电解水制氢电解槽极框及电解槽

199 编辑：中冶有色技术网来源：嘉庚创新实验室

2024-03-15 15:22:14

权利要求书： 1.一种电解水制氢电解槽极框，其特征在于，包括极框底部的碱液入口和顶部的均匀且对称分布的气液出口，所述气液出口包括用于排出氢气和碱液的阴极气液出口以及用于排出氧气和碱液的阳极气液出口，所述阴极气液出口和所述阳极气液出口在所述极框顶部交替相间。

2.如权利要求1所述的极框，其特征在于，所述气液出口包括气液出口流道孔和气液出口流道。

3.如权利要求1或2所述的极框，其特征在于，所述阳极气液出口和所述阴极气液出口分别连通所述极框的正面和背面。

4.如权利要求3所述的极框，其特征在于，所述阳极气液出口包括贯通所述极框正面和背面的阳极气液出口流道孔，并在所述极框的正面开设有阳极气液出口流道，所述阳极气液出口流道孔通过所述阳极气液出口流道与所述电解槽的阳极小室相连通。

5.如权利要求3所述的极框，其特征在于，所述阴极气液出口包括贯通所述极框正面和背面的阴极气液出口流道孔，并在所述极框的背面开设有阴极气液出口流道，所述阴极气液出口流道孔通过所述阴极气液出口流道与所述电解槽的阴极小室相连通。

6.如权利要求4或5所述的极框，其特征在于，所述阳极气液出口流道包括喇叭形的流道导流口，和/或所述阴极气液出口流道包括喇叭形的流道导流口。

7.如权利要求1或2所述的极框，其特征在于，所述碱液入口包括贯通所述极框正面和背面的碱液入口流道孔，并在所述极框的正面和背面均开设有碱液入口流道，所述碱液入口流道孔在所述极框的正面和背面分别通过所述碱液入口流道与所述电解槽的阳极小室和阴极小室连通。

8.如权利要求7所述的极框，其特征在于，所述碱液入口流道包括喇叭形的流道导流口。

9.一种电解槽，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的极框。

说明书：一种电解水制氢电解槽极框及电解槽技术领域[0001] 本实用新型涉及电化学领域，具体地说，涉及一种电解水制氢电解槽极框及使用该极框的电解槽。背景技术[0002] 氢能是一种新型的清洁能源，氢能利用过程最终仅产生水，不会产生污染物及二氧化碳排放。因此，目前在清洁能源大发展以及“碳达峰”、“碳中和”的历史大背景下，氢能技术的发展势在必行。目前，电解水制氢是最常用也是唯一大规模商业化运行的制氢方法。[0003] 电解水制氢的关键设备为电解槽，电解槽一般由端压板、集电板、多个电解小室和紧固件等组成，电解小室一般包括双极板、阳极极框、阳极密封垫、阳极扩散层、阳极、隔膜、阴极、阴极扩散层、阴极密封垫和阴极极框等部件。其中，极框位于双极板的外周，它们之间通过诸如焊接的方式进行连接，组成极框组件，多个极框组件经由密封垫等部位依次紧密排列，相邻极框组件之间的空腔成为电解小室，每两个极框组件之间用隔膜分隔，将电解小室分为阳极小室和阴极小室两个空间。极框是电解槽的核心组成部件，对制氢的效率有着重大影响。[0004] 通常，极框为圆环结构，沿极框的底部环状方向开有一组贯穿极框正面和背面的碱液入口流道孔，在极框的正面和背面，碱液入口流道孔在径向方向均开有分别与极框内部的双极板的正面和背面的流道入口相连通的碱液入口流道；沿极框的顶部环状方向开有两组贯穿极框正面和背面的气液出口流道孔，其中一组气液出口流道孔在径向方向开有与极框内部的双极板的正面的流道相连通的气液出口流道，另一组气液出口流道孔在径向方向开有与极框内部的双极板的背面的道相连通的气液出口流道。[0005] 如图1所示，在极框的底部分布着一组碱液入口流道孔1，而在极框的顶部分布着两组气液出口流道孔，在极框中心线的两边分开分布，图中左侧为作为极框正面阳极(或阴极)小室氧气(或氢气)和碱液出口的气液出口流道孔2，全部用来排出氧气(或氢气)和碱液，右侧为作为极框背面阴极(或阳极)小室氢气(或氧气)和碱液出口的气液出口流道孔3，全部用来排出氢气(或氧气)和碱液。在极框的正面，碱液从碱液入口流道孔1进入极框内部的双极板正面流道，经反应生成氧气(或氢气)后从气液出口流道孔2排出，而在极框的背面，碱液从碱液入口流道孔1进入极框内部的双极板背面流道，经反应生成氢气(或氧气)后从气液出口流道孔3排出。[0006] 然而，现有技术的上述极框气液出口流道孔分布不均匀，造成电解小室内流场分布较为混乱，电解小室中无论是阴极小室还是阳极小室的排气效率和气液分布不均匀，越靠近顶部，则以气体为主，而越靠近底部，气体越少，碱液越多，从而进一步造成气体容易在电解小室内的顶部造成堆积，电解效率明显降低。[0007] 因此，尚需要电解水制氢的极框的气液出口流道孔的结构进行改进，以改善电解小室的流体分布，提高电解效率。实用新型内容

