堿性電解水制氫電解槽又一關(guān)鍵部件——極板，制氫行業(yè)各位專家認為極板是堿性電解槽中最重要的部件。

一、極板的作用原理

堿性電解槽小室結(jié)構(gòu)圖

在堿性電解槽的小室中，極板的位置在鎳網(wǎng)的兩側(cè)，其作用有點類似于實驗室中的電極夾，作用是傳導(dǎo)電子，使極板上電解電流密度更均勻，同時減小極板與鎳網(wǎng)的接觸電阻，增大電流密度，降低制氫能耗。如上圖所示，極板位于一個完整的小室結(jié)構(gòu)的兩端，形成了陰極區(qū)域和陽極區(qū)域堿液流動的腔室，實現(xiàn)了陰極堿液和陽極堿液的分流，一定程度上減小了氫中氧和氧中氫的含量，保證了電解槽運行的安全性。

目前制氫電解槽一般為雙極壓濾式電解槽，具體的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

雙極式電解槽示意圖

雙極壓濾式電解槽一般采用的是“中間正兩邊負”的接線方式，在外加電場的作用下一面帶正電，一面帶負電，分別作為陽極區(qū)和陰極區(qū)的極板，也就是說同一塊極板會在兩面帶有不同的電荷，這也是其“雙極”名稱的由來。極板是堿性電解水制氫電解槽最主要的重復(fù)性部件，1000Nm3/h出力的電解槽一般需要250-360塊左右極板，其在堿性制氫電解槽中的重要性。

二、極板的結(jié)構(gòu)

極板由兩部分組成：主極板和極框，結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示，其中紅圈內(nèi)的部分是主極板，紅圈外的部分是極框，一塊完整的極板由主極板和焊接，然后整體鍍鎳完成。

極板示意圖

（1）主極板

壓濾式電解槽電解小室內(nèi)部的主極板表面布有球形的凹凸結(jié)構(gòu)（乳突板），這些凹凸結(jié)構(gòu)一方面可以使隔膜兩側(cè)的極板能夠以“頂對頂”的形式形成可靠的多點電接觸，盡可能多的接觸電能夠降低小室內(nèi)部構(gòu)件的接觸電阻

主極板示意圖

對頂安裝示意圖

另一方面球凸球凹型結(jié)構(gòu)曲面構(gòu)成了電解單元內(nèi)部的容腔及循環(huán)通道，使電解液在進入電解單元極板流道時不能直接向上流動，而需經(jīng)過許多球狀凹凸結(jié)構(gòu)之間的彎曲間隙，有利于增強流動的擾動程度，減小流道內(nèi)各處的電解液濃度差，使電解液分布更均勻，從而降低電解設(shè)備的能耗，提高其長期運行的穩(wěn)定性。

在乳突型極板上乳突的數(shù)量和乳突的深度需要進一步探究的問題。

1）乳突的數(shù)量：對于極板乳突的數(shù)量來講，乳突的數(shù)量越多一方面可以能夠?qū)崿F(xiàn)極板與電極間的接觸，減小極板與電極間的接觸電阻，減小小室電壓；另一方面，在電解過程中氫、氧側(cè)會不斷有氣泡從電極表面析出，匯聚成大的氣泡，這會造成電解液內(nèi)的電阻變大，若極板與電極間多孔結(jié)構(gòu)越多，電解液中形成大氣泡的概率就越小，形成明顯電阻的可能性就不大，氣泡對電流密度的影響也就越小。所以從性能要求上來說，乳突結(jié)構(gòu)的數(shù)量越多越好。但是從制造成本上來說，乳突結(jié)構(gòu)數(shù)量的增加會直接導(dǎo)致沖壓成本的增加，是極板的制造成本增加。

