一种夹具式环形流道设计氨气电解槽装置

技术领域

本发明涉及一种气体电解槽设备，尤其是一种夹具式环形流道设计氨气电解槽装置。

背景技术

在能源可持续发展的未来，氢是一种很有前途的能源载体。在燃料电池中，氢的化学能可以高效率地转换为有用的电功，而氢气在燃料电池中使用时产生的唯一排放物是水。然而，氢的体积能量密度低，燃点低，并且缺乏广泛的存储和输运基础设施。这些挑战使各国政府重新考虑氢燃料电池的发展。因此，燃料电池技术的环境效益的实现很大程度上依赖于找到可行的氢存储和输运解决方案。氨被认为是理想的氢载体。氨分子重量轻，相对而言不易燃烧，易于液化，商业上可以大量生产，并且可以利用现有的输运基础设施(Krystina E.Lamb等.Ammonia for hydrogen storage；A review of catalytic ammoniadecomposition and hydrogen separation and purification.International Journalof Hydrogen Energy,2019,Volume 44,Issue 7,3580-3593)。现有的气体电解槽往往采用整体大空间的电解室，这种电解室会导致气体扩散不充分，从而无法充分利用电解电极的有效工作面积；在传统的电解槽中，如果电解室体积太大，进气的流速太慢会使得气体无法充分填充整个电解室，而流速太快会使气体在电解室内滞留时间减少，从而降低反应气体的利用效率，因此现有的电解槽均只有较小的电解室体积，因此有效电极工作面积较少；另外，现有的电解槽封装复杂，难以密封，或者一次性密封后难以拆卸更换电极与电解质。

发明内容

为了克服现有技术中电解室气体扩散不充分、电解室体积太小、难以封装和难以拆卸以更换电极与电解质的问题，本发明的目的是提供一种夹具式环形流道设计氨气电解槽装置，该装置将反应气体充分分布在电解槽内充分接触电极并延长反应气体在电解槽内的滞留时间，从而提高电解槽对反应器的不同流量的适应情况，同时增加反应气体的转化率。同时，通过夹具固定上下单极板的相对位置，解决了传统电解槽封装复杂且封装后难以更换电极和电解质的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种夹具式环形流道设计氨气电解槽装置，包括相配合的上单极板和下单极板，上单极板和下单极板之间设置有电池；上单极板的顶面设置有上单极板进气管和上单极板尾气管，上单极板的底面开设有上单极板进气孔和上单极板尾气回收孔；上单极板进气管与上单极板进气孔在上单极板内部相通，上单极板尾气管与上单极板尾气回收孔相连通；

下单极板的顶面设置有下单极板进气管和下单极板尾气管，下单极板顶部设置有下单极板进气孔和下单极板尾气回收孔，下单极板进气管与下单极板进气孔在下单极板内部相通，下单极板尾气管与下单极板尾气回收孔相连通；

上单极板上方设置有夹具，上单极板进气管、上单极板尾气管、下单极板进气管和下单极板尾气管穿过夹具；

上单极板底面还上设置有环形上单极板外壁和至少层环形间隔件，环形间隔件位于上单极板外壁内，并且上单极板外壁与环形间隔件同轴设置，环形间隔件上开设有气体流通口，上单极板外壁和环形间隔件形成上单极板气体流道；

下单极板顶面上设置有与上单极板上的上单极板气体流道结构相同的下单极板气体流道。

进一步的，夹具为绝缘木夹具，夹具包括相配合的上绝缘木夹具和下绝缘木夹具，上绝缘木夹具和下绝缘木夹具上开设有用于上单极板进气管、上单极板尾气管、下单极板进气管和下单极板尾气管穿过的管道孔。

进一步的，上绝缘木夹具侧壁上开设有第一螺纹孔和第二螺纹孔，第一螺纹孔和第二螺纹孔内设置有用于与下单极板尾气管和下单极板进气管紧固在一起的第一组螺钉，下绝缘木夹具侧壁上开设有第三螺纹孔和第四螺纹孔，第三螺纹孔和第四螺纹孔内设置有用于与上单极板进气管和上单极板尾气管紧固在一起的第二组螺钉。

进一步的，上绝缘木夹具和下绝缘木夹之间设置有弹簧或微型液压装置。

进一步的，上单极板进气孔位于上单极板的中间位置，上单极板尾气回收孔位于上单极板进气孔一侧；下单极板进气孔位于下单极板中间位置，下单极板尾气回收孔位于下单极板进气孔一侧。

