一种立式差速逆流电解槽的制作方法

本发明涉及源、化工等，更具体地说它是一种立式逆流电解槽。更具体地说它是一种采用水流纹汇流形电解槽极板的立式差速逆流电解槽。

背景技术：

1、氢能作为二次能源，其利用产物为水，不产生任何污染物；氢能是我国清洁能源战略的重要组成部分，是保护和改善环境的有效途径，是推动清洁能源革命和重构低碳产业体系的关键支撑，是培育新动能、发展新经济的重要内容。可再生能源电解水制氢产生的绿氢，作为化工、钢铁等行业的重要原料，能够显著降低碳排放。与此同时，可再生能源电解水制氢能够有效提高可再生能源发电的稳定性，在降低弃风弃光现象的同时作为大规模储能手段提高电网对可再生能源电力的消纳能力。在此背景下，电解水制氢工艺得到了迅猛发展。

2、电解水制氢过程是一个伴随电极放热的电化学过程，在电解液流经电解小室的过程中伴随着在阴阳电极上发生的电化学反应，电解水产生h2、o2后被送至后端纯化系统进一步反应，最终产出氢气纯度可高达99.99％。然而，随着电解水制氢产业的充分发展，电解槽也从最迟的一味追求规模化逐步转向了精细化设计，电解能耗、热效率等问题也逐渐成为研究热点。

3、电解水制氢的电化学反应与温度成正比例关系，即温度越高电解速率越快，故电解槽内液体温度越高越好。然而，电解槽在电解水时部分电能会转化为热能，如果电解液入口温度设定过高，将会导致电解液在槽内汽化，引发安全事故。因此，如何让电解槽内液体的平均温度尽可能高，而且电解液最高温度不能使其汽化，需保证电解液在槽内足够的停留时间，已成为电解槽结构及流体设计的核心三要素。

4、另一个值得关注的问题是电解槽及其电解车间厂房的设计，由于氢气易燃易爆的特性，电解槽车间多设计为通风性好、空间高的单层建筑。而随着电解水制氢规模的不断扩大，单套电解槽系统的制氢规模也从最初的50nm3/h增长至1000nm3/h，占地面积也从最初的20m2增长至300-400m2，随着土地资源的逐步紧缺，传统卧式布置的电解槽、气液分离器等设备占地面积大、已无法满足使用需求。

5、此外，由于电解槽是通过电解水从而在极板两侧分别生产的h2和o2，每2mol h2o产生2mol h2和1mol o2，导致极板两侧产生的气体体积存在2倍的差别，容易导致极板两侧电解液密度、温度差别过大从而引发气体穿透导致的安全事故。

6、因此，开发一种在保证安全的情况下，尽可能的提升电解液温度又不至于汽化，减小占地面积，提高安全性的电解槽很有必要。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服背景技术的不足之处，而提供一种立式差速逆流电解槽，在保证安全的情况下，尽可能的提升电解液温度、且电解液最高温度不使其汽化，同时能保证电解液在槽内停留足够时间，且实现了对现有厂房较高空间的有效利用，节省空间、减小占地面积，提高安全性；克服了现有技术无法使电解槽内液体的平均温度尽可能高的同时使电解液最高温度不使其汽化，无法保证电解液在槽内停留的时间，设备占地面积大，以及容易使极板两侧电解液密度、温度差别过大从而引发气体穿透导致的安全事故的问题。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种立式差速逆流电解槽，其特征在于：包括极板、阴极材料、隔膜、阳极材料、电解液入口管、氢气出口通道以及氧气出口通道；

3、极板、阴极材料、隔膜、以及阳极材料自下而上依次布置；

4、每两块极板和一块阴极材料、一张隔膜以及一块阳极材料构成一个立式电解水制氢单元；

5、立式电解水制氢单元的氢气生成区位于阴极材料与极板之间；氧气生成区位于阳极材料与极板之间；氢气生成区和氧气生成区分别位于隔膜两侧；

6、立式差速逆流电解槽的底部设置电解液入口管，两侧分别设置氢气出口通道、氧气出口通道；

7、电解液入口管分别与氢气生成区和氧气生成区连通；氢气生成区与氢气出口通道连通；氧气生成区与氧气出口通道连通；

8、多个立式电解水制氢单元自下而上依次布置；多个氢气生成区自下而上依次间隔布置、且相互连通；多个氧气生成区自下而上依次间隔布置、且相互连通；氧气生成区位于间隔设置的二个相邻的氢气生成区之间。

