CN220564740U - 一种高压碱液电解槽的双极板组合结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高压碱液电解槽的双极板组合结构，包括双极板主体、绝缘组件、硬密封、软密封和隔膜；所述双极板主体由极框与主极板两部分组成，主极板上设置氢侧通道孔、氧侧通道孔和碱液通道孔，在氢侧通道孔、氧侧通道孔和碱液通道孔处均设有绝缘组件，相邻两个双极板主体之间设有硬密封、软密封和隔膜。与现有技术相比，本实用新型通过将流体通道从极框移至主极板区域、取消极框流道的开孔、提高极框的强度、并辅以绝缘密封设计从而降低水电解槽单块极板的重量，降低杂散电流的影响，提高电解效率。

Description

一种高压碱液电解槽的双极板组合结构

技术领域

本实用新型涉及碱性水电解制氢设备技术领域，尤其是涉及一种高压碱液电解槽的双极板组合结构。

背景技术

当前市场上主流的高压碱液电解槽为双极压滤式结构，其核心部件双极板由主极板和极框两部分焊接组成。极框在主极板的外部，极框的上部设置有两组气液通道孔，分别对应电解生成的氧碱混合物及氢碱混合物。极框的下部设置有碱液通孔。相邻的两块双极板在主极板区域以顶对顶的形式依次夹持阴极电极、隔膜、阳极电极，在极框区域之间放置密封垫，极框的最外侧为锯齿状的密封线区，其余为隔膜和密封垫的重合区域，见图1。目前市场上主流的高压碱液电解槽的流体流道均在极框上开孔，该方式存在以下几个问题：

(1)极框上大量的圆孔及腰型孔会增加整体的机加工难度，造成总成本费用的上升。

(2)市场上极框材质均为采用碳钢镀镍。实际运行过程中极框上的流体通道均要受流体冲刷存在较高的腐蚀风险。同时因为加工复杂，开孔较多，如若再电镀过程中出现局部质量问题，那么将导致极框的碳钢基材遭受高温碱液的腐蚀。

(3)更多的开孔会增加极框的变形。增加电解槽的整体组装难度。

(4)对于高产氢量的电解槽需要更大截面积的主流道时，只能通过增加极框的宽度或通过增加主流道个数的方式实施，但这会进一步造成极板的重量增加或导致极板的结构更加的脆弱。

(5)主流道设置在极板的极框上，主流道孔上的相邻两个极板金属之间的最短距离仅有2～3mm(密封垫片的厚度)，由于强碱液的导电性能较好，因此电解槽在实际运行过程中，在主流道孔区域会存在一定量的杂散电流，影响整体的电解效率，

(6)碱液在每个电解小室内的流动形态受限，分布不均，容易在局部区域产生干点。

(7)因为碱液分布不均匀，电解产生的气体也容易在高点处形成积聚。该区域含气率较高，因此导致电解液电阻也升高，降低了电解效率。

发明内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高压碱液电解槽的双极板组合结构。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高压碱液电解槽的双极板组合结构，包括双极板主体、绝缘组件、硬密封、软密封和隔膜；

所述双极板主体由极框与主极板两部分组成，主极板上设置氢侧通道孔、氧侧通道孔和碱液通道孔，在氢侧通道孔、氧侧通道孔和碱液通道孔处均设有绝缘组件，相邻两个双极板主体之间设有硬密封、软密封和隔膜。

优选地，所述氢侧通道孔、氧侧通道孔和碱液通道孔的形状可以是圆形、椭圆形、带圆角的三角形、矩形等形式。

优选地，所述氢侧通道孔、氧侧通道孔和碱液通道孔处的绝缘组件上分别对应开设有与氢侧通道孔、氧侧通道孔和碱液通道孔形状相似但尺寸更小的孔洞。

本实用新型使用绝缘组件覆盖主极板上的主通道(氢侧通道孔、氧侧通道孔和碱液通道孔)，绝缘组件在主极板主通道位置处设孔，形成流体主通道。

优选地，所述绝缘组件采用耐高温强碱环境的特种工程塑料，其材料形式可以使用PPS、PSU、PEEK或基于这些材料的复合改性特种工程塑料。

优选地，所述绝缘组件包括正面绝缘板和反面绝缘板；

所述正面绝缘板和反面绝缘板分别设置在主极板两侧，且在通道孔处设置密封圈。

进一步优选地，所述正面绝缘板和背面绝缘板设置有流道沟槽，对于氢侧通道孔和氧侧通道孔处的正面绝缘板，其流道沟槽会引导小室的流体仅汇入氢侧通道孔，对于氢侧通道孔和氧侧通道孔处的反面绝缘板，其流道沟槽会引导小室的流体仅汇入氧侧通道孔。

