一种电解槽装置的制作方法

本技术属于电解槽设备，涉及一种电解槽装置，特别涉及一种内置自循环换热多系统一体化高效电解槽装置。

背景技术：

1、随着日益增长的低碳减排需求，氢的绿色制取技术受到广泛重视，利用可再生能源进行电解水制氢是目前众多氢气来源方案中碳排放最低的工艺。氢气在储能、化工、冶金、分布式发电等领域的推广应用，成为控制温室气体排放、减缓全球温度上升的有效途径之一。坚持氢能绿色利用的初衷，积极发展以质子交换膜电解水制氢为代表的绿氢制备技术，实现与可再生能源的融合发展。

2、目前在市场化进程方面，碱水电解(awe)作为最为成熟的电解技术占据着主导地位，尤其是一些大型项目的应用。awe采用氢氧化钾(koh)水溶液为电解质，分离水产生氢气和氧气。

3、通常，碱性水电解系统都包含电解槽1`、氢氧分离系统，碱液循环系统和换热系统。其中氢氧分离系统包含：氢气分离器2`，氧气分离器3`，氢气产品冷却器和氧气产品冷却器及其附属管线和阀门；碱液循环系统则包括：碱液循环泵、碱液过滤器、碱液控制阀及其附属管线；换热系统则包括：碱液换热器，如图1所示。

4、此系统设计存在如下不足：

5、(1)传统碱液水电解系统中，采用的是电解槽外部移除热量设计。除了电解槽是主要工艺设备，其它氢氧气分离系统、碱液循环系统和碱液换热单元均为附属装置。通常该附属装置将占据传统水电解系统总建造成本的20～30％。

6、(2)传统碱液水电解系统的氢氧气分离系统、碱液循环系统和碱液换热单元等附属装置需要提供额外的占地。以上子系统通常需要占整个传统碱液水电解系统占地的25～40％；

7、(3)传统碱液水电解系统的碱液循环系统通常需要采用外部强制循环移除热量的设计。增加了泄露的风险点。大大降低了装置的安全性。

8、(4)传统碱液水电解系统的碱液循环管路为了降低制造成本，大都采用不锈钢材质。然而为了降低碱液对管道的腐蚀速率，操作温度不宜超过90℃。因此碱液在水电解过程中产生的低温废热很难被利用。造成能量的浪费。

9、(5)由于碱液的操作温度不宜过高，然而电解液的电阻与温度成反比。温度越高电解的效率液越高。因此传统水电解系统受制于操作温度的限制，导致电解质溶液电阻消耗较高。

10、(6)传统碱液水电解装置在阴阳小室内发生的是绝热反应，小室内流速较低。如果局部产生热量过大很难快速移除，最终导致隔膜受损。

11、(7)传统碱液水电解装置的气液分离器和循环管路系统有比较大的持液量。在运行之前需要注满碱液，因此需要购买大量的koh配置碱液。然而碱液运行一段时间之后需要进行更换，那么增大了废碱液的处理量。尤其为了保证电解效率需要增加v2o5，那么系统持液量越大v2o5消耗也越大；

12、(8)传统碱液水电解装置的气液分离器和循环管路系统有比较大的持液量，导致在开车过程中碱液升温过程较长。

13、因此，若能将氢氧气分离系统，碱液循环系统和碱液换热系统进行高度一体化设计，则可以有效解决上述流程的不足之处。

技术实现思路

1、本实用新型的目的就是为了提供一种电解槽装置与方法，以降低水电解系统的复杂程度、减少碱液在水电解系统的持液量、提高水电解槽的运行效率与利用效率等。

2、本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本实用新型的技术方案之一提供了一种电解槽装置，包括电解槽本体、以及安装在电解槽本体中的若干依次布置的碱液水电解单元，每个碱液水电解单元包括依次布置的阴极板、阴极网、隔膜、阳极网、阳极板，以及根据碱液流动特性加工或形成的阴极小室反应通道、阳极小室反应通道、碱液入口腔室、氢气分离腔室、氧气分离腔室、阴极降液通道与阳极降液通道。

