CN220887707U - 一种电解水制氢电解槽模块及电解槽模组 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种电解水制氢电解槽模块及电解槽模组，属于制氢电解槽领域。该电解水制氢电解槽模块包括阴极端板和阳极端板，在阴极端板和阳极端板之间设置有若干个电解槽单元；相邻电解槽单元之间设置有金属隔板；所述电解槽单元包括阴极电极和阳极电极，在阴极电极和阳极电极之间设置有隔膜；在阴极电极的外侧设置有第一支撑网和第一非金属极框，在阳极电极的外侧设置有第二支撑网和第二非金属极框；在阴极端板、非金属极框、阳极端板等的对应位置处设置有固定孔、液体进口和气液出口；在非金属极框的液体进口和气液出口处设置有导流分配条。本实用新型可优化流场分布，提高导电性能，并具有制备成本低等优点。

Description

一种电解水制氢电解槽模块及电解槽模组
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电解水制氢电解槽模块以及电解槽模组。
背景技术
随着全球气候变暖、环境污染日益严重，开发清洁可再生能源已成为各国的共识和迫切需求。氢能作为一种高效环保的次世代低碳能源，具有储能方便、燃烧产物洁净等优点，受到国内外高度关注。我国政府也将氢能列为战略新兴产业，提出要大力发展氢燃料电池汽车等氢能应用，加快氢能制备、储存和运输等关键核心技术的研发与产业化进程。
根据电解质的不同，电解水制氢技术可分为四类，分别是碱性(ALK)电解水制氢、质子交换膜(PEM)电解水制氢、固体氧化物(SOEC)电解水制氢、阴离子交换膜(AEM)电解水制氢。其中，碱性电解槽路线技术成熟、技术安全可靠、操作简单、运行寿命长、产品稳定，已经得到大规模验证，国内90％厂家采用此技术。但是目前市场上主流的碱性电解水制氢装置，还存在生产效率低、成本高、不易维护、制氢能耗高等问题，这些都限制了该技术向大规模商业化应用的推广。
实用新型内容
基于上述技术问题，本实用新型提出一种电解水制氢电解槽模块以及电解槽模组。
本实用新型所采用的技术解决方案是：
一种电解水制氢电解槽模块，包括阴极端板和阳极端板，在阴极端板和阳极端板之间设置有若干个电解槽单元；
相邻电解槽单元之间设置有金属隔板；
所述电解槽单元包括阴极电极和阳极电极，在阴极电极和阳极电极之间设置有隔膜；在阴极电极的外侧设置有第一非金属极框，在第一非金属极框和阴极电极之间设置有第一支撑网，在第一非金属极框的外侧设置有第一密封垫片；在阳极电极的外侧设置有第二非金属极框，在第二非金属极框和阳极电极之间设置有第二支撑网，在第二非金属极框的外侧设置有第二密封垫片；
在阴极电极和阳极电极之间还设置有第三密封垫片；
在阴极端板、第一非金属极框、第二非金属极框、第一密封垫片、第二密封垫片、第三密封垫片和阳极端板的对应位置处设置有固定孔、液体进口和气液出口；
在第一非金属极框、第二非金属极框的液体进口和气液出口处设置有导流分配条；
所述导流分配条间隔布置在导流区域上，导流区域的边缘呈弧形，在导流区域的外侧设置有盖板，所述盖板和导流区域之间围拢形成气液通道。
优选的，在第一非金属极框、第二非金属极框上均设置有用于对应压紧第一密封垫片、第二密封垫片的密封线。
优选的，所述第一非金属极框、第二非金属极框均是由塑料材料一体注塑成型。
优选的，所述第一支撑网和第二支撑网为菱形网。
一种电解槽模组，其采用若干个如上所述的电解水制氢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)本实用新型提出一种新的电解水制氢电解槽模块结构形式，其具有制备成本低，组装方便等优点。
(2)本实用新型中的极框采用相应塑料材料一体注塑成型，制造简单，生产成本低，提高生产效率，并且可降低电解槽的整体重量，拆装维护方便，适合规模化量产。
