實驗室小型堿性電解槽的設計

 

 圖1：單級單元結構（并聯結構）

 

 圖2：雙極電池結構（串聯結構）

 

關于一些部件的說明：

 

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（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。

 

根據析氧反應（OER），陽極的金屬材料應為鎳(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，但現在由于安全衛生規定，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、磺化聚合物和復合材料為主。復合材料以陶瓷材料或微孔材料為主，如聚醚砜(PES)一種增強、微孔聚合物膜、玻璃增強聚苯硫醚(PPS)化合物、氧化鎳層上用氧化鈦網、鈦酸鉀細孔和以陶瓷為主。隔膜必須保持產品氣體分開，以保持效率和安全。此外，膜片必須對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，它是提高產氫能力的重要材料。電催化劑降低了電化學反應的活化能。在本設計中，為了提高電解過程的效率，采用了電催化劑。一般需要擴散層（鎳網或者多孔鎳等）做支撐體。

 

6.Electrolyte：電解質。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；避免在催化劑區域附近混合產物氣體的作用。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、單極電解槽設計

 

單極結構下，各電解槽并聯，形成電解堆大模塊，如圖1所示。因此，個別電極對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，在這種結構中，相同的電化學反應發生在每個電極的兩側。該反應可以是析氫反應，也可以是析氧反應，這取決于相關電極的極性。

 

1.1.單極堿性電解堆的Solidwork設計

 

堆棧由三個單元組成。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

 

圖4為單極堿性電解堆相應尺寸標準圖。每個單體單體尺寸與二次設計的單體單體堿性電解槽尺寸完全相同。

 

 圖4：單極電解堆標準圖

 

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節。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散層。

 

 圖6：單極堿性電解堆的基本實用部件

 

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

 

在雙極結構中，每個電解槽串聯形成一個電解堆大模塊，如圖2所示。因此，單個電極對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電池的電流。此外，在這種結構中，兩個不同的電化學反應，析氫反應和析氧反應發生在每個電極的兩側。因此，電極的一邊同時作為陰極，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。因為雙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中行進移動的距離。因此，通過減少間隙可以減少電解堆內部的歐姆損失，電極之間的較小間隙對于離子傳輸具有較小的電阻。然而，如果間隙太小，就會可能造成安全危險（可以設計克服）。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設計

 

雙極堿性電解堆的設計和制作工藝比單極電解堆復雜。為了提高電解效率和產物氣體流速，對電集流板板進行了少量改進，該電堆由三個單極單元組成。

 

在雙極結構中，電解質應保持在陽極和陰極之間。因此，雙極板區域必須不受電解液的影響。堆疊內部采用1mm厚的橡膠墊片，防止堆疊內部泄漏。此外，只有陽極和陰極的一側應該與電解質接觸。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銑床。為了增加接觸面積和中間電解質體積，在集流板上設計了寬度為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

 

雙極堿性電解堆標準尺寸圖如圖9所示。特別是在雙極結構中，所有部件的厚度都比單極結構小。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：雙極電解堆標準圖

 

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散層。雙極堿性電解堆的所有實用部件如圖10所示。

 

 圖10：雙極堿性電解堆的基本實用部件

 

最后，將這些實物部件在各層之間保持適當的間距組裝在一起，形成雙極電解堆。圖11用solidworks零件說明了雙極電解堆內部部件的合理布置。

 

 圖11：雙極堿性電解堆的基本SolidWorks部件

 

雙極堿性電解疊加的成品如圖12所示：

 

 圖12：雙極堿性電解堆的成品