一种电化学电解槽

1.本实用新型涉及环境工程与能源利用技术领域，具体涉及一种电化学电解槽。


背景技术：

2.在电化学生产工艺中，最重要的部件为电解槽。电解槽通常有三个关键的要素，即阳极、阴极和电解质。在传统的电化学还原气体过程中，电极被置于一定浓度的电解质溶液中进行电解，电解质通常为惰性盐，所以产生的化工产品中含有大量惰性盐，不利于后续分离工序。
3.为此，目前出现一种使用多孔固体电解质层的电解槽，多孔固体电解质层中填充有固体电解质，因此生产的化工产品中不存在惰性盐。这种设计中，在阴极和阳极两端的阴极集流板和阳极集流板背侧上设有s型流道，这种流道可以向阴极提供均匀的空气，以用于两电子氧还原反应(oxygen reductive reaction，orr)，或者向阳极均匀地提供反应物,并排走生成的气体。同时，为降低各部分的接触电压，会在多孔固体电解质层中填充超量的固体电解质，使得s型流道的沟部和脊部应力不均匀，由于阴极的支撑物一般采用碳纸等材料制作，会导致阴极破裂，使得电解槽失效。而如果降低固体电解质的填充量，又会使得电解槽的槽电压较高，降低电流效率。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型提供一种电化学电解槽，能够避免阴极破裂，并有效降低电解槽槽电压，提高电流效率。
5.为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：
6.根据本实用新型实施例的一种电化学电解槽，包括：
7.阴极、阳极，以及设置在阴极和阳极之间的多孔固体电解质层；
8.阴极包括依次设置的阴极集流板、阴极多孔电子导体流道层、气体扩散层、阴极电催化层以及阴离子交换膜；
9.阳极包括依次设置的阳极集流板、阳极多孔电子导体流道层、阳极电催化层以及阳离子交换膜；
10.多孔固体电解质层设置在阳离子交换膜和阴离子交换膜之间。
11.在本实用新型的一个实施例中，阴极多孔电子导体流道层为经过疏水剂改性的毡体。
12.在本实用新型的一个实施例中，阴极多孔电子导体上设置有多个孔隙。
13.在本实用新型的一个实施例中，阴极集流板内设有阴极反应室，阴极反应室设有用于通入气体的阴极室入口，以及排出气体的阴极室出口。
14.在本实用新型的一个实施例中，阴极反应室形成有用于向阴极多孔电子导体流道层通入气体的第一入口和排出气体的第一出口。
15.在本实用新型的一个实施例中，阳极多孔电子导体流道层为经过疏水剂改性的毡
体。
16.在本实用新型的一个实施例中，阳极多孔电子导体上设置有多个孔隙。
17.在本实用新型的一个实施例中，阳极集流板内设有阳极反应室，阳极反应室设有用于通入液体的进液口和出液口。
18.在本实用新型的一个实施例中，阳极反应室形成有与阳极多孔电子导体流道层连通的第二入口和第二出口。
19.本实用新型的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：
20.本实用新型的电化学电解槽，通过设置阴极、阳极和多孔固体电解质层，其中，阴极包括阴极多孔电子导体流道层，阳极包括阳极多孔电子导体流道层，以及各部件之间的连接关系。实现了无需在阴极集流板的背侧开设流道，可以在多孔固体电解质层填充更多的固体电解质颗粒，避免因多孔固体电解质层的挤压而导致的阴极破裂，提高了阴极的寿命。此外，由于多孔固体电解质层填充更多的固体电解质颗粒，可以有效降低各部分的接触电阻，进而降低槽电压，提升电流效率。
附图说明
21.图1为本实用新型实施例的电化学电解槽的结构示意图；
22.图2为一些实施例中的集流板使用s型流道的电解槽中阴极集流板的正视图；
23.图3为一些实施例中的集流板使用s型流道的电解槽中阴极集流板的侧剖图；
24.图4为本实用新型实施例的电化学电解槽中阴极集流板的正视图；
25.图5为本实用新型实施例的电化学电解槽中阴极集流板的侧剖图；