(3)本实用新型采用金属隔板与支撑网组合的形式，组装形成集流板，并进一步限定支撑网为菱形网，能够提供更加均匀的流场、减少死区，增大集流板与电极之间接触面积，从而有助于提高电解槽电解性能，降低制氢能耗。同时均匀的流速有助于减少碱液对电极的冲刷，从而降低催化层脱落的可能性，进而提升电极的使用寿命。
(4)本实用新型将导流分配条设置在非金属极框上，并将其与盖板配合，形成气液通道，结构设计合理，而且组装方便，有利于气液的均匀分配。
(5)本实用新型在非金属极框上设置有密封线，以用于对应压紧第一密封垫片、第二密封垫片，使得电解槽模块整体具有较好的密封效果，性能优异。
(6)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为本实用新型电解水制氢电解槽模块一种实施方式的结构原理示意图；
图2为本实用新型电解水制氢电解槽模块中第一非金属极框或第二非金属极框的结构示意图；
图3为图2的A部放大示意图；
图4为图2的另一角度视图，主要示出导流分配条与盖板相配合的结构示意图；
图5为图4的B部放大示意图；
图6为本实用新型电解水制氢电解槽模块中集流板的结构示意图。
图中：1-阴极端板，2-第一密封垫片，3-第一非金属极框，4-第一支撑网，5-第一阴极电极，6-第三密封垫片，7-第一隔膜，8-第一阳极电极，9-第二支撑网，10-第二非金属极框，11-第二密封垫片，12-金属隔板，13-第三非金属极框，14-第三支撑网，15-第二阴极电极，16-第四密封垫片，17-第二隔膜，18-第二阳极电极，19-第四支撑网，20-第四非金属极框，21-第五密封垫片，22-阳极端板，23-导流分配条，24-密封线，25-导流区域，26-盖板。
具体实施方式
本实用新型提出一种电解水制氢电解槽模块，其包括阴极端板和阳极端板，在阴极端板和阳极端板之间设置有若干个电解槽单元。相邻电解槽单元之间设置有金属隔板。所述电解槽单元包括阴极电极和阳极电极，在阴极电极和阳极电极之间设置有隔膜；在阴极电极的外侧设置有第一非金属极框，在第一非金属极框和阴极电极之间设置有第一支撑网，在第一非金属极框的外侧设置有第一密封垫片；在阳极电极的外侧设置有第二非金属极框，在第二非金属极框和阳极电极之间设置有第二支撑网，在第二非金属极框的外侧设置有第二密封垫片；在阴极电极和阳极电极之间还设置有第三密封垫片。
如图1所示，其给出电解水制氢电解槽模块包括两个电解槽单元的结构情形。一种低成本矩形电解水制氢电解槽模块，包括阴极端板1、第一密封垫片2、第一非金属极框3、第一支撑网4、第一阴极电极5、第三密封垫片6、第一隔膜7、第一阳极电极8、第二支撑网9、第二非金属极框10、第二密封垫片11、金属隔板12、第三非金属极框13、第三支撑网14、第二阴极电极15、第四密封垫片16、第二隔膜17、第二阳极电极18、第四支撑网19、第四非金属极框20、第五密封垫片21和阳极端板22。
在阴极端板1、第一非金属极框3、第二非金属极框10、第三非金属极框13、第四非金属极框20、第一密封垫片2、第二密封垫片11、第三密封垫片6、第四密封垫片16、第五密封垫片21和阳极端板22的对应位置处设置有固定孔、液体进口和气液出口。
在第一非金属极框3、第二非金属极框10、第三非金属极框13和第四非金属极框20的液体进口和气液出口处设置有导流分配条23。
上述金属隔板12与第一阴极电极5或第二阴极电极15之间的距离为小室厚度，小室厚度按照如下公式计算确定：
式中：d为小室厚度m，k为经验系数，U为小室电压V，j为电流密度A/m2，h为进液口与出液口距离m，ρ为碱液密度kg/m3，c为碱液定压比热容kJ/(kg·℃)，Δt碱液进出口温差℃，v2出口碱液流速m/s，v1进口碱液流速m/s。
