CN113684492A - 一种板框式可叠加的水电解制氢pem电解装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种板框式可叠加的水电解制氢PEM电解装置，其包括多个电解槽、设在相邻电解槽之间的双极板和固定装置；电解槽包括两个具有绝缘属性的板框和单个膜电极，板框紧密贴合在膜电极的两面；板框上开设有通槽，形成阳极室和阴极室，通槽内设有与膜电极和双极板电性连接的电极材料；多个电解槽和双极板交错排列，形成电解槽串；板框、双极板和膜电极上均开设有正相对的氧气孔、正相对的进水孔以及正相对的氢气孔，以在电解槽串中分别形成氧气通道、进水通道和氢气通道，氧气通道和进水通道均与阳极室连通；氢气通道与阴极室连通；固定装置用于抵紧并固定多个电解槽和双极板。本申请具有在增加少量体积的情况下极大提高制氢效率的效果。

Description

一种板框式可叠加的水电解制氢PEM电解装置

技术领域

本申请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

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。

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。

发明内容

为了提高电解槽的制氢效率，本申请提供一种板框式可叠加的水电解制氢PEM电解装置。

本申请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。

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。

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。

可选的，所述螺杆的外表面和端板的外表面均设有绝缘漆。

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。

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。

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。

可选的，所述第一流道和第二流道内设有至少一个支撑柱。

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。

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。

综上所述，本申请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

图1是本申请实施例提供的一种分解结构图；

图2是本申请实施例提供的一种阳极侧板框的结构示意图；

图3是本申请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是本申请实施例提供的一种电解装置端部的示意图。

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

以下结合附图对本申请中的技术方案作进一步详细说明。

本申请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。

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。

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。

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。

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。

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。

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***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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本申请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***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。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一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（1）、设在相邻电解槽（1）之间的双极板（2）和固定装置（3）；多个所述电解槽（1）和所述双极板（2）交错排列，形成电解槽串；

所述电解槽（1）包括两个具有绝缘属性的板框（11）和单个膜电极（12），所述板框（11）与所述膜电极（12）平行，所述板框（11）紧密贴合在所述膜电极（12）的两相对面；所述膜电极（12）两侧的板框（11）上开设有通槽，以膜电极（12）为界形成阳极室（13）和阴极室（14），所述通槽内设有与所述膜电极（12）和双极板（2）电性连接的电极材料（15），所述电极材料（15）用于导电和产生电解反应；

所述板框（11）、双极板（2）和膜电极（12）上均对应开设有氧气孔（41）、进水孔（43）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（13）连通；所述氢气通道与所述阴极室（14）连通；

所述固定装置（3）用于抵紧并固定多个交错排列的所述电解槽（1）和双极板（2）。

2.根据权利要求1所述的一种板框式可叠加的水电解制氢PEM电解装置，其特征在于：所述板框（11）朝向膜电极（12）的一侧设有呈环状结构的密封件（52），所述密封件（52）在板框（11）上的投影所围成的区域包含所述通槽所在的区域。

3.根据权利要求1所述的一种板框式可叠加的水电解制氢PEM电解装置，其特征在于：所述板框（11）、双极板（2）上均开设有至少两个固定孔；所述固定装置（3）包括开设有至少两个固定孔的端板（31）、穿设在所有固定孔内的螺杆（32）和螺纹连接在螺杆（32）上的螺帽（33），所述端板（31）抵接至板框（11）上，所述端板（31）上的固定孔与所述板框（11）、双极板（2）上的固定孔相对应。

4.根据权利要求3所述的一种板框式可叠加的水电解制氢PEM电解装置，其特征在于：所述螺杆（32）的外表面和端板（31）的外表面均设有绝缘漆。

5.根据权利要求1或2所述的一种板框式可叠加的水电解制氢PEM电解装置，其特征在于：所述板框（11）上开设有第一流道（71）或第二流道（72），所述第一流道（71）用于使氧气通道和进水通道与所述阳极室（13）连通；所述第二流道（72）用于使氢气通道与所述阴极室（14）连通。

6.根据权利要求5所述的一种板框式可叠加的水电解制氢PEM电解装置，其特征在于：所述第一流道（71）和第二流道（72）上设有承压板（73），部分所述密封件（52）固设在承压板（73）上。

7.根据权利要求6所述的一种板框式可叠加的水电解制氢PEM电解装置，其特征在于：所述板框（11）和承压板（73）上开设有卡槽（51），所述密封件（52）卡设固定在卡槽（51）内。

8.根据权利要求6所述的一种板框式可叠加的水电解制氢PEM电解装置，其特征在于：所述第一流道（71）和第二流道（72）内设有至少一个支撑柱（74）。

9.根据权利要求6所述的一种板框式可叠加的水电解制氢PEM电解装置，其特征在于：所述端板（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）和与进水通道正相对的进水孔（43）；所述氧气孔（41）、氢气孔（42）和进水孔（43）上密封连接且可拆卸连接有密封塞（44）。

10.根据权利要求9所述的一种板框式可叠加的水电解制氢PEM电解装置，其特征在于：所述端板（31）与所述板框（11）之间还夹设有带氧气孔（41）、氢气孔（42）和进水孔（43）的接线板（62）和绝缘板（61），所述绝缘板（61）朝向端板（31）一侧并与所述端板（31）抵接，所述接线板（62）朝向板框（11）一侧且与所述板框（11）抵接。

Images