进一步优选地，所述正面绝缘板和反面绝缘板上设有用于密封圈安装的密封沟槽。

进一步优选地，所述密封圈采用耐高温强碱环境的橡胶材料组成，其材料形式可以使用特殊牌号的FKM氟橡胶，其截面形式可以是O型或者T型。

优选地，所述绝缘组件上设有支路通道。

优选地，所述硬密封呈环形结构，覆盖极框区域。

优选地，所述软密封覆盖绝缘组件区域，软密封上设有与氢侧通道孔、氧侧通道孔和碱液通道孔对应的孔洞。

进一步优选地，软密封材料可采用耐高温强碱环境的密封材料，可选的形式有膨体聚四氟乙烯。

优选地，所述隔膜上设有与氢侧通道孔、氧侧通道孔和碱液通道孔对应的孔洞。

优选地，所述主极板上侧设置氢侧通道孔、氧侧通道孔，下侧设置碱液通道孔。

优选地，所述双极板主体呈圆形结构，由极框与主极板焊接而成。

一种提高高压碱液电解槽电解效率的方法，使用上述双极板组合结构进行。

优选地，碱液通过下部碱液主通道进入电解槽，通过下部绝缘组件上的碱液流通通道分散进入电解小室的阴极侧与阳极侧，在电解电流的作用下，于阴极侧产生氢气与碱液的混合物并通过上部绝缘组件的流道沟槽汇集于氢侧主通道；于阳极侧产生氧气与碱液的混合物并通过上部绝缘组件的流道沟槽汇集于氧侧主通道。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型通过将流体通道从极框移至主极板区域、取消极框流道的开孔、提高极框的强度、并辅以绝缘密封设计从而降低水电解槽单块极板的重量，降低杂散电流的影响，提高电解效率；

2.本实用新型通过将流体主通道从极框区域移至主极板区域，与传统碱性电解槽极框相比，大幅减少了极框的宽度，降低了极框的机加工难度及加工时长；

3.本实用新型由于极框设计大为简化，取消了流体通道开孔设计，避免了孔内部镀镍质量缺陷，提高了极框的安全性；

4.本实用新型通过特殊的结构设计来简化极框设计，不仅降低电解过程中的杂散电流的影响，使得电解槽电解效率提升，而且还能减少极框开孔，提高极框的强度；

5.本实用新型通过绝缘组件上的支路通道，使得不同小室之间通过主通道之间碱液导通的电阻大幅增加，继而大幅减小杂散电流的损失，提高整体电解槽的电解效率；

6.本实用新型通过绝缘组件上的流道设计，使得碱液能够在电解小室内更均匀的分布，避免再局部区域产生干点；

7.本实用新型通过上部绝缘组件的结构及流道设计，可以充分汇聚电解过程中形成的气体，避免局部区域的气体积聚，减少电解液因为局部含气率所产生的电阻，提高电解效率。

附图说明

图1为传统极框基本结构形式；

图2为本实用新型双极板组合结构的爆炸图示意图；

图3为本实用新型双极板组合结构的正视图；

图4为本实用新型实施例3双极板组合结构的局部放大图；

图5为图4的A-A面剖视图；

图6为图4的B-B面剖视图；

图7为本实用新型实施例4双极板组合结构的局部剖视图一；

图8为本实用新型实施例4双极板组合结构的局部剖视图二；

图中：1-双极板主体，11-极框，12-主极板，121-氢侧通道孔，122-氧侧通道孔，123-碱液通道孔，2-绝缘组件，21-正面绝缘板，22-反面绝缘板，3-硬密封，4-软密封，5-隔膜，6-密封圈，7-流道沟槽，8-支路通道，a-氢侧流道，b-氧侧流道，c-碱液流道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步的定义和解释。

下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

实施例1

一种高压碱液电解槽的双极板组合结构，如图2～3所示，包括双极板主体1、绝缘组件2、硬密封3、软密封4和隔膜5。

其中，双极板主体1由极框11与主极板12两部分组成，氢侧通道孔121、氧侧通道孔122和碱液通道孔123设置在主极板12上，且在各通道孔处均设有绝缘组件2，相邻两个双极板主体1之间设有硬密封3、软密封4和隔膜5。

