一种具备分区气水分离功能的电解池及其电解水制氢气的方法与流程

本发明涉及水电解制氢，具体涉及一种具备分区气水分离功能的电解池及其电解水制氢气的方法。

背景技术：

1、电解池是一种利用电能将水分解成氢气和氧气的装置，其原理是通过隔膜将电解池分为阳极和阴极两个区域。当外加电压施加在电解池的阴阳两极上时，在电流作用下，水通过电化学反应分解为氢气和氧气，并在电解池的阴极和阳极析出。电解池具有技术成熟、成本低、适合大规模制氢制氧的优势，它可以应用于氢能源生产、能源存储和电力系统的平衡等领域。电解池中阳极流场气液两相流动状态是电解效率和热管理的关键因素之一。一方面，水电解反应产生的氧气和氢气需要尽快排出，避免气泡聚集向柱塞流、环形流发展，否则将减少催化剂与水接触面积，降低反应效率、增加电阻；另一方面，反应产生的氧气和氢气过多积累会造成传热效率下降，影响电解池中温度分布均一性。

2、传统电解池如碱性水电解池和pem水电解池的流场结构存在水流速度低，易形成大气泡，或者流道长度长，气泡积累形成环形流等问题，使得靠近双极板流场出口处的液态水体积分数低，降低了电化学反应区域内电流及温度分布的一致性，从而降低了电解效率。此外，电解池工作时需在阴、阳极进出口进行水循环，以便将产生的氧气排出，传统碱性水电解系统中需配置电解槽外部的气水分离器及管路，增加了系统的体积和重量。此外，碱性水电解槽普遍往大功率方向发展，而传统流场放大效应较为明显，大反应面积流场设计易出现均匀性降低导致电解效率下降的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有的电解池流场中水流速度较低、易生成气泡并长大聚集形成环形流、系统体积过大，从而导致电解效率低下的缺陷。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种具备分区气水分离功能的电解池，至少包含依次叠加组装的第一功能端板、堆芯、后端板；

3、所述第一功能端板上设有若干个气水分离腔；

4、所述堆芯至少包含双极板，所述双极板上至少刻设有阳极流场，所述阳极流场为平行流道；所述阳极流场的两端设有2n个公共流道，n为大于0的整数；

5、所述第一功能端板上的阳极入口与所述阳极流场上的第一公共流道相连通；

6、所述第一公共流道相对的第二公共流道与所述第一公共流道相邻的第三公共流道相连通；所述第三公共流道相对的第四公共流道与所述第三公共流道相邻的第五公共流道相连通，并以此类推至第(2n-1)个公共流道；所述第一功能端板上的阳极出口与所述阳极流场上的第2n个公共流道相连通。

7、较佳地，所述电解池还包含第二功能端板，所述第二功能端板上设有若干个气水分离腔。

8、较佳地，所述第二公共流道通过所述第一功能端板上的第一气水分离腔与所述第三公共流道相连通，所述第四公共流道通过所述第一功能端板上的第二气水分离腔与所述第五公共流道相连通。

9、较佳地，所述第二功能端板上的阴极入口与双极板刻设的阴极流场上的第一公共流道相连通，所述第二功能端板上的阴极出口与双极板刻设的阴极流场上的第2n个公共流道相连通。

10、较佳地，所述公共流道的宽度依次递减。

11、较佳地，所述气水分离腔沿水气混合物流动方向的流通道的宽度依次减小，与所述公共流道的宽度依次递减相对应。

12、较佳地，所述气水分离腔内设置有丝网结构或挡板结构，实现气水分离。

13、较佳地，所述第一功能端板上设有(n-1)个氧气排放口和(n-1)个氢气排放口。

14、较佳地，所述电解池还包含前绝缘板、前导电板、后导电板、后绝缘板、螺杆。

15、本发明还提出一种如上述任意一项所述的具备分区气水分离功能的电解池的电解水制氢气的方法，包含如下步骤：

16、步骤s1，电解液从阳极入口流入电解池，在阳极流场上的平行流道区域发生电解反应，在阳极产生氧气，氧气与电解液形成第一水气混合物，第一水气混合物流动至氧气水分离腔进行气水分离；电解液从阴极入口流入碱性水电解槽，在双极板刻设的阴极流场上的平行流道区域发生电解反应，在阴极产生氢气，氢气与电解液形成第二水气混合物，第二水气混合物流动至氢气水分离腔进行气水分离；

17、步骤s2，每经过一次气水分离后，氧气从氧气排放口排出，第一水气混合物中的电解液进入下游相邻平行流道中继续发生水电解反应，直到电解液从阳极出口流出；同理，氢气从每一个氢气排放口排出，第二水气混合物中的电解液最终从阴极出口流出；

