专利名称：双极板式电解反应器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及到一种电解反应器，尤其是一种用于硫化氢间接电解制取氢气的双极板式电解反应器，该电解反应器起到制氢和吸收液再生的双重作用，由特殊加工的石墨板及SPE电极交替组装而成，具有结构紧凑、电解效率较高、降低制氢能耗的特点。
背景技术：
采用间接电解法从硫化氢制取氢气和硫磺自70年代起即有相关研究，各种间接电解法的研究报道中具体工艺仍有一定差别，相应的电解反应器结构也不同。
欧洲专利EP0348875、日本专利JP04333585提出的硫化氢制取氢气的电化学过程中，它包括硫化氢被Fe3+溶液氧化吸收，生成硫及Fe2+溶液，电解Fe2+溶液，使其氧化为Fe3+溶液，吸收液得到再生，同时阴极生成氢气。在电解过程中，阳极的H+需要通过阳极本体溶液----离子交换膜----阴极区----阴极才能完成整个析氢过程，系统必须采用高浓度的酸作为支持电解质，以保证制氢可以在低电耗下进行，但这对装置存在强腐蚀作用。
日本专利JP04358088描述一种用于氢生产的催化电极，它是在碳纤维的骨架上化学镀铂金属作为电极，电解槽为滤压式电解槽，未采用SPE技术，不利于气体的分离。其中所述SPE技术，即SPE电极为固体聚合物电解质(SolidPolymer Electrolyte SPE)的缩写。
抚顺石油学院用间接电解法从硫化氢制取氢气和硫磺，他们提出了控制电解程度的一体式电解槽反应器，其阳极材料为石墨毡和钛基PbO2电极，而阴极选用H2过电位较低的不锈钢，用素烧陶瓷材料代替了离子交换膜，虽然可延长隔膜的使用寿命，应用中选用陶瓷桶，内充阴极液，通过导管使各陶瓷桶相联，并与电解槽外部阴极液储槽连接，有利于溶液的循环和更换。在较大的电解槽中，可以把多个陶瓷桶规则地置于大电解槽中，陶瓷桶外侧为阳极液，通过机械泵使其在电解槽中循环，以利于溶液的混合，加快传质速率。但是，上述反应器很难实现连续生产，同时具有阴阳极极间距较大，电阻及能耗较大的缺陷。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种双极板式电解反应器，尤其是这样一种电解反应器，其电解槽采用双极石墨电流收集板加SPE电极交替组装而成，即由阴极石墨电流收集板、SPE电极、阳极电流收集板交替构成电解槽，可以有效提高电解效率，实现连续电解反应，简化电解槽结构，有利于制氢电耗的降低，使得电解池组件的性能保持一致，达到制取氢气和吸收液再生的双重目的。
为此，本实用新型提供一种双极板式电解反应器，该反应器具有一电解槽，两端设有将所述电解槽连接为一整体反应器的固定端板，所述一端固定端板上设有电解液的进口，另一端固定端板上设有电解液出口，其中所述电解槽由双极石墨电流收集板、SPE电极交替排列构成，其中，所述每一双极石墨电流收集板的两侧面分别设有阴极液流道、阳极液流道，上述两固定端板上设置的电解液进、出口分别与该阴极液流道和阳极液流道对应导通。
如上所述双极板式电解反应器，其中所述双极石墨电流收集板的一侧面为阴极石墨电流收集板，另一侧面为阳极石墨电流收集板。
如上所述的双极板式电解反应器，其中所述双极石墨电流收集板的两侧面均设有横截面呈“V”字型的沟槽，构成石墨电流收集板表面呈交错排列的金字塔状沟道。
如上所述的双极板式电解反应器，其中所述SPE电极为由石墨布、全氟离子交换膜、镀铂石墨布三合一热压构成的电极。
