等均称为一片组件。

本实用新型中的阴极端板极框、双极板极框等为平面实体结构，通过将导流条设置在极框中间区域，相邻导流条之间形成液体流道，相比于现有流道设置在集流板等上的方式，可使得集流板与电极接触的一侧保持为平面状，增大集流板与电极之间接触面积，使二者贴合更紧密，在保证碱液流动性的同时，减小电阻，提高导电性能，降低制氢能耗。

本实用新型采用导电凸台15与过孔14的配合方式，还可克服传统集流板阴极阳极结构一致的局限性，可以根据阴极、阳极不同的氧化还原特性，对阴极集流板和阳极集流板采用不同的生产工艺。同时，通过极框可完成与集流板的固定，而且单个双极板极框可完成与阴极集流板和阳极集流板的分别固定。整个电解槽所需阴极端板极框和阳极端板极框结构相同，可一次性完成极框组件的制造生产，降低成本，提升效率。

作为对本实用新型的进一步设计，所述阴极端板极框、双极板极框和阳极端板极框均包括板体201，在板体201的中间区域且对应设置导流结构的侧面设置有凹槽区域202，导流结构和过孔14均在凹槽区域202分布。在凹槽区域202的外侧周圈设置有密封槽，密封条203嵌入密封槽中。所述第一导流条12呈竖向布置，在相邻第一导流条的端部之间还设置有第二导流条22，第二导流条呈横向布置，第二导流条的伸展方向与阴极端板极框、双极板极框和阳极端板极框设置液体进出口的侧边相平行。所述第一阴极集流板3、第一阴极电极4、第一阳极电极6、第一阳极集流板7、第二阳极集流板20、第二阳极电极19、第二阴极电极17和第二阴极集流板16的尺寸相同，且与阴极端板极框、双极板极框和阳极端板极框上的凹槽区域相匹配。

更进一步的，该电解水制氢电解槽模块的形状为矩形，长宽比为0.2-5，以提高材料利用率，降低成本，降低安装维护难度，适合规模化生产。如图5-图8所示，分别给出长宽比为0.2、5、1、2.6时电解槽模块的实现方式。矩形电解槽模块化的设计，还可以提升组装效率，便于标准化、自动化生产，同时后期维护可针对性的拆解模块进行，降低后期维护难度及成本。

进一步的，所述阴极端板极框、双极板极框和阳极端板极框均是由极框塑料材料一体成型。所述极框塑料材料选自聚砜(PSF)等。所述密封条采用耐腐蚀橡胶或塑料制成。所述第一阴极集流板3、第一阳极集流板7、第二阴极集流板16和第二阳极集流板20均采用镀镍碳钢或纯镍材料制造，导电性佳、耐腐蚀性好。所述第一隔膜5和第二隔膜18的尺寸相同，且大于第一阴极电极4、第一阳极电极6、第二阳极电极19、第二阴极电极17的尺寸。第一隔膜5和第二隔膜18的尺寸与密封槽以内尺寸一致。

本实用新型中的极框采用相应塑料材料一体成型，而且极框上集成有导流条、过孔等结构，模块化程度高，制造简单，装配方便，生产成本低，并且可降低电解槽的整体重量，拆装维护方便，利于市场化推广使用。

上述第一隔膜5和第二隔膜18可以为聚醚类隔膜、聚砜类隔膜等，具有低阻抗、高阻气性、耐高温、耐腐蚀性能。

上述阴极电极和阳极电极可采用高效镍复合电极或铂等贵金属电极，具有良好的析氢、析氧性能，显著降低全解水的耗电，电流密度高，电极稳定性好、涂层再现性好，适合工业化生产。

上述液体进出口11设置多个，在电解槽模块的上下两边布置。液体进出口11的形状为圆角矩形、圆形或椭圆形。

上述导流条的截面形状为圆角矩形，当然也可以为圆形或椭圆形等。导流条可以将比较集中的碱液流打散，形成均匀的流动，进而提高导电性能，同时导流条也可以起到支撑的作用。相邻第一导流条12之间所组成的流道可以为平行流道、变形的平行流道、蛇形流道、波形流道等，相应的第一导流条12的伸展方向也需进行适应性调整，如设置为直线形、波浪形等。

更进一步的，如图4所示，在第一阴极集流板7和第一阴极电极4之间，第一阳极电极6和第一阳极集流板7之间，第二阳极集流板20和第二阳极电极19之间，以及第二阴极电极17和第二阴极集流板16之间设置有弹性支撑结构23，以进一步确保电极与隔膜之间零间隙。所述弹性支撑结构采用泡沫镍。