进一步的，上单极板尾气回收孔尺寸小于上单极板进气孔尺寸；下单极板尾气回收孔尺寸小于下单极板进气孔尺寸。

进一步的，环形间隔件材料为导电材料，上单极板和下单极板材料均为1Cr18Ni9Ti。

进一步的，环形间隔件上气体流通口开设在环形间隔件的相对位置，以增加气体流动距离。

进一步的，下单极板上环形间隔件为层时，环形间隔件从内向依次为第一间隔件、第二间隔件与第三间隔件，第一间隔件上开设有第一上单极板流道口，第二间隔件上开设有第二上单极板流道口，第三间隔件上开设有第三上单极板流道口，第一上单极板流道口、第二上单极板流道口与第三上单极板流道口沿径向设置，并且位于同一直径上，且第二上单极板流道口与第一上单极板流道口的距离为第一间隔件的半径与第二间隔件的半径之和；第三上单极板流道口与第一上单极板流道口的距离为第三间隔件半径与第一间隔件半径之差；每层环形导电材料间隔件的环形导电材料的厚度相同。

进一步的，上单极板进气孔位于第一间隔件内，上单极板进气孔、第一上单极板流道口与上单极板尾气回收孔位于同一直径上，上单极板进气孔与第一上单极板流道口距离最远，上单极板尾气回收孔设置在最外层流道内，且远离第一上单极板流道口的位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明气体电解槽采用环形流道设计，将反应气体充分分布在电解室内充分接触电极并延长反应气体在电解室内的滞留时间，从而提高电解槽对反应器的不同流量的适应情况，同时增加反应气体的转化率，解决了传统电解槽封装复杂且封装后难以更换电极和电解质的问题。解决了现有气体电解槽中电解室气体扩散不充分、电解室体积太小的问题，有效的增加了气体反应物在电解槽内的停留时间，使反应气体充分接触电极，并能够最大化的利用电极面积。并且利用顶杆螺丝固定和夹具式的设计，解决了现有技术难以封装和难以拆卸以更换电极与电解质，实现了电极和电解质的快速方便的拆装和更换。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明整体示意图；

图2为从斜下方观察上单极板的示意图；

图3为从上方观察下单极板的示意图；

图4为上单极板和下单极板的剖面图。

图5为绝缘木夹具的示意图；

图中，1为下单极板尾气管，2为上单极板进气管，3为下单极板，4为上单极板，5为下单极板进气管，6为上单极板尾气管，7为夹具，8为第一组螺钉，9为压缩弹簧，10为第二组螺钉，11为第一焊点，12为第三上单极板流道口，13为第一上单极板流道口，14为上单极板进气孔，15为上单极板气体流道，16为第二上单极板流道口，17为上单极板尾气回收孔，18为上单极板外壁，19为下单极板外壁，20为第一下单极板流道口，21为第三下单极板流道口，22为下单极板进气孔，23为第二焊点，24为下单极板尾气回收孔，25为第二下单极板流道口，26为弹簧凹槽，27为第一螺纹孔，28为第二螺纹孔，29为管道孔，30为第三螺纹孔，31为第四螺纹孔。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以多种不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

另外，本发明中的元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参见图1-图5，本发明的一种夹具式环形流道设计氨气电解槽装置，包括上单极板4和下单极板3；上单极板4的顶面设置有上单极板进气管2和上单极板尾气管6，上单极板4的底面开设有上单极板进气孔14和上单极板尾气回收孔17；上单极板进气孔14位于中间位置，上单极板尾气回收孔17位于上单极板进气孔14一侧；上单极板进气管2与上单极板进气孔14在上单极板4内部是相通的，上单极板尾气管6与上单极板尾气回收孔17相连通，上单极板尾气回收孔17尺寸小于上单极板进气孔14尺寸。

参见图1，下单极板3的顶面设置有下单极板进气管5和下单极板尾气管1，下单极板3顶部中间部分也设置有下单极板进气孔22和下单极板尾气回收孔24。下单极板进气管5与下单极板进气孔22在下单极板3内部是相通的，下单极板尾气管1与下单极板尾气回收孔24相连通，下单极板尾气回收孔24尺寸小于下单极板进气孔22尺寸。

