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單極電解槽結(jié)構(gòu) |
| Monopolar Electrolyzer Structure |
通過(guò)水電解制氫的裝置有多種形式，目前電解槽的結(jié)構(gòu)主要分為箱式水電解槽與壓濾式水電解槽。箱式電解槽主要用于電鍍、提煉等用途，水電解制氫主要采用壓濾式水電解槽，具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。 按電解槽的電氣連接方式可分為：單極式水電解槽和雙極式水電解槽。 從本課件開(kāi)始將介紹工業(yè)生產(chǎn)使用的電解槽的三種基本形式，雙極電解槽、單極電解槽、布朗氣電解槽。本課件介紹單極電解槽。 |
| 1. 單極式電解槽結(jié)構(gòu)原理 |
在電解水制氫原理課件中介紹了電解槽的最基本組成，在電解池中間有隔膜，兩邊分別有陽(yáng)極板與陰極板，電解槽充滿電解液。在兩個(gè)電極通上直流電，在陽(yáng)極析出氧氣，在陰極析出氫氣。在實(shí)際應(yīng)用中要增大極板面積來(lái)增大出氣量，要減小極板的間距來(lái)減小電解液的電阻，這樣電解池做成扁平狀，再把多個(gè)扁電解池并起來(lái)構(gòu)成一個(gè)大電解槽，單個(gè)電解池稱為小室。 圖1是單極電解槽的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 |
圖1--單極電解槽的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
所有小室共用一個(gè)總的電解槽，各小室的電解液通過(guò)下方電解液管道流通。圖中有6個(gè)陽(yáng)極與5個(gè)陰極，陽(yáng)極與陰極間有隔膜，形成10個(gè)小室，每個(gè)小室上方有氧氣與氫氣出氣口。所有陽(yáng)極并聯(lián)在一起接直流電源正極，所有陰極并聯(lián)在一起接直流電源負(fù)極。接通電源后，在陽(yáng)極板析出氧氣，在陰極板析出氫氣。由于陽(yáng)極板在相鄰兩個(gè)小室都是陽(yáng)極，陰極板在相鄰兩個(gè)小室都是陰極，每個(gè)極板正反面都是同一極性，這種電解槽稱為單極式電解槽。 |
| 2. 單極式電解槽主要部件 |
下面通過(guò)一個(gè)單極式電解槽模型介紹主要部件與組裝。 單極式電解槽主要由缸框、電極板、隔膜、密封墊圈、端板等組成，見(jiàn)圖2 |
| 圖2--單極電解槽的主要部件 |
| 2.1. 缸框 |
缸框是一段圓管，多個(gè)缸框疊在一起，形成電解槽的外缸。缸框采用有一定強(qiáng)度的絕緣材料或金屬材料（耐腐蝕）制成。 在缸框上有一個(gè)通孔（出氣孔），是用來(lái)輸出電解液析出的氣體，見(jiàn)圖3 |
圖3--單極電解槽部件-缸框 |
| 2.2. 電極板 |
本模型的極板采用鍍鎳鐵板制成（圖中用黃色表示）。 單極電解槽陰極板與陽(yáng)極板外形相同，只是疊裝的方向不同。極板的外形與缸框外圓相同，在極板下側(cè)方有電極接線端，在極板上方有氣體通孔，在極板下方有電解液通孔。 陰極板??電解槽的陰極板有電極接線端，用來(lái)接直流電源負(fù)極。極板上方有氣體通孔，析出的氫氣由此通過(guò)，極板下方有電解液通孔。見(jiàn)圖2 陽(yáng)極板??電解槽的陽(yáng)極板有電極接線端，用來(lái)接直流電源正極。極板上方有氣體通孔，析出的氧氣由此通過(guò)，極板下方有電解液通孔。見(jiàn)圖2 陰極板與陽(yáng)極板外形相同，根據(jù)設(shè)計(jì)可以采用不同材料。 |
| 2.3. 隔膜 |
陰極板與陽(yáng)極板中間有隔膜，隔膜防止小室兩側(cè)產(chǎn)生的氫氣與氧氣混合。所以隔膜不允許氣體通過(guò)，對(duì)電解液有適當(dāng)?shù)臐B透性，對(duì)離子的電阻要小，本模型的隔膜采用石棉制成。隔膜外形與缸框外圓相同，在下方有電解液通道孔，通道孔位置與極板電解液通孔對(duì)應(yīng)。 |
| 2.4. 密封墊圈 |
為保證電解槽的密封性能，防止電解液泄露，在極板、缸框、隔膜之間使用密封墊圈，墊圈采用耐腐蝕、絕緣性好、性能穩(wěn)定的橡膠產(chǎn)品（如EPDM橡膠）制作。墊圈外圈與缸框外圈相同，墊圈內(nèi)圈與缸框內(nèi)圈相同。 本模型采用兩種厚度的密封墊圈，在極板與隔膜之間采用厚墊圈，為了減小極板析出的氣體阻力，有較寬的上升通道。其他部件之間采用薄墊圈。 |
