專利名稱：壓濾式水電解槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬水電解制氣裝置，特別涉及一種水電解制氫行業(yè)使用的壓濾式水 電解槽。
技術(shù)背景在水電解制氫行業(yè)中，廣泛使用的水電解制氫裝置一般都是由穿孔板制造 的主電極，陰、陽極室分隔板做輔助電極，電極的支撐結(jié)構(gòu)為模具沖壓成型的 凹凸盤。這種結(jié)構(gòu)有如下不足之處1、 穿孔板電極為剛性的平板電極，實(shí)際的加工和組裝過程不易保證較小 的平面度和陰、陽極的良好的平行度，造成陰、陽極有間隙，導(dǎo)致極距不均句， 因此也就不能保證電流的均匈性，在一定程度上限制了電流密度的提升。2、 穿孔板電極不具備理想的氣體擴(kuò)散通道和液體流通通遒，因此不利于 氣體的擴(kuò)散和液體的流通，造成電解液充氣度增加，不利于電解反應(yīng)的進(jìn)行。3、 凹凸盤電極支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要成型精度很高的模具和大噸位的壓力 機(jī)才能完成，制造難度大，生產(chǎn)成本較高。4、 由于凹凸盤電極支撐的數(shù)量有限，導(dǎo)致與穿孔板電極的接觸面積有限, 限制了電流密度進(jìn)一步提髙。 一般電流密度為1500 ~ 2200A/m2。5、 凹凸盤電極支撐結(jié)構(gòu)要求陰、陽極應(yīng)具有一定的剛度和強(qiáng)度，否則陰、 陽極側(cè)的壓差會(huì)造成電極的永久變形，導(dǎo)致設(shè)備不能正常運(yùn)行。6、穿孔板電極和凹凸盤電極支撐結(jié)構(gòu)是硬性的剛性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致陰陽極與 隔膜具有一定^I間隙。 一般為2~3鵬。這無疑又增加了電解過程中電解液的 電壓降，增加了能粍。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服上述水電解制氫裝置的不足，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、制 造維修方便、氫氣純度高、體積小、重量輕、適于高電流密度條件下運(yùn)行的壓 濾式水電解槽。本發(fā)明的任務(wù)在于， 一種壓濾式水電解槽，包括陽極半槽體、陰極半槽體、 位于二者之間的至少有一個(gè)雙極性單元槽體、以及位于三者之間的絕緣密封墊 片，陽極半槽體、雙極性單元槽體的陽極室內(nèi)安裝柔性的金厲或由金厲絲織造 的網(wǎng)狀的主陽極、網(wǎng)狀的輔助陽極和具有透氣通液網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)和彈性擴(kuò)張性能的 陽極支撐組件，陰極半槽體、雙極性單元槽體的陰極室內(nèi)安裝柔性的金屬或由 金屬絲織造的網(wǎng)狀的主陰極、網(wǎng)狀的輔助陰極和具有透氣通液網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)和彈性 擴(kuò)張性能的陰極支撐組件，主陽極和主陰極之間安裝隔膜。端設(shè)有電解液出口公用管道，陰極半槽體和雙極性單元槽體上設(shè)有氫氣公用管 道，陽極室通過電解液分支管遒與電解液進(jìn)口公用管道、電解液出口公用管道 連通，陰極室通過氬氣分支管道與氪氣公用管道連通。 所述的主陽極和主陰極與隔膜以膜極距安裝。所述的主陽極為帶有活性涂層或鍍層或不帶活性涂層或鍍層的內(nèi)部具有 大董相通的三'維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的柔性泡沬狀鎳或海綿狀鎳或由鐮絲或鎳合金 絲織造的金屬網(wǎng)。主陰極為帶有活性涂層或鍍層或不帶活性涂層或鍍層的內(nèi)部 具有大量相通的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的柔性泡沫狀鎳或海綿狀鎳或由鎳絲或鎳 合金絲或不銹鋼絲織造的金屬網(wǎng)。所述的輔助陽極是由鎳絲或鎳合金絲織造的金屬網(wǎng)，輔助陰極是由鎳絲或 鎳合金絲或不銹鋼絲織造的金屬網(wǎng)。