CN221028707U - 电解组件及电解装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电解组件及电解装置，电解组件包括电极板以及电极，电极板包括电极框和主极板，主极板与电极框连接并围合形成反应腔，电极框上设有与反应腔相连通的入口以及出口，主极板包括沿第一方向交替分布的条状凸起和条状沟槽，条状凸起和条状沟槽在第二方向贯穿主极板设置，第一方向与第二方向相交，电极设置于反应腔内，条状凸起抵接于电极上，条状沟槽与电极围合形成流道，流道的两端与入口和出口连通。本申请能够在保证电极板与电极之间的导电能力的同时，降低溶液电阻，提高电解装置对再生能源功率波动的响应速率。

Description

电解组件及电解装置

技术领域

本申请涉及电解设备技术领域，特别是涉及一种电解组件及电解装置。

背景技术

近年来随着可再生能源成本逐步降低，可再生能源制氢需求大幅提升，电解装置是将电力转化为氢气的核心装备，使用越来越广泛。

已有的电解装置，为保证气体逸出，电解组件的电极板和电极不能完全接触，因而难以同时保证导电能力以及气泡扩散需要，阻碍电解装置大型化的发展。

实用新型内容

本申请提供一种电解组件及电解装置，能够在保证电极板与电极之间的导电能力的同时，便于气泡扩散，提高电解装置对再生能源功率波动的响应速率。

一方面，根据本申请实施例提出了一种电解组件，包括：电极板，包括电极框和主极板，主极板与电极框连接并围合形成反应腔，电极框上设有与反应腔相连通的入口以及出口，主极板包括沿第一方向交替分布的条状凸起和条状沟槽，条状凸起和条状沟槽在第二方向贯穿主极板设置，第一方向与第二方向相交；电极，设置于反应腔内，条状凸起抵接于电极上，条状沟槽与电极围合形成流道，流道的两端与入口和出口连通。

根据本申请实施例的一个方面，电极框具有中空腔，主极板将中空腔分隔形成沿轴向相对设置的反应腔，电极成对设置于反应腔内，轴向与第一方向和第二方向相交；主极板沿轴向的两侧表面均设置有条状凸起和条状沟槽，主极板一侧表面的各条状凸起与一个电极相抵接，另一侧表面的各条状凸起与另一个电极相抵接。

根据本申请实施例的一个方面，主极板在轴向的一侧表面向另一侧表面凹陷形成条状沟槽，主极板一侧表面上的条状沟槽对应于主极板另一侧表面上的条状凸起。

根据本申请实施例的一个方面，在主极板的同一侧表面上，条状凸起沿第一方向的尺寸等于条状沟槽沿第一方向的尺寸。

根据本申请实施例的一个方面，还包括催化涂层，催化涂层涂覆于条状沟槽内。

根据本申请实施例的一个方面，催化涂层由条状沟槽的槽底向槽口延伸设置，催化涂层覆盖部分槽壁；和/或，沿第二方向上，催化涂层由条状沟槽的一端延伸至条状沟槽的另一端。

根据本申请实施例的一个方面，条状沟槽由槽底至槽壁圆滑过渡设置。

根据本申请实施例的一个方面，催化涂层的厚度为40mm～60mm。

根据本申请实施例的一个方面，条状凸起沿第二方向的截面轮廓呈弧形。

另一方面，根据本申请实施例提出了一种电解装置，包括上述实施例中的电解组件。

本申请实施例提供的电解组件，主极板包括交替分布的条状凸起和条状沟槽，电极板可通过条状凸起与电极直接接触，起到导电的作用，保证电极板与电极之间的导电能力。同时，电极板可通过条状沟槽与电极围合形成流道，流道的两端与反应腔的入口和出口连通，故可通过条状沟槽部分释放电解出的气体，更便于气泡扩散，降低溶液电阻，从而提升传热传质效率，以使得电解装置能够达到快速响应电能波动的要求。