26.图6为本实用新型实施例的电化学电解槽与背景技术中集流板使用s型流道的电解槽电流效率以及槽电压的折线图。
27.附图标记：100、阴极；110、阴极集流板；111、阴极室出口；112、阴极室入口；113、第一出口；114、第一入口；120、阴极多孔电子导体流道层；130、气体扩散层；140、阴极电催化层；150、阴离子交换膜；200、阳极；210、阳极集流板；211、出水口；212、进水口；220、阳极多孔电子导体流道层；230、阳极电催化层；240、阳离子交换膜；300、多孔固体电解质层；301、固体电解质层进液口；302、固体电解质层出液口。
具体实施方式
28.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.除非另作定义，本实用新型中使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的
绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
30.为便于对本实用新型技术方案的理解，首先对本实用新型所要解决的技术问题进行说明。
31.在一些方案中，设置有多孔固体电解质层的电解槽，会在阴极和阳极两端的阴极集流板和阳极集流板背侧上设有s型流道，而为了降低各部分的接触电压，会在多孔固体电解质层中填充超量的固体电解质。如图2和图3所示，以阴极集流板110为例，阴极集流板110为阴极的一部分。当多孔固体电解质层中填充超量的固体电解质后，会使得s型流道的沟部和脊部应力不均匀，由于阴极的支撑物一般为碳纸，应力不均容易导致阴极的支撑物破裂，使得电解槽失效。而如果降低固体电解质的填充量，又会使得电解槽的槽电压较高，降低电流效率。为解决上述问题，本实用新型提供一种电化学电解槽。
32.下面首先结合附图具体描述根据本实用新型实施例的一种电化学电解槽。
33.如图1所示，图1为本实用新型一实施例的电化学电解槽。该电化学电解槽包括阴极100、阳极200，以及设置在阴极100和阳极200之间的多孔固体电解质层300。其中，阴极100包括依次设置的阴极集流板110、阴极多孔电子导体流道层120、气体扩散层130、阴极电催化层140以及阴离子交换膜150。阳极200包括依次设置的阳极集流板210、阳极多孔电子导体流道层220、阳极电催化层230以及阳离子交换膜240。多孔固体电解质层300设置在阳离子交换膜240和阴离子交换膜150之间。
34.也就是说，如图4和图5所示，本技术的电化学电解槽取消了设置在阴极集流板110上的s型流道(由于阳极集流板210需要排出反应产生的气体，且支撑件为金属，不易变形，因此保留阳极集流板210上的s型流道)，并分别在阴极100设置阴极多孔电子导体流道层120，以及在阳极200中设置阳极多孔电子导体流道层220。多孔电子导体流道层可以更均匀地传递反应物或气体，而且由于形成为电子导体，因此可以起传递电流的作用。由此，可以减少各部件之间的接触电阻，有效降低槽电压，在提升电流效率的同时，提高了生产效率。同时由于取消了阴极集流板110上的s型流道，且阴极多孔电子导体流道层120表面平整坚固，多孔固体电解质层300中适当超量添加的固体电解质不会导致阴极100破裂，提高了使用寿命。
35.在本实用新型的一个实施例中，阴极多孔电子导体流道层120为经过疏水剂改性的毡体，且毡体上设置有多个孔隙。
36.具体来说，以生产过氧化氢为例，可以向多孔固体电解质层300中通入水流，水流会沿阴离子交换膜150进入阴极电催化层140，然后由阴极电催化层140进入阴极多孔电子导体流道层120。由于阴极多孔电子导体流道层120为经过疏水改性的毡体，且形成有大量孔隙，从而可以将阴极电催化层140析出的水进一步排出，有效提高阴极100的排水能力，避免阴极被淹没，提高了装置的工作时长。
37.在本实用新型的一个实施例中，阴极多孔电子导体流道层120是通过疏水剂浸泡，并在马弗炉中以300-350℃烧结而成的疏水改性毡体。此外，由于阴极多孔电子导体上设置有大量孔隙，可以有效提高阴极的气体输送能力，提高了反应效率。