如上所述的双极板式电解反应器，其中所述石墨布构成SPE电极的阳极，镀铂的石墨布构成SPE电极的阴极。
如上所述的双极板式电解反应器，其中所述双极石墨电流收集板的两侧面的阴极液流道和阳极液流道互相垂直设置，且所述阴/阳极液进/出口设置在金字塔状沟道外周侧的石墨电流收集板上。
如上所述的双极板式电解反应器，其中所述双极石墨电流收集板一侧表面的金字塔状沟道两端沿宽度方向设有第一导流沟槽，该第一导流沟槽的一端与阴/阳极液进/出口导通；所述双极石墨电流收集板另一侧表面的金字塔状沟道两端沿长度方向设有第二导流沟槽，该第二导流沟槽的一端与阳/阴极液进/出口导通。
如上所述的双极板式电解反应器，其中所述第一、二导流沟槽与阴/阳极液进/出口间分别设有第一、二连通槽，该连通槽设置在所述双极石墨电流收集板的中间层。
如上所述的双极板式电解反应器，其中所述双极石墨电流收集板为一体构成，该石墨电流收集板的三分之一厚度处嵌设置有连通槽，该第一连通槽的一端与阴/阳极液进/出口相导通，另一端与沿金字塔状沟道宽度方向设置的第一导流沟槽相导通；所述第二连通槽的一端与阳/阴极液进/出口相导通，另一端与沿金字塔状沟道长度方向设置的第二导流沟槽相导通。
如上所述的双极板式电解反应器，其中所述双极石墨电流收集板由三层板组合构成，上、下层板的外侧面分别设有金字塔状沟道，其中一层板的金字塔状沟道两端沿宽度方向设有第一导流沟槽，该第一导流沟槽的一端设有一通孔；另一层板的金字塔状沟道两端沿长度方向设有第二导流沟槽，该第二导流沟槽的一端设有一通孔；所述中间层板上设有第一、二连通槽，且该第一连通槽呈对角设置在中间层板的一表面，所述第二连通槽呈另一对角设置在中间层板一另一表面；该第一连通槽的第一端与阴/阳极液的进/出口相连通，其第二端与第一导流沟槽的通孔相连通；所述第二连通槽的第一端与阳/阴极液的进/出口相连通，其第二端与第二导流沟槽的通孔相连通。
本实用新型的优点及特点在于1、本实用新型提出的双极板式电解反应器，其电解槽是由特殊加工过的石墨板和石墨布、Nafion膜、镀铂石墨布三合一热压而成的SPE电极交替组装而成，电解过程是一个双股进料双股出料而且两股物料在电解槽中不能混合的流动过程，上述电解槽的结构保证了阳极液、阴极液在槽内各自沿其通道流动，而无串液现象，同时无需使用外接管路，整个电解槽结构紧凑，且实现了连续化生产，大大提高了生产效率。
2、本实用新型的双极板式石墨电极板易于加工，其两侧面设置的交错排列的金字塔状沟道强化了反应传质，保证传质过程较小的阻力，而且来自各个不同方向的流体微团都具有相同的停留时间，这样就避免了返混的发生。
3、本实用新型采用无孔石墨作为双极板材料，具有良好的导电性能，及耐腐蚀能力，由于其质地较脆，流场加工容易。
4、所述的双极板式电解反应器可用于硫化氢间接电解制取氢气，其采用了SPE电极技术，其中阳极为石墨布电极、阴极用载铂的石墨布作电极，中间的离子交换膜选用全氟离子交换膜，又称为Nafion膜，其阳极、阴极的一体化结构使得电解反应器结构简化，有利于电解池组件的性能保持一致。
5、本实用新型由于实现了电极与膜的零接触，SPE电极减小了电解池阳、阴极间距，从而降低了极间电阻降，同时阴极产生的氢气泡对阴极区电导率的影响也减小了，阻止了气体向阳极扩散，有利于气体的分离，也避免了气泡存在对阳极区电压降的影响。
6、本实用新型由于采用了SPE电极构成的双极板式电解反应器，其结构简单，电解质的性质稳定，电解槽的寿命长，性能可靠；同时SPE电极可在高电流密度下操作，可减少一次性投资。