附图说明

下面将参考附图来描述本申请示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本申请一种实施例的电解装置的导电机理的示意图；

图2是本申请一种实施例的电解小室的结构示意图；

图3是本申请一种实施例的电极板的结构示意图；

图4是本申请一种实施例的主极板的结构示意图；

图5是本申请一种实施例的电解组件的剖视图；

图6是图3中C-C处的剖视图。

附图中：

100-电解装置；10-电解组件；20-隔膜；

1-电极板；11-电极框；111-入口；112-出口；12-主极板；121-条状凸起；122-条状沟槽；2-电极；21-阴极；22-阳极；3-催化涂层；

X-第一方向；Y-第二方向；Z-轴向。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本申请的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本申请造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本申请的电解组件及电解装置进行限定。在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

近年来随着可再生能源成本逐步降低，可再生能源制氢需求大幅提升。碱性水电解槽是将电力转化为氢气和核心装备，以下称电解装置。主要原理是，对电解液通入直流电，会在阴极和阳极表面发生电化学反应，而分别在阴极和阳极产生氢气和氧气。

请参阅图1和图2，图1为本申请实施例的电解装置100的导电机理的示意图，图2示出了本申请实施例的电解小室的结构示意图。

本申请实施例提供了一种电解装置100，电解装置100是由上百个相同电解小室串联而成，每个电解小室包括电解组件10以及隔膜20，电解组件10包括电极板1以及覆盖于电极板1一侧的电极2，其中，电极2根据电流方向包括阴极21和阳极22，电极板1包括阴极板和阳极板，并分别用于支撑阴极21和阳极22两个电极，在电解小室内，阴极21和阳极22由隔膜20分隔分别构成阴极室和阳极室。隔膜20的作用是隔离气体，导通离子，使阴极室产出的氢气无法进入阳极室与氧气混合。

由于电极2为网状多孔的平板结构，为能够向电极2传导电荷，并使碱液体顺利流经电极2，再将电极2反应产生的气体快速带出电解室，需要设置相应的电极板1来支撑电极2，以在电解单元内形成反应腔，电极板1与电极2共同形成电解小室内的电解液流道。

其中，以上涉及到的技术术语如下：

电解小室：由电解组件、隔膜和电解液等构成，在直流电的作用下，能将水电解生成氢气和氧气的最小单元。

电极板：位于一个完整的电解小室的两端，形成阴极区域和阳极区域电解液流动的腔室，实现阴极电解液和阳极电解液的分流，一定程度上减小了氢中氧和氧中氢的含量，保证电解装置运行的安全性。

电极：电子或电器装置、设备中的一种部件，用做导电介质(固体、气体、真空或电解质溶液)中输入或导出电流的两个端。输入电流的一极叫阳极或正极，放出电流的一极叫阴极或负极。

隔膜：电解反应时，用以将阴极和阳极分开防止在电解单元中直接反应损失能量的一层薄膜。

目前现有的电极板1的结构主要采用乳突型以及板网型两种形式。

乳突型是在平面电极板1上冲压形成凸起，以通过凸起实现电极板1和电极2的连接，虽然成本较低，但导电性差，同时凸起部分所镀镍层很容易发生腐蚀，导致镍层脱落，从而腐蚀整个电极板1。板网型是将平面电极板1与具有一定厚度的金属网焊接在一起，再覆盖电极2，形成空腔和流道结构，虽然导电性较好，但板网型的电极板1加工繁琐且流道复杂，成本较大，并且气泡不易扩散，导致溶液电阻上升。

