一种板框式可叠加的水电解制氢PEM电解装置的制作方法

专利检索2022-05-10  5


一种板框式可叠加的水电解制氢pem电解装置
技术领域
1.本技术涉及水电解技术领域,尤其是涉及一种板框式可叠加的水电解制氢pem电解装置。


背景技术:

2.电解槽由槽体、阳极和阴极组成,多数用隔膜将阳极室和阴极室隔开。按电解液的不同分为水溶液电解槽、熔融盐电解槽和非水溶液电解槽三类。当直流电通过电解槽时,在阳极与溶液界面处发生氧化反应,在阴极与溶液界面处发生还原反应,以制取所需产品。
3.pem电解装置设备中电解制氢主要通过电解槽中的电解反应实现,电解槽电极电流大小决定电解制氢量的大小,电流等于电极有效面积和电流密度的乘积,电流密度的大小与所采用的膜电极效率相关,当前技术条件下难以出现新的突破。当前提高pem电解装置制氢功率的方法只有提高电极的有效面积,使得体积变大,但此举会导致电解槽的稳定性和安全性得不到保证。随着氢能产业的发展和氢在医疗保健方面的应用,pem电解装置电解制高纯度氢气逐渐在储能、生产、氢医疗保健等方面得到广泛应用,用户对氢气的用量方面,需求越来越大,小截面积的电解槽根本不能满足要求;而大截面积的电解槽由于加工平整度难以保证一致,容易导致密闭不严,造成渗漏,工作效率很难提高。


技术实现要素:

4.为了提高电解槽的制氢效率,本技术提供一种板框式可叠加的水电解制氢pem电解装置。
5.本技术提供的名称采用如下的技术方案:一种板框式可叠加的水电解制氢pem电解装置,其特征在于:包括多组相互独立的电解槽、设在相邻电解槽之间的双极板和固定装置,多个所述电解槽和所述双极板交错排列,形成电解槽串;所述电解槽包括两个具有绝缘属性的板框和单个膜电极,所述板框与所述膜电极平行,所述板框紧密贴合在所述膜电极的两相对面;所述膜电极两侧的板框上开设有通槽,以膜电极为界形成阳极室和阴极室,所述通槽内设有与所述膜电极和双极板电性连接的电极材料,所述电极材料用于导电和产生电解反应;所述板框、双极板和膜电极上均对应开设有氧气孔、进水孔和氢气孔,以在电解槽串中各自形成氧气通道、进水通道和氢气通道,所述氧气通道和进水通道与所述阳极室连通;所述氢气通道与所述阴极室连通;所述固定装置用于抵紧并固定多个交错排列的所述电解槽和双极板。
6.可选的,所述板框朝向膜电极的一侧设有呈环状结构的密封件,所述密封件在板框上的投影所围成的区域包含所述通槽所在的区域。
7.可选的,所述板框、双极板上均开设有至少两个固定孔;所述固定装置包括开设有至少两个固定孔的端板、穿设在所有固定孔内的螺杆和螺纹连接在螺杆上的螺帽,所述端
板抵接至板框上,所述端板上的固定孔与所述板框、双极板上的固定孔相对应。
8.可选的,所述螺杆的外表面和端板的外表面均设有绝缘漆。
9.可选的,所述板框上开设有第一流道或第二流道,所述第一流道用于使氧气通道和进水通道与所述阳极室连通;所述第二流道用于使氢气通道与所述阴极室连通。
10.可选的,所述第一流道和第二流道上设有承压板,部分所述密封件固设在承压板上。
11.可选的,所述板框和承压板上开设有卡槽,所述密封件卡设固定在卡槽内。
12.可选的,所述第一流道和第二流道内设有至少一个支撑柱。
13.可选的,所述端板上开设有与氧气通道正相对的氧气孔、与氢气通道正相对的氢气孔和与进水通道正相对的进水孔;所述氧气孔、氢气孔和进水孔上密封连接且可拆卸连接有密封塞。
14.可选的,所述端板与所述板框之间还夹设有带氧气孔、氢气孔和进水孔的接线板和绝缘板,所述绝缘板朝向端板一侧并与所述端板抵接,所述接线板朝向板框一侧且与所述板框抵接。
15.综上所述,本技术包括以下至少一种有益技术效果:电解槽采用超薄的板框结构,可使其体积极大地缩小,厚度变薄,通过双极板的连接作用,可使多个电解槽叠加串联;多个电解槽并联可使开设在板框以及双极板上的氧气孔、氢气孔以及进水孔形成公共通道,从而可实现水流的均匀注入,氢气从氢气通道集中排出,即多个电解槽可进行批量叠加后,在少量增加电解槽串体积的情况下可成倍扩大制氢的效率和制氢量,实现小体积大功率的电解制氢效果。
附图说明
16.图1是本技术实施例提供的一种分解结构图;图2是本技术实施例提供的一种阳极侧板框的结构示意图;图3是本技术实施例提供的一种单电解槽中板框相对侧面的展示图;图4是图3中a部分的放大结构示意图;图5是本技术实施例提供的一种电解装置端部的示意图。
17.附图标记:1、电解槽;11、板框;12、膜电极;13、阳极室、14、阴极室;15、电极材料;2、双极板;3、固定装置;31、端板;32、螺杆;33、螺帽;41、氧气孔;42、氢气孔;43、进水孔;44、密封塞;51、卡槽;52、密封件;61、绝缘板;62、接线板;71、第一流道;72、第二流道;73、承压板;74、支撑柱。
具体实施方式
18.以下结合附图对本技术中的技术方案作进一步详细说明。
19.本技术实施例公开一种板框式可叠加的水电解制氢pem电解装置。请参照图1,电解装置包括多组相互独立的电解槽1、夹设在电解槽1之间的双极板2以及对电解槽1和双极板2进行固定的固定装置3。
20.其中,电解槽1包括至少两个具有绝缘属性的板框11和与板框11平行的膜电极12,一个电解槽1内的板框11可以设有两个,也可以是多个小型的板框11拼接形成两个面积较
大的板框11,两个板框11互为轴对称结构,膜电极12夹设在两个板框11之间。板框11可以是塑料材质,例如:聚亚苯基砜树脂(ppsu)材质、聚乙烯(pe)材质等,在一些小型的电解装置中,板框11的厚度在2~5mm之间,具有良好的绝缘性的同时,还具有较轻的重量以及较高的结构强度和可塑性。
21.参照图2和图3,板框11的中间部分开设有通槽,即通槽贯穿板框11的两侧面,两个板框11分别贴合至膜电极12的两侧面上,即可形成一个独立的电解槽1,位于同一个膜电极12两侧的板框11的通槽分别形成阳极室13和阴极室14,在阳极室13和阴极室14内填充有电极材料15,电极材料15与膜电极12电性接触,用于通电并在注水后产生电解反应。双极板2夹设在相邻两个电解槽1之间,即多个电解槽1和双极板2交错叠加,形成电解槽串。
22.参照图2~图4,板框11、双极板2和膜电极12上均开设有进水孔43、氧气孔41和氢气孔42,进水孔43位于下方,氧气孔41和氢气孔42位于上方两侧。当板框11、双极板2和膜电极12堆叠在一块时,氧气孔41正相对并形成氧气通道,进水孔43正相对,并形成进水通道,氢气孔42正相对并形成氢气通道。电解槽1的其中一个板框11上还开设有第一流道71,用于使氧气通道和进水通道与板框11上的通槽连通,即氧气通道和进水通道均与阳极室13连通;另一板框11上开设有第二流道72,用于使氢气通道与该板框11上的通槽连通,即氢气通道与阴极室14连通。
23.膜电极12的面积大于板框11上的通槽面积,用于隔离阳极室13与阴极室14,同时用于接触电极材料15使电流通过,膜电极12可以是离子交换膜、石棉隔膜或金属隔膜中的一种,膜电极12具备一定的孔隙率,用于使离子通过,同时具备隔离水分子的作用。
