一种具有刻蚀流道的碱性水电解槽

本发明涉及电解制氢，尤其是涉及一种具有刻蚀流道的碱性水电解槽。

背景技术：

1、氢能作为一种清洁、高效的可持续能源，会在未来的世界能源体系中发挥重要作用。利用可再生电能进行电解水制氢是顺应我国能源发展趋势的必然需求。因此随着对可再生能源需求的加大，对于大规模的高纯度氢气制备的需要也越来越高。

2、碱性电解制氢是应用最广的电解水技术，它又称为碱性水溶液电解制氢技术，是以强碱为电解质、以多孔隔膜为特征。该技术是最早被发现和应用的电解水技术，其获得工业应用已有超过100多年的历史，对于实现我国的“双碳目标”，有着重要意义。

3、在目前商业上使用的碱性水电解槽中，通常存在两种流场设计：在主极板上选取镍网与电极构成的复合流场与传统的乳凸状流场。镍网复合流场能够增加电极与电解液的接触，降低欧姆电阻，进一步提升电解槽的最大电流密度。但是在碱液的进口处，由于镍网流场没有一个明显的阻流效果，对流体的分散作用仍有待提升。乳凸状流场能有效分散电解液，但加工复杂、成本较高，同时内部复杂结构导致的涡流和缓速区域可能导致电解液流速过慢，影响效率。经过对现有技术的文献检索发现目前对于碱性电解水的流道研究多停留在流道设计方面，以实现提高电解槽制氢效率、提升安全性的目的。中国发明cn115652352 a公开了一种改性的乳突状流场，在传统乳突流场的基础上修改成由编织网或者版网制成的波浪形状流道，可以部分减小流动阻力。中国发明cn113818038a公开了一种轴向非等距波纹板电极，在电极片上设置有正反向凸起的乳突结构，相邻乳突结构的间距从中心轴向到外侧逐渐扩大，使得流场中电解液分布更加均匀，整体流速接近中心轴线部分流体流速。中国专利cn218089821u公开了一种汇流型水流纹电解槽极板及电解水制氢单元，通过在电解槽极板板体的两个板面上分别加设水流纹槽的方式，使得电解水制氢单元内的气液流体可通过水流纹槽的引导，形成相对规则的气液流体流动通道，可以显著降低电解槽内气液流动阻力，降低整个碱水电解制氢系统总能耗。但现有研究主要集中于复杂的流道设计，流道的加工比较复杂，需要进一步优化流道和极板的制作工艺。同时目前碱性电解槽为了满足1.6mpa的压力条件通常设计为圆形，但圆形小室会在左右两侧形成大量的缓速区域，因此需要进一步优化槽体设计。

技术实现思路

1、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具有刻蚀流道的碱性水电解槽，通过在金属极板的表面采用电化学刻蚀法直接刻蚀流道，减少了接触电阻，提高制氢效率生产方便，并提高电解效率。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种具有刻蚀流道的碱性水电解槽，包括隔膜、分别设于隔膜两侧的阳极和阴极、设于阳极和阴极侧方的极板、与极板匹配的极框、碱液流道和刻蚀流道；

