實(shí)驗(yàn)室小型堿性電解槽的設(shè)計(jì)

2023-01-05 來源：氫眼所見作者：馬震瀏覽數(shù)：494

通常有兩種堿性電解槽構(gòu)型，即單極電解槽和雙極電解槽。圖1和圖2分別說明了單極和雙極電池配置。其中UM和IM為電解模塊的電壓和電流。

圖1：單級(jí)單元結(jié)構(gòu)（并聯(lián)結(jié)構(gòu)）

圖2：雙極電池結(jié)構(gòu)（串聯(lián)結(jié)構(gòu)）

關(guān)于一些部件的說明：

1.Intermediate base Plate：中間底板（可以和極框組裝或合成到一起）。

2.Bipolar Plate：就是我們通常說的極框。

3.Electrodes（current collector plate）：電極，就是我們通常所說的極板，或者集流板。

析氫反應(yīng)（HER）選擇的材料空間大一些，一般分為以下三類；高過電位金屬:Cd、Ti、Hg、Pb、Zn、Sn等；中等過電位金屬:Fe、Co、Ni、Cu、Au、Ag、W等；低過電位金屬:鉑、鈀等。

根據(jù)析氧反應(yīng)（OER），陽極的金屬材料應(yīng)為鎳(Ni)、鍍鎳鋼或其合金等。一般來說，同樣的材料也可以用作陰極。

***陰極HER，陽極OER***

4.Separating Diaphragm：分離膜或隔膜。分離隔膜用于將陽極和陰極彼此分離。起初，分離隔膜(分離膜)是用石棉制成的，但現(xiàn)在由于安全衛(wèi)生規(guī)定，石棉已不再使用。如今,它們主要以聚苯甲酰亞胺、聚苯硫化物、磺化聚合物和復(fù)合材料為主。復(fù)合材料以陶瓷材料或微孔材料為主，如聚醚砜(PES)一種增強(qiáng)、微孔聚合物膜、玻璃增強(qiáng)聚苯硫醚(PPS)化合物、氧化鎳層上用氧化鈦網(wǎng)、鈦酸鉀細(xì)孔和以陶瓷為主。隔膜必須保持產(chǎn)品氣體分開，以保持效率和安全。此外，膜片必須對(duì)水分子和氫氧根離子具有滲透性。

5.Electrocatalyst：電催化劑（之前有文章介紹過各種電催化劑）。為了提高電解過程的效率，在電解液溶液中加入電催化劑。因此，它是提高產(chǎn)氫能力的重要材料。電催化劑降低了電化學(xué)反應(yīng)的活化能。在本設(shè)計(jì)中，為了提高電解過程的效率，采用了電催化劑。一般需要擴(kuò)散層（鎳網(wǎng)或者多孔鎳等）做支撐體。

6.Electrolyte：電解質(zhì)。堿性一般為25%——30%的(KOH) 或 (NaOH) 的水溶液。

7.Sealing Gasket：密封墊片。具有盡量減少氣體泄漏到外部大氣；盡量減少電解液向外部大氣的泄漏；避免在催化劑區(qū)域附近混合產(chǎn)物氣體的作用。一般采用硅橡膠、三元乙丙、PTFE、PEEK，PPS等材料。

8.End Plate：端板。用來起到兩端固定等作用。

一、單極電解槽設(shè)計(jì)

單極結(jié)構(gòu)下，各電解槽并聯(lián)，形成電解堆大模塊，如圖1所示。因此，個(gè)別電極對(duì)之間的電壓直接等于總電解電堆電壓，電解電堆電流的總和等于總電池電流。此外，在這種結(jié)構(gòu)中，相同的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在每個(gè)電極的兩側(cè)。該反應(yīng)可以是析氫反應(yīng)，也可以是析氧反應(yīng)，這取決于相關(guān)電極的極性。

1.1.單極堿性電解堆的Solidwork設(shè)計(jì)

堆棧由三個(gè)單元組成。另為了提高電解效率，采用多孔不銹鋼集流板代替普通集流板，如圖3所示。

圖3：集流板的改進(jìn)