上单极板4上方设置有夹具7，上单极板进气管2、上单极板尾气管6、下单极板进气管5和下单极板尾气管1均穿过夹具7。

上单极板4底面(即与电极接触一侧)还上设置有环形上单极板外壁18和至少3层环形间隔件，若干环形间隔件位于上单极板外壁18内，并且上单极板外壁18与环形间隔件同轴设置。上单极板外壁18和若干环形间隔件形成上单极板气体流道15。上述上单极板4和下单极板3内均设有n层循环流道，由n-1层内径从小到大的环形间隔件而成，环形间隔件材料为导电材料。上单极板4与上单极板气体流道15形成电解槽。参见图2，环形间隔件上气体流通口开设在环形间隔件的相对位置，以增加气体流动距离，从而增加气体与电解质的接触面积以及在电解室内的滞留时间。上述上单极板4和下单极板3材料均为1Cr18Ni9Ti。

本发明中以3层环形导电材料间隔件为例进行说明，3层环形导电材料间隔件从内向依次为第一间隔件、第二间隔件与第三间隔件，第一间隔件上开设有第一上单极板流道口13，第二间隔件上开设有第二上单极板流道口16，第三间隔件上开设有第三上单极板流道口12，第一上单极板流道口13、第二上单极板流道口16与第三上单极板流道口12沿径向设置，并且位于同一直径上，且第二上单极板流道口16与第一上单极板流道口13的距离为第一间隔件的半径与第二间隔件的半径之和。第三上单极板流道口12与第一上单极板流道口13的距离为第三间隔件半径与第一间隔件半径之差。每层环形导电材料间隔件的环形导电材料的厚度均相同。

上单极板进气孔14位于第一间隔件内，即设置在上单极板4的最内层流道内且远离第一上单极板流道口13的位置，上单极板进气孔14、第一上单极板流道口13与上单极板尾气回收孔17位于同一直径上，上单极板进气孔14与第一上单极板流道口13距离最远。上单极板尾气回收孔17设置在最外层流道内(即第三间隔件与上单极板外壁18之间)且远离第一上单极板流道口13的位置。

参见图3，下单极板3上设置有环形下单极板外壁19和至少3层环形间隔件，环形间隔件的材料为导电材料，环形间隔件设置在下单极板外壁19内，并且下单极板外壁19与环形间隔件同轴设置。下单极板外壁19与环形间隔件形成气体流道。下单极板3中开孔与上单极板4类似：本发明中以3层环形导电材料间隔件为例进行说明，3层环形导电材料间隔件从外向内依次为第一间隔件、第二间隔件与第三间隔件，第一间隔件上开设有第一下单极板流道口20，第二间隔件上开设有第二下单极板流道口25，第三间隔件上开设有第三下单极板流道口21，第一上单极板流道口13、第二上单极板流道口16与第三上单极板流道口12沿径向设置，并且位于同一直径上，且第二上单极板流道口16与第三上单极板流道口12的距离为第二间隔件的半径与第三间隔件的半径之和。第一上单极板流道口13与第三上单极板流道口12的距离为第三间隔件的半径与第一间隔件的半径之差。

下单极板3顶面上的若干流道与上单极板4上的若干流道结构相同，并且对称设置。

参见图1和图5，夹具7为绝缘木夹具，夹具7包括结构相同且相配合的上绝缘木夹具和下绝缘木夹具，上绝缘木夹具侧壁上在合适位置开设有第一螺纹孔27和第二螺纹孔28，第一螺纹孔27和第二螺纹孔28内设置有用于与下单极板尾气管1和下单极板进气管5紧固在一起的第一组螺钉8(第一组螺钉8为顶杆螺丝)，同时上绝缘木夹具侧壁上开设有第三螺纹孔30和第四螺纹孔31，第三螺纹孔30和第四螺纹孔31内设置有用于与上单极板进气管2和上单极板尾气管6紧固在一起的第二组螺钉10(第二组螺钉10为顶杆螺丝)。上绝缘木夹具和下绝缘木夹具上均开设有弹簧凹槽26，弹簧凹槽26内设置压缩弹簧9，具体的，上绝缘木夹具底面开设有两个弹簧凹槽，下绝缘木夹具顶面开设有两个弹簧凹槽，上绝缘木夹具和下绝缘木夹具之间设置两个弹簧9。利用压缩弹簧9的压力，即可将固体电池夹在上单极板4和下单极板3之间。所述压缩弹簧9用于提供压力，可以为微型液压装置。