图1为本实用新型的双极板式电解反应器的整体结构示意图；图2为本实用新型的双极石墨电流收集板的整体结构示意图；图3为双极石墨电流收集板表面的金字塔状沟道局部放大示意图；图4为电解槽内部结构示意图；图5为电解反应器的电解槽内部分解示意图，图中示出了阴极液、阳极液的流动方向。
具体实施方式
现对照附图详细说明本实用新型的双极板式电解反应器的具体实施例。
如图1所示，本实用新型提出的双极板式电解反应器1具有一电解槽2，该电解槽2的两端设有将所述电解槽连接为一整体反应器的固定端板11、12，所述一端固定端板12上设有电解液的进口121、122，另一端固定端板11上设有电解液出口(图中未示出)，其中，所述电解槽2由双极石墨电流收集板21、SPE电极22交替排列构成，参见图2、4，所述每一双极石墨电流收集板21的两侧面分别设有阴极液流道、阳极液流道，上述两固定端板12、11上设置的电解液进口121、122、出口分别与该阴极液流道和阳极液流道对应导通。所述SPE电极22为由石墨布、Nafion膜(全氟离子交换膜)、镀铂石墨布三合一热压构成，其中，所述石墨布构成SPE电极的阳极，镀铂的石墨布构成SPE电极的阴极。
如图2、3所示，所述双极石墨电流收集板21的两侧面均设有横截面呈“V”字型的沟槽，构成石墨电流收集板表面呈交错排列的金字塔状沟道210、211。该双极式石墨电流收集板的一侧面为阴极石墨电流收集板，另一侧面为阳极石墨电流收集板。
所述双极石墨电流收集板的两侧面的阴极液流道和阳极液流道互相垂直设置，如图5中箭头所示方向，在本实施例中，设定阳极液由电解液进口122进入电解槽2内，如图中箭头A所示，其沿阳极石墨电流收集板的金字塔状沟道210纵向流动，阴极液由电解液进口121进入电解槽2内，如图中箭头B所示，其沿所述阴极石墨电流收集板的金字塔状沟道211横向流动，且所述阴/阳极液进出口设置在金字塔状沟道外周侧的石墨电流收集板上。
参见附图4、5，所述双极石墨电流收集板21在本实施例中其一侧表面的金字塔状沟道210两端沿宽度方向设有第一导流沟槽2101，其中一第一导流沟槽2101的一端与阳极液进口导通，另一第一导流沟槽2101的一端与阳极液的出口导通；所述双极石墨电流收集板另一侧表面的金字塔状沟道211两端沿长度方向设有第二导流沟槽2111，其中一第二导流沟槽2111的一端与阴极液进口导通，另一第二导流沟槽2111的一端与阴极液的出口导通。
所述第一、二导流沟槽2101、2111与阴/阳极液进、出口间分别设有第一、二连通槽2102、2112，该连通槽设置在所述双极石墨电流收集板的中间层。
上述双极石墨电流收集板21可为一体构成，所述连通槽2102、2112嵌设于该石墨电流收集板的三分之一处，即在电流收集板21的上下两个面上设置阴、阳极液的进、出孔道，并在电流收集板21的中间一层四个角处切除三分之一的厚度，加工好“L”形第一、二连通槽2102、2112，且该第一、二连通槽2102、2112呈对角设置在电流收集板21的四角，所述第一、二连通槽2102、2112的开槽方向相反，即设定第一连通槽2102的槽口方向向上，则第二连通槽2112的槽口方向向下。其中一第一连通槽2102的一端与阳极液进口孔道相导通，另一端与沿金字塔状沟道宽度方向设置的一第一导流沟槽2101相导通，呈对角设置的另一第一连通槽2102的一端与另一第一导流沟槽2101相导通，另一端与阳极液出口孔道相导通；同理，所述其中一第二连通槽2112的一端与阴极液进口孔道相导通，另一端与沿金字塔状沟道长度方向设置的一第二导流沟槽2111相导通，呈对角设置的另一第二连通槽2112的一端与另一第二导流沟槽2111相导通，另一端与阴极液出口孔道相导通，最后用环氧树脂将所述双极石墨电流收集板21四角切除的三分之一厚度处粘合，使该收集板21的四周密封成一整体。