4、进一步的，所述碱液入口腔室、阴极小室反应通道、氢气分离腔室与阴极降液通道依次连通并构成阴极碱液自然循环回路，所述碱液入口腔室、阳极小室反应通道、氧气分离腔室与阳极降液通道液依次连通并构成阳极碱液自然循环回路，相邻两个碱液水电解单元中相对设置的阴极板和阳极板之间还形成有循环冷却水通道。

5、进一步的，所述阴极小室反应通道由阴极板的一侧、阴极网与隔膜一侧形成。

6、进一步的，所述阳极小室反应通道则由阳极板的一侧、阳极网与隔膜另一侧形成。

7、进一步的，所述阴极降液通道、阳极降液通道与循环冷却水通道三者相互独立，并位于阴极板或阳极板的同一侧。

8、进一步的，所述循环冷却水通道布置在阴极板与阳极板的中部区域。

9、进一步的，所述阴极板与阳极板的顶部和底部的中间位置均分别设置有循环冷却水出口腔室和循环冷却水入口腔室，所述循环冷却水出口腔室和循环冷却水入口腔室分别连接所述循环冷却水通道的上下两端。

10、进一步的，所述阴极板和阳极板的正反两面均加工有花纹，其花纹形状满足提供流体分布与换热需求。

11、进一步的，位于阴极板和阳极板底部的碱液入口腔室集成为一个整体腔室；

12、或所述碱液入口腔室分为分别对应阴极板和阳极板的阴极碱液入口腔室和阳极碱液入口腔室，此时，所述阴极碱液入口腔室与所述阳极降液通道连通，所述阳极碱液入口腔室与所述阴极降液通道连通。

13、进一步的，所述碱液水电解单元还包括用于固定阴极板和阳极板的极框，以及设置在两极框之间用于密封的垫片。

14、进一步的，所述阴极小室反应通道与氢气分离腔室、阳极小室反应通道与氧气分离腔室的连接位置满足：从阴极小室反应通道和阳极小室反应通道产生的含有氢气和氧气的碱液分别从上部进入所述氢气分离腔室和氧气分离腔室。

15、本实用新型的技术方案之二提供了一种碱水电解方法，其基于如上任一所述的内置自循环换热多系统一体化高效电解槽装置，该方法包括以下步骤：

16、(1)当阴极板和阳极板通电时，碱液从碱液入口腔室分别进入阴极小室反应通道和阳极小室反应通道，并分别在阴极网和阳极网表面上发生电解产生氢气和氧气，得到含氢气气泡的碱液和含氧气气泡的碱液；

17、(2)含氢气气泡的碱液、含氧气气泡的碱液分别沿阴极小室反应通道和阳极小室反应通道上升进入氢气分离腔室和氧气分离腔室，进行气液分离，分离后的碱液液相分别通过阴极降液通道和阳极将夜通道返回碱液入口腔室，这样，依靠气液两相密度差形成阴极碱液自然循环回路和阳极碱液自然循环回路；

18、(3)循环冷却水通道中的循环冷却水持续运行，带走阴极板和阳极板上电解反应产生的热量。

19、与现有技术相比，本实用新型直接将传统碱液水电解系统中的氢氧分离器单元，循环管路单元和碱液换热单元都高度集中一体化设计，相比较于传统碱液水电解装置，本实用新型的自循环多系统一体化的设计可以降低水电解系统的复杂程度；可以降低20～30％水电解系统的建造成本；也可以减少水电解系统的占地；也可以减少碱液在水电解系统的持液量，不仅节省了初期koh投入量，而且也减少了后期废碱液的排放量，同时也节省了开车碱液升温的时间；也可以通过热量管理设计来提高水电解槽的运行效率；根据需要，还可以产生90～110℃的热水，大大提高水电解废热的利用效率。