基于上述技术问题，本申请实施例还提供了一种新的电解组件10，该电解组件10可以用于上述各实施例中的电解装置100，也可以作为独立的构件单独生产或者销售。

请参阅图2至图4，本申请实施例提供的电解组件10，包括电极板1以及电极2，电极板1包括电极框11和主极板12，主极板12与电极框11连接并围合形成反应腔，电极框11上设有与反应腔相连通的入口111以及出口112，主极板12包括沿第一方向X交替分布的条状凸起121和条状沟槽122，条状凸起121和条状沟槽122在第二方向Y贯穿主极板12设置，第一方向X与第二方向Y相交，电极2设置于反应腔内，条状凸起121抵接于电极2上，条状沟槽122与电极2围合形成流道，流道的两端与入口111和出口112连通。

其中，电极框11可以呈圆环状、椭圆环状或者多边形环状，当电极框11为多边形环状时可选为正多边形环状，主极板12形状与电极框11相匹配，主极板12与电极框11连接并构成反应腔，反应腔可用于阴极室或阳极室，电极2设置于反应腔内并覆盖于电极板1上，电极板1与电极2共同形成流道，以用于满足电解制氢需求。

本申请实施例提供的电解组件10，主极板12包括交替分布的条状凸起121和条状沟槽122，电极板1可通过条状凸起121与电极2直接接触，起到导电的作用，保证电极板1与电极2之间的导电能力。同时，电极板1可通过条状沟槽122与电极2围合形成流道，流道的两端与反应腔的入口111和出口112连通，故可通过条状沟槽122部分释放电解出的气体，更便于气泡扩散，降低溶液电阻，从而提升传热传质效率，以使得电解装置100能够达到快速响应电能波动的要求。

可以理解的是，由于主极板12朝向电极2的一侧设置为波纹结构，可通过条状沟槽122来为电解液提供充足的流动空间，保证气泡释放。因此，气泡不会对电极板1和电极2之间的接触造成影响，条状凸起121可与电极2紧密贴合，从而既保证了电极板1与电极2之间的导电能力，还使得气泡很容易扩散，有效提升传热传质效率，使电解装置100能够达到快速功率响应的要求。

可选地，主极板12可由金属材料制成，表面镀设有镍合金，以在保证主极板12对电极2的支撑效果的同时，通过镍合金实现防腐，同时保证电极板1与电极2之间的导电性能。例如，主极板12可设置为碳钢镀暗镍。

请参阅图2至图5，在一些可选地实施例中，电极框11具有中空腔，主极板12将中空腔分隔形成沿轴向Z相对设置的反应腔，电极2成对设置于反应腔内，轴向Z与第一方向X和第二方向Y相交。

例如，当电解装置100为双极性电解槽时，电极板1可以在轴向Z两侧形成反应腔，且在反应腔内分别设置有极性相反的电极2。

具体地，主极板12在轴向Z上的厚度小于中空腔的深度。通过将主极板12放置于中空腔并与电极框11连接，在轴向Z上将中空腔分隔形成两个相对设置的反应腔。主极板12与电极框11之间可以采用固定连接的方式连接，例如可以采用焊接、一体式结构等方式。当然，可以采用可拆卸连接的方式相连接，例如可以采用螺钉等紧固件锁定等。

其中，当电极2成对设置于反应腔内时，主极板12沿轴向Z的两侧表面均设置有条状凸起121和条状沟槽122，主极板12一侧表面的各条状凸起121与一个电极2相抵接，另一侧表面的各条状凸起121与另一个电极2相抵接。

即主极板12沿轴向Z的两侧的反应腔内设置的电极2中一者为阴极21且另一者为阳极22，阴极21和阳极22分别抵接于反应腔的条状凸起121上。通过使主极板12沿轴向Z的两侧表面均设置有波纹结构，能够同时保证电极板1与两侧的电极2的接触导电以及气泡溢出，以使得电解装置100达到快速功率响应的要求。

请参阅图3至图5，在一些可选地实施例中，主极板12在轴向Z的一侧表面向另一侧表面凹陷形成条状沟槽122，主极板12一侧表面上的条状沟槽122对应于主极板12另一侧表面上的条状凸起121。