上述集流板主要起到导电作用，在集流板上还设置有用于保证碱液通过的渗流圆孔24。

本实用新型还提供一种电解水制氢电解槽，如图9所示，其采用若干个如上所述的电解槽模块通过串联或并联组装制成。

本实用新型采用导电凸台15与过孔14配合的方式，可提高导电性能，并且这种连接方式可使得单个双极板极框即可完成与两侧的阴极集流板和阳极集流板的固定，制造生产方便，组装效率高。

本实用新型电解槽模块可通过串联或并联的方式，累加组装得到电解槽，实现吉瓦级的产能需求，能够快速大规模应用到氢能源领域。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种用于电解水制氢的新型电解槽模块，其特征在于：包括阴极端板、第一端板极框、第一阴极集流板、第一阴极电极、第一隔膜、第一阳极电极、第一阳极集流板、第二端板极框和阳极端板；

在阴极端板、第一端板极框、第二端板极框和阳极端板的对应位置处设置有固定孔和液体进出口；

在第一端板极框和第二端板极框的至少一侧面设置有导流结构，所述导流结构包括若干个平行布置的第一导流条，相邻第一导流条之间形成导流通道；

在第一端板极框和第二端板极框对应设置导流结构的区域还分布有过孔，在第一阴极集流板和第一阳极集流板分别接近第一端板极框和第二端板极框的一侧面设置有与过孔相适配的导电凸台，导电凸台嵌入过孔中；

所述阴极端板、第一端板极框、第一阴极集流板、第一阴极电极、第一隔膜、第一阳极电极、第一阳极集流板、第二端板极框和阳极端板叠放布置，在固定孔中穿过有螺杆，在螺杆的端部配置有紧固螺母。

2.根据权利要求1所述的一种用于电解水制氢的新型电解槽模块，其特征在于：所述第一端板极框为阴极端板极框，所述导流结构设置在阴极端板极框朝向第一阴极集流板的一侧面；所述第二端板极框为双极板极框，所述导流结构在双极板极框的两侧面均有布置，且呈对称分布；

在双极板极框和阳极端板之间还依次设置有第二阴极集流板、第二阴极电极、第二隔膜、第二阳极电极、第二阳极集流板和阳极端板极框；

阴极端板、阴极端板极框、第一阴极集流板、第一阴极电极、第一隔膜、第一阳极电极、第一阳极集流板分别与阳极端板、阳极端板极框、第二阳极集流板、第二阳极电极、第二隔膜、第二阴极电极、第二阴极集流板沿双极板极框所在的平面呈对称布置。

3.根据权利要求2所述的一种用于电解水制氢的新型电解槽模块，其特征在于：所述阴极端板极框、双极板极框和阳极端板极框均包括板体，在板体的中间区域且对应设置导流结构的侧面设置有凹槽区域，导流结构和过孔均在凹槽区域分布；

在凹槽区域的外侧周圈设置有密封槽，密封条嵌入密封槽中；

所述第一导流条呈竖向布置，在相邻第一导流条的端部之间还设置有第二导流条，第二导流条呈横向布置，第二导流条的伸展方向与阴极端板极框、双极板极框和阳极端板极框设置液体进出口的侧边相平行；

所述第一阴极集流板、第一阴极电极、第一阳极电极、第一阳极集流板、第二阳极集流板、第二阳极电极、第二阴极电极和第二阴极集流板的尺寸相同，且与阴极端板极框、双极板极框和阳极端板极框上的凹槽区域相匹配。

4.根据权利要求2所述的一种用于电解水制氢的新型电解槽模块，其特征在于：该用于电解水制氢的新型电解槽模块的长宽比为0.2-5。

5.根据权利要求3所述的一种用于电解水制氢的新型电解槽模块，其特征在于：所述第一隔膜和第二隔膜的尺寸相同，且大于第一阴极电极、第一阳极电极、第二阳极电极、第二阴极电极的尺寸；第一隔膜和第二隔膜的尺寸与密封槽以内尺寸一致。

6.根据权利要求2所述的一种用于电解水制氢的新型电解槽模块，其特征在于：在第一阴极集流板和第一阴极电极之间，第一阳极电极和第一阳极集流板之间，第二阳极集流板和第二阳极电极之间，以及第二阴极电极和第二阴极集流板之间设置有弹性支撑结构。

7.一种电解槽，其特征在于：采用若干个如权利要求1-6中任一权利要求所述的用于电解水制氢的新型电解槽模块通过串联或并联组装制成。