单极式电解槽结构-氢能源-鹏芃科艺


单极电解槽结构
Monopolar Electrolyzer Structure
通过水电解制氢的装置有多种形式，目前电解槽的结构主要分为箱式水电解槽与压滤式水电解槽。箱式电解槽主要用于电镀、提炼等用途，水电解制氢主要采用压滤式水电解槽，具有效率高、结构紧凑的优点。按电解槽的电气连接方式可分为：单极式水电解槽和双极式水电解槽。从本课件开始将介绍工业生产使用的电解槽的三种基本形式，双极电解槽、单极电解槽、布朗气电解槽。本课件介绍单极电解槽。
1. 单极式电解槽结构原理
在电解水制氢原理课件中介绍了电解槽的最基本组成，在电解池中间有隔膜，两边分别有阳极板与阴极板，电解槽充满电解液。在两个电极通上直流电，在阳极析出氧气，在阴极析出氢气。在实际应用中要增大极板面积来增大出气量，要减小极板的间距来减小电解液的电阻，这样电解池做成扁平状，再把多个扁电解池并起来构成一个大电解槽，单个电解池称为小室。图1是单极电解槽的结构简图。

图1--单极电解槽的结构简图

所有小室共用一个总的电解槽，各小室的电解液通过下方电解液管道流通。图中有6个阳极与5个阴极，阳极与阴极间有隔膜，形成10个小室，每个小室上方有氧气与氢气出气口。所有阳极并联在一起接直流电源正极，所有阴极并联在一起接直流电源负极。接通电源后，在阳极板析出氧气，在阴极板析出氢气。由于阳极板在相邻两个小室都是阳极，阴极板在相邻两个小室都是阴极，每个极板正反面都是同一极性，这种电解槽称为单极式电解槽。

2. 单极式电解槽主要部件

下面通过一个单极式电解槽模型介绍主要部件与组装。

单极式电解槽主要由缸框、电极板、隔膜、密封垫圈、端板等组成，见图2

图2--单极电解槽的主要部件

2.1. 缸框

缸框是一段圆管，多个缸框叠在一起，形成电解槽的外缸。缸框采用有一定强度的绝缘材料或金属材料（耐腐蚀）制成。

在缸框上有一个通孔（出气孔），是用来输出电解液析出的气体，见图3

图3--单极电解槽部件-缸框

2.2. 电极板

本模型的极板采用镀镍铁板制成（图中用黄色表示）。

单极电解槽阴极板与阳极板外形相同，只是叠装的方向不同。极板的外形与缸框外圆相同，在极板下侧方有电极接线端，在极板上方有气体通孔，在极板下方有电解液通孔。

阴极板 电解槽的阴极板有电极接线端，用来接直流电源负极。极板上方有气体通孔，析出的氢气由此通过，极板下方有电解液通孔。见图2

阳极板 电解槽的阳极板有电极接线端，用来接直流电源正极。极板上方有气体通孔，析出的氧气由此通过，极板下方有电解液通孔。见图2

阴极板与阳极板外形相同，根据设计可以采用不同材料。

2.3. 隔膜

阴极板与阳极板中间有隔膜，隔膜防止小室两侧产生的氢气与氧气混合。所以隔膜不允许气体通过，对电解液有适当的渗透性，对离子的电阻要小，本模型的隔膜采用石棉制成。隔膜外形与缸框外圆相同，在下方有电解液通道孔，通道孔位置与极板电解液通孔对应。

2.4. 密封垫圈

为保证电解槽的密封性能，防止电解液泄露，在极板、缸框、隔膜之间使用密封垫圈，垫圈采用耐腐蚀、绝缘性好、性能稳定的橡胶产品（如EPDM橡胶）制作。垫圈外圈与缸框外圈相同，垫圈内圈与缸框内圈相同。

本模型采用两种厚度的密封垫圈，在极板与隔膜之间采用厚垫圈，为了减小极板析出的气体阻力，有较宽的上升通道。其他部件之间采用薄垫圈。

2.5. 端板

在电解槽的两端有端板，端板上有8个安装孔，端板下方有电解液输入口，端板用高强度绝缘材料制成，厚而结实。

2.6. 安装螺栓

采用安装螺栓把两个端板间的部件压紧，安装螺栓套有绝缘套管。

3. 单极式电解槽组装

把端板、薄密封垫、缸框、薄密封垫、阴极板，厚密封垫，隔膜，薄密封垫、缸框、薄密封垫、阳极板叠装在一起。每两个极板间是一个小室，小室中间是隔膜。图4是左端第一个小室的部件排列顺序图，注意部件的方向。缸框的出气孔朝上。

图4--单极电解槽部分部件排列图

把图4中的部件叠在一起，见图5

图5--单极电解槽部分部件叠装

把模型全部部件叠装起来，组成单极电解槽，各小室的阴极电源端在前面，见图6

图6--单极电解槽全部部件叠装

把单极电解槽水平旋转180度，各小室的阳极电源端在前面，见图7

图7--单极电解槽阳极面

安装螺栓套上绝缘套管，插入两边端板的安装孔，拧上螺帽。8根螺栓装好后，拧紧所有螺帽，可放弹簧垫（图中没有）加强密封性。图8

图8--用螺栓压紧电解槽

在电解槽端板电解液输入口装上电解液输入管。在电解槽上方缸框出气孔连接氢气出气管，共4根并联输出，见图9

图9--单极电解槽连接氢气输出管

在电解槽上方缸框出气孔连接氧气出气管，共3根并联输出，见图10

图10--单极电解槽连接氧气输出管

用铜螺栓把电解槽下侧方的4个阴极电源端连接起来，用螺帽夹紧电极电源端。见图11

图11--单极电解槽安装阴极电源螺栓

用另一根铜螺栓把电解槽下侧方的3个阳极电源端连接起来，用螺帽夹紧电极电源端。见图12

图12--单极电解槽安装阳极电源螺栓

下面一段动画显示单极式电解槽模型组装过程

单极式电解槽模型组装动画

4. 单极式电解槽气液走向

下面通过单极式电解槽模型的剖面简图来解释电解生成气体的走向，见图13。

该电解槽有6个小室，每个小室两侧有极板，中间有隔膜。从端板电解液输入口输入电解液，由于极板与隔膜下方都有电解液通孔，充满电解槽。4个阴极板接直流电源负极，3个阳极板接直流电源正极。

在电解槽内充满电解液（氢氧化钠或氢氧化钾水溶液），接通电源后，在阴极板两面析出氢气，在阳极板两面析出氧气。阴极板左侧析出的氢气由缸框上方出气孔输出，阴极板右侧析出的氢气通过阴极板上方气体通孔到极板左侧，由缸框上方出气孔输出。阳极板左侧析出的氧气由缸框上方出气孔输出，阳极板右侧析出的氧气通过阳极板上方气体通孔到阳极板左侧，由缸框上方出气孔输出。

图13--单极电解槽工作原理

由于电解时会使碱液温度升高，为了保持碱液在85度至90度之间（最佳电解温度），碱液是循环流动的。碱液由循环泵打入电解槽，输出的是气液混合液，通过气液分离器把气体分离出来，剩下的碱液经冷却再由循环泵打入电解槽，有关工艺见电解水制氢系统课件。

本模型仅作单极式电解槽基本结构参考。为了显示清楚，部件厚度尺寸有放大（不同材料的隔膜厚度差别也较大）。部件色彩仅为表示清晰而定，与部件原色无关。


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双极式电解槽氧气与电解液走向图