實驗室小型堿性電解槽的設計

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。

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(xiàn)在由于安全衛(wèi)生規(guī)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(wǎng)、鈦酸鉀細孔和以陶瓷為主。隔膜必須保持產(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)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(qū)域附近混合產(chǎn)物氣體的作用。一般采用硅橡膠、三元乙丙、PTFE、PEEK，PPS等材料。

一、單極電解槽設計

單極結構下，各電解槽并聯(lián)，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(fā)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。

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相同。

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(huán)節(jié)。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

單極堿性電解堆的成品如圖7所示。

二、雙極堿性電解堆

在雙極結構中，每個電解槽串聯(lián)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(fā)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。

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(chǎn)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(qū)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。集流板的厚度選擇為7mm，集流板的加工過程采用工業(yè)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。

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。

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、陽極和陰極板的材料。采用尼龍網(wǎng)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。

最后，將這些實物部件在各層之間保持適當?shù)拈g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。

雙極堿性電解疊加的成品如圖12所示：