一种主极板和电解槽的制作方法

本技术涉及电解制氢，尤其涉及一种主极板和电解槽。

背景技术：

1、现有技术中，常用电解槽处理电解液以制备获得反应气体(例如氢气)，上述电解槽一般包括相对设置的电极和电极板。在电解槽组装过程中，电极板中的主极板与电极的接触点越多，越有利于降低传质电阻，提高电流密度。

2、目前，通常采用在主极板和电极之间设置金属支撑网的方式，增加主极板与电极之间的接触点。但是，由于金属支撑网由连续的横向丝梗和纵向丝梗编织形成，而连续的横向丝梗对于纵向流动的电解液的阻力大。

3、此时，会降低电解液的流动速度，降低电解液的热交换效率，导致电解小室(即主极板与隔膜之间的区域)电压升高，进而导致电解能耗增多。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提供一种主极板和电解槽，用于增加主极板与电极之间的接触点的同时，确保电解液的流动速度，以降低电解能耗。

2、为了实现上述目的，第一方面，本实用新型提供了一种主极板。该主极板应用于电解槽，用于与电极连接，主极板具有相对的两个表面。主极板具有的至少一个表面上同时包括多个凸起结构和多个凹槽结构，多个凸起结构和/或多个凹槽结构间隔分布。位于同一表面的凸起结构和凹槽结构中，处于同一直线的至少两个凸起结构形成一个凸起单元，处于同一直线的至少两个凹槽结构形成一个凹槽单元。沿靠近主极板中心的方向，凸起单元和凹槽单元依次交替分布。与主极板的中心，间距相同的四个凸起单元所在的直线，以及与主极板的中心，间距相同的四个凹槽单元所在的直线分别围合形成四边形，四边形的中心与主极板的中心重合。主极板还具有相对设置的进液端和出液端，四边形中的至少一个夹角与进液端正对。

3、与现有技术相比，本实用新型提供的主极板中，由于多个凸起结构和/或多个凹槽结构间隔分布，此时可以保证电解液在主极板内连续流动。在电解液初速度相同的情况下，相比于现有技术加快了电解液在主极板内的流动速度，提高了主极板内电解液的热交换效率。基于此，可以降低电解小室内的电压，以降低电解能耗。进一步地，电解液在流动的同时会带动制备出的反应气体运动。此时，有利于降低电解小室内的温度，以进一步降低电解能耗。再进一步地，由于主极板包括凸起结构，此时可以增加电极与主极板的接触点。基于此，可以降低传质电阻，提高电流密度，进而可以增加产气量，提高产氢效率。此外，由于四边形中的至少一个夹角与进液端正对，当电解液由进液端进入主极板后，经过主极板的下半部区域迅速向两侧分散至主极板表面。此时，不仅可以避免电解液流速过快，直接沿进液端至出液端的直线方向流到主极板的出液端。同时，还有助于提高位于主极板中心区域两侧的电解液的流动速度，减小电解液低流速区面积。

4、在一种实现方式中，一个表面内凹以在另一个表面上形成凸起结构，其中内凹处形成凹槽结构，凹槽结构与位于同一表面的凸起结构交替分布。

5、采用上述技术方案的情况下，当主极板的一个表面同时具有凸起结构和凹槽结构时，凸起结构可以起到阻碍电解液纵向流动，使电解液横向分流的作用，以降低主极板中心垂直区域内电解液与两侧区域内电解液的速度梯度。即，凸起结构可以使电解液向两侧区域扩散。此时，可以提高电解液分布于主极板表面的均匀性，缩小电解小室内的温差，有利于温度控制，降低电解能耗。进一步地，在电解液流动过程中，电解液从凹槽结构的边缘处至凹槽结构内部会逐渐形成局部涡旋流动，而局部涡旋流动会引导二次流的产生与发展，加剧电解液之间的相互掺混。此时，可以增强电解液的扰动程度，降低速度分布梯度，提高电解液在主极板表面分布的均匀性，进一步提高电解小室的温度均匀性，降低电解能耗。基于此，在凸起结构和凹槽结构的相互配合下，可以降低速度分布梯度，提高电解液分布于主极板表面的均匀性，提高电解小室的温度均匀性，降低电解能耗。

6、在一种实现方式中，相邻凸起结构和凹槽结构之间的间距大于或等于8毫米，且小于或等于20毫米。

7、采用上述技术方案的情况下，相比于现有技术间距减小，此时凸起结构的分布密度增大。因此，在实现主极板和电极直接接触时，凸起结构与电极的总接触面积比现有技术中乳突结构与电极的总接触面积增大。基于此，可以降低传质电阻，提高电流密度，进而可以增加产气量，提高产氢效率。

8、在一种实现方式中，相邻两个凸起结构之间的间距大于或等于8毫米，且小于或等于20毫米。

9、采用上述技术方案的情况下，相比于现有技术间距减小，此时凸起结构的分布密度增大。因此，在实现主极板和电极直接接触时，凸起结构与电极的总接触面积比现有技术中乳突结构与电极的总接触面积增大。基于此，可以降低传质电阻，提高电流密度，进而可以增加产气量，提高产氢效率。

10、在一种实现方式中，与进液端正对的夹角大于或等于30°，且小于或等于90°。和/或，四边形为菱形。和/或，相对设置的凸起单元和凹槽单元相互平行。

11、采用上述技术方案的情况下，当上述三个特征同时存在时，由于四边形为菱形，四边形的中心与主极板的中心重合。过主极板的中心做水平方向的辅助线，平分主极板以及平分菱形。将靠近进液端的部分定义为主极板的下半部区域，靠近出液端的部分定义为主极板的上半部区域。下半部区域具有多个间隔分布，大致呈v形或呈v形的结构，v形结构的开口端朝向主极板的中心。上半部区域也具有多个间隔分布，大致呈v形或呈v形的结构，v形结构的开口端也朝向主极板的中心。