[0008] 针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种电解水制氢电解槽极框及使用该极框的电解槽，该优化结构可以使电解小室的流场分布更加均匀，有利于提高电解小室内的电解效率，并且，通过该优化结构使气液出口的气液比例更加接近，有利于气液的顺利排同，减少压降产生。[0009] 根据本实用新型的一个方面，提供了一种电解水制氢电解槽极框，包括极框底部的碱液入口和顶部的均匀且对称分布的气液出口，所述气液出口包括用于排出氢气和碱液的阴极气液出口以及用于排出氧气和碱液的阳极气液出口，所述阴极气液出口和所述阳极气液出口在所述极框顶部交替相间。[0010] 根据本实用新型的一种实施方式，所述气液出口包括气液出口流道孔和气液出口流道。[0011] 根据本实用新型的一种实施方式，所述阳极气液出口和所述阴极气液出口分别连通所述极框的正面和背面。[0012] 根据本实用新型的一种实施方式，所述阳极气液出口包括贯通所述极框正面和背面的阳极气液出口流道孔，并在所述极框的正面开设有阳极气液出口流道，所述阳极气液出口流道孔通过所述阳极气液出口流道与所述电解槽的阳极小室相连通。[0013] 根据本实用新型的一种实施方式，所述阴极气液出口包括贯通所述极框正面和背面的阴极气液出口流道孔，并在所述极框的背面开设有阴极气液出口流道，所述阴极气液出口流道孔通过所述阴极气液出口流道与所述电解槽的阴极小室相连通。[0014] 根据本实用新型的一种实施方式，所述阳极气液出口流道包括喇叭形的流道导流口，和/或所述阴极气液出口流道包括喇叭形的流道导流口。[0015] 根据本实用新型的一种实施方式，所述碱液入口包括贯通所述极框正面和背面的碱液入口流道孔，并在所述极框的正面和背面均开设有碱液入口流道，所述碱液入口流道孔在所述极框的正面和背面分别通过所述碱液入口流道与所述电解槽的阳极小室和阴极小室连通。[0016] 根据本实用新型的一种实施方式，所述碱液入口流道包括喇叭形的流道导流口。[0017] 根据本实用新型的另一个方面，提供了一种电解槽，包括本实用新型所述的极框。[0018] 本实用新型具有如下技术效果：[0019] 1、本实用新型均匀且对称分布的气液出口，分别与极框正面的阳极小室和背面的阴极小室连通的阳极气液出口和阴极气液出口在极框顶部交替相间，使得极框正面的阳极小室和背面的阴极小室内的气、液流动均匀，流场基本一致，提高水电解效率；[0020] 2、本实用新型阴极气液出口和阳极气液出口包括喇叭形的流道导流口，使得气液更容易导入气液出口中，避免气液的堆积；[0021] 3、本实用新型的气液出口，分布角度尽量扩散，这样有利于使产生的气体顺利排出，减小压降的产生。附图说明[0022] 图1为现有技术的极框结构图，其中1为碱液入口流道孔，2为极框正面阳极小室(或阴极小室)的气液出口流道孔，3为极框背面阴极小室(或阳极小室)的气液出口流道孔，带箭头的实线为极框正面的气液流场曲线，带箭头的虚线为极框背面的气液流场曲线。