上绝缘木夹具和下绝缘木夹具上均开设有用于上单极板进气管2、上单极板尾气管6、下单极板进气管5和下单极板尾气管1穿过的管道孔29，并且，上单极板进气管2、上单极板尾气管6、下单极板进气管5和下单极板尾气管1沿管道孔29能够自由滑动。管道孔29为4个，上单极板进气管2、上单极板尾气管6穿过中间两个管道孔，下单极板进气管5和下单极板尾气管1穿过外侧两个管道孔。

本发明的工作过程为：反应气通过上单极板进气管2、上单极板进气孔14、经过多层间隔件，未被电解的尾气在流道尽头进入上单极板尾气回收孔17并通过上单极板尾气管6排出，被电解的气体通过固体电池进入下单极板3，经过气体流道，通过下单极板的进气孔22与尾气回收孔24并通过下单极板进气管5和下单极板尾气管1排出。

下单极板进气管5与下单极板尾气管1对称设置在下单极板3上。

上单极板4顶面上设置有上单极板尾气管6，上单极板尾气管6设置在距离上单极板尾气回收孔17最近的一侧，上单极板进气管2设置在上单极板4顶面上，并且上单极板进气管2与上单极板尾气管6关于上单极板4的圆心对称设置。下单极板3和上单极板4内部的孔道情况如图4所示。

上单极板进气管2、上单极板4、固体电池、下单极板3、下单极板尾气管1构成电流通路，或者上单极板尾气管6、上单极板4、固体电池、下单极板3、下单极板进气管5构成电流通路；其中，上单极板4和下单极板3上的间隔件既充当形成气体流道的作用，又接触电极传导电流。

所述气体流道由上单极板外壁18、下单极板外壁19和流道间隔件构成，所述流道间隔件的断面为矩形、波浪形或锯齿形，所述上单极板进气孔14和下单极板进气孔22尺寸应大于上单极板尾气回收孔17和下单极板尾气回收孔24。

实施例1

夹具式环形流道氨气电解槽包括上单极板4、下单极板3，上单极板4的顶部设有上单极板进气管2和上单极板尾气管6，下单极板底的顶部外围设有下单极板进气管5和下单极板尾气管1，上单极板的底部设有上单极板进气孔14和上单极板尾气回收孔17，上单极板尾气回收孔17开在接近上单极板外壁18处，上单极板进气孔14和上单极板尾气回收孔17之间设有至少三层间隔件，并在第一层间隔件远离进气孔14的位置开有第一上单极板流道口13、在第二层间隔件离第一上单极板流道口13的最远的位置开有第二上单极板流道口16、在第三层间隔件离第二上单极板流道口16最远的位置开有第三上单极板流道口12。下单极板流道结构与上单极板相同：下单极板4顶部设有下单极板进气孔22和下单极板尾气回收孔24，下单极板尾气回收孔24开在接近上单极板外壁19处，下单极板进气孔22和上单极板尾气回收孔24之间设有至少三层间隔件，并在第一层间隔件远离进气孔22的位置开有第一上单极板流道口21、在第二层间隔件离第一上单极板流道口21最远的位置开有第三上单极板流道口25。下单极板3的下单极板尾气管1设在下单极板外壁19外并靠近下单极板尾气回收孔24一侧，下单极板进气管5设在下单极板尾气管1的对侧。上单极板4的上单极板尾气管6设在上单极板4顶部且离上单极板尾气回收孔17最近的一侧，上单极板进气管设在的上单极板尾气管6的关于圆心对称位置。上单极板4、下单极板3内部的孔道情况如图4所示，上单极板4侧壁上设置有第一焊点11(封闭)，下单极板3侧壁上设置有第二焊点23(封闭)。

一对上下绝缘木夹具在弹簧凹槽26相对的情况下，插入四根管道(如图1所示)并可自由滑动，上绝缘木夹具在合适位置通过第一螺纹孔27和第二螺纹孔28配合顶杆螺丝与下单极板尾气管1和下单极板进气管5紧固在一起，同时上绝缘木夹具在与下绝缘木夹具的距离小于压缩弹簧9自由长度的地方通过第三螺纹孔30和第四螺纹孔31配合顶杆螺丝与上单极板进气管2和上单极板尾气管6紧固在一起。此时将压缩弹簧8放置于上下绝缘木夹具的弹簧凹槽26之间，利用压缩弹簧9的压力，即可将固体电池夹在上下单极板之间。在下单极板4、上单极板3的上单极板外壁18、下单极板外壁19之间的缝隙处涂上绝缘密封胶。通过上单极板3的上单极板进气管2和下单极板4的下单极板进气管5给电解槽通上直流电源。