优选的，k取值1.1-1.3；进口碱液流速0.01-0.025m/s；出口碱液流速3m/s。
上述阴极端板、第一密封垫片、第一非金属极框、第一支撑网、第一阴极电极、第三密封垫片、第一隔膜、第一阳极电极、第二支撑网、第二非金属极框、第二密封垫片、金属极板、第三非金属极框、第三支撑网、第二阴极电极、第四密封垫片、第二隔膜、第二阳极电极、第四支撑网、第四非金属极框、第五密封垫片、阳极端板叠放布置，螺杆穿过固定孔，使用压机压紧，然后紧固螺杆端部螺母，组装形成电解水制氢电解槽模块。
上述液体进口和气液出口均为圆形，液体进口和气液出口的半径按照如下公式计算确定：
式中：r为单个碱液进口或气液出口的半径m，k为经验系数，U为小室电压V，U′为热中性电压V，I为小室电流A，c为碱液定压比热容kJ/(kg·℃)，Δt为碱液进出口温差℃，ρ为碱液密度kg/m3，v为进口碱液流速m/s，n为单个小室碱液进口数量。
K取值优选为1.5-2；进口碱液流速优选为0.01-0.025m/s，出口碱液流速优选为2.5-3m/s。
如图2-5所示，在第一非金属极框3、第二非金属极框10、第三非金属极框13、第四非金属极框20上内沿和外沿分别设置有密封线24，用于压紧密封垫片。如在第一非金属极框上设置有用于对应压紧第一密封垫片的密封线。密封线在具体设置时，也可使得相邻非金属极框上的密封线数量不一致，在非金属极框上的位置不同。
上述密封垫片的大小与非金属极框的大小相同。上述第一非金属极框3、第二非金属极框10、第三非金属极框13、第四非金属极框20上开设有凹槽，凹槽大小与金属隔板、第一隔膜、第二隔膜大小相匹配。
上述阴极端板、第一密封垫片、第一非金属极框、第一支撑网、第一阴极电极、第三密封垫片、第一隔膜、第一阳极电极、第二支撑网、第二非金属极框、第二密封垫片、第三非金属极框、第三支撑网、第二阴极电极、第四密封垫片、第二隔膜、第二阳极电极、第四支撑网、第四非金属极框、第五密封垫片、阳极端板沿金属隔板所在的平面呈对称布置。
第一密封垫片、第一非金属极框、第一支撑网、第一阴极电极、第三密封垫片、第一隔膜、第一阳极电极、第二支撑网、第二非金属极框、第二密封垫片、金属隔板可共同作为一个电解槽单元。上述电解槽单元可设置多个，叠放布置在阴极端板和阳极端板之间。如在阴极端板和阳极端板之间可设置三个、四个或更多个电解槽单元。
该实施例中电解槽单元的长宽比为0.6-1.8。
上述导流分配条23间隔布置在导流区域25上，导流区域25的边缘呈弧形，在导流区域的外侧设置有盖板26，所述盖板26和导流区域25之间围拢形成气液通道。若干个导流分配条23将气液通道进行分隔。导流分配条的设置可以起到引流的作用，使得流体更加均匀的流进流出电解反应区域。
上述非金属框的内圈密封线以内设置有凹槽，隔膜和金属隔板的大小一致，且大于第一支撑网、第一阴极电极、第一阳极电极、第二支撑网、第三支撑网、第二阴极电极、第二阳极电极、第四支撑网的大小，与凹槽以内尺寸大小匹配。
上述设置两个电解槽单元的情形，如图6所示，所述第二支撑网9和第三支撑网14焊接于金属隔板12上，两面焊接完支撑网的金属隔板可以称为集流板。
上述第一支撑网、第二支撑网、第三支撑网和第四支撑网为菱形网，流体流速更加均匀，减少湍流、涡流。当然，支撑网也可采用其他结构形式。
上述第一非金属极框、第二非金属极框、第三非金属极框和第四非金属极框均是由塑料材料一体注塑成型。所述塑料材料选自聚砜、聚亚苯基砜、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物、聚苯醚、聚苯硫醚、聚丙乙烯、尼龙、纤维增强不饱和聚酯模塑料、环氧树脂、呋喃树脂、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、聚环戊二烯中的一种或多种混合物。在极框加工过程中可选取填料，填料选自玻璃纤维、玄武岩纤维、炭纤维、碳化硅纤维、氧化锌、氧化铝、氧化锆等中的一种或多种混合物。