所述的陽極支撐組件、陰極支撐組件為一張或多張疊加在一起的具有一定 的基材厚度的鎳板或不銹鋼板拉制成的具有一定長節(jié)距和短節(jié)距及絲梗寬度 的鋼板網(wǎng)。所述的隔膜為微孔膜或離子膜。本發(fā)明的壓濾式水電解槽具有如下特點(diǎn)1、由于陰極室內(nèi)沒有電解液循環(huán)，可使電解系統(tǒng)無需配套氫氣的分離設(shè) 備，因此既簡化了電解工藝流程、降低了成本又提髙了氣體的純度，還減小了 漏電流，提高了電流效率。(1) 、陰極室沒有電解液的通道，陽極室的電解液通過隔膜滲透到陰極， 在隔膜與電極之間進(jìn)行電解，產(chǎn)生的氫氣直接通過氫氣分支管道進(jìn)入氬氣公用 管道后排出，由于氣體中不含電解液，因此氣體排出后不需要進(jìn)行氣液分離設(shè) 備，既簡化了流程，降低了設(shè)備投資，又減小了整體設(shè)備的體積。(2) 、在電解槽工作過程中，公用管道電解發(fā)生在陰極半槽體、陽極半槽 體以及各個(gè)雙極性單元槽體的電解液進(jìn)、出口公用管道之間，是影響氣體純度 的一個(gè)因素，與陰極室連通的電解液進(jìn)、出口公用管道的電解會(huì)使氧氣進(jìn)入氬 氣管路，使氫中含氧。與陽極室連通的電解液進(jìn)出口公用管道電解會(huì)使氬氣進(jìn)
入氧氣管路，使氧中含氫。另外電解液進(jìn)出口公用管道電解會(huì)消耗一部分電解 電流，使電流效率下降。本壓濾式水電解槽由于陰極室沒有設(shè)置電解液的進(jìn)出 口公用管道，氬氣中不含電解液，因此既避免公用管道電解給氣氣純度帶來的影響又提髙了電流效率。氣體純度為99.99 %- 99.999%，電流效率大于99%。2、 采用泡沬狀或海綿狀鎳電極具有如下優(yōu)點(diǎn)(1) 由于泡沬狀鎳或海綿狀鎳電極是柔性體，在外力的作用下，具有隨 外力變形的特性，因此泡沬狀鎳或海綿狀鎳電極受輔助電極和隔膜兩個(gè)相反方 向的擠壓力作用下達(dá)到很好的仿形效果，使泡沫狀鎳或海綿狀鎳電極上的每一 個(gè)質(zhì)點(diǎn)都能與隔膜和輔助電極形成良好的接觸，克服了平板電極由于平面度和 平行度誤差造成的極距不均勻。(2) 由于泡沬狀鎳或海綿狀鎳電極表面和內(nèi)部具有大小不一、縱橫交錯(cuò) 大量相通的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔隙，孔隙率達(dá)到96%以上， 一些細(xì)小的孔 隙有利于氣體擴(kuò)散和溢出，粗大的孔隙有利于電解液的流通。這種結(jié)構(gòu)有效地 降低電解液的充氣度，減小電解液電壓降。(3) 泡沫狀鎳或海綿狀鎳電極具有較大的比表面積，使電解過程中放電 面積增加，有利于降低電解過電壓，使電極承受較大的電流密度。在相同條件 下(電流密度、電解液濃度、工作溫度、工作壓力等)采用泡沫狀鎳或海綿狀 鎳電極比采用穿孔板電極電壓降低0.2v。因此可大幅度提高電流密度，電流 密度可達(dá)2600 4000A/m'。3、 采用具有透氣通液網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)和彈性擴(kuò)張性能的陰、陽極支襻組件作為
電極的支撐結(jié)構(gòu)，具有如下優(yōu)點(diǎn)U)陰、陽極支撐組件上的每一個(gè)絲梗都能與電極和槽體相接觸，比凹 凸盤狀的電極支槺結(jié)構(gòu)與電極和槽體的接觸點(diǎn)增加了幾百倍，等于增加了電極 與槽體的接觸面積，有利于電流均勻分布，避免造成電解槽內(nèi)局部電流過髙現(xiàn) 象的發(fā)生。(2) 陰、陽極支撐組件上分布的縱橫交錯(cuò)的絲梗和網(wǎng)孔能使電解液的流 向發(fā)生改變，使電解室的整個(gè)電解區(qū)域內(nèi)時(shí)刻都能補(bǔ)充新鮮的電解液，既有力 于電解液的均勻分布，又使電解液在電解室的工作平面內(nèi)產(chǎn)生湍流現(xiàn)象，有利 于電解槽各個(gè)部位的電解液濃度均勻，同樣避免由于電解液濃度的不一致造成 的局部電流密度過高的現(xiàn)象，防止擊穿電極現(xiàn)象的發(fā)生。