18、步骤s3，在外部循环泵的作用下，第一水气混合物中的电解液回到阳极入口，第二水气混合物中的电解液回到阴极入口。

19、本发明的有益效果：

20、(1)本发明的阳极功能端板上的第一氧气水分离腔与阳极流道上的第二公共流道相连，阳极功能端板上的第二氧气水分离腔与阳极流道上的第三公共流道相连，阴极功能端板上的第一氢气水分离腔与阴极流道上的第二公共流道相连，阴极功能端板上的第二氢气水分离腔与阴极流道上的第三公共流道相连，电解液进入电解池，在阳极生成氧气，阴极生成氢气，水气混合物在阳极功能端板/阴极公共端板上的分离腔内进行气水分离，进一步地，由于阳极流场/阴极流场具有n组平行流道，故可以实现(n-1)次的气水分离，从而将氧气或氢气及时排出。本发明增加了气水分离的次数，缩短了排气距离，提高了排气效率，从而保障了催化剂与水的充分接触，提高了电解效率。

21、(2)本发明的双极板上设有平行流道结构，平行流道之间通过气水分离腔相连，气水分离腔的流阻相较于蛇形流场转弯处的流阻更低，进一步地，当气体及时排出时，大大减小了沿平行流道长度方向的两相介质流体的体积，大大降低了流动的阻力，从而降低了水循环所需的辅助能耗。

22、(3)本发明将气水分离腔集成设置在阳极功能端板或阴极功能端板上，使得电解池兼具气体分配和气水分离的功能，避免了外接气水分离器和相关管路，大大减少了电解池的系统体积重量，使得电解池轻质化。

23、(4)本发明的双极板将平行流道分为若干组公共流道进行分区介质管理，在大面积电解池中实现分区精细管理，结构简单，降低了系统复杂度，通过增加分区数量有利于电解池的放大设计。

技术特征：

1.一种具备分区气水分离功能的电解池，其特征在于，至少包含依次叠加组装的第一功能端板、堆芯、后端板；

2.如权利要求1所述的具备分区气水分离功能的电解池，其特征在于，所述电解池还包含第二功能端板，所述第二功能端板上设有若干个气水分离腔。

3.如权利要求1所述的具备分区气水分离功能的电解池，其特征在于，所述第二公共流道通过所述第一功能端板上的第一气水分离腔与所述第三公共流道相连通，所述第四公共流道通过所述第一功能端板上的第二气水分离腔与所述第五公共流道相连通。

4.如权利要求2所述的具备分区气水分离功能的电解池，其特征在于，所述第二功能端板上的阴极入口与双极板刻设的阴极流场上的第一公共流道相连通，所述第二功能端板上的阴极出口与双极板刻设的阴极流场上的第2n个公共流道相连通。

5.如权利要求1所述的具备分区气水分离功能的电解池，其特征在于，所述公共流道的宽度依次递减。

6.如权利要求1所述的具备分区气水分离功能的电解池，其特征在于，所述气水分离腔沿水气混合物流动方向的流通道的宽度依次减小，与所述公共流道的宽度依次递减相对应。

7.如权利要求1所述的具备分区气水分离功能的电解池，其特征在于，所述气水分离腔内设置有丝网结构或挡板结构，实现气水分离。

8.如权利要求1所述的具备分区气水分离功能的电解池，其特征在于，所述第一功能端板上设有(n-1)个氧气排放口和(n-1)个氢气排放口。

9.如权利要求1所述的具备分区气水分离功能的电解池，其特征在于，所述电解池还包含前绝缘板、前导电板、后导电板、后绝缘板、螺杆。

10.一种使用如权利要求1～9中任意一项所述的具备分区气水分离功能的电解池的电解水制氢气的方法，其特征在于，包含如下步骤：

技术总结本发明公开了一种具备分区气水分离功能的电解池及其电解水制氢气的方法，至少包含第一功能端板、堆芯、后端板；第一功能端板上设有气水分离腔；堆芯至少包含双极板，双极板上至少刻设有阳极流场；阳极流场的两端设有2n个公共流道，n为大于0的整数；第一功能端板上的阳极入口与阳极流场上的第一公共流道相连；第一公共流道相对的第二公共流道与第一公共流道相邻的第三公共流道相连；并以此类推至第(2n‑1)个公共流道；第一功能端板上的阳极出口与阳极流场上的第2n个公共流道相连。实现电解反应过程中多次气水分离，提高水流速度和水流均匀性，提高电解池的电解效率。技术研发人员：杜玮,邓呈维,王星显,高少杰,宋婷婷,王腾飞,刘勇受保护的技术使用者：上海空间电源研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/26