一种非对称式电解槽的制作方法

本申请涉及电解水制氢装备，尤其涉及一种非对称式电解槽。

背景技术：

1、风电、光伏等可再生能源的随机性和波动性给电网稳定性和安全性带来了巨大的挑战。大规模可再生能源耦合电解制氢不仅可有效提升可再生能源发电系统的能源利用效率，而且还可有效解决绿色氢能产业“氢从哪里来”的难题，具有重大战略意义，已成为诸多国家的能源战略。制氢技术有碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、阴离子交换膜电解水制氢以及固体氧化物电解制氢。碱性电解槽是当前唯一满足大规模工程应用的电解水制氢设备，具有技术成熟、成本低等优势，市场总装机规模占有率达到了99％。

2、碱性电解槽由隔膜、电极等零部件组成，电解槽隔膜具有多孔特性，在两侧压力不同时，气体很容易通过。维持电解槽氢氧两侧压力平衡的方法通常为调节电解槽出口的阀门开关频率，通过维持气液分离罐液位差，来保持电解槽两侧压力。专利202210589386.9通过实时获取外部输入功率，采用高精度大流量和低精度小流量的两种不同的压力调节阀，实现电解槽压力的高精度主动控制。专利202110968038.8在碱性电解系统中的两个气液分离器之间的u型管上安装用于抑制串气风险的安全装置，克服碱性电解系统的电解功率发生变化时，导致u型管中液位平衡被打破，产生串气风险的缺陷。上述专利提供的方法均是从电解槽外部系统出发进行压力调节。然而，从电解槽外部系统调节压力传递到电解槽内部两侧压力存在时间差，这个时间差远大于电解制氢速率，尤其在电解槽制氢负荷较低时，由于生成气体积比较低，这种外部压力调节传递到电解槽内部较为缓慢，不利于电解槽内压力的快速调节。

技术实现思路

1、本申请方案的目的在于提供一种非对称式电解槽，通过设置非对称结构的腔室，在电解槽本体内维持电解槽内氢氧两侧压力平衡，实现电解槽内压力的快速调节，有效避免氧气和氢气互传。

2、本申请技术方案提供的一种非对称式电解槽，包括：电解小室，所述电解小室包括隔膜、分别位于所述隔膜相对设置的两侧的阴极室和阳极室，所述阴极室内设有阴极输配层，所述阳极室内设有阳极输配层；所述阴极室设有用于循环供给碱液的氢侧碱液通道和用于排出氢气的氢气通道，所述阳极室设有用于循环供给碱液的氧侧碱液通道和用于排出氧气的氧气通道；所述阴极室内的尺寸大于所述阳极室的尺寸，所述氢气通道的孔径尺寸大于所述氧气通道的孔径尺寸，氢侧碱液通道的孔径尺寸大于所述氧侧碱液通道的孔径尺寸，所述阴极输配层中的孔隙率大于所述阳极输配层的孔隙率。

3、可选的，所述阴极输配层包括依次叠加的阴极流场层、阴极再分配层和阴极微孔层；所述阳极输配层包括依次叠加的阳极流场层、阳极再分配层和阳极微孔层；所述阴极流场层上的阴极流场孔的孔径大于所述阳极流场层上的阳极流场孔；所述阴极再分配层上的阴极再分配孔的孔径大于所述阳极再分配层上的阳极再分配孔；所述阴极微孔层上的阴极微孔的孔径大于所述阳极微孔层上的阳极微孔的孔径。

4、可选的，所述非对称式电解槽还包括贴合在所述阴极输配层一侧的第一双极板和贴合在所述阳极输配层一侧的第二双极板；所述氢侧碱液通道以直通的方式穿设过所述第一双极板后与所述阴极流场层相连通；所述氧侧碱液通道以直通的方式穿设过所述第二双极板后与所述阳极流场层相连通。

5、可选的，所述阴极流场孔为连通在所述第一双极板和所述阴极再分配层之间的直通孔，所述阳极流场孔为连通在所述第二双极板和所述阳极再分配层之间的弯折孔。

6、可选的，所述阴极微孔层的孔隙率大于所述阳极微孔层的孔隙率。

7、可选的，所述阴极输配层的厚度两倍于所述阳极输配层的厚度。

8、可选的，所述氢侧碱液通道的孔径尺寸两倍于所述氧侧碱液通道的孔径尺寸。

9、可选的，所述氢气通道的孔径尺寸两倍于所述氧气通道的孔径尺寸。

10、可选的，所述隔膜与所述阴极微孔层之间设有第一催化剂层，所述隔膜与所述阳极微孔层之间设有第二催化剂层。

11、可选的，所述非对称式电解槽还包括第一压板部和第二压板部，所述第一压板部和所述第二压板部之间设置有多个依次排列的所述电解小室；所述第一压板部包括依次贴合的第一端压板、第一绝缘板、第一取电板；所述第二压板部包括依次贴合的第二端压板、第二绝缘板、第二取电板。