38.在本实用新型的一个实施例中，阴极多孔电子导体流道层120的材料选自钛毡、碳毡、不锈钢毡或镍毡中的一种。例如，阴极多孔电子导体流道110层的材料可以为钛毡，钛毡内部存有大量的空隙，可以均匀快速地向气体扩散层130传递由阴极集流板110通入的氧
气。同时，钛毡作为金属构件，电阻率低，可以在电解槽通电时，有效地传递电流，从而降低槽电压，提高电流效率。
39.此外，金属的阴极多孔电子导体流道110层刚性强度高且表面平整，当多孔固体电解质层300中适当超量添加的固体电解质时不会导致阴极100破裂，在提高了使用寿命的同时，进一步降低槽电压，提高电流效率。
40.如图1、图4和图5所示，在本实用新型的一个实施例中，阴极集流板110内设有阴极反应室。阴极反应室设有用于通入气体的阴极室入口112，以及排出气体的阴极室出口111。阴极反应室内形成有与阴极多孔电子导体流道层120连通的第一出口113和第一入口114。
41.也就是说，由阴极室入口112进入的气体，例如氧气，可以直接由第一入口114与阴极多孔电子导体流道110层接触。与现有技术中通过s型流道导入氧气的方式相比，可以更均匀地将氧气进行扩散，提高了反应效率。
42.如图1所示，在本实用新型的一个实施例中，阴离子交换膜150可以通过物理压紧或通过热压与阴极电催化层140贴合。也就是说，阴离子交换膜150与阴极电催化层140紧贴，使得阴极电催化层140产生的过氧氢根离子可以迅速由阴离子交换膜150跨越至多孔固体电解质层300中，从而有效提高了反应速率。
43.在本实用新型的一个实施例中，阳极多孔电子导体流道层220为经过疏水剂改性的毡体，且毡体上设置有多个孔隙。
44.具体来讲，阳极多孔电子导体流道层220是经过疏水剂浸泡，并在马弗炉中以300-350℃烧结而成的疏水改性毡体。由于阳极多孔电子导体流道层220形成有大量孔隙，且为经过疏水改性的毡体。以水合成过氧化氢为例，当向阳极集流板210通入水时，阳极多孔电子导体流道层220可以均匀快速地向阳极电催化层230传递由阳极集流板210通入的水流。
45.在本实用新型的一个实施例中，阳极多孔电子导体流道层220的材料选自钛毡、碳毡、不锈钢毡或镍毡中的一种。在本技术的一个优选实施例中，阳极多孔电子导体流道层220的材料为钛毡，钛毡内部存有大量的空隙，可以均匀快速地向阳极电催化层230传递由阳极集流板210通入的水流进而提高反应效率。同时，钛毡作为金属构件，电阻率低，可以在电解槽通电时，有效地传递电流，从而降低槽电压，提高电流效率。
46.此外，金属的阳极多孔电子导体流道层220刚性强度高且表面平整，当多孔固体电解质层300中适当超量添加的固体电解质时不会导致阳极200破裂，在提高了使用寿命的同时，进一步降低槽电压，提高电流效率。
47.如图1、图4和图5所示，在本实用新型的一个实施例中，阳极集流板210内设有阳极反应室，阳极反应室设有用于通入去离子水的进水口212(对应进液口)和排出去离子水以及生成气体的出水口211(对应出液口)，阳极反应室形成有与阳极多孔电子导体流道层220连通的第二入口和第二出口。
48.也就是说，由阳极200室入口进入的水流可以直接由第二入口与阳极多孔电子导体流道层220接触，可以更均匀快速地将水流扩散至阳极电催化层230以生成氢离子，提高了反应效率。
49.如图1所示，在本实用新型的一个实施例中，阴离子交换膜150和阳离子交换膜240分别与多孔固体电解质层300贴合。也就是说，阴离子交换膜150和阳离子交换膜240分别与多孔固体电解质层300紧贴，使得阴极电催化层140产生的过氧氢根离子可以迅速由阴离子
交换膜150跨越至多孔固体电解质层300中，以及使阳极电催化层230产生的氢离子迅速跨越至多孔固体电解质层300中，从而有效提高了反应速率。