如图2和图3所示，下单极板4、上单极板3上的间隔件之间的开孔一定是在最远距离上的，例如，图2中的第一上单极板流道口13开在距离上单极板进气孔14最远处，第二上单极板流道口16开在第一上单极板流道口13的最远距离处，而第三上单极板流道口开在第二上单极板流道口16的最远距离处。

实施例2

实施例1中的上单极板4和下单极板3都设置了三层环形流道，此设计是为了配合直径20mm的固体电池。为了配合不同尺寸的电池，上下单极板的尺寸和流道的层数也可以更改。例如，如配合30mm的固体电池使用，可以增加上单极板外壁18、下单极板外壁19的尺寸到32mm，同时在上单极板外壁18、下单极板外壁19内靠近上单极板外壁18、下单极板外壁19处再添加一层间隔件，从而形成4层环形流道。以此类推，可以设计成5层、6层乃至n层流道，以用于不同尺寸的电池。但需要注意的是，第一，在增加间隔件与流道时要保持流道的宽度，流道过宽会使反应气体无法完全填满电解室，流道过窄会增加泵工；第二，在增加间隔件与流道时，要注意更改流道口的位置，使它们满足以下条件：第一上单极板流道口13在最远离上单极板进气孔14的位置，最外层的流道口在最远离上单极板尾气回收孔17的位置，并且相邻流道的进出口距离要尽可能最远。这样才能保证反应气体在电解室内流程最长且充分与电极接触。

实施例3

压缩弹簧9是其他能够提供压力使上下单极板能够夹住固体电池的部件，如微型液压杆等。本发明工作时，利用夹具7和压缩弹簧9将固体电池片夹在上下单极板之间，从而简化了电池的拆卸与更换步骤，因此压缩弹簧9可以替换成任意其他能自动提供足够压力的部件。

实施例4

上下单极板上用来间隔件流道的间隔件层可以是规律、均匀的波浪形，甚至可以是不均匀的波浪形，这种波浪形的间隔件可以增大单极板与电极的接触，减小接触电阻，也可以进一步增加反应气在电解室内的滞留时间，从而增加反应气与电极的接触时间，但同时会增大气体的流动阻力，增加泵功，因此可以根据不同的需要更改流道间隔件的形状。根据用处不同，上单极板4和下单极板3的间隔件也可以设置成不同的形状，例如，上单极板如果是通入反应器的单极板，则可以通过设置流道和改变流道的形状来增加反应气体的滞留时间，此时下单极板就是回收产物的单极板，可以减少流道间隔件，从而减少产物的滞留时间，使得产物迅速从反应体系撤出促进电解反应正向进行。

实施例6

下单极板尾气管1、下单极板进气管5、上单极板进气管与上单极板尾气管6四根管道的尺寸可以根据适用工况的不同进行调节，但应满足以下条件：四根管道的尺寸一致，且在同一单极板上的上单极板进气孔14的尺寸应大于上单极板尾气回收孔17，下单极板进气孔22的尺寸应大于下单极板尾气回收孔24。这样做的目的是增加电解室内气体的压力从而增加电解的效率。例如，图2和图3所示的上单极板进气孔14、下单极板进气孔22直径为5mm，上单极板尾气回收孔17、下单极板尾气回收孔24尺寸为2mm。

实施例5

本发明除电解氨气之外，还可以电解其他气体，甚至液态流体，只需要更换固体电池来进行不同的电解工作。同时为了配合电解电池的适用工况，可以利用外部加热，在不同温度下进行电解，例如在250℃条件下使用固体酸性电池电解氨气生成氢气和氮气。

实施例6

以电解氨过程为例，以上单极板进气为例，氨气通过上单极板进气管2和上单极板进气孔14进入上单极板电解室内，依次通过第一上单极板流道口13、第二上单极板流道口16和第三上单极板流道口12，从而布满整个电解室，在此过程中，氨气与电池表面接触，反应生成的氢气通过电池进入下单极板电解室，从下单极板的两个孔：下单极板尾气回收孔24和下单极板进气孔22流出；反应生成的氮气与未反应的氨气从上单极板尾气回收孔17流出。上单极板4和下单极板3的流道结构是完全对称的，所以使用时也可以从下单极板进气管5输入氨气，过程与上述过程一致但方向相反。本发明的夹具式环形流道的设计简化了电池的拆卸与更换步骤。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载范围以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。

应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。