12、采用上述技术方案，具有如下有益效果：

13、本申请提供的非对称式电解槽，设置阴极室内的尺寸大于阳极室的尺寸，以适配氢气的产率大于氧气产率的电解状况。设置氢气通道的孔径尺寸大于所述氧气通道的孔径尺寸，以增加氢气的排出速度。阴极室内电解后的碱液与氢气共同从氢气出口排出，电解后的碱液中携带部分氢气，增加氢侧碱液通道的孔径尺寸可使循环流动在阴极室内的碱液有足够析出氢气的空间。所述阴极输配层中的孔隙率大于所述阳极输配层的孔隙率，以使阴极室内的碱液和氢气扩散速度大于阳极室内碱液和氧气扩散速度。通过上述非对称的方式设置降低阴极室和其内部结构，以及阳极室及其内部结构，加快阴极室内氢气的排出速度，减少阴极室内的平均压力，以适配产氢量大于产氧量的电解状况，从电解小室内部保持阴极室和阳极室的压力保持平衡，实现电解槽内压力的快速调节，有效避免氧气和氢气互传。

技术特征：

1.一种非对称式电解槽，其特征在于，包括：电解小室，所述电解小室包括隔膜、分别位于所述隔膜相对设置的两侧的阴极室和阳极室，所述阴极室内设有阴极输配层，所述阳极室内设有阳极输配层；

2.根据权利要求1所述的非对称式电解槽，其特征在于，所述阴极输配层包括依次叠加的阴极流场层、阴极再分配层和阴极微孔层；

3.根据权利要求2所述的非对称式电解槽，其特征在于，所述非对称式电解槽还包括贴合在所述阴极输配层一侧的第一双极板和贴合在所述阳极输配层一侧的第二双极板；

4.根据权利要求3所述的非对称式电解槽，其特征在于，所述阴极流场孔为连通在所述第一双极板和所述阴极再分配层之间的直通孔，所述阳极流场孔为连通在所述第二双极板和所述阳极再分配层之间的弯折孔。

5.根据权利要求2所述的非对称式电解槽，其特征在于，所述阴极微孔层的孔隙率大于所述阳极微孔层的孔隙率。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的非对称式电解槽，其特征在于，所述阴极输配层的厚度两倍于所述阳极输配层的厚度。

7.根据权利要求1-5中任意一项所述的非对称式电解槽，其特征在于，所述氢侧碱液通道的孔径尺寸两倍于所述氧侧碱液通道的孔径尺寸。

8.根据权利要求1-5中任意一项所述的非对称式电解槽，其特征在于，所述氢气通道的孔径尺寸两倍于所述氧气通道的孔径尺寸。

9.根据权利要求1-5中任意一项所述的非对称式电解槽，其特征在于，所述隔膜与所述阴极微孔层之间设有第一催化剂层，所述隔膜与所述阳极微孔层之间设有第二催化剂层。

10.根据权利要求3所述的非对称式电解槽，其特征在于，所述非对称式电解槽还包括第一压板部和第二压板部，所述第一压板部和所述第二压板部之间设置有多个依次排列的所述电解小室；

技术总结本申请公开了一种非对称式电解槽。非对称式电解槽包括：电解小室，电解小室包括隔膜、阴极室和阳极室，阴极室内设有阴极输配层，阳极室内设有阳极输配层；阴极室设有用于循环供给碱液的氢侧碱液通道和用于排出氢气的氢气通道，阳极室设有用于循环供给碱液的氧侧碱液通道和用于排出氧气的氧气通道；阴极室内的尺寸大于阳极室的尺寸，氢气通道的孔径尺寸大于氧气通道的孔径尺寸，氢侧碱液通道的孔径尺寸大于氧侧碱液通道的孔径尺寸，阴极输配层中的孔隙率大于阳极输配层的孔隙率。本申请提供的非对称式电解槽，通过设置非对称结构的腔室，在电解槽本体内维持电解槽内氢氧两侧压力平衡，实现电解槽内压力的快速调节，有效避免氧气和氢气互传。技术研发人员：翟俊香,许壮,何广利受保护的技术使用者：国家能源投资集团有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/6/11