50.在本实用新型的一个实施例中，多孔固体电解质层300内设有多个连通阴离子交换膜150和阳离子交换膜240的反应通孔，反应通孔内填充有固态电解质颗粒，多孔固体电解质层300设有与反应通孔连通的固体电解质层进液口301和固体电解质层出液口302。以生产过氧化氢为例，由于多孔固体电解质层300上设有多个填充有固体电解质颗粒的反应通孔，多孔固体电解质层300具有高离子导电能力，当阳极200产生的氢离子和阴极100产生的过氧氢根离子进入多孔固体电解质层300，会在多孔固体电解质层300的水流中被迅速传递并结合生成过氧化氢。由此，可以有效提高生产效率。
51.此外，参考图6，图6示出了本实用新型实施例的电化学电解槽与背景技术中集流板使用s型流道的电解槽电流效率以及槽电压的折线图。如图6所示，通过设置阴极多孔电子导体流道层和阳极多孔电子导体流道层，本实用新型的电化学电解槽的多孔固体电解质层可以填充更多的固体电解质颗粒，相比于阴极流道板设置s型流道的电解槽，在相同的电流密度的情况下，本技术的电化学电解槽可以降低接触电阻，槽电压明显降低，电流效率也具有明显升高。
52.本实用新型的电化学电解槽，通过设置阴极多孔电子导体流道层和阳极多孔电子导体流道层，从而无需在阴极集流板和阳极集流板的背侧开设流道，可以在多孔固体电解质层填充更多的固体电解质颗粒，避免因多孔固体电解质层的挤压而导致的阴极破裂，提高了阴极的寿命。
53.以上是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.一种电化学电解槽，其特征在于，包括：阴极、阳极，以及设置在所述阴极和所述阳极之间的多孔固体电解质层；所述阴极包括依次设置的阴极集流板、阴极多孔电子导体流道层、气体扩散层、阴极电催化层以及阴离子交换膜；所述阳极包括依次设置的阳极集流板、阳极多孔电子导体流道层、阳极电催化层以及阳离子交换膜；所述多孔固体电解质层设置在所述阳离子交换膜和所述阴离子交换膜之间。2.根据权利要求1所述的电化学电解槽，其特征在于，所述阴极多孔电子导体流道层为经过疏水剂改性的毡体。3.根据权利要求2所述的电化学电解槽，其特征在于，所述阴极多孔电子导体流道层上设置有多个孔隙。4.根据权利要求3所述的电化学电解槽，其特征在于，所述阴极集流板内设有阴极反应室，所述阴极反应室设有用于通入气体的阴极室入口，以及排出气体的阴极室出口。5.根据权利要求4所述的电化学电解槽，其特征在于，所述阴极反应室内形成有用于向所述阴极多孔电子导体流道层的空隙通入气体的第一入口和排出气体的第一出口。6.根据权利要求1所述的电化学电解槽，其特征在于，所述阳极多孔电子导体流道层为经过疏水剂改性的毡体。7.根据权利要求6所述的电化学电解槽，其特征在于，所述阳极多孔电子导体流道层上设置有多个孔隙。8.根据权利要求7所述的电化学电解槽，其特征在于，所述阳极集流板内设有阳极反应室，所述阳极反应室设有用于通入液体的进液口和排出液体的出液口。9.根据权利要求8所述的电化学电解槽，其特征在于，所述阳极反应室内形成有用于向所述阳极多孔电子导体流道层的孔隙通入液体的第二入口和排出液体的第二出口。

技术总结
本实用新型提供一种电化学电解槽，包括：阴极、阳极，以及设置在所述阴极和阳极之间的多孔固体电解质层；所述阴极包括依次设置的阴极集流板、阴极多孔电子导体流道层、气体扩散层、阴极电催化层以及阴离子交换膜；所述阳极包括依次设置的阳极集流板、阳极多孔电子导体流道层、阳极电催化层以及阳离子交换膜；所述多孔固体电解质层设置在所述阳离子交换膜和所述阴离子交换膜之间。根据本实用新型实施例的电化学电解槽，通过分别设置阴极多孔电子导体流道层和阳极多孔电子导体流道层，可以有效降低接触电阻，提高多孔固体电解质层中固体电解质颗粒的装填量，进而提高电解槽的反应效率。率。率。


技术研发人员：赵尔卓 展巨宏 钟家强 李阳 王玉珏
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/9/16