当主极板12的两侧表面均设置有条状凸起121和条状沟槽122时，主极板12可设置为波纹板。即主极板12可采用冲床压制的方式，使得主极板12在轴向Z的一侧表面向另一侧表面冲压，从而在一侧表面形成条状沟槽122，另一侧表面对应形成条状凸起121，以简化主极板12的制备工艺，降低成本。

在一些可选地实施例中，在主极板12的同一侧表面上，条状凸起121沿第一方向X的尺寸等于条状沟槽122沿第一方向X的尺寸。由于主极板12一侧表面的各条状凸起121对应另一侧表面的条状沟槽122，故通过使同一表面上条状凸起121沿第一方向X的尺寸等于条状沟槽122沿第一方向X的尺寸，能够使得主极板12沿轴向Z的两侧表面形成相同的波纹结构。一方面能够便于主极板12上波纹结构的设计，另一方面也能够同时保证电极板1与两侧的电极2的导电以及气泡扩散，提高电解效率。

可选地，条状凸起121和条状沟槽122沿第一方向X的尺寸可设置为2cm，从而形成适当体积的流道，以在保证电极板1与电极2之间的导电能力的同时，更利于气泡扩散，有效提升传热传质效率，使电解装置100能够达到快速功率响应的要求。

可以理解的是，在主极板12的同一侧表面上，条状凸起121沿第一方向X的尺寸等于条状沟槽122沿第一方向X的尺寸包括至少两种情况。

第一种情况是在主极板12的整个表面内，各条状凸起121沿第一方向X的尺寸均等于各条状沟槽122沿第一方向X的尺寸。

第二种情况是在第一方向X上，主极板12包括中间区域以及设置于中间区域两侧的边缘区域，位于中间区域的各条状凸起121沿第一方向X的尺寸等于位于中间区域的各条状沟槽122沿第一方向X的尺寸，位于边缘区域的各条状凸起121沿第一方向X的尺寸等于位于边缘区域的各条状沟槽122沿第一方向X的尺寸，且位于中间区域的各条状凸起121沿第一方向X的尺寸与位于边缘区域的各条状凸起121沿第一方向X的尺寸不相同(图中未示出)。因此，可根据主极板12的具体形状，来调整不同区域的条状凸起121沿第一方向X的尺寸，从而平衡各流道内电解液的流速，减少反应腔内各处流体的浓度差，使流体分布更均匀，从而降低电解设备的能耗，提高其长期运行的稳定性。

请参阅图3和图6，在一些可选地实施例中，电解组件10还包括催化涂层3，催化涂层3涂覆于条状沟槽122内。

通过在条状沟槽122内设置催化涂层3，能够增加主极板12的真实表面积，来降低电极电位，理论上可以降低50％过电位，从而有效提高电解组件10的电流密度，使得电解装置能够达到快速功率响应的要求。

并且，本申请通过将催化涂层3设置于条状沟槽122内，在电解液沿流道流动时，能够使得催化涂层3的催化剂与电解液充分接触。并且，更便于喷涂，同时催化涂层3也不容易脱落，提高电解装置100的可靠性。可选地，催化剂可设置为雷尼镍。

在一些可选地实施例中，催化涂层3由条状沟槽122的槽底向槽口延伸设置，催化涂层3覆盖部分槽壁。例如，催化涂层3的边缘可延伸至槽壁的1/2处，即仅覆盖条状沟槽122的靠近槽底的部分，从而能够在控制电解组件10的成本的同时，还能够有效降低电极电位，达到更好地电解效果。

其中，条状沟槽122可由槽底至槽壁圆滑过渡设置。即条状沟槽122沿第二方向Y的截面轮廓可呈弧形，从而避免在条状沟槽122内形成死角，以更便于实现催化剂的喷涂。例如，条状沟槽122沿第二方向Y的截面可呈半圆形、半椭球形以及半药丸形中的一者，即能够保证条状沟槽122由槽底至槽壁圆滑过渡设置即可。