9、在上述技术方案中，极板的上下两面分别为阴极面和阳极面；

10、阴极面与阴极材料呈对向布置、且分别位于氢气生成区两侧；

11、阳极面与阳极材料呈对向布置、且分别位于氧气生成区两侧。

12、在上述技术方案中，阴极面和阳极面上均设置暗流纹；

13、暗流纹的进口处纹路相对稀松、出口处纹路相对密实。

14、在上述技术方案中，极板在靠近流体出口端其厚均匀减少，极板的弧面处弯曲半径为极板厚度的5倍以上。

15、在上述技术方案中，极板呈圆形或椭圆形或方形。

16、在上述技术方案中，电解液入口管包括阴极管路和阳极管路；

17、阴极管路和阳极管路分别从立式电解水制氢单元两侧对向进入氢气生成区和氧气生成区。

18、在上述技术方案中，阴极管路和阳极管路上均设置阀门。

19、本发明具有如下优点：

20、(1)本发明采用了电解液对流换热后其水电解反应更易进行，电解槽制氢能效更高；

21、(2)本发明增设了控制阀门，该设置可使得隔膜两侧的电解液流体流速得到分别控制，从精细化提升电解槽温度分布并最终提升产气量同时提高安全性；

22、(3)本发明采取了电解液逆流的布置方式，其h2和o2的出口分别位于电解槽两侧，降低了因故障或气体泄露导致的爆燃风险；

23、(4)本发明在保证安全的情况下，通过差速逆流结构让电解槽内液体的平均温度尽可能高，而且电解液最高温度不能使其汽化，同时保证电解液在槽内足够的停留时间；

24、(5)本发明采用立式结构，将多个立式电解水制氢单元自下而上依次布置，实现对现有厂房较高空间的有效利用，节省空间、减小占地面积，节省工程成本。

技术特征：

1.一种立式差速逆流电解槽，其特征在于：包括极板(1)、阴极材料(2)、隔膜(3)、阳极材料(4)、电解液入口管(5)、氢气出口通道(8)以及氧气出口通道(9)；

2.根据权利要求1所述的立式差速逆流电解槽，其特征在于：极板(1)的上下两面分别为阴极面(1.1)和阳极面(1.2)；

3.根据权利要求1或2所述的立式差速逆流电解槽，其特征在于：阴极面(1.1)和阳极面(1.2)上均设置暗流纹(1.3)；

4.根据权利要求3所述的立式差速逆流电解槽，其特征在于：极板(1)在靠近流体出口端其厚均匀减少，极板(1)的弧面处弯曲半径为极板(1)厚度的5倍以上。

5.根据权利要求4所述的立式差速逆流电解槽，其特征在于：极板(1)呈圆形或椭圆形或方形。

6.根据权利要求5所述的立式差速逆流电解槽，其特征在于：电解液入口管(5)包括阴极管路(5.1)和阳极管路(5.2)；

7.根据权利要求6所述的立式差速逆流电解槽，其特征在于：阴极管路(5.1)和阳极管路(5.2)上均设置阀门(10)。

技术总结
本发明公开了一种立式差速逆流电解槽。它包括极板、阴极材料、隔膜、阳极材料、电解液入口管、氢气出口通道以及氧气出口通道；极板、阴极材料、隔膜、以及阳极材料自下而上依次布置；每两块极板和一块阴极材料、一张隔膜以及一块阳极材料构成一个立式电解水制氢单元；氢气生成区和氧气生成区分别位于隔膜两侧；立式差速逆流电解槽的底部设置电解液入口管，两侧分别设置氢气出口通道、氧气出口通道；电解液入口管分别与氢气生成区和氧气生成区连通；氢气生成区与氢气出口通道连通；氧气生成区与氧气出口通道连通；多个立式电解水制氢单元自下而上依次布置。本发明具有提升电解液温度、且电解液最高温度不使其汽化，减小占地面积的优点。

技术研发人员：桂本,李进,顾伶俐,李冬芳,刘聪,赵雄,高学强,杨阳,赵汪
受保护的技术使用者：三峡智能工程有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15