一种碱水电解槽大面积电极支撑体结构

1.本发明涉及碱水电解制氢技术领域，尤其是涉及一种碱水电解槽大面积电极支撑体结构。


背景技术：

2.碱水电解制氢是目前最成熟的电解水制氢技术之一。碱水电解槽主要由端板、双极板、电极、隔膜等组件构成，电极具备催化水分解的作用，直接影响了碱水电解槽性能。
3.传统碱水电解槽电极主要采用镍网，镍网由镍丝组成，镍丝与镍丝之间保持相同的间距，表现出较好的电解水性能，可参见中国专利cn212128312u公开的一种具有大电流密度的电解槽。近年来，单台套电解槽产氢能力已经达到1000nm3/h，未来甚至超过3000nm3/h。
4.随着电解槽生产能力的不断增大，电极的直径和面积也需要相应增加，根据需要，电极直径将超过2.5m，面积将超过5m2。但是，在实践中发现，电解槽和电极尺寸的增加，将导致电极表面电解水反应的不均匀，导致电解效率下降。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种碱水电解槽大面积电极支撑体结构。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种碱水电解槽大面积电极支撑体结构，所述电极由金属丝编织而成，电极的第一端置于电解槽的碱液入口，电极的第二端置于电解槽的碱液出口，电极为非均匀分布结构，自电极的第一端至第二端，金属丝的编织密度非均匀变化，且第一端的金属丝编织密度大于第二端的金属丝编织密度。
8.优选的，以电极的第一端至第二端为纵向，金属丝横向之间的间距不变，纵向之间的间距增大。
9.优选的，自电极的第一端至第二端，金属丝纵向之间的间距递增。
10.优选的，自电极的第一端至第二端，电极分为多个区域，同一个区域内金属丝纵向之间的间距相同，不同区域内金属丝纵向之间的间距不同。
11.优选的，自电极的第一端至第二端，电极被分为高密度区、中密度区和低密度区三个区域。
12.优选的，高密度区、中密度区和低密度区对应电解槽内的快速升温区、稳定反应区和反应抑制区，所述快速升温区、稳定反应区和反应抑制区是根据电解槽内碱液的温度分布确定的。
13.优选的，自电极的第一端至第二端，相邻的金属丝之间的间距包括但不限于1mm-5000mm。
14.优选的，电极的形状和尺寸与电解槽的结构适配，包括但不限于圆形、矩形和椭圆
形。
15.优选的，金属丝的直径包括但不限于0.05mm-50mm。
16.优选的，金属丝为由碱性环境稳定的材料制成的金属丝，包括但不限于镍丝、镍基合金丝、铁丝、铁基合金丝。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
18.(1)根据大型电解槽温度和反应速率不均匀的特点，设计与反应过程相匹配的电极结构，能够有效提升电解效率。
19.(2)碱液入口处为快速升温区，设置高密度电极结构，能够快速提升碱液温度，使碱液温度达到高效反应温度区间(60-90度)；
20.(3)快速升温区的高密度电极结构能提升碱液温度，从而能够增加稳定反应区的面积，提升电极的产氢效率；
21.(4)在反应抑制区设置低密度电极结构，能够很好的缓解由于温度过高、反应过于剧烈引起的气阻等降低产氢效率。
附图说明
22.图1为梯度分布结构电极的结构示意图；
23.图2为区域梯度结构电极的结构示意图；
24.图3为传统均匀分布结构电极的结构示意图；
25.图4为不同结构电极的产氢效率示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
27.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。
28.实施例1：
29.发明人经过研究后发现，电解槽碱液循环过程中，碱液从电解槽底端流入，从顶端流出。在电解槽内部发生水电解过程，由于欧姆电阻和电化学反应极化电阻的存在，碱液温度逐渐升高。因为电化学反应过程受温度的影响较大，电极不同位置电解水反应不均匀。在靠近进水端，由于碱液温度相对较低，电解水反应速率慢甚至未激活反应，反应效率低；在靠近出水端，由于碱液温度过高，电解水速率过快，气泡溢出速率过快容易产生气阻，导致电解效率降低。综上所述，对于大面积电极，电极直径和面积增大，引起电极不同位置反应不均匀，最终导致电解槽了电解效率降低。