上述双极石墨电流收集板21亦可由三层板构成，如图5所示，其上、下层板的外侧面分别设有金字塔状沟道210、211，其中上层板的金字塔状沟道两端沿宽度方向设有第一导流沟槽2101，该第一导流沟槽的一端设有一通孔；下层板的金字塔状沟道两端沿长度方向设有第二导流沟槽2111，该第二导流沟槽的一端设有一通孔；所述中间层板上设有第一、二连通槽2102、2112，且该第一、二连通槽2102、2112呈对角设置在电流收集板21的四角，所述第一连通槽2102呈对角设置在中间层板的上表面，所述第二连通槽2112呈另一对角设置在中间层板的下表面。其中一第一连通槽2102的一端与阳极液进口孔道相导通，另一端与沿金字塔状沟道宽度方向设置的一第一导流沟槽2101相导通，呈对角设置的另一第一连通槽2102的一端与另一第一导流沟槽2101相导通，另一端与阳极液出口孔道相导通；同理，设置在中间层板下表面的其中一第二连通槽2112的一端与阴极液进口孔道相导通，另一端与沿金字塔状沟道长度方向设置的一第二导流沟槽2111相导通，呈对角设置的另一第二连通槽2112的一端与另一第二导流沟槽2111相导通，另一端与阴极液出口孔道相导通。所述双三层板构成的双极石墨电流收集板，可将各层板分别加工好上述各沟槽、连通槽、导流沟槽后再压合(或采用其它公知的结合方式)固定成一体，构成一各槽、孔对应相通的双极石墨电流收集板整体。
由于电解过程是一个双股进料双股出料而且两股物料在电解槽中不能混合的流动过程，通过采用上述结构的电解槽，保证了阳极液、阴极液在槽内各自沿其通道流动，而无串液现象，同时无需使用外接管路，整个电解槽结构紧凑。本实用新型的双极板其上板面金字塔状沟道中流动的是阳极液，虽然任何一点的流体混合都十分剧烈，保证传质过程较小的阻力，而且来自各个不同方向的流体微团都具有相同的停留时间，这样就避免了返混的发生。同样，阴极液在下层板的下板面(金字塔状沟道)流动。
本实用新型采用的SPE电极具有高的H+传导性能，降低了H+迁移的阻力，可以降低系统电解质的酸度，减少对设备的腐蚀，及对环境的危害，在低能耗下有利于电解过程的正常进行。
用于联合吸收-制氢过程中的电解反应器反应条件选择为0.3～0.6MFe2+、0.3～0.8MFe3+、2～8MH+(HCl体系和H2SO4体系)溶液、电解温度为20～80℃，进行多组电极的组合电解实验，当槽电压在1.1V时，电解制氢可以达到80～100L/h的产氢速度，电解制氢电耗≤2.6kWH/NM3H2。
惟以上所述者，仅为本实用新型的具体实施例，当不能以此限定本实用新型实施的范围，即大凡依本实用新型申请专利范围及实用新型说明书内容所作的等同变化与修饰，皆应仍属本实用新型专利权利要求书涵盖的范围内。
权利要求1.一种双极板式电解反应器，该反应器具有一电解槽，两端设有将所述电解槽连接为一整体反应器的固定端板，所述一端固定端板上设有电解液的进口，另一端固定端板上设有电解液出口，其特征在于所述电解槽由双极石墨电流收集板、SPE电极交替排列构成，其中，所述每一双极石墨电流收集板的两侧面分别设有阴极液流道、阳极液流道，上述两固定端板上设置的电解液进、出口分别与该阴极液流道和阳极液流道对应导通。
