專利名稱：雙極板式電解反應器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及到一種電解反應器，尤其是一種用于硫化氫間接電解制取氫氣的雙極板式電解反應器，該電解反應器起到制氫和吸收液再生的雙重作用，由特殊加工的石墨板及SPE電極交替組裝而成，具有結構緊湊、電解效率較高、降低制氫能耗的特點。
背景技術：
采用間接電解法從硫化氫制取氫氣和硫磺自70年代起即有相關研究，各種間接電解法的研究報道中具體工藝仍有一定差別，相應的電解反應器結構也不同。
歐洲專利EP0348875、日本專利JP04333585提出的硫化氫制取氫氣的電化學過程中，它包括硫化氫被Fe3+溶液氧化吸收，生成硫及Fe2+溶液，電解Fe2+溶液，使其氧化為Fe3+溶液，吸收液得到再生，同時陰極生成氫氣。在電解過程中，陽極的H+需要通過陽極本體溶液----離子交換膜----陰極區(qū)----陰極才能完成整個析氫過程，系統(tǒng)必須采用高濃度的酸作為支持電解質，以保證制氫可以在低電耗下進行，但這對裝置存在強腐蝕作用。
日本專利JP04358088描述一種用于氫生產(chǎn)的催化電極，它是在碳纖維的骨架上化學鍍鉑金屬作為電極，電解槽為濾壓式電解槽，未采用SPE技術，不利于氣體的分離。其中所述SPE技術，即SPE電極為固體聚合物電解質(SolidPolymer Electrolyte SPE)的縮寫。
撫順石油學院用間接電解法從硫化氫制取氫氣和硫磺，他們提出了控制電解程度的一體式電解槽反應器，其陽極材料為石墨氈和鈦基PbO2電極，而陰極選用H2過電位較低的不銹鋼，用素燒陶瓷材料代替了離子交換膜，雖然可延長隔膜的使用壽命，應用中選用陶瓷桶，內(nèi)充陰極液，通過導管使各陶瓷桶相聯(lián)，并與電解槽外部陰極液儲槽連接，有利于溶液的循環(huán)和更換。在較大的電解槽中，可以把多個陶瓷桶規(guī)則地置于大電解槽中，陶瓷桶外側為陽極液，通過機械泵使其在電解槽中循環(huán)，以利于溶液的混合，加快傳質速率。但是，上述反應器很難實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，同時具有陰陽極極間距較大，電阻及能耗較大的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型要解決的技術問題是提供一種雙極板式電解反應器，尤其是這樣一種電解反應器，其電解槽采用雙極石墨電流收集板加SPE電極交替組裝而成，即由陰極石墨電流收集板、SPE電極、陽極電流收集板交替構成電解槽，可以有效提高電解效率，實現(xiàn)連續(xù)電解反應，簡化電解槽結構，有利于制氫電耗的降低，使得電解池組件的性能保持一致，達到制取氫氣和吸收液再生的雙重目的。
為此，本實用新型提供一種雙極板式電解反應器，該反應器具有一電解槽，兩端設有將所述電解槽連接為一整體反應器的固定端板，所述一端固定端板上設有電解液的進口，另一端固定端板上設有電解液出口，其中所述電解槽由雙極石墨電流收集板、SPE電極交替排列構成，其中，所述每一雙極石墨電流收集板的兩側面分別設有陰極液流道、陽極液流道，上述兩固定端板上設置的電解液進、出口分別與該陰極液流道和陽極液流道對應導通。
如上所述雙極板式電解反應器，其中所述雙極石墨電流收集板的一側面為陰極石墨電流收集板，另一側面為陽極石墨電流收集板。
如上所述的雙極板式電解反應器，其中所述雙極石墨電流收集板的兩側面均設有橫截面呈“V”字型的溝槽，構成石墨電流收集板表面呈交錯排列的金字塔狀溝道。
