一种模块化PEM纯水电解槽及其氢氧制备方法

技术领域

本发明涉及一种氢氧发生装置，特别涉及到一种模块化PEM纯水电解槽，及其氢氧制备方法。

背景技术

随着氢能源的发展，制氢技术也在不断创新和改进，其技术方法多种多样，但为可持续发展和工业开发而言，相较于其他技术，最优选的还是电解水法，电解水法有着很好的应用前景，通过利用电解的原理将水分解成氢气和氧气，可实现环保、零排放及可循环利用等优点。

目前，水电解法往往是通过多组膜电极组成的电解槽制氢方法，在现有技术中存在至少两点缺点：其一，该技术没有可检测电压部分，传统的PEM电解槽检测方法通常是离线检测，即人工停止电解槽的工作，取出膜电极进行检测和分析，从而判断膜电极的使用寿命；其二，其结构比较复杂，不便于拆装和维修，一组膜电极的拆装和维修可能会使多组或一整个装置的报废或损坏,该装置本身制造成本较高，造成的损失较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种模块化PEM纯水电解槽，其结构简单合理，可实现一模块化结构，便于维修、更换及装配,并解决以往因一组膜电极的损坏导致多组或整个装置报废或损坏的情况，提高了产值，且设有的检测端子，能够检测膜电极的工作电压，判断膜电极的使用寿命，取代以往没有检测电压的功能，使工作更为稳定；为此，本发明还要提供一种氢氧制备方法。

为解决上述问题所在，本发明提供以下技术方案：

一种模块化PEM纯水电解槽，包括两固定端板以及设置在两固定端板之间的正极接线板和负极接线板，正极接线板和负极接线板之间设置有至少两组极框组件,两组极框组件之间设置有双极板，双极板外侧壁设置有检测端子，极框组件具有中部开口以及设置在中部开口的钛毡和钛网，中部开口边缘设置有环形的凸部，凸部外侧壁开设有环形的凹槽，所述钛毡和钛网通过卡接所述凹槽形成一模块，正极接线板和负极接线板与两固定端板之间设置有绝缘垫，所述一固定端板具有多个连接孔。

进一步的，所述的两固定端板、正极接线板、负极接线板、极框组件以及双极板均开设有多个固定孔并通过适配固定孔的锁紧配件固定在一起，所述锁紧配件包括锁紧螺杆和锁紧螺母，所述锁紧螺杆的杆部表面覆盖有绝缘层。

进一步的，所述多个连接孔均匀排布在所述一固定端板的边沿，所述多个固定孔均匀排布在所述两固定端板、正极接线板、负极接线板、极框组件以及双极板的边沿并与均匀排布的所述多个连接孔形成一矩形口状。

进一步的，所述极框组件包括阳极框和阴极框，所述阳极框与阴极框均具有一邻近所述中部开口处的水体通孔以及区分于水体通孔的气体通孔，所述水体通孔设置在中部开口的一对对角位置，气体通孔设置在中部开口的另一对对角位置，并与中部开口隔开，所述阳极框和阴极框之间设置有膜电极，所述阳极框和阴机框的两表面还开设有密封槽，所述密封槽贴合有适配的密封件，所述密封件包围所述中部开口、水体通孔以及气体通孔。

进一步的，所述两固定端板包括阳极固定端板与阴极固定端板，所述阳极固定端板具有多个连接孔，所述正极接线板和负极接线板、极框组件以及双极板均设置有多个连通水体通孔和气体通孔的多个输入输出口，所述多个输入输出口连通所述阳极固定端板的多个连接孔。

进一步的，所述钛毡和钛网的外轮廓尺寸与中部开口的外轮廓尺寸相同并小于所述膜电极的外轮廓尺寸，所述膜电极的外轮廓尺寸小于或等于所述密封槽的外轮廓尺寸。

进一步的，所述钛毡为耐腐蚀和耐高温的纤维金属薄片，所述钛网为耐高温和耐腐蚀的金属网片；所述密封件为耐氧化、耐腐蚀和耐高温的密封胶条。

进一步的，所述钛毡边缘外侧壁设置有环形的钛毡凸起部，所述钛网边缘外侧壁设置有环形的钛网凸起部，所述钛网凸起部与钛网凸起部相邻设置并与所述凹槽适配。

进一步的，所述水体通孔处开设有通水槽，所述通水槽上端设置有盖板，所述盖板下端位于通水槽处设置有单向阀片,所述单向阀片包括横向部以及与横向部相连接的N个等间隔竖向阀片。