2.如权利要求1所述双极板式电解反应器，其特征在于所述双极石墨电流收集板的一侧面为阴极石墨电流收集板，另一侧面为阳极石墨电流收集板。
3.如权利要求2所述的双极板式电解反应器，其特征在于所述双极石墨电流收集板的两侧面均设有横截面呈“V”字型的沟槽，构成石墨电流收集板表面呈交错排列的金字塔状沟道。
4.如权利要求1所述的双极板式电解反应器，其特征在于所述SPE电极为由石墨布、全氟离子交换膜、镀铂石墨布三合一热压构成的电极。
5.如权利要求4所述的双极板式电解反应器，其特征在于所述石墨布构成SPE电极的阳极，镀铂的石墨布构成SPE电极的阴极。
6.如权利要求1至5任一项所述的双极板式电解反应器，其特征在于所述双极石墨电流收集板的两侧面的阴极液流道和阳极液流道互相垂直设置，且所述阴/阳极液进/出口设置在金字塔状沟道外周侧的石墨电流收集板上。
7.如权利要求6所述的双极板式电解反应器，其特征在于所述双极石墨电流收集板一侧表面的金字塔状沟道两端沿宽度方向设有第一导流沟槽，该第一导流沟槽的一端与阴/阳极液进/出口导通；所述双极石墨电流收集板另一侧表面的金字塔状沟道两端沿长度方向设有第二导流沟槽，该第二导流沟槽的一端与阳/阴极液进/出口导通。
8.如权利要求7所述的双极板式电解反应器，其特征在于所述第一、二导流沟槽与阴/阳极液进/出口间分别设有第一、二连通槽，该连通槽设置在所述双极石墨电流收集板的中间层。
9.如权利要求8所述的双极板式电解反应器，其特征在于所述双极石墨电流收集板为一体构成，该石墨电流收集板的三分之一厚度处嵌设置有连通槽，该第一连通槽的一端与阴/阳极液进/出口相导通，另一端与沿金字塔状沟道宽度方向设置的第一导流沟槽相导通；所述第二连通槽的一端与阳/阴极液进/出口相导通，另一端与沿金字塔状沟道长度方向设置的第二导流沟槽相导通。
10.如权利要求8所述的双极板式电解反应器，其特征在于所述双极石墨电流收集板由三层板组合构成，上、下层板的外侧面分别设有金字塔状沟道，其中一层板的金字塔状沟道两端沿宽度方向设有第一导流沟槽，该第一导流沟槽的一端设有一通孔；另一层板的金字塔状沟道两端沿长度方向设有第二导流沟槽，该第二导流沟槽的一端设有一通孔；所述中间层板上设有第一、二连通槽，且该第一连通槽呈对角设置在中间层板的一表面，所述第二连通槽呈另一对角设置在中间层板一另一表面；该第一连通槽的第一端与阴/阳极液的进/出口相连通，其第二端与第一导流沟槽的通孔相连通；所述第二连通槽的第一端与阳/阴极液的进/出口相连通，其第二端与第二导流沟槽的通孔相连通。
专利摘要一种双极板式电解反应器，该反应器具有一电解槽，两端设有将所述电解槽连接为一整体反应器的固定端板，所述两固定端板上分别设有电解液的进、出口，该电解槽由双极石墨电流收集板、SPE电极交替排列构成，每一双极石墨电流收集板的两侧面分别设有阴极液流道、阳极液流道，上述两固定端板上设置的电解液进、出口分别与该阴极液流道和阳极液流道对应导通。本实用新型克服了公知技术的缺陷，结构简单，保证了阳极液、阴极液在槽内各自沿其通道流动，无串液现象，且整个电解槽结构紧凑，实现了连续化生产，大大提高了生产效率。
文档编号C25B1/00GK2683665SQ20042004789
公开日2005年3月9日 申请日期2004年4月5日 优先权日2004年4月5日
发明者俞英, 黄海燕 申请人:石油大学(北京)