2）乳突的深度：乳突球凸與球凹型組合結(jié)構(gòu)能夠較好地強化電解槽內(nèi)部的傳熱與傳質(zhì)。有研究者針對凹凸結(jié)構(gòu)分別通過數(shù)值模擬和實驗研究了采用不同的球凸高度（球凹深度）結(jié)構(gòu)時流道內(nèi)的流場分布特性，分析了球凸球凹結(jié)構(gòu)對于流動過程的影響。當乳突的深度變大時，其對電解槽內(nèi)部電解液的流動擾動更大，電解槽內(nèi)部的溫度分布會更加均勻，更不容易生成大氫氧氣泡，能夠減小氣泡對于電流密度的影響；另一方面，乳突深度的增加會增加電解槽小室的間距，使整體結(jié)構(gòu)變得不夠緊湊，導(dǎo)致小室電阻增加，同時制造大深度的乳突結(jié)構(gòu)對沖壓機的噸位要求更大，成本更高。目前工業(yè)所用的乳突深度大約在3.5~5mm左右。

（2）極框

極框在主極板外部，上面設(shè)置有上端的兩組氣道孔和下端的一組或多組液道孔，極框上與主極板焊接的部分被稱為舌板，極框最外側(cè)為剖面為鋸齒狀的密封線區(qū)，其余為隔膜和密封墊的重合區(qū)。

電解槽內(nèi)部陰極與陽極的電解液是不能混合在一起的，而堿液從外部進入小室、陰極電解液與陽極電解液的分流進入電解槽內(nèi)部的陰極電解液與陽極電解液流道、電解槽內(nèi)部陰極電解液與陽極電解液分區(qū)流動進入制氫框架，上述三方面的功能都是由極框去實現(xiàn)的。下面將圍繞著三個主要的功能對極框的結(jié)構(gòu)進行分析。

極板外部極框構(gòu)造及功能示意圖

1）堿液從外部進入電解小室

如上圖所示，極框的下部會設(shè)置堿液液道孔，大量極板的堆疊在電解槽內(nèi)部（下部）形成堿液的進入流道。堿液從外部用泵打入電解槽內(nèi)部的堿液進入流道，再通過極板的堿液液道孔和溝槽進入電解小室。每塊極板的雙面都會設(shè)置堿液液道孔，使堿液能夠進入電解槽的陽極區(qū)和陰極區(qū)。

2）陰極區(qū)電解液與陽極區(qū)電解液的分流

這是極框最重要的一個功能，這是由極框上部的兩組氣道孔實現(xiàn)的。如上圖所示，極框上部開有氧氣與氫氣液道孔，以陰極區(qū)極板為例，電解液通過堿液液道孔進入陰極區(qū)域與電極發(fā)生反應(yīng)生成氫氣，氫氣和電解液的混合物通過氫氣氣道孔離開電解小室。

那么為什么電解液與氫氣的混合物只進入氫氣氣道孔而不進入氧氣氣道孔呢，原因就在于氣道孔下部溝槽的設(shè)置。請仔細觀察上面的示意圖，在陽極區(qū)的極框只在氫氣氣道孔的下部設(shè)置溝槽，而在陽極氣道孔下部不設(shè)置溝槽。這樣在密封墊片的密封作用下，氧氣氣道孔由于沒有設(shè)置溝槽，氫氣與堿液的混合物通往氧氣氣道孔的路徑完全被密封墊片封住，所以氫氣和堿液的混合物就只能通過設(shè)置的溝槽進入氫氣氣道孔。通過氣道孔和溝槽的設(shè)置實現(xiàn)了陰極區(qū)電極液只進入氫氣氣道孔。同理，在陽極區(qū)的極框就只在氧氣氣道孔下部設(shè)置溝槽，這樣陽極區(qū)電解液就只進入氧氣氣道孔。這就是實現(xiàn)了陰極區(qū)電解液和陽極區(qū)電解液在電解槽內(nèi)部的分流。

3）電解槽內(nèi)部陰極電解液與陽極電解液分區(qū)流動進入制氫框架

其原理與堿液進液孔相同，通過極板的堆疊在電解槽內(nèi)部形成了陽極電解液流道和陰極電解液流道，實現(xiàn)了陰極區(qū)電解液和陽極區(qū)電解液在電解槽內(nèi)部的分流。

電解槽內(nèi)部流道示意圖

如上圖所示，極板上部的氫氣氣道孔、氧氣氣道孔及下部的堿液進液孔通過極板的大量堆疊在電解槽內(nèi)部形成流道，這也是極框的主要功能之一。

原文始發(fā)于微信公眾號（氫能源生產(chǎn)工藝）：堿性電解水制氫電解槽又一關(guān)鍵部件