进一步的，一种模块化PEM纯水电解槽的氢氧制备方法，包括以下步骤：

a.制备合金固定端板，两固定端板为一组，沿两固定端板的板面边沿开设多个均匀排布的固定孔，于其中一固定端板的边沿的预定位置开设4个连接孔，分别对应氢气输出连接孔、氧气输出连接孔、注水输入连接孔及注水输出连接孔，在氢气输出连接孔、氧气输出连接孔、注水输入连接孔和注水输出连接孔处均安装有接头，制得阳极固定端板，另一固定端板为阴极固定端板；

b.制备正极接线板和负极接线板，用于与绝缘垫相贴合，正极接线板和负极接线板的两板面均为完整平面且外侧面设置有一正极接线端子和一负极接线端子；

c.制备极框组件，极框组件可分为阳极框和阴极框，其结构相同，阳极框与阴极框的中部均开设一与钛毡及钛网尺寸适配的开口，并在开口边缘处延伸出一环形的凸部，在凸部外侧壁开设有可卡住钛毡和钛网的凹槽，在开口两对对角位置开设连通氢气输出连接孔、氧气输出连接孔、注水输入连接孔及注水输出连接孔的水体通孔以及区别于水体通孔的气体通孔，气体通孔与开口隔开，水体通孔连通开口，并在水体通孔连通开口处开设有通水槽，在通水槽上端放置有单向阀片以及可压住单向阀片的盖板，其中水体通孔连通注水输入连接孔和注水输出连接孔，气体通孔连通氧气输出连接孔和氢气输出连接孔；在阳极框和阴极框的两表面开均设包围中部开口、水体通孔和气体通孔的密封槽，并制备适配该密封槽的密封件，制得阳极框和阴极框，其中密封件为耐氧化、耐腐蚀和耐高温的密封胶条，单向阀片为耐腐蚀和耐氧化的弹性胶片，其厚度为0.04-0.08mm。

d.制备绝缘垫，绝缘垫为绝缘材料，设置在正极接线板和负极接线板与两固定端板的接触面之间，并在正极接线端子和负极接线端子处延伸出一遮挡片。

e.制备钛毡和钛网，在钛毡和钛网的外侧壁周围均设置有相邻的钛毡凸起部和钛网凸起部，且两凸起部可容置于凹槽中。

f.预备膜电极，将膜电极固定于阳极框与阴极框之间，在膜电极的两面均设置有钛毡和钛网。

g.首先将钛毡凸起部和钛毡凸起部卡入阳极框或阴极框形成一模块结构，再将阳极框、阴极框夹住膜电极合并形成一极框组件，随后将绝缘垫、正极接线板、极框组件、双极板、另一极框组件、负极接线板以及另一绝缘垫依次对应贴合，再使用两固定端板通过锁紧配件的锁紧螺杆和锁紧螺母锁紧，锁紧螺杆的杆部分别与绝缘垫、正极接线板、极框组件、双极板、负极接线板绝缘紧固接触。

h.制得一种模块化PEM纯水电解槽；

i.将阳极固定端板朝下放置，将注水连接孔连通纯水源，将正极接线板以及负极接线板接通电源，纯水电解制得氢气和氧气。

有益效果：本发明设计的极框组件通过凹槽与钛毡及钛网卡接实现模块化结构，其结构简单，便于拆装和维修，能够解决以往因一组膜电极损坏导致多组或整个装置损坏情况，提高了产值，其设有的凸部具有良好的密封性和承压性，能够保护膜电极不被压坏和刺激，设有的检测端子，能够实时监测膜电极的状态，取代了传统检测方法带来的实验困难和浪费，有效保证工作的高效性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明正极接线板、负极接线板、极框组件、密封件、钛网、钛毡及膜电极的分解图；

图3为本发明阳极框、钛毡及钛网的分解图；

图4为本发明阳极框的结构示意图，以及局部放大图；

图5为本发明阳极框、钛毡及钛网的局部剖面图；

图6为图5的A处正视图。

其中：固定端板1、正极接线板2、负极接线板3、极框组件4、膜电极5、绝缘垫6、连接孔7、固定孔8、双极板9、阳极固定端板11、阴极固定端板12、正极接线端子21、负极接线端子31、通水槽40、阳极框41、阴极框42、密封槽43、单向阀片50、斜凸部51、竖向阀片52、盖板53、遮挡片61、检测端子91、中部开口401、凸部402、凹槽403、水体通孔404、气体通孔405、钛毡410、钛毡凸起部411、钛网420、钛网凸起部421、密封件430。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