本实施例通过将流体主通道从极框区域移至主极板区域，与传统碱性电解槽极框相比，大幅减少了极框的宽度，降低了极框的机加工难度及加工时长。

实施例2

一种高压碱液电解槽的双极板组合结构，包括双极板主体1、绝缘组件2、硬密封3、软密封4和隔膜5。

其中：

双极板主体1仍旧由极框11与主极板12两部分通过焊接而成，在主极板12的上部区域避开焊缝位置开设两个独立的孔洞，分别对应氢侧及氧侧的主通道，在主极板12的下部区域避开焊缝位置开设一到两个孔洞，对应碱液主通道，双极板主体1仍旧采用碳钢材质加电镀的方式，使得双极板能够在高温强碱环境下工作。

绝缘组件2分独立的上部绝缘组件及下部绝缘组件，上部绝缘组件覆盖主极板的氢侧及氧侧主通道，下部绝缘组件覆盖主极板的碱液主通道。绝缘组件2在主极板上的主通道孔洞处开设形状相似但相应尺寸略小的孔洞，以允许主通道内的流体能够通过此孔洞。通过多层绝缘组件的叠合，形成流体主通道。尺寸略小的孔洞设计是为了给密封圈6留出足够的安装空间，并在绝缘组件2和密封圈6的作用下，使得主通道中的流体无法直接接触主极板。每一部分的绝缘组件2由正反两块绝缘板拼合而成，两块绝缘板位于主极板12的两侧，贴合主极板12。正反绝缘板的两侧表面设置有流道沟槽7及密封沟槽，对于上部绝缘组件的正面绝缘板21，其流道沟槽7会引导小室的流体仅汇入氢侧主通道，同理，反面绝缘板22，其流道沟槽7会引导小室的流体仅汇入氧侧主通道。

密封圈6位于绝缘组件上正反两块绝缘板之间，由于正反两块绝缘板为两个分体的结构，之间存在间隙，如果没有密封圈6，电解小室内产生的气体将直接进入氢侧或氧侧主通道，形成氢氧混合，因此需要设置密封圈6阻隔。密封圈6通过正反绝缘板上的密封沟槽设计，使得密封圈6能够安装在固定的沟槽内，不至于受密封的两侧压差影响而脱离原有位置失去密封功能。

硬密封3位于相邻两个组合双极板之间，覆盖双极板极框12的区域，其中覆盖极框12水线区域起到电解槽对外密封的作用，覆盖极框12上隔膜区域起到固定隔膜5的作用。

软密封4位于相邻两个组合双极板之间，覆盖双极板的绝缘组件2区域，起到电解槽小室与主通道区域的隔离密封及氢侧主通道与氧侧主通道之间的密封的作用。对于绝缘组件2中因主通道而开设的孔洞，软密封同样需要开孔以允许流体通过。由于电解槽运行过程中会严格控制氢氧两侧小室的压差，因此软密封4相比于硬密封3，无需承担大的压差，降低了软密封的比压要求。软密封4分独立的上部软密封及下部软密封，其中上部软密封对应上部绝缘组件，下部软密封对应下部绝缘组件。

隔膜5为位于相邻两个组合双极板之间，将两个主极板12之间的空腔分隔，形成氢侧小室及氧侧小室，有别于传统的电解槽，本实施例中的隔膜5需要在绝缘组件主通道区域处开孔以允许流体通过。

综上，碱液通过下部碱液主通道进入电解槽，通过下部绝缘组件上的碱液流通通道分散进入电解小室的阴极侧与阳极侧。在电解电流的作用下，于阴极侧产生氢气与碱液的混合物并通过上部绝缘组件的流道沟槽汇集于氢侧主通道；于阳极侧产生氧气与碱液的混合物并通过上部绝缘组件的流道沟槽汇集于氧侧主通道。在软密封、密封圈的组合作用下，各个电解小室与氢/氧侧主通道及碱液主通道密封隔离，避免氢气与氧气的混合。

实施例3

一种高压碱液电解槽的双极板组合结构，双极板整体为圆形结构，由极框与主极板焊接而成。在主极板的下部区域开设一个窗口对应碱液主通道，在上部区域开设两个窗口对应氢侧主通道与氧侧主通道。如图5～6所示，上部绝缘组件分正面和背面两块绝缘板，通过O型密封圈6覆盖在流道口区域，下部绝缘组件同样分正面和背面两块绝缘板，通过O型密封圈6覆盖在流道口区域，相邻两个极板上的绝缘组件之间填充软密封4，通过这种组合结构，将主流道流体与小室内的流体分隔开，碱液仅能通过下部绝缘组件上的流道从主通道进入小室阴极，生产的气液混合物仅能通过上部绝缘组件上的流道进入气液主通道。由于绝缘组件不导电，因此相邻两个极板之间通过强电解质碱液导通形成的等效电阻将大幅增加，继而大幅减少此部分的杂散电流，提升整体电解效率。