如上所述的雙極板式電解反應器，其中所述SPE電極為由石墨布、全氟離子交換膜、鍍鉑石墨布三合一熱壓構成的電極。
如上所述的雙極板式電解反應器，其中所述石墨布構成SPE電極的陽極，鍍鉑的石墨布構成SPE電極的陰極。
如上所述的雙極板式電解反應器，其中所述雙極石墨電流收集板的兩側面的陰極液流道和陽極液流道互相垂直設置，且所述陰/陽極液進/出口設置在金字塔狀溝道外周側的石墨電流收集板上。
如上所述的雙極板式電解反應器，其中所述雙極石墨電流收集板一側表面的金字塔狀溝道兩端沿寬度方向設有第一導流溝槽，該第一導流溝槽的一端與陰/陽極液進/出口導通；所述雙極石墨電流收集板另一側表面的金字塔狀溝道兩端沿長度方向設有第二導流溝槽，該第二導流溝槽的一端與陽/陰極液進/出口導通。
如上所述的雙極板式電解反應器，其中所述第一、二導流溝槽與陰/陽極液進/出口間分別設有第一、二連通槽，該連通槽設置在所述雙極石墨電流收集板的中間層。
如上所述的雙極板式電解反應器，其中所述雙極石墨電流收集板為一體構成，該石墨電流收集板的三分之一厚度處嵌設置有連通槽，該第一連通槽的一端與陰/陽極液進/出口相導通，另一端與沿金字塔狀溝道寬度方向設置的第一導流溝槽相導通；所述第二連通槽的一端與陽/陰極液進/出口相導通，另一端與沿金字塔狀溝道長度方向設置的第二導流溝槽相導通。
如上所述的雙極板式電解反應器，其中所述雙極石墨電流收集板由三層板組合構成，上、下層板的外側面分別設有金字塔狀溝道，其中一層板的金字塔狀溝道兩端沿寬度方向設有第一導流溝槽，該第一導流溝槽的一端設有一通孔；另一層板的金字塔狀溝道兩端沿長度方向設有第二導流溝槽，該第二導流溝槽的一端設有一通孔；所述中間層板上設有第一、二連通槽，且該第一連通槽呈對角設置在中間層板的一表面，所述第二連通槽呈另一對角設置在中間層板一另一表面；該第一連通槽的第一端與陰/陽極液的進/出口相連通，其第二端與第一導流溝槽的通孔相連通；所述第二連通槽的第一端與陽/陰極液的進/出口相連通，其第二端與第二導流溝槽的通孔相連通。
本實用新型的優(yōu)點及特點在于1、本實用新型提出的雙極板式電解反應器，其電解槽是由特殊加工過的石墨板和石墨布、Nafion膜、鍍鉑石墨布三合一熱壓而成的SPE電極交替組裝而成，電解過程是一個雙股進料雙股出料而且兩股物料在電解槽中不能混合的流動過程，上述電解槽的結構保證了陽極液、陰極液在槽內(nèi)各自沿其通道流動，而無串液現(xiàn)象，同時無需使用外接管路，整個電解槽結構緊湊，且實現(xiàn)了連續(xù)化生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率。
2、本實用新型的雙極板式石墨電極板易于加工，其兩側面設置的交錯排列的金字塔狀溝道強化了反應傳質，保證傳質過程較小的阻力，而且來自各個不同方向的流體微團都具有相同的停留時間，這樣就避免了返混的發(fā)生。
3、本實用新型采用無孔石墨作為雙極板材料，具有良好的導電性能，及耐腐蝕能力，由于其質地較脆，流場加工容易。
4、所述的雙極板式電解反應器可用于硫化氫間接電解制取氫氣，其采用了SPE電極技術，其中陽極為石墨布電極、陰極用載鉑的石墨布作電極，中間的離子交換膜選用全氟離子交換膜，又稱為Nafion膜，其陽極、陰極的一體化結構使得電解反應器結構簡化，有利于電解池組件的性能保持一致。
5、本實用新型由于實現(xiàn)了電極與膜的零接觸，SPE電極減小了電解池陽、陰極間距，從而降低了極間電阻降，同時陰極產(chǎn)生的氫氣泡對陰極區(qū)電導率的影響也減小了，阻止了氣體向陽極擴散，有利于氣體的分離，也避免了氣泡存在對陽極區(qū)電壓降的影響。
