CN221235669U - 电极支撑组件及电解装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电极支撑组件及电解装置，电极支撑组件包括电极框以及极板，电极框包括沿自身轴向成对设置的第一极框和第二极框，极板沿轴向夹设于第一极框和第二极框之间，极板具有反应区以及环绕于反应区外周的边缘区，第一极框和第二极框连接于极板的边缘区，并与极板的反应区围合形成沿轴向相对设置的反应腔，第一极框和第二极框对应反应腔分别设置有入口和出口，入口和出口与反应腔相连通。本申请提供一种电极支撑组件及电解装置，能够形成无焊缝的双极板结构，提高电极支撑组件的使用寿命。

Description

电极支撑组件及电解装置

技术领域

本申请涉及电解技术领域，特别是涉及一种电极支撑组件及电解装置。

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，电解装置作为可再生能源大规模制氢的关键装备，在构建新能源体系中发挥重要作用。

电极支撑组件作为电解槽的核心部件之一，用于支撑电极，对于电解装置性能有着很大影响。现有的电极支撑组件大多采用焊接的方式将中间极板固定于极框，长期使用中，焊缝处会产生腐蚀，降低电极支撑组件的使用寿命。

实用新型内容

本申请提供一种电极支撑组件及电解装置，能够形成无焊缝的双极板结构，提高电极支撑组件的使用寿命。

一方面，根据本申请实施例提出了一种电极支撑组件，包括：电极框，包括沿自身轴向成对设置的第一极框和第二极框；极板，沿轴向夹设于第一极框和第二极框之间，极板具有反应区以及环绕于反应区外周的边缘区，第一极框和第二极框连接于极板的边缘区，并与极板的反应区围合形成沿轴向相对设置的反应腔，第一极框和第二极框对应反应腔分别设置有入口和出口，入口和出口与反应腔相连通。

根据本申请实施例的一个方面，在轴向上，第一极框、极板以及第二极框对应设置有连接孔；电极支撑组件还包括连接件，连接件依次穿设于第一极框、极板以及第二极框的连接孔，并使极板与第一极框和第二极框相连。

根据本申请实施例的一个方面，连接孔的数量为两个以上，两个以上的连接孔沿电极框的周向间隔分布。

根据本申请实施例的一个方面，第一极框和极板中的至少一者朝向另一者的表面上开设有第一密封槽，电极支撑组件还包括第一密封圈，第一密封圈嵌设于第一密封槽内并与另一者的表面相抵接；和/或，第二极框和极板中的至少一者朝向另一者的表面上开设有第二密封槽，电极支撑组件还包括第二密封圈，第二密封圈嵌设于第二密封槽内并与另一者的表面相抵接。

根据本申请实施例的一个方面，第一密封槽的数量为两个以上，第一密封圈的数量大于或者等于第一密封槽的数量并对应嵌设于各第一密封槽内；和/或，第二密封槽的数量为两个以上，第二密封圈的数量大于或者等于第二密封槽的数量并对应嵌设于各第二密封槽内。

根据本申请实施例的一个方面，第一极框和第二极框背离彼此的一侧表面上设置有密封水线，密封水线呈环状设置并将入口和出口环绕在内。

根据本申请实施例的一个方面，在电极框中，入口和出口靠近反应腔的一侧均设置有梳齿结构，梳齿结构包括交替设置的梳齿和空隙，入口和出口通过梳齿结构与反应腔相连通。

根据本申请实施例的一个方面，各梳齿结构中，沿靠近反应腔的方向，梳齿包括相继设置的第一梳齿段和第二梳齿段；第一梳齿段和第二梳齿段设置为台阶结构，且第二梳齿段背离极板的一侧表面与电极框背离极板的一侧表面相平齐。

根据本申请实施例的一个方面，第一极框和/或第二极框沿轴向的尺寸设置为3mm～6mm。

另一方面，根据本申请实施例提出了一种电解装置，包括上述实施例的电极支撑组件。

本申请实施例提供的电极支撑组件以及电解装置，电极支撑组件包括电极框以及极板，电极框包括沿自身轴向相对设置的第一极框和第二极框，极板沿轴向夹设于第一极框和第二极框之间，极板沿轴向的两侧表面分别与第一极框和第二极框相连，以形成无焊缝的双极板结构。相较于现有的焊接方式，本申请实施例中的电极支撑组件能够从根源上规避了焊缝，有效防止了焊接应力腐蚀和焊接变形问题的出现，且避免了电解液对焊缝的腐蚀影响，提高电极支撑组件的使用寿命。