4、所述阳极、隔膜、阴极和极板的主体形状均为正方形或矩形；

5、所述刻蚀流道覆盖于所述极板表面。

6、进一步地，所述碱液流道设于极框的底部，所述极框顶部设有用于出液的气液流道。

7、进一步地，所述极框与隔膜之间设有垫片。

8、进一步地，所述极板与碱液流道、极板与气液流道之间均设有联通的径向孔流道。

9、进一步地，所述极框环绕于所述极板的外侧。

10、进一步地，所述极板为镍、钛、不锈钢中的一种。

11、进一步地，所述阴极电极为石墨、导电炭黑、铂片中的一种。

12、进一步地，所述极板与极框之间焊接连接。

13、进一步地，所述刻蚀流道为平行流道或点流场流道，所述平行流道或点流场流道通过电化学刻蚀法制备得到。

14、进一步地，所述极板的上方和下方均设有半圆形区域，所述半圆形区域为中空腔体；

15、下方半圆形区域用于分散进入极板内流场的碱液；

16、上方半圆形区域上设有径向孔流道，所述上方半圆形区域用于汇聚碱液，使碱液从径向孔流道流出。

17、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

18、1、本发明在金属极板的表面采用电化学刻蚀法直接刻蚀流道，生产方便，只需要根据需求将流道外区域用绝缘材料涂覆，即可蚀刻各种不同形状的流道，有利于根据使用场合快速生产需要的极板，同时针对不同厚度的极板的需求，只需调控蚀刻的电流和时间即可获得不同厚度/形状的极板。

19、2、本发明中的电解槽采用与极板一体化的刻蚀流道减少了接触电阻，提高制氢效率；同时，本发明中的电解槽舍弃了反应缓慢的缓流区域，提高了电解液分布的均匀性，结合刻蚀流道可以实现碱液在电解槽内的快速均匀分布，提高电解效率。

20、3、本发明中的电解槽相比于传统式圆形电解槽尺寸更小，生产所消耗的材料更少。同时，在刻蚀流道过程中产生的副产物，如硫酸镍等也属于高附加值产品，不会产生额外的经济损失。

技术特征：

1.一种具有刻蚀流道的碱性水电解槽，其特征在于，包括隔膜(5)、分别设于隔膜(5)两侧的阳极(4)和阴极(9)、设于阳极(4)和阴极(9)侧方的极板(7)、与极板(7)匹配的极框(1)、碱液流道(10)和刻蚀流道(8)；

2.根据权利要求1所述的一种具有刻蚀流道的碱性水电解槽，其特征在于，所述碱液流道(10)设于极框(1)的底部，所述极框(1)顶部设有用于出液的气液流道(6)。

3.根据权利要求1所述的一种具有刻蚀流道的碱性水电解槽，其特征在于，所述极框(1)与隔膜(5)之间设有垫片(3)。

4.根据权利要求1所述的一种具有刻蚀流道的碱性水电解槽，其特征在于，所述极板(7)与碱液流道(10)、极板(7)与气液流道(6)之间均设有联通的径向孔流道(2)。

5.根据权利要求1所述的一种具有刻蚀流道的碱性水电解槽，其特征在于，所述极框(1)环绕于所述极板(7)的外侧。

6.根据权利要求1所述的一种具有刻蚀流道的碱性水电解槽，其特征在于，所述极板(7)为镍、钛、不锈钢中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种具有刻蚀流道的碱性水电解槽，其特征在于，所述阴极(9)电极为石墨、导电炭黑、铂片中的一种。

8.根据权利要求1所述的一种具有刻蚀流道的碱性水电解槽，其特征在于，所述极板(7)与极框(1)之间焊接连接。

9.根据权利要求1所述的一种具有刻蚀流道的碱性水电解槽，其特征在于，所述刻蚀流道(8)为平行流道或点流场流道，所述平行流道或点流场流道通过电化学刻蚀法制备得到。

10.根据权利要求1所述的一种具有刻蚀流道的碱性水电解槽，其特征在于，所述极板(7)的上方和下方均设有半圆形区域，所述半圆形区域为中空腔体；

技术总结本发明涉及一种具有刻蚀流道的碱性水电解槽。所述碱性水电解槽包括隔膜、分别设于隔膜两侧的阳极和阴极、设于阳极和阴极侧方的极板、与极板匹配的极框、碱液流道和刻蚀流道；所述阳极、隔膜、阴极和极板的主体形状均为正方形或矩形；刻蚀流道覆盖于所述极板表面。与现有技术相比，本发明在金属极板的表面采用电化学刻蚀法直接刻蚀流道，生产方便，减少了接触电阻，提高制氢效率。相比于传统式圆形电解槽尺寸更小，生产所消耗的材料更少；同时，在刻蚀流道过程中产生的副产物，如硫酸镍等也属于高附加值产品，不会产生额外的经济损失。技术研发人员：张存满,邓凌澳,金黎明,耿振受保护的技术使用者：同济大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18