6、本實用新型由于采用了SPE電極構成的雙極板式電解反應器，其結構簡單，電解質的性質穩(wěn)定，電解槽的壽命長，性能可靠；同時SPE電極可在高電流密度下操作，可減少一次性投資。


圖1為本實用新型的雙極板式電解反應器的整體結構示意圖；圖2為本實用新型的雙極石墨電流收集板的整體結構示意圖；圖3為雙極石墨電流收集板表面的金字塔狀溝道局部放大示意圖；圖4為電解槽內(nèi)部結構示意圖；圖5為電解反應器的電解槽內(nèi)部分解示意圖，圖中示出了陰極液、陽極液的流動方向。
具體實施方式
現(xiàn)對照附圖詳細說明本實用新型的雙極板式電解反應器的具體實施例。
如圖1所示，本實用新型提出的雙極板式電解反應器1具有一電解槽2，該電解槽2的兩端設有將所述電解槽連接為一整體反應器的固定端板11、12，所述一端固定端板12上設有電解液的進口121、122，另一端固定端板11上設有電解液出口(圖中未示出)，其中，所述電解槽2由雙極石墨電流收集板21、SPE電極22交替排列構成，參見圖2、4，所述每一雙極石墨電流收集板21的兩側面分別設有陰極液流道、陽極液流道，上述兩固定端板12、11上設置的電解液進口121、122、出口分別與該陰極液流道和陽極液流道對應導通。所述SPE電極22為由石墨布、Nafion膜(全氟離子交換膜)、鍍鉑石墨布三合一熱壓構成，其中，所述石墨布構成SPE電極的陽極，鍍鉑的石墨布構成SPE電極的陰極。
如圖2、3所示，所述雙極石墨電流收集板21的兩側面均設有橫截面呈“V”字型的溝槽，構成石墨電流收集板表面呈交錯排列的金字塔狀溝道210、211。該雙極式石墨電流收集板的一側面為陰極石墨電流收集板，另一側面為陽極石墨電流收集板。
所述雙極石墨電流收集板的兩側面的陰極液流道和陽極液流道互相垂直設置，如圖5中箭頭所示方向，在本實施例中，設定陽極液由電解液進口122進入電解槽2內(nèi)，如圖中箭頭A所示，其沿陽極石墨電流收集板的金字塔狀溝道210縱向流動，陰極液由電解液進口121進入電解槽2內(nèi)，如圖中箭頭B所示，其沿所述陰極石墨電流收集板的金字塔狀溝道211橫向流動，且所述陰/陽極液進出口設置在金字塔狀溝道外周側的石墨電流收集板上。
參見附圖4、5，所述雙極石墨電流收集板21在本實施例中其一側表面的金字塔狀溝道210兩端沿寬度方向設有第一導流溝槽2101，其中一第一導流溝槽2101的一端與陽極液進口導通，另一第一導流溝槽2101的一端與陽極液的出口導通；所述雙極石墨電流收集板另一側表面的金字塔狀溝道211兩端沿長度方向設有第二導流溝槽2111，其中一第二導流溝槽2111的一端與陰極液進口導通，另一第二導流溝槽2111的一端與陰極液的出口導通。
所述第一、二導流溝槽2101、2111與陰/陽極液進、出口間分別設有第一、二連通槽2102、2112，該連通槽設置在所述雙極石墨電流收集板的中間層。
上述雙極石墨電流收集板21可為一體構成，所述連通槽2102、2112嵌設于該石墨電流收集板的三分之一處，即在電流收集板21的上下兩個面上設置陰、陽極液的進、出孔道，并在電流收集板21的中間一層四個角處切除三分之一的厚度，加工好“L”形第一、二連通槽2102、2112，且該第一、二連通槽2102、2112呈對角設置在電流收集板21的四角，所述第一、二連通槽2102、2112的開槽方向相反，即設定第一連通槽2102的槽口方向向上，則第二連通槽2112的槽口方向向下。其中一第一連通槽2102的一端與陽極液進口孔道相導通，另一端與沿金字塔狀溝道寬度方向設置的一第一導流溝槽2101相導通，呈對角設置的另一第一連通槽2102的一端與另一第一導流溝槽2101相導通，另一端與陽極液出口孔道相導通；同理，所述其中一第二連通槽2112的一端與陰極液進口孔道相導通，另一端與沿金字塔狀溝道長度方向設置的一第二導流溝槽2111相導通，呈對角設置的另一第二連通槽2112的一端與另一第二導流溝槽2111相導通，另一端與陰極液出口孔道相導通，最后用環(huán)氧樹脂將所述雙極石墨電流收集板21四角切除的三分之一厚度處粘合，使該收集板21的四周密封成一整體。