24.阳极室13内的电极材料15可以是铂、铱、钌中的一种或多种的组合,也可以是包含上述一种或多种元素的其他合金,可对于氧析出反应具有较高的活性;阴极室14内的电极材料15可以是铂、钯中的一种或含有上述一种或多种元素合金的活性炭;双极板2为钛或钛合金材质,具有良好的结构强度和耐腐蚀度,同时具备良好的导电性且容易制作。
25.工作过程中,将电解槽串的阳极一端连接直流电源的正极,另一端连接直流电源的负极,如图1所示,电流依次经过阳极室13内的电极材料15、膜电极12阴极室14内的电极材料15、双极板2,并再次经过相邻电解槽1阳极室13内的电极材料15,最终至直流电源的负极;水通过进水孔43进入至进水管道,并通过各个板框11上的第一流道71进入至各个电解槽1的阳极室13内,水流接触阳极板后产生电解反应并析出氧气、氢离子和电子,氧气和多余的水流通过第一流道71进入至氧气通道并排出至电解槽串;电子通过外围电路传递到阴极,氢离子以水合的形式通过膜电极12到阴极室14内的电极材料15上,氢离子和电子重新结合形成氢气,氢气通过与阴极室14连通的第二流道72进入氢气通道,直至从电解槽串中排出。
26.参照图2和图3,为了提高阳极室13和阴极室14的密封性,减少产出的气体和水流的泄露,在板框11朝向膜电极12的一侧面开设有呈环状的卡槽51,卡槽51内卡设有同样呈环状的密封件52,密封件52可以是橡胶材质或氟橡胶材质,密封件52卡设在卡槽51内所围成的区域在板框11上的投影涵盖通槽所在的区域。
27.参照图4,在第一流道71和第二流道72内设有台阶槽,在台阶槽上搭设固定有承压板73,承压板73的材质与板框11的材质相同,其固设或搭设在台阶槽上时与板框11的外表面平齐,承压板73的外表面开设有卡槽51,并与板框11上的卡槽51首尾相接,这样密封件52
卡设在卡槽51内,可使密封件52的各个位置均匀承压,减少密封件52在第一流道71和第二流道72的位置承压不足导致的密封性变差。
28.为了能够使承压板73承受板框11与膜电极12之间较大的挤压力,在第一流道71和第二流道72内固设有等间距排列的至少一个支撑柱74,支撑柱74与承载板呈垂直状态。支撑柱74可以是矩形柱状结构,此时支撑柱74的长侧边与第一流道71或第二流道72的轴向平行;支撑柱74也可以是圆形柱状结构,此时支撑柱74的轴线正对承载板卡槽51位置的背部。支撑柱74的设置在提高承压板73的结构强度时,不影响水流或气体从支撑柱74之间的缝隙通过。
29.参照图1和图5,固定装置3包括若干个螺杆32、与螺杆32同数量的螺帽33和两个端板31。板框11、双极板2以及膜电极12上均开设有若干固定孔(图中未示出),并通过固定孔穿设在螺杆32上。两个端板31分别抵接在电解槽串的两端部,螺杆32将端板31和电解槽串贯穿连接,通过螺帽33螺纹连接在螺杆32上并抵接在端板31的外侧面,从而可将多个独立的电解槽1以及交错夹设在电解槽1之间双极板2进行固定。
30.其中,端板31可以是任意具有良好的结构强度的板材,例如木板、塑料板以及金属板等,作为优选,端板31为金属板,例如端板可以是碳钢、铁、铝或金属合金等,端板31和螺杆32的外表面均喷涂有绝缘漆,用于隔绝电解槽1内电极材料15和双极板2上的电流;螺帽33可以是普通六角螺母,也可以是蝶形螺母,以便于工作人员使用工具或徒手紧固螺帽33。进一步的,在端板31与邻近的板框11之间夹设有绝缘板61和接线板62,其中,绝缘板61朝向垫板并与端板31抵接,接线板62朝向板框11并与板框11以及该板框11内的电极材料15抵接,以进一步防止出现电流通过端板31发生漏电现象。
31.绝缘板61、接线板62以及端板31上开设有与氧气通道正相对的氧气孔41、与氢气通道正相对的氢气孔42、与进水通道连通的进水孔43以及用于穿设在螺杆32上的固定孔。
32.参照图5,在端板31上的氧气孔41、氢气孔42和进水孔43上可拆卸连接有密封塞44,在其中一个可实现的方式中,密封塞44为橡胶材质,其与氧气孔41、氢气孔42和进水孔43为过盈配合,实现对氧气孔41、氢气孔42和进水孔43的密封;在另一个可实现的方式中,密封塞44为橡胶、塑料、金属材质中的一种,密封塞44与氧气孔41、氢气孔42和进水孔43为螺纹连接,以实现对氧气孔41、氢气孔42和进水孔43的密封,用于在本装置的一端进行水流注入和气体收集,同时可在非工作状态下,减少各个通道内进入杂物造成堵塞的现象。
33.本技术实施例的实施原理为:在靠近电解槽1两端部的接线板62上分别连接直流电源的正极和负极,接线板62与邻近的板框11以及该板框11内的电极材料15抵接,电流从接线板62依次经过阳极室13内的电极材料15、膜电极12、阴极室14内的电极材料15、双极板2、邻近的电解槽1内阳极室13的电极材料15,直至到直流电源的负极。水流从进水通道注入,并进入阳极室13内,水流在阳极室13内于电极材料15与板框11之间的缝隙漫向上部,此时水流与阳极室13内的电极材料15接触,析出氢气、氢离子和电子,电子通过外围电路移动至各个电解槽1的阴极,氢离子以水合的形式通过膜电极12与阴极室14内的电极材料15接触,由于膜电极12隔离阳极室13和阴极室14的作用,可使氢离子与自由电子结合形成氢气从氢气通道排出,部分水流和氧气均从阳极室13进入氧气通道并从氧气通道排出。
34.本具体实施方式的实施例均为本技术的较佳实施例,并非依此限制本技术的保护范围,故:凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化,均应涵盖于本技术的保护范围之内。
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