实验室小型碱性电解槽的设计

 

 图1：单级单元结构（并联结构）

 

 图2：双极电池结构（串联结构）

 

关于一些部件的说明：

 

1.Intermediate base Plate：中间底板（可以和极框组装或合成到一起）。

 

2.Bipolar Plate：就是我们通常说的极框。

 

3.Electrodes（current collector plate）：电极，就是我们通常所说的极板，或者集流板。

 

析氢反应（HER）选择的材料空间大一些，一般分为以下三类；高过电位金属:Cd、Ti、Hg、Pb、Zn、Sn等；中等过电位金属:Fe、Co、Ni、Cu、Au、Ag、W等；低过电位金属:铂、钯等。

 

根据析氧反应（OER），阳极的金属材料应为镍(Ni)、镀镍钢或其合金等。一般来说，同样的材料也可以用作阴极。

 

***阴极HER，阳极OER***

 

4.Separating Diaphragm：分离膜或隔膜。分离隔膜用于将阳极和阴极彼此分离。起初，分离隔膜(分离膜)是用石棉制成的，但现在由于安全卫生规定，石棉已不再使用。如今,它们主要以聚苯甲酰亚胺、聚苯硫化物、磺化聚合物和复合材料为主。复合材料以陶瓷材料或微孔材料为主，如聚醚砜(PES)一种增强、微孔聚合物膜、玻璃增强聚苯硫醚(PPS)化合物、氧化镍层上用氧化钛网、钛酸钾细孔和以陶瓷为主。隔膜必须保持产品气体分开，以保持效率和安全。此外，膜片必须对水分子和氢氧根离子具有渗透性。

 

5.Electrocatalyst：电催化剂（之前有文章介绍过各种电催化剂）。为了提高电解过程的效率，在电解液溶液中加入电催化剂。因此，它是提高产氢能力的重要材料。电催化剂降低了电化学反应的活化能。在本设计中，为了提高电解过程的效率，采用了电催化剂。一般需要扩散层（镍网或者多孔镍等）做支撑体。

 

6.Electrolyte：电解质。碱性一般为25%——30%的(KOH) 或 (NaOH) 的水溶液。

 

7.Sealing Gasket：密封垫片。具有尽量减少气体泄漏到外部大气；尽量减少电解液向外部大气的泄漏；避免在催化剂区域附近混合产物气体的作用。一般采用硅橡胶、三元乙丙、PTFE、PEEK，PPS等材料。

 

8.End Plate：端板。用来起到两端固定等作用。

 

一、单极电解槽设计

 

单极结构下，各电解槽并联，形成电解堆大模块，如图1所示。因此，个别电极对之间的电压直接等于总电解电堆电压，电解电堆电流的总和等于总电池电流。此外，在这种结构中，相同的电化学反应发生在每个电极的两侧。该反应可以是析氢反应，也可以是析氧反应，这取决于相关电极的极性。

 

1.1.单极碱性电解堆的Solidwork设计

 

堆栈由三个单元组成。另为了提高电解效率，采用多孔不锈钢集流板代替普通集流板，如图3所示。

 

 图3：集流板的改进

 

图4为单极碱性电解堆相应尺寸标准图。每个单体单体尺寸与二次设计的单体单体碱性电解槽尺寸完全相同。

 

 图4：单极电解堆标准图

 

1.2.单极碱性电解堆的制备

 

单极碱性电解堆的制作是分析和观察堆性能的重要环节。双极板和连杆用于连接电池。单极碱性电解堆的SolidWorks基本部件如图5所示。

 

 图5：单极碱性电解堆的基本SolidWorks部件

 

图6展示了该电解堆的所有实用部件。采用不透气的塑料树脂用作双极框&中间基板、正极端板的材料。不锈钢作为集流板。因此，它有助于防止KOH溶液中板的腐蚀作用。采用橡胶类作为密封垫片，多孔镍板作为气体扩散层。

 

 图6：单极碱性电解堆的基本实用部件

 

单极碱性电解堆的成品如图7所示。

 

 图7：单极碱性电解堆的成品

 

二、双极碱性电解堆

 

在双极结构中，每个电解槽串联形成一个电解堆大模块，如图2所示。因此，单个电极对之间的所有电压之和等于电池的总电压，电池电流直接等于通过每个电池的电流。此外，在这种结构中，两个不同的电化学反应，析氢反应和析氧反应发生在每个电极的两侧。因此，电极的一边同时作为阴极，另一边作为阳极。

 

与单极配置相比，双极配置具有低欧姆损耗。因为双极配置在电极之间的间隙比单极配置小。电极之间的间隙是离子必须在电解质中行进移动的距离。因此，通过减少间隙可以减少电解堆内部的欧姆损失，电极之间的较小间隙对于离子传输具有较小的电阻。然而，如果间隙太小，就会可能造成安全危险（可以设计克服）。因此，保持电极之间的最佳间隙以获得更好的性能非常重要。

 

2.1.双极碱性电解堆的Solidwork设计

 

双极碱性电解堆的设计和制作工艺比单极电解堆复杂。为了提高电解效率和产物气体流速，对电集流板板进行了少量改进，该电堆由三个单极单元组成。

 

在双极结构中，电解质应保持在阳极和阴极之间。因此，双极板区域必须不受电解液的影响。堆叠内部采用1mm厚的橡胶垫片，防止堆叠内部泄漏。此外，只有阳极和阴极的一侧应该与电解质接触。如单极堆叠中所讨论的，采用不锈钢作为集流板，以避免KOH溶液中集流板的腐蚀作用。集流板的最大厚度选择为7mm，集流板的加工过程采用工业铣床。为了增加接触面积和中间电解质体积，在集流板上设计了宽度为5mm、深度为2mm的纵向槽（可以做其他型式的流道），如下图8所示。

 

 图8：双极电解堆的集流板

 

双极碱性电解堆标准尺寸图如图9所示。特别是在双极结构中，所有部件的厚度都比单极结构小。例如，在双极模块中，中间底板的厚度选择为12mm。因此，在单极模块中，厚度选择为24 mm。

 

 图9：双极电解堆标准图

 

2.2.双极碱性电解堆的制作

 

为了分析和观察电解堆的性能，电解堆的制作部分是非常重要的。如单极电解堆中所讨论的，采用不透气塑料树脂作为双极电解堆的双极板&中间基板、阳极和阴极端板的材料。采用尼龙网和滤纸作为分离隔膜。此外，橡胶用作密封垫片，多孔镍板用作气体扩散层。双极碱性电解堆的所有实用部件如图10所示。

 

 图10：双极碱性电解堆的基本实用部件

 

最后，将这些实物部件在各层之间保持适当的间距组装在一起，形成双极电解堆。图11用solidworks零件说明了双极电解堆内部部件的合理布置。

 

 图11：双极碱性电解堆的基本SolidWorks部件

 

双极碱性电解叠加的成品如图12所示：

 

 图12：双极碱性电解堆的成品