上述雙極石墨電流收集板21亦可由三層板構成，如圖5所示，其上、下層板的外側面分別設有金字塔狀溝道210、211，其中上層板的金字塔狀溝道兩端沿寬度方向設有第一導流溝槽2101，該第一導流溝槽的一端設有一通孔；下層板的金字塔狀溝道兩端沿長度方向設有第二導流溝槽2111，該第二導流溝槽的一端設有一通孔；所述中間層板上設有第一、二連通槽2102、2112，且該第一、二連通槽2102、2112呈對角設置在電流收集板21的四角，所述第一連通槽2102呈對角設置在中間層板的上表面，所述第二連通槽2112呈另一對角設置在中間層板的下表面。其中一第一連通槽2102的一端與陽極液進口孔道相導通，另一端與沿金字塔狀溝道寬度方向設置的一第一導流溝槽2101相導通，呈對角設置的另一第一連通槽2102的一端與另一第一導流溝槽2101相導通，另一端與陽極液出口孔道相導通；同理，設置在中間層板下表面的其中一第二連通槽2112的一端與陰極液進口孔道相導通，另一端與沿金字塔狀溝道長度方向設置的一第二導流溝槽2111相導通，呈對角設置的另一第二連通槽2112的一端與另一第二導流溝槽2111相導通，另一端與陰極液出口孔道相導通。所述雙三層板構成的雙極石墨電流收集板，可將各層板分別加工好上述各溝槽、連通槽、導流溝槽后再壓合(或采用其它公知的結合方式)固定成一體，構成一各槽、孔對應相通的雙極石墨電流收集板整體。
由于電解過程是一個雙股進料雙股出料而且兩股物料在電解槽中不能混合的流動過程，通過采用上述結構的電解槽，保證了陽極液、陰極液在槽內(nèi)各自沿其通道流動，而無串液現(xiàn)象，同時無需使用外接管路，整個電解槽結構緊湊。本實用新型的雙極板其上板面金字塔狀溝道中流動的是陽極液，雖然任何一點的流體混合都十分劇烈，保證傳質過程較小的阻力，而且來自各個不同方向的流體微團都具有相同的停留時間，這樣就避免了返混的發(fā)生。同樣，陰極液在下層板的下板面(金字塔狀溝道)流動。
本實用新型采用的SPE電極具有高的H+傳導性能，降低了H+遷移的阻力，可以降低系統(tǒng)電解質的酸度，減少對設備的腐蝕，及對環(huán)境的危害，在低能耗下有利于電解過程的正常進行。
用于聯(lián)合吸收-制氫過程中的電解反應器反應條件選擇為0.3～0.6MFe2+、0.3～0.8MFe3+、2～8MH+(HCl體系和H2SO4體系)溶液、電解溫度為20～80℃，進行多組電極的組合電解實驗，當槽電壓在1.1V時，電解制氫可以達到80～100L/h的產(chǎn)氫速度，電解制氫電耗≤2.6kWH/NM3H2。
惟以上所述者，僅為本實用新型的具體實施例，當不能以此限定本實用新型實施的范圍，即大凡依本實用新型申請專利范圍及實用新型說明書內(nèi)容所作的等同變化與修飾，皆應仍屬本實用新型專利權利要求書涵蓋的范圍內(nèi)。
權利要求1.一種雙極板式電解反應器，該反應器具有一電解槽，兩端設有將所述電解槽連接為一整體反應器的固定端板，所述一端固定端板上設有電解液的進口，另一端固定端板上設有電解液出口，其特征在于所述電解槽由雙極石墨電流收集板、SPE電極交替排列構成，其中，所述每一雙極石墨電流收集板的兩側面分別設有陰極液流道、陽極液流道，上述兩固定端板上設置的電解液進、出口分別與該陰極液流道和陽極液流道對應導通。
