CN104911626A - 一种高压力水电解制氢电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压力水电解制氢电解槽，包括正极端板和负极端板，正极端板和负极端板之间间隔交错排布有扁平圆柱形的组合密封垫和极板框组件，并保持平行，螺杆穿过正极端板和负极端板将组合密封垫和极板框组件紧固，组合密封垫两圆柱端面上分别设有呈圆形并且偏向圆心的密封唇，所述的极板框组件的两圆柱端面上分别设有一呈圆形的高压密封槽，组合密封垫的密封唇嵌在极板框组件的高压密封槽中，这种高压力水电解制氢电解槽，结构简单、安装方便，采用三元乙丙橡胶垫极大的降低了橡胶垫成本，可以反复使用。在高压力状态下，不仅可以满足高压氢、氧气的直接输送，减少气体加压环节，而且内部压力的提高，对电解槽的工作效率有很大的降低。

Description

一种高压力水电解制氢电解槽

技术领域

本发明涉及水电解制氢设备，特别涉及一种高压力水电解制氢电解槽。

技术背景

众所周知，提高水电解制氢过程的工作压力，是提高电解效率的一种比较经济、有效的途径之一。传统的水电解制氢水电解槽的工作压力一般采用0.1MPa～1.6MPa之间，为提高电解效率当今国内外的水电解制氢行业，有的将工作压力提高3.0MPa～3.5MPa，最高不会超过3.5MPa，高于3.5MPa高压运行的电解槽，则电解槽的密封安全矛盾将进一步突出，成为制约的瓶颈技术。

由于氢气的体积能量密度很低，氢气在工业各个领域实际应用，都需经过加压在高的体积密度下进行储存和运输，要增加相应的设备和运行成本。随着国内外科技进步，新技术、新工艺、新设备不断发展，氢的应用范围也有了新的拓展，有些化工行业希望提供压力>3.5MPa氢气源连接供气，作为化工作业过程的优质还原剂或原料气，在这样背景情况下，>3.5MPa工作压力的高压力水电解槽的密封技术的开发试验研究工作，引起更加的关注。

现有技术的水电解制氢电解槽的密封方法，通常都采用耐碱性较好的聚四氟橡胶或三元乙丙橡胶制作的平板型密封垫，通过螺杆的紧固力，将设立密封垫两侧的极板框压紧，实现其两个相邻端面之间的密封。如果需要提高电解槽工作压力进行密封，传统的途径是进一步加大对密封件的压紧力，来提高其密封效果，但这种现有密封技术存在着有以下不足：

<1>依靠增大压紧力来提高密封效果，势必随伴引起橡胶密封材料的压缩变形量加大，减少了工作条件下回弹量，过大的压紧力和初期压缩形变量，往往引起橡胶密封件的早期失效。

<2>平板型橡胶密封件在压紧状态下服役过程中，都会产生压缩蠕变收缩变形，压紧力越大，会引起蠕变形变亮加大和蠕变速度加快，往往采用增加碟簧数量进行补缩，放松驰也难以奏效。

发明内容

本发明的目的是：针对现有水电解制氢电解槽的密封技术的不足，为了适应当今化工行业市场开拓和今后发展的潜在市场对高压制氢、直接供气的需求，通过改进现有电解槽密封件的密封结构，来提高在高的工作压力下的密封效果，以满足>3.5MPa工作压力的高压力水电解制氢电解槽密封要求，进而可以提高电解效率。

本发明的技术方案是：一种高压力水电解制氢电解槽，包括分别位于两端相对而设的扁平圆柱形的正极端板和负极端板，正极端板和负极端板之间间隔交错排布有扁平圆柱形的组合密封垫和极板框组件，并保持平行，螺杆穿过正极端板和负极端板将组合密封垫和极板框组件紧固，所述的组合密封垫两圆柱端面上分别设有呈圆形并且偏向圆心的密封唇，所述的极板框组件的两圆柱端面上分别设有一呈圆形的高压密封槽，组合密封垫的密封唇嵌在极板框组件的高压密封槽中。

所述的组合密封件由环状的橡胶密封垫和位于其环内的圆形隔膜石棉布组合而成，隔膜石棉布的边缘与橡胶密封垫的环内边缘通过硫化热压工艺形成一体。

所述的环状的橡胶密封垫的两端面上分别设置有一圈偏向橡胶密封垫环心的密封唇，两圈密封唇内侧与橡胶密封垫间形成两个对称的袋状气室。

所述的密封唇的截面由垂直于橡胶密封垫的横段、接在横段外端的斜段以及接在斜段的回钩段组成，横段与斜段的夹角a为95°～145°，斜段与回钩段的夹角b为80°～130°，横段、斜段、回钩段与橡胶密封垫围成袋状气室，所述的袋状气室的室壁为平滑的曲线，其走势为由回钩段端部向横段内侧，并且以15°～55°的偏向角逐渐偏向斜段内侧。