如图1-6所示，本发明一种模块化PEM纯水电解槽，包括两固定端板1以及设置在两固定端板1之间的正极接线板2和负极接线板3，正极接线板2和负极接线板3之间设置有两组的极框组件4,两组极框组件4之间对应设置有1个双极板9，双极板9外侧壁设置有1个检测端子91，该检测端子91能够监测膜电极5的状态，有助于保证电解槽工作的高效性和稳定性；极框组件4具有一中部开口401以及设置在中部开口401的钛毡410和钛网420，所述中部开口401边缘设置有环形的凸部402，该凸部402可为膜电极5、钛毡410和钛网420提供大面积水流，使膜电极5、钛毡410和钛网420水电解反应更为高效，且凸部402具有良好的密封性和承压性，能够保护膜电极5不被压坏和刺激；所述凸部402外侧壁开设有环形的凹槽403，所述钛毡410和钛网420通过卡接所述凹槽403形成一模块，正极接线板2和负极接线板3与两固定端板1之间设置有绝缘垫6，所述一固定端板1具有4个连接孔7；其中，钛毡410、钛网420能够承受反应过程中产生的气体压力和腐蚀，同时实现高效的电解反应和导电通透性，设有的绝缘垫6可使两固定端板1与正极接线板2和负极接线板3绝缘设置。

优选地，所述的两固定端板1、正极接线板2、负极接线板3、极框组件4以及双极板9均开设有10个固定孔8并通过适配固定孔8的锁紧配件固定在一起，所述锁紧配件(图中未示)包括锁紧螺杆和锁紧螺母，所述锁紧螺杆的杆部表面覆盖有绝缘层(图中未示)，该绝缘层可避免正极接线板2和负极接线板3之间的电传导和出现短接，为一种安全设计，结构可靠合理。

优选地，所述4个连接孔7均匀排布在所述一固定端板1的边沿，所述多个固定孔8均匀排布在所述两固定端板1、正极接线板2、负极接线板3、极框组件4以及双极板9的边沿并与均匀排布的所述4个连接孔7形成一矩形口状。

优选地，所述极框组件4包括阳极框41和阴极框42，所述阳极框41与阴极框42均具有一邻近所述中部开口401处的水体通孔404以及区分于水体通孔404的气体通孔405，所述水体通孔404设置在中部开口401的一对对角位置，气体通孔405设置在中部开口401的另一对对角位置，并与中部开口401隔开，所述阳极框41和阴极框42之间设置有膜电极5，所述阳极框41和阴机框的两表面还开设有密封槽43，所述密封槽43贴合有适配的密封件430，所述密封件430包围所述中部开口401、水体通孔404以及气体通孔405,该密封件430并配合正极接线板2和负极接线板3以及双极板9使包围的中部开口401、水体通孔404以及气体通孔405形成一密封空间。

设计的固定孔8设置在设定好的远离密闭空间并靠近固定端板1边沿处，较佳的，阳极框41和阴极框42为PPSU或PEI材料，耐高温耐腐蚀性能好，并且结构上具有良好的承压性能。

优选地，所述两固定端板1包括阳极固定端板11与阴极固定端板12，所述阳极固定端板11具有4个连接孔7，所述正极接线板2和负极接线板3、极框组件4以及双极板9均设置有多个连通水体通孔404和气体通孔405的4个输入输出口，所述4个输入输出口连通所述阳极固定端板11的4个连接孔7。

优选地，所述钛毡410和钛网420的外轮廓尺寸与中部开口401的外轮廓尺寸相同并小于所述膜电极5的外轮廓尺寸，所述膜电极5的外轮廓尺寸小于或等于所述密封槽43的外轮廓尺寸；较佳的，所述钛毡410为耐腐蚀和耐高温的纤维金属薄片，所述钛网420为耐高温和耐腐蚀的金属网片；所述密封件430为耐氧化、耐腐蚀和耐高温的密封胶条。