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极支撑组件的爆炸图；

图2是本申请一种实施例的第一极框的第一表面的结构示意图；

图3是本申请一种实施例的极板的结构示意图；

图4是本申请一种实施例的第二极框的第一表面的结构示意图；

图5是本申请一种实施例的密封件的结构示意图；

图6是本申请一种实施例的第一极框的第二表面的结构示意图；

图7是本申请一种实施例的第二极框的第二表面的结构示意图；

图8是本申请一种实施例的反应腔的入口处的放大图；

图9是本申请一种实施例的反应腔的出口处的放大图。

附图中：

1-电极框；11-第一极框；111-第一密封槽；12-第二极框；121-第二密封槽；2-极板；3-密封件；31-第一密封圈；32-第二密封圈；4-梳齿结构；41-梳齿；411-第一梳齿段；412-第二梳齿段；42-空隙；5-密封水线；

K1-入口；K2-出口；K3-连接孔；S1-第一表面；S2-第二表面；

X-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极支撑组件及电解装置的具体结构进行限定。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。

电解装置是由多个电解小室串联而成，每个电解小室包括位于两端的电极支撑组件，即阴极支撑组件和阳极支撑组件，阴极支撑组件和阳极支撑组件分别用于支撑阴极和阳极，且阴极和阳极由隔膜分隔形成阴极区域和阳极区域电解液流动的腔室。

其中，阴极支撑组件和阳极支撑组件还可结合形成双极板结构，具体的，每个电解小室的阳极支撑组件同时也是与该电解小室相邻的另一电解小室的阴极支撑组件，每个电解小室的阴极支撑组件同时也是与该电解小室相邻的另一电解小室的阳极支撑组件，各极板正反两面具有相反极性，故称之为双极板结构。

现有的双极板结构多采用极框内部焊接极板的方式，通过将极板焊接在极框的中间区域，来在极板的两侧围合形成相对设置的反应腔，上述结构紧凑，且可以有效实现阴极电解液和阳极电解液的分流。

然而，采用焊接的方式，对极框和极板的尺寸加工精度有着较高要求，同时长期使用中，电解液的焊缝处会产生腐蚀，减少电极支撑组件的使用寿命。此外，由于极框和极板焊接为一个部件，导致其表面镀镍工艺复杂，一旦极板出现损坏，就需要完全替换掉整块电极支撑组件，费时费力，维护成本过高，可维护性较差。

基于上述技术问题，本申请实施例提供一种无需焊接的电极支撑组件，下面结合附图对本申请实施例中的电极支撑组件以及电解装置进行详细说明。

请参阅图1至图4，根据本申请实施例提出了一种电极支撑组件，包括电极框1以及极板2，电极框1包括沿自身轴向X成对设置的第一极框11和第二极框12，极板2沿轴向X夹设于第一极框11和第二极框12之间，极板2具有反应区以及环绕于反应区外周的边缘区，第一极框11和第二极框12连接于极板2的边缘区，并与极板2的反应区围合形成沿轴向X相对设置的反应腔，第一极框11和第二极框12对应反应腔分别设置有入口K1和出口K2，入口K1和出口K2与反应腔相连通。

本申请实施例中的电极支撑组件，其包括第一极框11、极板2以及第二极框12，极板2沿轴向X夹设于第一极框11和第二极框12之间，且在极板2的边缘区，极板2沿轴向X的两侧表面分别与第一极框11和第二极框12相连，以形成无焊缝的双极板结构，从而能够从根源上规避了焊缝，有效防止了焊接应力腐蚀和焊接变形问题的出现，且避免了电解液对焊缝的腐蚀影响，提高了电极支撑组件的使用寿命。

由于第一极框11和第二极框12与极板2的边缘区相连，故也能够增加极板2与电极框1的接触面积，从而一方面能够提升电极支撑组件的力学性能和抵抗变形能力，进一步延长了电极支撑组件的使用寿命，另一方面也能够降低对极板2和电极框1的整体尺寸加工精度要求，可显著降低加工制造成本。

可选地，第一极框11和第二极框12可与极板2的边缘区相匹配，即第一极框11、第二极框12的外轮廓与极板2的外轮廓相重合，且沿轴向X上，第一极框11和第二极框12沿轴向X在极板2上的正投影可与极板2的边缘区相重合，从而能够进一步提高连接后电极支撑组件的整体性。