2.如權利要求1所述雙極板式電解反應器，其特征在于所述雙極石墨電流收集板的一側面為陰極石墨電流收集板，另一側面為陽極石墨電流收集板。
3.如權利要求2所述的雙極板式電解反應器，其特征在于所述雙極石墨電流收集板的兩側面均設有橫截面呈“V”字型的溝槽，構成石墨電流收集板表面呈交錯排列的金字塔狀溝道。
4.如權利要求1所述的雙極板式電解反應器，其特征在于所述SPE電極為由石墨布、全氟離子交換膜、鍍鉑石墨布三合一熱壓構成的電極。
5.如權利要求4所述的雙極板式電解反應器，其特征在于所述石墨布構成SPE電極的陽極，鍍鉑的石墨布構成SPE電極的陰極。
6.如權利要求1至5任一項所述的雙極板式電解反應器，其特征在于所述雙極石墨電流收集板的兩側面的陰極液流道和陽極液流道互相垂直設置，且所述陰/陽極液進/出口設置在金字塔狀溝道外周側的石墨電流收集板上。
7.如權利要求6所述的雙極板式電解反應器，其特征在于所述雙極石墨電流收集板一側表面的金字塔狀溝道兩端沿寬度方向設有第一導流溝槽，該第一導流溝槽的一端與陰/陽極液進/出口導通；所述雙極石墨電流收集板另一側表面的金字塔狀溝道兩端沿長度方向設有第二導流溝槽，該第二導流溝槽的一端與陽/陰極液進/出口導通。
8.如權利要求7所述的雙極板式電解反應器，其特征在于所述第一、二導流溝槽與陰/陽極液進/出口間分別設有第一、二連通槽，該連通槽設置在所述雙極石墨電流收集板的中間層。
9.如權利要求8所述的雙極板式電解反應器，其特征在于所述雙極石墨電流收集板為一體構成，該石墨電流收集板的三分之一厚度處嵌設置有連通槽，該第一連通槽的一端與陰/陽極液進/出口相導通，另一端與沿金字塔狀溝道寬度方向設置的第一導流溝槽相導通；所述第二連通槽的一端與陽/陰極液進/出口相導通，另一端與沿金字塔狀溝道長度方向設置的第二導流溝槽相導通。
10.如權利要求8所述的雙極板式電解反應器，其特征在于所述雙極石墨電流收集板由三層板組合構成，上、下層板的外側面分別設有金字塔狀溝道，其中一層板的金字塔狀溝道兩端沿寬度方向設有第一導流溝槽，該第一導流溝槽的一端設有一通孔；另一層板的金字塔狀溝道兩端沿長度方向設有第二導流溝槽，該第二導流溝槽的一端設有一通孔；所述中間層板上設有第一、二連通槽，且該第一連通槽呈對角設置在中間層板的一表面，所述第二連通槽呈另一對角設置在中間層板一另一表面；該第一連通槽的第一端與陰/陽極液的進/出口相連通，其第二端與第一導流溝槽的通孔相連通；所述第二連通槽的第一端與陽/陰極液的進/出口相連通，其第二端與第二導流溝槽的通孔相連通。
專利摘要一種雙極板式電解反應器，該反應器具有一電解槽，兩端設有將所述電解槽連接為一整體反應器的固定端板，所述兩固定端板上分別設有電解液的進、出口，該電解槽由雙極石墨電流收集板、SPE電極交替排列構成，每一雙極石墨電流收集板的兩側面分別設有陰極液流道、陽極液流道，上述兩固定端板上設置的電解液進、出口分別與該陰極液流道和陽極液流道對應導通。本實用新型克服了公知技術的缺陷，結構簡單，保證了陽極液、陰極液在槽內(nèi)各自沿其通道流動，無串液現(xiàn)象，且整個電解槽結構緊湊，實現(xiàn)了連續(xù)化生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率。
文檔編號C25B1/00GK2683665SQ20042004789
公開日2005年3月9日 申請日期2004年4月5日 優(yōu)先權日2004年4月5日
發(fā)明者俞英, 黃海燕 申請人:石油大學(北京)