优选地，所述钛毡410边缘外侧壁设置有环形的钛毡凸起部411，所述钛网420边缘外侧壁设置有环形的钛网凸起部421，所述钛网凸起部411与钛网凸起部421相邻设置并与所述凹槽403适配。

优选地，所述水体通孔40处开设有通水槽40，所述通水槽40上端设置有盖板53，所述盖板53下端位于通水槽40处设置有单向阀片50，所述单向阀片50包括横向部51以及与横向部51相连接的4个等间隔竖向阀片52，盖板53压住单向阀片50的横向部51，竖向阀片52容置于通水槽40处，通过竖向阀片52可抑制纯水回流，其中单向阀片50为耐腐蚀和耐氧化的弹性硅胶材料，可防止盖板53压住横向部51出现脱落。

优选地，一种模块化PEM纯水电解槽的氢氧制备方法，包括以下步骤：

a.制备合金固定端板，两固定端板1为一组，沿两固定端板1的板面边沿开设多个均匀排布的固定孔8，于其中一固定端板1的边沿的预定位置开设4个连接孔7，分别对应氢气输出连接孔、氧气输出连接孔、注水输入连接孔及注水输出连接孔，在氢气输出连接孔、氧气输出连接孔、注水输入连接孔和注水输出连接孔处均安装有接头(图中未示)，接头71连接有收集管并连通收集器(图中未示)，制得阳极固定端板11，另一固定端板1为阴极固定端板12；

b.制备正极接线板2和负极接线板3，用于与绝缘垫6相贴合，正极接线板2和负极接线板3的两板面均为完整平面且外侧面设置有一正极接线端子21和一负极接线端子31；

c.制备极框组件4，极框组件4可分为阳极框41和阴极框42，其结构相同，阳极框41与阴极框42的中部均开设一与钛毡410及钛网420尺寸适配的开口，并在开口边缘处延伸出一环形的凸部402，在凸部402外侧开设有可卡住钛毡410和钛网420的环形的凹槽403，在开口两对对角位置开设连通氢气输出连接孔、氧气输出连接孔、注水输入连接孔及注水输出连接孔的水体通孔404以及区别于水体通孔404的气体通孔405，气体通孔405与开口隔开，水体通孔404连通开口，并在水体通孔404连通开口处开设有通水槽40，在通水槽上端放置有单向阀片50以及可压住单向阀片50的盖板53，其中，水体通孔404连通注水输入连接孔和注水输出连接孔，气体通孔405连通氧气输出连接孔和氢气输出连接孔；在阳极框41和阴极框42的两表面开均设包围中部开口401、水体通孔404和气体通孔405的密封槽43，并制备适配该密封槽43的密封件430，制得阳极框41和阴极框42，其中密封件430为耐氧化、耐腐蚀和耐高温的密封胶条，单向阀片50为耐腐蚀和耐氧化的弹性胶片，其厚度为0.06mm。

d.制备绝缘垫6，绝缘垫6为绝缘材料，设置在正极接线板2和负极接线板3与两固定端板1的接触面之间，并在正极接线端子21和负极接线端子31处延伸出一遮挡片61。

e.制备钛毡410和钛网420，在钛毡410和钛网420的外侧壁周围均设置有相邻的钛毡凸起部411和钛网凸起部421，且两凸起部可容置于凹槽403中。

f.预备膜电极5，将膜电极5固定于阳极框41与阴极框42之间，在膜电极5的两面均设置有钛毡410和钛网420。

g.首先将钛网凸起部421和钛毡凸起部411卡入阳极框41或阴极框42形成一模块结构，再将阳极框41、阴极框42夹住膜电极5合并形成一极框组件4，随后将绝缘垫6、正极接线板2、极框组件4、双极板9、另一极框组件4、负极接线板3以及另一绝缘垫6依次对应贴合，再使用两固定端板1通过锁紧配件(图中未示)的锁紧螺杆和锁紧螺母锁紧，锁紧螺杆的杆部分别与绝缘垫6、正极接线板2、极框组件4、双极板9、负极接线板3绝缘紧固接触。

h.制得一种模块化PEM纯水电解槽；

i.将阳极固定端板111朝下放置，将注水连接孔连通纯水源，将正极接线板2以及负极接线板3接通电源，纯水电解制得氢气和氧气。

其中，根据使用需要，可通过增加极框组件4的数量，进而大幅提升制氢制氧量。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列应用，其完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限定特定的细节和这里示出与描述的图例。