[0023] 图2为本实用新型的极框结构图，其中右侧为左侧N位置的放大图，1’为由碱液入口流道孔和碱液入口流道构成的碱液入口，N为用于排出氧气(氢气)和碱液混合物的气液出口，2’为极框正面阳极小室氧气和碱液的阳极气液出口流道孔，3’为极框背面阴极小室氢气和碱液的阴极气液出口流道孔，4’为极框正面氧气和碱液的阳极气液出口流道(实线表示)，5’为极框背面氢气和碱液的阴极气液出口流道(虚线表示)，6’为喇叭形的流道导流口。[0024] 图3为本实用新型的极框正面和背面的流场示意图，其中，底部为碱液入口1’，与极框正面和背面的阳极小室和阴极小室均连通，顶部为用于排出氧气(氢气)和碱液混合物的气液出口N，由与极框正面阳极小室连通的阳极气液出口和与极框背面阴极小室连通的阴极气液出口交错相间构成，带箭头的实线为正面流场方向示意，背面流场方向与正面基本相同，因而在图中未示出。具体实施方式[0025] 下面通过附图和实施例对本实用新型进一步详细说明。通过这些说明，本实用新型的特点和优点将变得更为清楚明确。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不限制本实用新型。[0026] 在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。[0027] 此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。[0028] 本实用新型的目的在于改进现有电解水制氢电解槽极框设计的不足，提供一种更优化的极框设计，以改进电解小室(包括阳极小室和阴极小室)的流场分布问题，间接提高电解效率，并可提高气体和碱液的排放效率，减小压降的产生。[0029] 下面结合附图来描述本实用新型实施例的电解水制氢电解槽极框。[0030] 本实用新型的电解水制氢电解槽极框，包括极框底部的碱液入口和顶部的均匀且对称分布的气液出口，所述气液出口包括用于排出氢气和碱液的阴极气液出口以及用于排出氧气和碱液的阳极气液出口，所述阴极气液出口和所述阳极气液出口在所述极框顶部交替相间。[0031] 如图2所示，图示了一种基本上为环形的极框结构，在本实施例中具体采用圆环形。双极板通过诸如焊接的方式与该圆环形极框的内环连接，从而形成极框组件。可选地，极框也可以与双极板一体成型。在极框组件的一侧，例如极框正面侧，形成电解小室的阳极小室或阴极小室，而在极框组件的另一侧，例如极框背面侧，形成电解小室的阴极小室或阳极小室。在本实施例中，极框组件的正面为阳极小室，碱液进入阳极小室发生反应生成氧气，氧气和碱液的混合物通过阳极气液出口离开阳极小室；而在极框组件的背面则为阴极小室，碱液进行阴极小室发生反应生成氢气，氢气和碱液的混合物通过阴极气液出口离开阴极小室。[0032] 在本实施例中，圆环形极框的底部分布着碱液入口1’，而在顶部分布着用于排出氧气(氢气)和碱液混合物的气液出口N。[0033] 碱液入口1’在极框底部优选均匀且对称分布，包括碱液入口流道孔和碱液入口流道，碱液入口流道孔贯通所述极框正面和背面，而在所述极框的正面和背面均开设有碱液入口流道，所述碱液入口流道孔在极框的正面和背面分别通过所述碱液入口流道与电解槽的阳极小室和阴极小室连通。碱液从外部用泵打入电解槽极框的碱液入口流道孔中，经由极框正面和背面的碱液入口流道分别进入电解小室的阳极小室和阴极小室内。