其中，根据极板2的形状，第一极框11和第二极框12可以呈圆环状、椭圆环状或者多边形环状，当为多边形环状时可选为正多边形环状，本申请对此不作具体限定。

可以理解的是，由于本申请实施例中的电极支撑组件无需焊接，故第一极框11和第二极框12可以采用耐腐蚀、强度较高的热固性树脂代替金属作为极框材料，例如酚醛树脂、环氧树脂和乙烯基酯树脂等。

由于热固性树脂的密度为1.2g/cm³，而金属材料例如不锈钢的密度为7.98g/cm³，故同等体积下第一极框11和第二极框12的质量可减少至现有电极框1的质量的1/7，并且热固化树脂的耐高温值约为200℃以上，树脂与固化剂的质量比为100:4时材料抗弯曲强度可达217.76MPa。因此，通过将第一极框11和第二极框12设置为热固化树脂，能够在保证电极框1的性能的同时，大大减轻了电极支撑组件的质量和成本，更便于安装和更换。并且，也能够有效降低电极框1厚度和接触电阻，提高电流密度，提升电解槽工作效率。

具体地，本申请实施例中的电极支撑组件，由于无需焊接极板2，故电极框1的沿轴向X的尺寸，即电极框1的厚度可缩减至现有的电极框1的厚度的一半以上。以1000标方电解装置为例，采用焊接方式的电极支撑组件的电极框1的厚度为12mm时，本申请实施例中的电极支撑组件中第一极框11和第二极框12的厚度仅需3mm～6mm，从而能够有效降低电极框1的整体厚度，降低电极支撑组件重量，因而降低了电极支撑组件的安装和更换的难度，且减少电极支撑组件的成本，更便于电极支撑组件的生产应用。

可选地，极板2分别与第一极框11和第二极框12可拆卸连接，极板2、第一极框11和第二极框12各自独立，一旦极板2出现腐蚀破损，即可单独更换极板2，而无需更换第一极框11和第二极框12，更便于维修更换，降低维护成本，提高电极支撑组件的可维护性。

请参阅图1至图4，为实现极板2与第一极框11和第二极框12的可拆卸连接，在一些可选地实施例中，在轴向X上，第一极框11、极板2以及第二极框12对应设置有连接孔K3，电极支撑组件还包括连接件，连接件依次穿设于第一极框11、极板2以及第二极框12的连接孔K3，并使极板2与第一极框11和第二极框12相连。其中，第一极框11、极板2以及第二极框12上的连接孔K3的尺寸可相同，即可通过连接孔K3进行装配定位，然后压紧第一极框11、极板2以及第二极框12来实现电极框1和极板2的连接固定。

可以理解的是，由于电解装置包括若干电极支撑组件，故连接杆可一体插设于各电极支撑组件的连接孔K3内，并通过压紧各电极支撑组件，来实现若干电极支撑组件的固定。

在另一些可选地实施例中，第一极框11和极板2的一者设置有第一卡扣，另一者设置有与第一卡扣相配合的第一卡槽(图中未示出)，通过将第一卡扣卡设于第一卡槽内，来实现第一极框11和极板2的配合连接。同样地，第二极框12和极板2的一者设置有第二卡扣，另一者设置有第二卡扣相配合的第二卡槽，通过将第二卡扣卡设于第二卡槽内，来实现第一极框11和极板2的配合连接。

即第一极框11、极板2以及第二极框12可采用多种连接方式进行连接固定，但为便于描述，以下仍以第一极框11、极板2以及第二极框12对应设置有连接孔K3来实现连接为例进行说明。

请参阅图2至图4，在一些可选地实施例中，连接孔K3的数量为两个以上，两个以上的连接孔K3沿电极框1的周向间隔分布，从而能够在电极框1与极板2之间形成多个连接点，提高电极框1和极板2连接的可靠性。

可选地，连接孔K3的数量为至少三个，至少三个连接孔K3相对轴心呈中心对称分布，从而能够使得电极框1在周向上各区域与极板2紧密贴合，以提高电极框1和极板2连接的可靠性，保证电极支撑组件的密封性。

请参阅图1至图5，为进一步保证电极支撑组件的密封性，在一些可选地实施例中，电极支撑组件还包括密封件3，第一极框11和极板2中的至少一者朝向另一者的表面上开设有第一密封槽111，密封件3包括第一密封圈31，第一密封圈31嵌设于第一密封槽111内并与另一者的表面相抵接，和/或，第二极框12和极板2中的至少一者朝向另一者的表面上开设有第二密封槽121，密封件3还包括第二密封圈32，第二密封圈32嵌设于第二密封槽121内并与另一者的表面相抵接。