极板框组件由环状的极板框和位于其环内的圆形极板经焊接组合而成，极板框的两端面上对应于密封唇的位置设有一圈高压密封槽，密封唇嵌于高压密封槽中且留有活动间隙；所述的正极端板和负极端板相对的内侧面上，也分别设有一圈用于嵌装密封唇的高压密封槽。

所述的螺杆的两端设有拧紧部件，该拧紧部件由内向外依次包括绝缘套、平垫圈、碟簧和螺母，绝缘套紧贴在正极端板或负极端板外圆面，正极端板和负极端板之间螺杆部分由绝缘导管套住。

本发明的有益效果：

<1>本发明采用在橡胶垫上设置的高压密封环结构，它具有高压气体自紧密封功能，当电解槽工作压力提高，槽内气体进入高压密封环内袋状气室，使两侧密封唇向外扩张，同时使密封唇外侧的密封面紧贴与极板框高压密封槽的相应密封面上，且随压力增大两个密封面压贴程度越紧，密封效果增强。这样结构无需单纯依靠外力紧固来提高密封性，由此可以满足工作压力>3.5MPa至10MPa的高压水电解制氢电解槽的密封要求。

<2>采用高压密封环结构的橡胶密封垫，不必采用过高的压紧力下服役，这样不但可以延长橡胶密封垫的使用寿命，同时也可以简化紧固防松驰结构装置。

<3>新的密封结构在提高电解槽工作压力同时也相应提高了电解效率。

<4>可以适应和满足3.5MPa～10MPa工作压力下水电解制氢电解槽的密封，可以满足某些新兴化工产生的高压制氢直接供气的需求，降低高压储存和高压运输环节而产生的能耗和运行成本，相应创造了社会效益。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图。

图2是图1的A部位放大示意图。

图3是组合密封垫正面结构示意图。

图4是图3 A-A剖面示意图。

图5是图4中C部位放大示意图。

图6是极板框组件正面结构示意图。

图7是图6 B-B剖面示意图。

图8是图7的D部位放大示意图。

附图标记说明：1、螺母；2、螺杆；3、碟簧；4、负极端板；5、绝缘导管；6、正极端板；7、绝缘套；8、平垫圈；9组合密封垫；10、极板框组件；11、橡胶密封垫；12、隔膜石棉布；13、极板框；14、极板；15、密封唇；16、高压密封槽；17、袋状气室；18、横段；19、斜段；20、回钩段。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供一种高压力水电解制氢电解槽，结合图1和图2，包括分别位于两端相对而设的扁平圆柱形的正极端板6和负极端板4，正极端板6和负极端板4之间间隔交错排布有扁平圆柱形的组合密封垫9和极板框组件10，并保持平行，螺杆2穿过正极端板6和负极端板4将组合密封垫9和极板框组件10紧固，所述的组合密封垫9两圆柱端面上分别设有呈圆形并且偏向圆心的密封唇15，所述的极板框组件10的两圆柱端面上分别设有一呈圆形的高压密封槽16，组合密封垫9的密封唇15嵌在极板框组件10的高压密封槽16中。

通过螺杆2的作用，使得组合密封垫9和极板框组件10紧密贴合排布，这样就形成本实施例的这种高压水电解制氢电解槽，随着电解槽内部压力的增加，压力会作用到组合密封垫9上，此时，结构中的密封唇15便开始起作用，压力增大，密封唇15受压后张开，这样密封唇15会更加地贴紧高压密封槽16，使得两者之间的密封效果更好，进而组合密封垫9和极板框组件10之间的密封效果便会更好，并且在这种情况下，随着压力的不断增大，一定程度范围内，其密封效果也会越来越好，相比于传统电解槽能满足的产气压力最大为3.2MPa，本实施例的这种结构下的电解槽，将能适应更大的压力范围，至少可承受8MPa的内部压力，实现高压下水电解制氢。

实施例2：

组合密封件9由环状的橡胶密封垫11和位于其环内的圆形隔膜石棉布12组合而成，隔膜石棉布12的边缘与橡胶密封垫11的环内边缘通过硫化热压工艺形成一体，橡胶密封垫11为三元乙丙橡胶，隔膜石棉布12为专门用于水电解制氢的密织斜纹石棉布，橡胶密封垫11与隔膜石棉布12的组合方式为橡胶密封垫11在进行硫化压紧时，将隔膜石棉布12外圈放在橡胶密封垫11内侧位置，同时压紧并硫化，保证橡胶密封垫11与隔膜石棉布12粘牢，粘接部分长度为20～80mm。

所述的环状的橡胶密封垫11的两端面上分别设置有一圈偏向橡胶密封垫11环心的密封唇15，两圈密封唇15内侧与橡胶密封垫11间形成两个对称的袋状气室17。

密封唇15的截面由垂直于橡胶密封垫11的横段18、接在横段18外端的斜段19以及接在斜段19的回钩段20组成，横段18与斜段19的夹角a为95°～145°，斜段19与回钩段20的夹角b为80°～130°，横段18、斜段19、回钩段20与橡胶密封垫11围成袋状气室17，所述的袋状气室17的室壁为平滑的曲线，其走势为由回钩段20端部向横段18内侧，并且以15°～55°的偏向角逐渐偏向斜段19内侧。