30.传统的均匀分布的电极如图3所示，很难满足大型电解槽的应用需求。本发明根据大型电解槽温度和反应速率不均匀的特点，设计与反应过程相匹配的电极结构，能够有效提升电解效率。
31.根据电解槽从碱液进口处到出口处温度逐渐升高的特点，发明人将电解槽划分为
几个区域：快速升温区、稳定反应区、反应抑制区。快速升温区在碱液进口处，主要功能是来快速提升碱液温度，因此此处布置高密度的电极；稳定反应区位于电解槽中部，主要功能是来高效电解产生大量氢气，因此此处布置密度适中的电极；反应抑制区位于电解槽上部，主要功能是抑制电解反应速率，防止发生气阻等不利于电解制氢效率的反应过程，因此此处布置密度较低的电极。非均匀分布的电极结构使得多区域协同工作，能够有效提升大型电解槽的产氢效率。
32.一种碱水电解槽大面积电极支撑体结构，电极由金属丝编织而成，电极的第一端(下端)置于电解槽的碱液入口，电极的第二端(上端)置于电解槽的碱液出口，电极为非均匀分布结构，自电极的第一端至第二端，金属丝的编织密度非均匀变化，且第一端的金属丝编织密度大于第二端的金属丝编织密度。
33.详细的可变参数包括：
34.自电极的第一端至第二端，相邻的金属丝之间的间距包括但不限于1mm-5000mm。
35.电极的形状和尺寸与电解槽的结构适配，包括但不限于圆形、矩形和椭圆形等各种几何结构。
36.使用的金属丝的直径包括但不限于0.05mm-50mm。
37.金属丝为由碱性环境稳定的材料制成的金属丝，包括但不限于镍丝、镍基合金丝、铁丝、铁基合金丝等各种材料。
38.金属丝编织得到电极，可以通过控制金属丝之间的间距调整金属丝的编织密度，使得自下而上金属丝的编织密度降低，以适应碱液进口处到出口处温度升高的特点。以电极的第一端至第二端为纵向，可以理解的是，能够改变金属丝纵向之间和横向之间的间距来改变编织密度，降低编织密度的编织方式有多种多样，本实施例不再一一列举。
39.本实施例中，控制金属丝横向之间的间距不变，纵向之间的间距增大，给出了梯度分布电极和区域梯度电极两种编织方式：
40.(1)梯度分布电极，自电极的第一端至第二端，金属丝纵向之间的间距递增，如间距值按照递增数列的形式增长；
41.具体的一个结构如下：
42.如图1所示，金属丝编织成的圆形电极，直径2m，采用镍丝编织而成，镍网编织密度由下而上递减，最下端镍网间距5mm，最上端镍网间距30mm，镍丝直径为2mm，电极横向镍网间距15mm。利用该电极电解制氢，5000a/cm2的电流密度下；对比均匀分布结构的电极，产氢效率如图4所示，每小时产氢量达到2951nm3/h，高于传统均匀分布电极。
43.(2)区域梯度电极，自电极的第一端至第二端，电极分为多个区域，同一个区域内金属丝纵向之间的间距相同，不同区域内金属丝纵向之间的间距不同。
44.本实施例中，自电极的第一端至第二端，电极被分为高密度区、中密度区和低密度区三个区域，高密度区、中密度区和低密度区对应电解槽内的快速升温区、稳定反应区和反应抑制区，快速升温区、稳定反应区和反应抑制区是根据电解槽内碱液的温度分布确定的。
45.具体的一个结构如下：
46.如图2所示，金属丝编织成的圆形电极，直径2m，采用镍丝编织而成，镍网编织密度由下而上递减，分为高密度区、中密度区和低密度区，分别对应快速升温区、稳定反应区和反应抑制区，镍丝直径为2mm，电极横向镍网间距15mm，纵向高、中、低密度区镍网间距分别
为5mm，15mm和25mm。利用该电极电解制氢，5000a/cm2的电流密度下；对比均匀分布结构的电极，产氢效率如图4所示，每小时产氢量达到2801nm3/h，高于传统均匀分布电极。
47.根据电解槽从碱液进口处到出口处温度逐渐升高的特点，发明人将电解槽划分为几个区域：快速升温区、稳定反应区、反应抑制区。本发明根据大型电解槽温度和反应速率不均匀的特点，设计与反应过程相匹配的电极结构，能够有效提升电解效率。具体的：(1)碱液入口处为快速升温区，设置高密度电极结构，能够快速提升碱液温度，使碱液温度达到高效反应温度区间(60-90度)；(2)快速升温区的高密度电极结构能提升碱液温度，从而能够增加稳定反应区的面积，提升电极的产氢效率；(3)在反应抑制区设置低密度电极结构，能够很好的缓解由于温度过高、反应过于剧烈引起的气阻等降低产氢效率。综上，本发明围绕大型电解槽的反应特点，有效提升电解槽的产氢效率。
48.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。