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這篇文章將介紹堿性電解水制氫電解槽又一關(guān)鍵部件——極板，作者認(rèn)為極板是堿性電解槽中最重要的部件，所以會(huì)分為幾部分去進(jìn)行介紹。

一、極板的作用原理

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(diǎn)類(lèi)似于實(shí)驗(yàn)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(shí)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(gè)完整的小室結(jié)構(gòu)的兩端，形成了陰極區(qū)域和陽(yáng)極區(qū)域堿液流動(dòng)的腔室，實(shí)現(xiàn)了陰極堿液和陽(yáng)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(yùn)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：

雙極壓濾式電解槽一般采用的是“中間正兩邊負(fù)”的接線方式，在外加電場(chǎng)的作用下一面帶正電，一面帶負(fù)電，分別作為陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的極板，也就是說(shuō)同一塊極板會(huì)在兩面帶有不同的電荷，這也是其“雙極”名稱(chēng)的由來(lái)。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200-300塊極板，其在堿性制氫電解槽中的重要性也不言而喻。

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，然后整體鍍鎳得到。

（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(duì)頂”的形式形成可靠的多點(diǎn)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。

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(jìn)入電解單元極板流道時(shí)不能直接向上流動(dòng)，而需經(jīng)過(guò)許多球狀凹凸結(jié)構(gòu)之間的彎曲間隙，有利于增強(qiáng)流動(dòng)的擾動(dòng)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(zhǎng)期運(yùn)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(jìn)一步探究的問(wèn)題。

1）乳突的數(shù)量：對(duì)于極板乳突的數(shù)量來(lái)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(guò)程中氫、氧側(cè)會(huì)不斷有氣泡從電極表面析出，匯聚成大的氣泡，這會(huì)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(duì)電流密度的影響也就越小。所以從性能要求上來(lái)說(shuō)，乳突結(jié)構(gòu)的數(shù)量越多越好。但是從制造成本上來(lái)說(shuō)，乳突結(jié)構(gòu)數(shù)量的增加會(huì)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(qiáng)化電解槽內(nèi)部的傳熱與傳質(zhì)。有研究者針對(duì)凹凸結(jié)構(gòu)分別通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了采用不同的球凸高度（球凹深度）結(jié)構(gòu)時(shí)流道內(nèi)的流場(chǎng)分布特性，分析了球凸球凹結(jié)構(gòu)對(duì)于流動(dòng)過(guò)程的影響。當(dāng)乳突的深度變大時(shí)，其對(duì)電解槽內(nèi)部電解液的流動(dòng)擾動(dòng)更大，電解槽內(nèi)部的溫度分布會(huì)更加均勻，更不容易生成大氫氧氣泡，能夠減小氣泡對(duì)于電流密度的影響；另一方面，乳突深度的增加會(huì)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(shí)制造大深度的乳突結(jié)構(gòu)對(duì)沖壓機(jī)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液道孔，極框上與主極板焊接的部分被稱(chēng)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(yáng)極的電解液是不能混合在一起的，而堿液從外部進(jìn)入小室、陰極電解液與陽(yáng)極電解液的分流進(jìn)入電解槽內(nèi)部的陰極電解液與陽(yáng)極電解液流道、電解槽內(nèi)部陰極電解液與陽(yáng)極電解液分區(qū)流動(dòng)進(jìn)入制氫框架，上述三方面的功能都是由極框去實(shí)現(xiàn)的。下面將圍繞著三個(gè)主要的功能對(duì)極框的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1）堿液從外部進(jìn)入電解小室

如上圖所示，極框的下部會(huì)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(jìn)入流道。堿液從外部用泵打入電解槽內(nèi)部的堿液進(jìn)入流道，再通過(guò)極板的堿液液道孔和溝槽進(jìn)入電解小室。每塊極板的雙面都會(huì)設(shè)置堿液液道孔，使堿液能夠進(jìn)入電解槽的陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)。

2）陰極區(qū)電解液與陽(yáng)極區(qū)電解液的分流

這是極框最重要的一個(gè)功能，這是由極框上部的兩組氣道孔實(shí)現(xiàn)的。如上圖所示，極框上部開(kāi)有氧氣與氫氣液道孔，以陰極區(qū)極板為例，電解液通過(guò)堿液液道孔進(jìn)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(guò)氫氣氣道孔離開(kāi)電解小室。

那么為什么電解液與氫氣的混合物只進(jìn)入氫氣氣道孔而不進(jìn)入氧氣氣道孔呢，原因就在于氣道孔下部溝槽的設(shè)置。請(qǐng)仔細(xì)觀察上面的示意圖，在陽(yáng)極區(qū)的極框只在氫氣氣道孔的下部設(shè)置溝槽，而在陽(yáng)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(méi)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(guò)設(shè)置的溝槽進(jìn)入氫氣氣道孔。通過(guò)氣道孔和溝槽的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了陰極區(qū)電極液只進(jìn)入氫氣氣道孔。同理，在陽(yáng)極區(qū)的極框就只在氧氣氣道孔下部設(shè)置溝槽，這樣陽(yáng)極區(qū)電解液就只進(jìn)入氧氣氣道孔。這就是實(shí)現(xiàn)了陰極區(qū)電解液和陽(yáng)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(yáng)極電解液分區(qū)流動(dòng)進(jìn)入制氫框架

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

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(jìn)液孔通過(guò)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。