优选地，碱液入口1’的分布应当尽量扩散，碱液入口流道的出口使用喇叭形的流道导流口，这样会使得溶液分布均匀地进入阳极小室和阴极小室内，大大减小碱液从碱液入口1’进入阳极小室和阴极小室内的流场扰动。[0034] 气液出口N在极框顶部优选均匀且对称分布，包括用于排出氢气和碱液的阴极气液出口和用于排出氧气和碱液的阳极气液出口，所述阴极气液出口和阳极气液出口在极框顶部交替相间。在本实施例中，阳极气液出口包括阳极气液出口流道孔2’以及阳极气液出口流道4’，供极框正面阳极小室氧气和碱液的排出。同样，阴极气液出口包括阴极气液出口流道孔3’以及阴极气液出口流道5’，供极框背面阴极小室氢气和碱液的排出。阳极气液出口流道孔2’和阴极气液出口流道孔3’均贯通所述极框正面和背面，并且在极框顶部交替相间。在极框的正面，开设有连通阳极气液出口流道孔2’与阳极小室的阳极气液出口流道4’，用于供阳极小室的氧气和碱液混合物流出阳极小室。在极框的背面，开设有连通阴极气液出口流道孔3’与阴极小室的阴极气液出口流道5’，用于供阴极小室的氢气和碱液混合物流出阴极小室。优选地，气液出口N的分布角度也同样应当尽量扩散，这样有利于使反应产生的气体(氢气或氧气)顺利排出。由于阳极气液出口流道孔2’和阴极气液出口流道孔3’均匀、交替相间且对称分布，这样会使极框一面的流道孔比另一面多一个或N个。在本实施例中，与极框背面阴极小室连通的阴极气液出口流道孔3’较与极框正面阳极小室连通的阳极气液出口流道孔2’更多。根据电解水制氢的原理，极框背面阴极小室产生的氢气量是极框正面阳极小室氧气量的2倍，所以，孔数更多的阴极气液出口流道孔3’用于排出极框背面阴极小室产生的氢气和碱液混合物，孔数较小的阳极气液出口流道孔2’用于排出极框正面阳极小室产生的氧气和碱液混合物，使布局更科学。[0035] 优选地，如图2所示，极框正面的阳极气液出口流道4’包括喇叭形的流道导流口6’，同样，极框背面的阴极气液出口流道5’也包括喇叭形的流道导流口6’。通过喇叭形的流道导流口6’，使气体(氢气或氧气)和碱液的混合物更容易导入气液出口N，避免气液的堆积。

[0036] 通过本实用新型改进后的极框设计，在极框顶部采用均匀、交替相间且对称分布的阴极气液出口和阳极气液出口，可以使电解小室的流场分布更加均匀。如图3所示，碱液通过极框底部的碱液入口1’分别进入极框正面和背面的阳极小室和阴极小室，发生反应后分别产生氧气和氢气，分别通过位于极框顶部的气液出口N排出。由于极框顶部的气液出口N由均匀、交替相间且对称分布的阴极气液出口和阳极气液出口构成，这样就使得极框正面和背面的阳极小室和阴极小室内的气液流动均匀，流场基本一致，有利于提高电解水的效率，具有显著的创新性。[0037] 进一步，本实用新型还提供了一种电解槽，其包括本实用新型所述的极框。[0038] 在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于本实用新型工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。[0039] 以上结合了优选的实施方式对本实用新型进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本实用新型进行多种替换和改进，这些均落入本实用新型的保护范围内。