| 2.5. 端板 |
在電解槽的兩端有端板，端板上有8個(gè)安裝孔，端板下方有電解液輸入口，端板用高強(qiáng)度絕緣材料制成，厚而結(jié)實(shí)。 |
| 2.6. 安裝螺栓 |
采用安裝螺栓把兩個(gè)端板間的部件壓緊，安裝螺栓套有絕緣套管。 |
| 3. 單極式電解槽組裝 |
把端板、薄密封墊、缸框、薄密封墊、陰極板，厚密封墊，隔膜，薄密封墊、缸框、薄密封墊、陽(yáng)極板疊裝在一起。每?jī)蓚€(gè)極板間是一個(gè)小室，小室中間是隔膜。圖4是左端第一個(gè)小室的部件排列順序圖，注意部件的方向。缸框的出氣孔朝上。 |
| 圖4--單極電解槽部分部件排列圖 |
把圖4中的部件疊在一起，見(jiàn)圖5 |
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| 圖5--單極電解槽部分部件疊裝 |
把模型全部部件疊裝起來(lái)，組成單極電解槽，各小室的陰極電源端在前面，見(jiàn)圖6 |
| 圖6--單極電解槽全部部件疊裝 |
把單極電解槽水平旋轉(zhuǎn)180度，各小室的陽(yáng)極電源端在前面，見(jiàn)圖7 |
| 圖7--單極電解槽陽(yáng)極面 |
安裝螺栓套上絕緣套管，插入兩邊端板的安裝孔，擰上螺帽。8根螺栓裝好后，擰緊所有螺帽，可放彈簧墊（圖中沒(méi)有）加強(qiáng)密封性。 圖8 |
| 圖8--用螺栓壓緊電解槽 |
在電解槽端板電解液輸入口裝上電解液輸入管。在電解槽上方缸框出氣孔連接氫氣出氣管，共4根并聯(lián)輸出，見(jiàn)圖9 |
| 圖9--單極電解槽連接氫氣輸出管 |
在電解槽上方缸框出氣孔連接氧氣出氣管，共3根并聯(lián)輸出，見(jiàn)圖10 |
| 圖10--單極電解槽連接氧氣輸出管 |
用銅螺栓把電解槽下側(cè)方的4個(gè)陰極電源端連接起來(lái)，用螺帽夾緊電極電源端。見(jiàn)圖11 |
| 圖11--單極電解槽安裝陰極電源螺栓 |
用另一根銅螺栓把電解槽下側(cè)方的3個(gè)陽(yáng)極電源端連接起來(lái)，用螺帽夾緊電極電源端。見(jiàn)圖12 |
| 圖12--單極電解槽安裝陽(yáng)極電源螺栓 |
下面一段動(dòng)畫(huà)顯示單極式電解槽模型組裝過(guò)程 |
| 單極式電解槽模型組裝動(dòng)畫(huà) |
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| 4. 單極式電解槽氣液走向 |
下面通過(guò)單極式電解槽模型的剖面簡(jiǎn)圖來(lái)解釋電解生成氣體的走向，見(jiàn)圖13。 該電解槽有6個(gè)小室，每個(gè)小室兩側(cè)有極板，中間有隔膜。從端板電解液輸入口輸入電解液，由于極板與隔膜下方都有電解液通孔，充滿電解槽。4個(gè)陰極板接直流電源負(fù)極，3個(gè)陽(yáng)極板接直流電源正極。 在電解槽內(nèi)充滿電解液（氫氧化鈉或氫氧化鉀水溶液），接通電源后，在陰極板兩面析出氫氣，在陽(yáng)極板兩面析出氧氣。陰極板左側(cè)析出的氫氣由缸框上方出氣孔輸出，陰極板右側(cè)析出的氫氣通過(guò)陰極板上方氣體通孔到極板左側(cè)，由缸框上方出氣孔輸出。陽(yáng)極板左側(cè)析出的氧氣由缸框上方出氣孔輸出，陽(yáng)極板右側(cè)析出的氧氣通過(guò)陽(yáng)極板上方氣體通孔到陽(yáng)極板左側(cè)，由缸框上方出氣孔輸出。 |
| 圖13--單極電解槽工作原理 |
由于電解時(shí)會(huì)使堿液溫度升高，為了保持堿液在85度至90度之間（最佳電解溫度），堿液是循環(huán)流動(dòng)的。堿液由循環(huán)泵打入電解槽，輸出的是氣液混合液，通過(guò)氣液分離器把氣體分離出來(lái)，剩下的堿液經(jīng)冷卻再由循環(huán)泵打入電解槽，有關(guān)工藝見(jiàn)電解水制氫系統(tǒng)課件 。 本模型僅作單極式電解槽基本結(jié)構(gòu)參考。為了顯示清楚，部件厚度尺寸有放大（不同材料的隔膜厚度差別也較大）。部件色彩僅為表示清晰而定，與部件原色無(wú)關(guān)。 |
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