可选地，条状凸起121沿第二方向Y的截面轮廓呈弧形，即条状凸起121通过弧形面与电极2相接触，通过将条状凸起121设置为弧形面，其不存在边角位置，从而能够避免条状凸起121在边角位置受电化学腐蚀而损坏的情况，提高电解组件10的可靠性。

在一些可选地实施例中，沿第二方向Y上，催化涂层3由条状沟槽122的一端延伸至条状沟槽122的另一端，即催化涂层3沿第二方向Y由流道的入口延伸至流道的出口，从而能够在电解液沿流道流动的整个过程中，均能够受到催化涂层3作用，使得电解槽能够达到快速功率响应的要求。

可选地，催化涂层3的厚度为40mm～60mm。其中，催化涂层3的厚度可根据条状沟槽122的具体尺寸进行调整，例如可设置为50mm。

虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述，但在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种电解组件(10)，其特征在于，包括：

电极板(1)，包括电极框(11)和主极板(12)，所述主极板(12)与所述电极框(11)连接并围合形成反应腔，所述电极框(11)上设有与所述反应腔相连通的入口(111)以及出口(112)，所述主极板(12)包括沿第一方向交替分布的条状凸起(121)和条状沟槽(122)，所述条状凸起(121)和条状沟槽(122)在第二方向贯穿所述主极板(12)设置，所述第一方向与所述第二方向相交；

电极(2)，设置于所述反应腔内，所述条状凸起(121)抵接于所述电极(2)上，所述条状沟槽(122)与所述电极(2)围合形成流道，所述流道的两端与所述入口(111)和所述出口(112)连通。

2.根据权利要求1所述的电解组件(10)，其特征在于，所述电极框(11)具有中空腔，所述主极板(12)将所述中空腔分隔形成沿轴向相对设置的所述反应腔，所述电极(2)成对设置于所述反应腔内，所述轴向与所述第一方向和所述第二方向相交；

所述主极板(12)沿所述轴向的两侧表面均设置有所述条状凸起(121)和所述条状沟槽(122)，所述主极板(12)一侧表面的各所述条状凸起(121)与一个所述电极(2)相抵接，另一侧表面的各所述条状凸起(121)与另一个所述电极(2)相抵接。

3.根据权利要求2所述的电解组件(10)，其特征在于，所述主极板(12)在所述轴向的一侧表面向另一侧表面凹陷形成条状沟槽(122)，所述主极板(12)一侧表面上的条状沟槽(122)对应于所述主极板(12)另一侧表面上的条状凸起(121)。

4.根据权利要求3所述的电解组件(10)，其特征在于，在所述主极板(12)的同一侧表面上，所述条状凸起(121)沿第一方向的尺寸等于所述条状沟槽(122)沿第一方向的尺寸。

5.根据权利要求1所述的电解组件(10)，其特征在于，还包括催化涂层(3)，所述催化涂层(3)涂覆于所述条状沟槽(122)内。

6.根据权利要求5所述的电解组件(10)，其特征在于，所述催化涂层(3)由所述条状沟槽(122)的槽底向槽口延伸设置，所述催化涂层(3)覆盖部分槽壁；

和/或，沿所述第二方向上，所述催化涂层(3)由所述条状沟槽(122)的一端延伸至所述条状沟槽(122)的另一端。

7.根据权利要求6所述的电解组件(10)，其特征在于，所述条状沟槽(122)由所述槽底至所述槽壁圆滑过渡设置。

8.根据权利要求5所述的电解组件(10)，其特征在于，所述催化涂层(3)的厚度为40mm～60mm。

9.根据权利要求1所述的电解组件(10)，其特征在于，所述条状凸起(121)沿所述第二方向的截面轮廓呈弧形。

10.一种电解装置(100)，其特征在于，包括权利要求1至9任意一项所述的电解组件(10)。