12、在实际工作时，主极板下半部区域形成张开的扇形流场，当电解液由进液端进入主极板后，经过下半部区域的扇形流场迅速向两侧分散至主极板表面。此时，不仅可以避免电解液流速过快，直接沿进液端至出液端的直线方向流到主极板的出液端(即避免电解液沿进液端至出液端的直线方向快速流出)。同时，进液端处流速较快的电解液分散至两侧面，还有助于提高位于主极板中心区域两侧的电解液的流动速度，减小电解液低流速区面积，保证主极板表面电解液流速均匀分布。进一步地，由于四边形为菱形，主极板表面形成的流场在上半部区域与下半部区域对称，即上半部区域呈倒置的扇形流场。此时，有利于将分散在主极板表面的电解液均匀回流至出液端。即，倒置的扇形流场可以引导主极板两侧的电解液快速流出，避免主极板两侧形成电解液滞留区，减小主极板电解液低流速区面积。基于此，不仅对上半部区域流速减慢的电解液有加速效果，减小上下半部区域电解液速度梯度，提高换热电解液在主极板换热效果，主极板表面温度更均匀，缩小电解小室进出口温差，维持电解小室最佳反应温度，降低系统温度调控负荷，避免小室电压升高，避免电解槽整体能耗增大。同时，还有助于反应产生的气泡随电解液快速回流排出，避免聚集，降低传质电阻。

13、在一种实现方式中，上述凸起结构包括：平面和曲面。平面与电极连接，曲面绕平面周向封闭，平面覆盖曲面的一个开口端，曲面的另一个开口端设置于表面。

14、采用上述技术方案的情况下，由于凸起结构包括曲面，且曲面绕平面周向封闭。由此可知，用于形成凸起结构的周向侧面(即曲面)圆润无棱角。在实际工作时，电解液在凸起结构处的扰流作用更顺滑，扰流效果更好，电解液对凸起结构的冲击作用相比于电解液对现有技术的乳突结构的冲击作用减弱，降低了对凸起结构曲面的冲刷腐蚀。进一步地，与现有技术中长方体状的乳突结构相比，本实用新型采用的凸起结构，降低或消除了电解液因冲击凸起结构的曲面形成电解液回流区的概率，以使主极板的表面形成可供电解液均匀扩散的流场。

15、在一种实现方式中，曲面为球体的部分连续区域或椭球体的部分连续区域。此时，绕平面周向封闭后形成的曲面其表面更加圆润，可以进一步提高电解液的扰流作用，进一步降低电解液对凸起结构的冲击作用，进一步降低对凸起结构曲面的冲刷腐蚀。基于此，可以进一步降低或消除电解液因冲击凸起结构的曲面形成电解液回流区的概率，以使主极板的表面形成可供电解液均匀扩散的流场。此外，上述凸起结构的曲面无棱角，在冲压制作过程中不易开裂，有利于批量生产。

16、在一种实现方式中，沿平行于主极板表面的方向，曲面的截面形状包括圆形或椭圆形。

17、在一种实现方式中，上述曲面的截面形状以及平面形状均为圆形时，圆形曲面的直径大于或等于4毫米，且小于或等于12毫米。平面的直径大于或等于1.5毫米，且小于或等于6毫米。平面与主极板的表面之间的垂直距离大于或等于3毫米，且小于或等于6毫米。

18、采用上述技术方案的情况下，由于平面与主极板的表面之间的垂直距离大于或等于3毫米，此时可以确保电解液的通过量满足实际需要，以提高工作效率。由于平面与主极板的表面之间的垂直距离小于或等于6毫米，此时可以减小电流的传输距离，以减小电流的传输电阻。

19、在一种实现方式中，上述曲面的截面形状以及平面形状均为椭圆形时，椭圆形曲面的长轴小于或等于9毫米，曲面的短轴小于或等于5毫米。平面的长轴大于或等于3毫米，且小于或等于7毫米。平面的短轴大于或等于2毫米，且小于或等于5毫米。平面与主极板的表面之间的垂直距离大于或等于3毫米，且小于或等于7毫米。

20、采用上述技术方案的情况下，由于平面与主极板的表面之间的垂直距离大于或等于3毫米，此时可以确保电解液的通过量满足实际需要，以提高工作效率。由于平面与主极板的表面之间的垂直距离小于或等于7毫米，此时可以减小电流的传输距离，以减小电流的传输电阻。

21、进一步地，结合前文描述，由于平面形状为圆形或椭圆形，曲面为球体的部分连续区域或曲面为椭球体的部分连续区域，圆形、椭圆形、球体的部分连续区域和椭球体的部分连续区域均为规则的图形。因此可以采用电镀方式在凸起结构外表面形成镀层，此时可以解决现有技术中因采用化学镀镍的方式在钢板网上形成较薄的镍层导致后期钢板网被腐蚀的问题。换言之，由于凸起结构外表面为规则图形，结构简单，此时有利于在凸起结构外表面形成厚度较厚且均匀的镀层，进而可以降低镀层脱落的概率，降低凸起结构被腐蚀的概率，延长凸起结构的使用寿命。

22、第二方面，本实用新型还提供了一种电解槽。上述电解槽包括电极板和电极。电极板包括主极板和围设于主极板外周的电极框，主极板为上述技术方案所述的主极板。电极与电极板处于组装状态时，电极与电极板相对设置，凸起结构与电极连接，电极所包括的外沿结构与电极框连接。

23、与现有技术相比，本实用新型提供的电解槽的有益效果与上述技术方案所述主极板的有益效果相同，此处不做赘述。