实施例4

一种高压碱性电解槽的双极板组合结构，双极板整体为圆形结构，由极框与主极板焊接而成。在主极板的下部区域开设一个窗口对应碱液主通道，在上部区域开设两个窗口对应氢侧主通道与氧侧主通道。如图7～8所示，上部绝缘组件分正面和背面两块绝缘板，通过T型密封圈6覆盖在流道口区域，下部绝缘组件同样分正面和背面两块绝缘板，通过T型密封圈6覆盖在流道口区域，相邻两个极板上的绝缘组件之间填充软密封4，通过这种组合结构，将主流道流体与小室内的流体分隔开，碱液仅能通过下部绝缘组件上的流道从主通道进入小室阴极，生产的气液混合物仅能通过上部绝缘组件上的流道进入气液主通道。由于绝缘组件不导电，因此相邻两个极板之间通过强电解质碱液导通形成的等效电阻将大幅增加，继而大幅减少此部分的杂散电流，提升整体电解效率。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压碱液电解槽的双极板组合结构，其特征在于，包括双极板主体(1)、绝缘组件(2)、硬密封(3)、软密封(4)和隔膜(5)；

所述双极板主体(1)由极框(11)与主极板(12)两部分组成，主极板(12)上设置氢侧通道孔(121)、氧侧通道孔(122)和碱液通道孔(123)，在氢侧通道孔(121)、氧侧通道孔(122)和碱液通道孔(123)处均设有绝缘组件(2)，相邻两个双极板主体(1)之间设有硬密封(3)、软密封(4)和隔膜(5)。

2.根据权利要求1所述的高压碱液电解槽的双极板组合结构，其特征在于，所述氢侧通道孔(121)、氧侧通道孔(122)和碱液通道孔(123)处的绝缘组件(2)上分别对应开设有与氢侧通道孔(121)、氧侧通道孔(122)和碱液通道孔(123)形状相似但尺寸更小的孔洞。

3.根据权利要求1所述的高压碱液电解槽的双极板组合结构，其特征在于，所述绝缘组件(2)包括正面绝缘板(21)和反面绝缘板；

所述正面绝缘板(21)和反面绝缘板分别设置在主极板(12)两侧，且在通道孔处设置密封圈(6)。

4.根据权利要求3所述的高压碱液电解槽的双极板组合结构，其特征在于，所述正面绝缘板(21)和背面绝缘板设置有流道沟槽，对于氢侧通道孔(121)和氧侧通道孔(122)处的正面绝缘板，其流道沟槽会引导小室的流体仅汇入氢侧通道孔(121)，对于氢侧通道孔(121)和氧侧通道孔(122)处的反面绝缘板，其流道沟槽会引导小室的流体仅汇入氧侧通道孔(122)。

5.根据权利要求3所述的高压碱液电解槽的双极板组合结构，其特征在于，所述正面绝缘板(21)和反面绝缘板上设有用于密封圈(6)安装的密封沟槽。

6.根据权利要求1所述的高压碱液电解槽的双极板组合结构，其特征在于，所述硬密封(3)呈环形结构，覆盖极框(11)区域。

7.根据权利要求1所述的高压碱液电解槽的双极板组合结构，其特征在于，所述软密封(4)覆盖绝缘组件(2)区域，软密封(4)上设有与氢侧通道孔(121)、氧侧通道孔(122)和碱液通道孔(123)对应的孔洞。

8.根据权利要求1所述的高压碱液电解槽的双极板组合结构，其特征在于，所述隔膜(5)上设有与氢侧通道孔(121)、氧侧通道孔(122)和碱液通道孔(123)对应的孔洞。

9.根据权利要求1所述的高压碱液电解槽的双极板组合结构，其特征在于，所述主极板(12)上侧设置氢侧通道孔(121)、氧侧通道孔(122)，下侧设置碱液通道孔(123)。

10.根据权利要求1所述的高压碱液电解槽的双极板组合结构，其特征在于，所述双极板主体(1)呈圆形结构，由极框(11)与主极板(12)焊接而成。