(3) 陰、陽極支撐組件的每一個(gè)絲梗都與電極和槽體之間形成一定的夾 角，在不同外壓力作用下夾角可以在原始狀態(tài)和最小狀態(tài)下變化，使這種支撐 結(jié)構(gòu)具有與外力方向相反的彈性擴(kuò)張力。由于彈性擴(kuò)張力的存在可使陰、陽極 與隔膜緊密貼合，保證電解槽的長期穩(wěn)定運(yùn)行。4、 柔性的泡沬狀鎳或海綿狀鎳電極可使電解槽中隔膜得到有效的保護(hù)， 因此可釆用厚度很薄的無污染的微孔隔膜或離子膜作為電解隔膜材料，有利于 降低隔膜生產(chǎn)對環(huán)境的危害。5、 由于采用柔性的泡沬狀鎳或海綿狀鎳的主電極和網(wǎng)狀的輔助電極配合具有透氣通液網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)和彈性擴(kuò)張性能的電極支撐組件可以大范圍的縮小陰、 陽極室的厚度，從而使雙極性單元槽體的厚度減小，大幅度縮小整個(gè)壓濾式水 電解槽的體積和重量，特別適用于要求體積小，重量輕，可移動(dòng)性的場合，如
氣象行業(yè)的氫氣發(fā)生器，燃料電池行業(yè)的氫氣源，科研院所和學(xué)校試驗(yàn)用的氫氣源，也可用于特殊行業(yè)作為移動(dòng)性的氧氣源等。
以下結(jié)合附圖以實(shí)施例具體說明本發(fā)明。

圖1示壓濾式水電解槽主剖視圖。圖2示圖1的I部放大視圖。圖3示雙極性單元槽體主視圖。圖4示圖3的A-A剖視圖。圖5示圖3的B-B剖視圖。圖6示陰、陽極支撐組件局部結(jié)構(gòu)視圖。圖7示電解液、氧氣在陽極室及管道內(nèi)循環(huán)圖。圖8示氫氣在陰極室及管道內(nèi)循環(huán)圖。圖中，1-陽極半槽體；2-陰極半槽體；3-雙極性單元槽體；4-墊 片；5-隔膜；6-陽極室；7 -主陽極；8 -輔助陽極；9 -陽極支撐組件；9-1-長節(jié)距；9-2-短節(jié)距；9-3-絲梗寬度；10 -陰極室；11 -主陰極;12 -輔助 陰極;13-陰極支撐組件；14 -電解液進(jìn)口公用管道；15 -電解液出口公用管道; 16-氫氣公用管遒；17-電解液分支管道；18-氬氣分支管道。19-氧氣；20 -電解液；21-氫氣具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式及其效果作進(jìn)一步的描述。 參照附圖l、 2壓濾式水電解槽包括陽極半槽體1、陰極半槽體2、位于二
者之間的至少有一個(gè)雙極性單元槽體3、以及位于三者之間的絕緣密封墊片4、 隔膜5，陽極半槽體l、雙極性單元槽體3的陽極室6內(nèi)安裝柔性的金屬或由 金屬絲織造的網(wǎng)狀的主陽極7、網(wǎng)狀輔助陽極8和具有透氣通液網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)和彈 性擴(kuò)張性能的陽極支撐組件9，陰極半槽體2、雙極性單元槽體3的陰極室10 內(nèi)安裝柔性的金厲或由金厲絲織造的網(wǎng)狀的主陰極11、網(wǎng)狀輔助陰極12和具 有透氣通液網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)和彈性擴(kuò)張性能的陰極支撐組件13，主陽極7和主陰極 11之間安裝隔膜5。參照附圖'3、 4、 5陽極半槽體l和雙極性單元槽體3的下蠊設(shè)有電解液進(jìn) 口公用管道14，上端設(shè)有電解液出口公用管道15，陰極半槽體2和雙極性單 元槽體3上設(shè)有氫氣公用管道16。陽極室6通過電解液分支管遒17與電解液 進(jìn)口公用管道14、電解液出口公用管道15連通，陰極室10通過氫氣分支管 道18與氫氣公用管道16連通。參照附圖l、 2為了降低電解時(shí)的槽電壓，減小電解液電壓降，同時(shí)增強(qiáng) 隔膜受壓能力；本發(fā)明的電解槽主陽極7、主陰極11與隔膜5以膜極距安裝。為了降低析氧和析氫過電位，提髙電流密度，主陽極7釆用具有較大比表 面積的帶有活性涂層或鍍層或不帶活性涂層或鍍層的內(nèi)部具有大i相通的三 維立體網(wǎng)狀結(jié)抅的柔性泡沬狀鎳或海綿狀鎳或由鎳絲或鎳合金絲織造的i厲 網(wǎng)。