上述隔膜为聚醚砜类隔膜、聚四氟乙烯(PTFE)隔膜、聚苯硫醚(PPS)隔膜、陶瓷复合隔膜、碳材料复合隔膜或聚合物复合隔膜等。更加优选采用复合隔膜，具有低阻抗、高阻气性、耐高温、耐腐蚀性能。
上述密封垫片采用耐腐蚀橡胶或塑料制成。优选为三元乙丙橡胶、氟橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶或聚四氟乙烯等制成的。上述金属隔板采用纯镍材料制造。
本实用新型还提供一种电解槽模组，其采用若干个如上所述的电解水制氢电解槽模块通过串联或并联组装制成。
上述电解槽模组的制造方法，包括以下步骤：
(1)确定阴极端板、第一非金属极框、第二非金属极框、第三非金属极框、第四非金属极框、第一密封垫片、第二密封垫片、第三密封垫片、第四密封垫片、第五密封垫片和阳极端板的液体进口和气液出口的半径。
(2)按步骤(1)确定出的液体进口和气液出口的半径，采用塑料材料一体注塑成型工艺生产第一非金属极框、第二非金属极框、第三非金属极框、第四非金属极框、第五非金属极框，完成第一密封垫片、第二密封垫片、第三密封垫片、第四密封垫片、第五密封垫片、阴极端板、阳极端板的生产。
(3)将第二支撑网和第三支撑网焊接于金属隔板上，完成集流板制造。
(4)将阴极端板、第一密封垫片、第一非金属极框、第一支撑网、第一阴极电极、第二密封垫片、第一隔膜、第一阳极电极、第二非金属极框、第三密封垫片、集流板、第三非金属极框、第二阴极电极、第四密封垫片、第二隔膜、第二阳极电极、第四支撑网、第四非金属极框、第五密封垫片、阳极端板叠放布置，在固定孔中穿过有螺杆，并通过螺母锁紧，组装得到电解槽模块。
(5)将多个步骤(4)组装得到的电解槽模块串联或并联组装形成电解槽模组。
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 (5)

1.一种电解水制氢电解槽模块，其特征在于：包括阴极端板和阳极端板，在阴极端板和阳极端板之间设置有若干个电解槽单元；
相邻电解槽单元之间设置有金属隔板；
所述电解槽单元包括阴极电极和阳极电极，在阴极电极和阳极电极之间设置有隔膜；在阴极电极的外侧设置有第一非金属极框，在第一非金属极框和阴极电极之间设置有第一支撑网，在第一非金属极框的外侧设置有第一密封垫片；在阳极电极的外侧设置有第二非金属极框，在第二非金属极框和阳极电极之间设置有第二支撑网，在第二非金属极框的外侧设置有第二密封垫片；
在阴极电极和阳极电极之间还设置有第三密封垫片；
在阴极端板、第一非金属极框、第二非金属极框、第一密封垫片、第二密封垫片、第三密封垫片和阳极端板的对应位置处设置有固定孔、液体进口和气液出口；
在第一非金属极框、第二非金属极框的液体进口和气液出口处设置有导流分配条；
所述导流分配条间隔布置在导流区域上，导流区域的边缘呈弧形，在导流区域的外侧设置有盖板，所述盖板和导流区域之间围拢形成气液通道。
2.根据权利要求1所述的一种电解水制氢电解槽模块，其特征在于：在第一非金属极框、第二非金属极框上均设置有用于对应压紧第一密封垫片、第二密封垫片的密封线。
3.根据权利要求1所述的一种电解水制氢电解槽模块，其特征在于：所述第一非金属极框、第二非金属极框均是由塑料材料一体注塑成型。
4.根据权利要求1所述的一种电解水制氢电解槽模块，其特征在于：所述第一支撑网和第二支撑网为菱形网。
5.一种电解槽模组，其特征在于：采用若干个如权利要求1-4中任一权利要求所述的电解水制氢电解槽模块通过串联或并联组装制成。
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