其中，第一极框11和第二极框12均包括面向彼此的第一表面S1以及背向彼此的第二表面S2，第一极框11的第一表面S1和第二极框12的第一表面S1分别与极板2沿轴向X的两侧表面相连接，通过在两者的接触面之间加装第一密封圈31和第二密封圈32，在第一极框11和第二极框12与极板2相连时，能够压紧第一密封圈31和第二密封圈32，从而保证电极支撑组件的密封性。

可选地，第一密封槽111设置于第一极框11的第一表面S1上，第二密封槽121设置于第二极框12的第一表面S1上，极板2可设置为平面结构，从而第一极框11和第二极框12可设置为完全相同的结构，以简化电极支撑组件的结构，降低加工难度和生产成本。

进一步地，第一密封槽111的数量为两个以上，第一密封圈31的数量大于或者等于第一密封槽111的数量并对应嵌设于各第一密封槽111内，和/或，第二密封槽121的数量为两个以上，第二密封圈32的数量大于或者等于第二密封槽121的数量并对应嵌设于各第二密封槽121内，即还可通过设置多层密封结构，来进一步提高电极支撑组件的密封性。

可以理解的是，由于电解装置包括多个电极支撑组件，故除了考虑各电极支撑组件自身的密封性外，还需考虑多个电极支撑组件相互压合后，相邻电极支撑组件之间的密封性。

请参阅图6和图7，在一些可选地实施例中，第一极框11和第二极框12背离彼此的一侧表面上设置有密封水线5，密封水线5呈环状设置并将入口K1和出口K2环绕在内。

即第一极框11的第二表面S2和第二极框12的第二表面S2上均设置有密封水线5，在多个电极支撑组件相互压合时，相邻电极支撑组件即可通过密封水线5相对接，以保证各电极支撑组件的入口K1相互对接所形成的入口流道，以及各电极支撑组件的出口K2相互对接所形成的出口流道的密封性。

可选地，密封水线5可设置为若干环形槽，通过每隔一定距离设置一道环形槽，即能够在相邻电极支撑组件之间形成多道密封结构，进一步提高密封性能。

请参阅图8，当多个电极支撑组件的入口K1相互对接形成入口流道时，为便于电解液从各电极支撑组件的入口K1进入反应腔，在一些可选地实施例中，在电极框1中，入口K1靠近反应腔的一侧均设置有梳齿结构4，梳齿结构4包括交替设置的梳齿41和空隙42，入口K1通过梳齿结构4与反应腔相连通。

其中，电解液从入口K1进入后，会通过梳齿结构4进入反应腔，由于梳齿结构4包括梳齿41和空隙42，故梳齿41能够对电解液进行阻挡，以使得电解液分成多股支流，并从空隙42进入反应腔，以使得电解液的流速更加均衡平稳。

可选地，入口K1可设置腰型孔，每个反应腔可对应设置有多个入口K1，从而能够使得电解液能够从多个入口K1均匀进入反应腔。当入口K1的数量设置为多个时，每个入口K1均可对应设置有梳齿结构4，以使得电解液的流速更加均衡平稳。

在一些可选地实施例中，入口K1侧的梳齿结构4中，沿靠近反应腔的方向，梳齿41包括相继设置的第一梳齿段411和第二梳齿段412，第一梳齿段411和第二梳齿段412设置为台阶结构，且第二梳齿段412背离极板2的一侧表面与电极框1背离极板2的一侧表面相平齐。

通过将入口K1侧的梳齿41设置为台阶结构，能够使得入口K1位置的支流数量大于反应腔位置的支流数量，从而使得电解液在从入口K1进入反应腔的过程中，能够进一步分隔为更多股的支流，以进一步使得电解液的流速更加均衡平稳。

请参阅图9，当多个电极支撑组件的出口K2相互对接形成出口流道时，为便于电解所产生的气体由各电极支撑组件的反应腔进入出口K2，在一些可选地实施例中，在电极框1中，出口K2靠近反应腔的一侧均设置有梳齿结构4，梳齿结构4包括交替设置的梳齿41和空隙42，出口K2通过梳齿结构4与反应腔相连通。

其中，各反应腔内电解所产生的气体会从出口K2溢出，故通过在出口K2侧设置梳齿结构4，在气体从反应腔进入出口K2时，能够通过梳齿41将大气泡分隔为多个小气泡，从而使得气液混合液流出更加快速平稳。

可选地，出口K2可设置腰型孔，每个反应腔可对应设置有多个出口K2，从而能够使得气体能够从多个出口K2溢出。当出口K2的数量设置为多个时，每个出口K2均可对应设置有梳齿结构4，以使得气液混合液流出更加快速平稳。