主陰極11也采用帶有活性涂層或鍍層或不帶活性涂層或鍍層的內(nèi)部具有 大量相通的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的柔性泡沬狀鎳或海綿狀鎳或由鎳絲或鎳合金 絲或不銹鋼絲織造的金厲網(wǎng)。為了提髙由泡沬狀鎳制成的主陽極7和主陰極11的抗壓能力，在主陽極7和主陰極11背側(cè)增加了網(wǎng)狀的輔助陽極8和網(wǎng)狀的輔助陰極12。輔助陽極 8是由鎳絲或鎳合金絲織造的金屬網(wǎng)，輔助陰極12是由鎳絲或鎳合金絲或不 銹鋼絲織造的金屬網(wǎng)。參照附圖6為了形成電解時(shí)必要的電解液和氣體通道，增加電流導(dǎo)通的接 觸點(diǎn)，陽極支撐組件9、陰極支撐組件13為一張或多張疊加在一起的具有一 定的基材厚度的鎳板或不銹鋼板拉制成的具有一定長節(jié)距9 - 1和短節(jié)距9 - 2 及絲梗寬度9-3的鋼板網(wǎng)。這種結(jié)構(gòu)不僅降低了制造電極支撐件的復(fù)雜程度 和制造難度，而且便于更換組件。為了滿足不同行業(yè)的需要，壓濾式水電解槽隔膜5釆用微孔膜或離子膜。 參照附圖l、 2、 3、 4、 5、 7、 8本發(fā)明的壓濾水電解槽在工作時(shí)，電解液 20由下端的電解液進(jìn)口公用管道14流經(jīng)下端的電解液分支管道17進(jìn)入陽極 室6內(nèi)，透過具有透氣通液結(jié)構(gòu)的陽極支撐組件9縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)孔后，產(chǎn)生湍 流現(xiàn)象，這種流體狀態(tài)使得電解液20均勻分布到輔助陽極8實(shí)現(xiàn)二次分布， 經(jīng)過二次分布濃度更加均勻的電解液20迅速分布到主陽極7表面和內(nèi)部大小 不一、縱橫交錯(cuò)的孔隙內(nèi)到達(dá)隔膜5后滲透到主陰極11的表面上，在隔膜5 和主陽極7之間電解產(chǎn)生的氧氣19和未電解的電解液20經(jīng)上述相反的路徑返 回到陽極支撐組件9后經(jīng)上端的電解液分支管道17進(jìn)入電解液出口公用管道 15后再進(jìn)入氣液分離系統(tǒng)進(jìn)行分離。由于陰極室IO沒有電解液循環(huán)的管道， 因此陰極室10靠隔膜5滲透過來的電解液20進(jìn)行電解，在陰極室10內(nèi)產(chǎn)生 的氫氣21經(jīng)氫氣分支管道18進(jìn)入氫氣公用管道16后輸出進(jìn)入脫水和凈化系 統(tǒng)。
當(dāng)陽極室6生成的氧氣19或陰極室10生成的氫氣21壓力產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)， 隔膜5在波動(dòng)的壓力作用下，作用于主陰極ll、輔助陰極12、陰極支撐組件 13或主陽極7、輔助陽極8、陽極支撐組件9，由于陽極支撐組件9和陰極支 撐組件13具有彈性擴(kuò)張性能，使得受壓一側(cè)的陽極支撐組件9或陰極支撐組 件13產(chǎn)生收縮，施壓一側(cè)的陰極支撐組件13或陽極支撐組件9產(chǎn)生擴(kuò)張， 正是由于陽極支撐組件9和陰極支撐組件13具有的彈性擴(kuò)張的特性使隔膜5 與主陽極7和主陰極11在工作狀態(tài)下始終保持膜極距。本發(fā)明提供的壓濾式水電解槽，當(dāng)電流密度為2600 4000A/m2時(shí)，單元 槽間的電壓為L9 2.2v，電流效率為99%以上，直流電耗為4.5-5.0 KW.h/Nm3H2，氬氣純度為99. 99 ~ 99. 999 % 。
權(quán)利要求