圖4為單極堿性電解堆相應(yīng)尺寸標(biāo)準(zhǔn)圖。每個(gè)單體單體尺寸與二次設(shè)計(jì)的單體單體堿性電解槽尺寸完全相同。

圖4：單極電解堆標(biāo)準(zhǔn)圖

1.2.單極堿性電解堆的制備

單極堿性電解堆的制作是分析和觀察堆性能的重要環(huán)節(jié)。雙極板和連桿用于連接電池。單極堿性電解堆的SolidWorks基本部件如圖5所示。

圖5：單極堿性電解堆的基本SolidWorks部件

圖6展示了該電解堆的所有實(shí)用部件。采用不透氣的塑料樹脂用作雙極框&中間基板、正極端板的材料。不銹鋼作為集流板。因此，它有助于防止KOH溶液中板的腐蝕作用。采用橡膠類作為密封墊片，多孔鎳板作為氣體擴(kuò)散層。

圖6：單極堿性電解堆的基本實(shí)用部件

單極堿性電解堆的成品如圖7所示。

圖7：單極堿性電解堆的成品

二、雙極堿性電解堆

在雙極結(jié)構(gòu)中，每個(gè)電解槽串聯(lián)形成一個(gè)電解堆大模塊，如圖2所示。因此，單個(gè)電極對(duì)之間的所有電壓之和等于電池的總電壓，電池電流直接等于通過每個(gè)電池的電流。此外，在這種結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)不同的電化學(xué)反應(yīng)，析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng)發(fā)生在每個(gè)電極的兩側(cè)。因此，電極的一邊同時(shí)作為陰極，另一邊作為陽極。

與單極配置相比，雙極配置具有低歐姆損耗。因?yàn)殡p極配置在電極之間的間隙比單極配置小。電極之間的間隙是離子必須在電解質(zhì)中行進(jìn)移動(dòng)的距離。因此，通過減少間隙可以減少電解堆內(nèi)部的歐姆損失，電極之間的較小間隙對(duì)于離子傳輸具有較小的電阻。然而，如果間隙太小，就會(huì)可能造成安全危險(xiǎn)（可以設(shè)計(jì)克服）。因此，保持電極之間的最佳間隙以獲得更好的性能非常重要。

2.1.雙極堿性電解堆的Solidwork設(shè)計(jì)

雙極堿性電解堆的設(shè)計(jì)和制作工藝比單極電解堆復(fù)雜。為了提高電解效率和產(chǎn)物氣體流速，對(duì)電集流板板進(jìn)行了少量改進(jìn)，該電堆由三個(gè)單極單元組成。

在雙極結(jié)構(gòu)中，電解質(zhì)應(yīng)保持在陽極和陰極之間。因此，雙極板區(qū)域必須不受電解液的影響。堆疊內(nèi)部采用1mm厚的橡膠墊片，防止堆疊內(nèi)部泄漏。此外，只有陽極和陰極的一側(cè)應(yīng)該與電解質(zhì)接觸。如單極堆疊中所討論的，采用不銹鋼作為集流板，以避免KOH溶液中集流板的腐蝕作用。集流板的最大厚度選擇為7mm，集流板的加工過程采用工業(yè)銑床。為了增加接觸面積和中間電解質(zhì)體積，在集流板上設(shè)計(jì)了寬度為5mm、深度為2mm的縱向槽（可以做其他型式的流道），如下圖8所示。

圖8：雙極電解堆的集流板

雙極堿性電解堆標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖如圖9所示。特別是在雙極結(jié)構(gòu)中，所有部件的厚度都比單極結(jié)構(gòu)小。例如，在雙極模塊中，中間底板的厚度選擇為12mm。因此，在單極模塊中，厚度選擇為24 mm。

圖9：雙極電解堆標(biāo)準(zhǔn)圖

2.2.雙極堿性電解堆的制作

為了分析和觀察電解堆的性能，電解堆的制作部分是非常重要的。如單極電解堆中所討論的，采用不透氣塑料樹脂作為雙極電解堆的雙極板&中間基板、陽極和陰極端板的材料。采用尼龍網(wǎng)和濾紙作為分離隔膜。此外，橡膠用作密封墊片，多孔鎳板用作氣體擴(kuò)散層。雙極堿性電解堆的所有實(shí)用部件如圖10所示。