在一些可选地实施例中，出口K2侧的梳齿结构4中，沿靠近反应腔的方向，梳齿41包括相继设置的第一梳齿段411和第二梳齿段412，第一梳齿段411和第二梳齿段412设置为台阶结构，且第二梳齿段412背离极板2的一侧表面与电极框1背离极板2的一侧表面相平齐。

通过将出口K2侧的梳齿41设置为台阶结构，能够使得反应腔位置的空隙42面积大于出口K2位置的空隙42面积，从而能够加速气泡溢出，以进一步使得气液混合液流出更加快速平稳。

本申请实施例提供的电解装置，包括上述各实施例提供的电极支撑组件，因此，本申请实施例中的电解装置具备重量轻、成本低、易加工、寿命长和可维护性好的优点，更便于推广应用。

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)

1.一种电极支撑组件，其特征在于，包括：

电极框(1)，包括沿自身轴向成对设置的第一极框(11)和第二极框(12)；

极板(2)，沿所述轴向夹设于所述第一极框(11)和所述第二极框(12)之间，所述极板(2)具有反应区以及环绕于所述反应区外周的边缘区，

所述第一极框(11)和所述第二极框(12)连接于所述极板(2)的边缘区，并与所述极板(2)的反应区围合形成沿所述轴向相对设置的反应腔，所述第一极框(11)和所述第二极框(12)对应所述反应腔分别设置有入口和出口，所述入口和所述出口与所述反应腔相连通。

2.根据权利要求1所述的电极支撑组件，其特征在于，在所述轴向上，所述第一极框(11)、所述极板(2)以及所述第二极框(12)对应设置有连接孔；

所述电极支撑组件还包括连接件，所述连接件依次穿设于第一极框(11)、所述极板(2)以及所述第二极框(12)的连接孔，并使所述极板(2)与所述第一极框(11)和所述第二极框(12)相连。

3.根据权利要求2所述的电极支撑组件，其特征在于，所述连接孔的数量为两个以上，两个以上的所述连接孔沿所述电极框(1)的周向间隔分布。

4.根据权利要求1所述的电极支撑组件，其特征在于，所述第一极框(11)和所述极板(2)中的至少一者朝向另一者的表面上开设有第一密封槽(111)，所述电极支撑组件还包括第一密封圈(31)，所述第一密封圈(31)嵌设于所述第一密封槽(111)内并与另一者的表面相抵接；

和/或，所述第二极框(12)和所述极板(2)中的至少一者朝向另一者的表面上开设有第二密封槽(121)，所述电极支撑组件还包括第二密封圈(32)，所述第二密封圈(32)嵌设于所述第二密封槽(121)内并与另一者的表面相抵接。

5.根据权利要求4所述的电极支撑组件，其特征在于，所述第一密封槽(111)的数量为两个以上，第一密封圈(31)的数量大于或者等于第一密封槽(111)的数量并对应嵌设于各第一密封槽(111)内；

和/或，所述第二密封槽(121)的数量为两个以上，第二密封圈(32)的数量大于或者等于第二密封槽(121)的数量并对应嵌设于各第二密封槽(121)内。

6.根据权利要求1所述的电极支撑组件，其特征在于，所述第一极框(11)和所述第二极框(12)背离彼此的一侧表面上设置有密封水线(5)，所述密封水线(5)呈环状设置并将所述入口和所述出口环绕在内。

7.根据权利要求1所述的电极支撑组件，其特征在于，在所述电极框(1)中，所述入口和所述出口靠近所述反应腔的一侧均设置有梳齿结构(4)，所述梳齿结构(4)包括交替设置的梳齿(41)和空隙(42)，所述入口和所述出口通过所述梳齿结构(4)与所述反应腔相连通。

8.根据权利要求7所述的电极支撑组件，其特征在于，各所述梳齿结构(4)中，沿靠近所述反应腔的方向，所述梳齿(41)包括相继设置的第一梳齿段(411)和第二梳齿段(412)；

第一梳齿段(411)和所述第二梳齿段(412)设置为台阶结构，且所述第二梳齿段(412)背离所述极板(2)的一侧表面与所述电极框(1)背离所述极板(2)的一侧表面相平齐。

9.根据权利要求1所述的电极支撑组件，其特征在于，所述第一极框(11)和/或所述第二极框(12)沿所述轴向的尺寸设置为3mm～6mm。

10.一种电解装置，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的电极支撑组件。