1.一種壓濾式水電解槽，包括陽極半槽體(1)、陰極半槽體(2)、位于二者之間的至少有一個(gè)雙極性單元槽體(3)、以及位于三者之間的絕緣密封墊片(4)，其特征在于陽極半槽體(1)、雙極性單元槽體(3)的陽極室(6)內(nèi)安裝柔性的金屬或由金屬絲織造的網(wǎng)狀的主陽極(7)、網(wǎng)狀的輔助陽極(8)和具有透氣通液網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)和彈性擴(kuò)張性能的陽極支撐組件(9)，陰極半槽體(2)、雙極性單元槽體(3)的陰極室(10)內(nèi)安裝柔性的金屬或由金屬絲織造的網(wǎng)狀的主陰極(11)、網(wǎng)狀的輔助陰極(12)和具有透氣通液網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)和彈性擴(kuò)張性能的陰極支撐組件(13)，主陽極(7)和主陰極(11)之間安裝隔膜(5)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓濾式水電解槽，其特征在于陽極半槽體 (1)和雙極性單元槽體(3)的下端設(shè)有電解液進(jìn)口公用管道(14)，上端設(shè)有電解液出口公用管道(15)，陰極半槽體(2)和雙極性單元槽體(3)上設(shè) 有氫氣公用管道(16 )，陽極室(6 )通過電解液分支管道(17 )與電解液進(jìn)口 公用管道U4)、電解液出口公用管道(15)連通，陰極室(10)通過氬氣分 支管道(18)與氫氣公用管道(16)連通。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種壓濾式水電解槽，其特征在于主陽極(.7) 和主陰極(11)與隔膜(5)以膜極距安裝。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種壓濾式水電解槽，其特征在于主陽極O) 為帶有活性涂層或鍍層或不帶活性涂層或鍍層的內(nèi)部具有大量相通的三維立 體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的柔性泡沬狀鎳或海綿狀鎳或由鎳絲或鎳合金絲織造的金厲網(wǎng)，主 陰極(11 )為帶有活性涂層或鍍層或不帶活性涂層或鍍層的內(nèi)部具有大量相通 的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的柔性泡沬狀鎳或海綿狀鎳或由鎳絲或鎳合金絲或不銹鋼絲織造的金屬網(wǎng)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓濾式水電解槽，其特征在于輔助陽極(8 ) 是由鎳絲或鎳合金絲織造的金屬網(wǎng)，輔助陰極(12 )是由鎳絲或鎳合金絲或不 銹鋼絲織造的金屬網(wǎng)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種壓濾式水電解槽，其特征在于陽極支撐組 件(9)、陰極支撐組件(13)為一張或多張疊加在一起的具有一定的基材厚度 的鎳板或不銹鋼板拉制成的具有一定長節(jié)距和短節(jié)距及絲梗寬度的鋼板網(wǎng)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種壓濾式水電解槽，其特征在于隔膜(5)為 微孔膜或離子膜。
全文摘要
本發(fā)明屬水電解制氫裝置，特別涉及一種水電解制氫行業(yè)使用的壓濾式水電解槽，陽極半槽體1、雙極性單元槽體3的陽極室6內(nèi)安裝柔性的金屬或由金屬絲織造的網(wǎng)狀的主陽極7、網(wǎng)狀的輔助陽極8和具有透氣通液網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)和彈性擴(kuò)張性能的陽極支撐組件9，陰極半槽體2、雙極性單元槽體3的陰極室10內(nèi)安裝柔性的金屬或由金屬絲織造的網(wǎng)狀的主陰極11、網(wǎng)狀的輔助陰極12和具有透氣通液網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)和彈性擴(kuò)張性能的陰極支撐組件13，主陽極7和主陰極11以膜極距安裝，結(jié)構(gòu)簡單、制造維修方便、氫氣純度高、體積小、重量輕，單元槽間的電壓為1.9～2.2v，電流效率為99％以上，直流電耗為4.5～5.0KW·h/Nm³H₂，氫氣純度為99.99～99.999％。
文檔編號(hào)C25B9/20GK101126162SQ200610047479
公開日2008年2月20日 申請日期2006年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月14日
發(fā)明者李士宏 申請人:李士宏