即如图3、图4、图5所示，密封唇15内部有一个椭圆形袋状气室17，密封唇15高度H为4～20mm，密封唇A面（斜段19）宽度L1为5～30mm，A面与H（横段18）的夹角a为95°～145°，A面与B面（回钩段20）的夹角b为80°～130°，B面与C的夹角a为15°～55°，B面的宽度L2为4～28mm，比高度H小0.5～2.5mm，密封唇内部实心部分L3为4～15mm，密封唇外部延伸部分L4为10～40mm，密封唇外部延伸部分厚度L5为2～8mm。

本实施例中，密封唇高度H为8mm，密封唇A面宽度L1为15mm，A面与H的夹角a为130°，A面与B面的夹角b为130°，B面与C的夹角a为35°B面的宽度L2为7mm，密封唇内部实心部分L3为8mm，密封唇外部延伸部分L4为20mm，密封唇外部延伸部分厚度L5为5mm。由于电解槽设计压力和设计直径的不同，密封唇的H、L1、L2、L3、L4、L5会适当改变， a、b两个夹角在所给范围进行调整，均属于本发明的设计范围内。橡胶密封垫11采用的是自紧密封原理，由于其独特的唇形密封结构，随着电解槽内部压力的增加，橡胶密封垫11的密封效果越来越好。

实施例3：

结合图6、图7和图8，极板框组件10由环状的极板框13和位于其环内的圆形极板14经焊接组合而成，极板框13的两端面上对应于密封唇15的位置设有一圈高压密封槽16，密封唇15嵌于高压密封槽16中且留有活动间隙；所述的正极端板6和负极端板4相对的内侧面上，也分别设有一圈用于嵌装密封唇15的高压密封槽16。

高压密封槽16外径与橡胶密封垫11上的密封唇15的外径一致，直径大小根据设计的电解槽产气量大小来确定，高压密封槽16的深度为4～20mm，宽度为8～30mm，两高压密封槽16之间的支撑筋宽度为3～10mm，高压密封槽16外部极板框宽度为10～40mm，高压密封槽16内部极板框宽度为5～20mm。

橡胶密封垫11与极板框组件10连接时，先将橡胶密封垫11的密封唇15嵌入极板框13的高压密封槽16内，由于密封唇15存在一定的角度，按压过程中避免密封唇15的不规则变形；其次将极板框组件10叠放在橡胶密封垫11上，同样确保密封唇15嵌入高压密封槽16内，且保证密封唇15不严重变形，这样依次叠放至电解槽装配完成。

实施例4：

本实施例中，螺杆2的两端设有拧紧部件，该拧紧部件由内向外依次包括绝缘套7、平垫圈8、碟簧3和螺母1，绝缘套7紧贴在正极端板6或负极端板4外圆面，正极端板6和负极端板4之间螺杆部分由绝缘导管5套住。

本实施例中，水电解制氢电解槽由6～18根螺杆2进行固定，而螺杆2的根数主要是由极板框组件的直径和水电解制氢电解槽的内部压力来确定，这里确定螺杆2的根数为6根，均匀分布在端板外端，保证极板不漏气即可。

螺杆拧紧部件由绝缘套7、平垫圈8、碟簧3和螺母1组成。螺杆2一侧的螺母1为1～2个、碟簧3为10～30组、绝缘套7为1个、平垫圈8为1～2个。考虑到电解槽的内部压力以及组合密封垫的收缩性，这里螺杆2一侧设计的螺母1为1个，其直径根据电解槽设计要求进行确定；碟簧3为12组，其型号根据螺杆2直径确定；平垫圈8为1个，与碟簧3型号相匹配；绝缘套7为一个，保证绝缘套7的绝缘性能，防止螺杆2带电。螺杆2由有绝缘导管5套住，导管两侧伸进至两侧端板内，保证电解槽与螺杆之间的绝缘性能。

实施例5：

结合上述实施例1至实施例4，本实施例提供一种最优方案，所述的高压水电解制氢电解槽极板框组件10为40～350组，组合密封垫9为40～350组。这里的极板框组件10数量为40组，组合密封垫9数量为41组。

高压水电解制氢电解槽由6～18根螺杆进行固定，而螺杆2的根数主要是由极板框组件10的直径和高效水电解制氢电解槽的内部压力来确定，这里确定螺杆2的根数为6根，均匀分布在端板外端，保证极板不漏气即可。

螺杆2拧紧部件由绝缘套7、平垫圈8、碟簧3和螺母1组成。螺杆2一侧的螺母1为1～2个、碟簧3为10～30组、绝缘套7为1个、平垫圈8为1～2个。考虑到电解槽的内部压力以及组合密封垫的收缩性，这里螺杆2一侧设计的螺母1为1个，其直径根据电解槽设计要求进行确定；碟簧3为12组，其型号根据螺杆直径确定；平垫圈8为1个，与碟簧3型号相匹配；绝缘套7为一个，保证绝缘套7的绝缘性能，防止螺杆2带电。螺杆2由有绝缘导管5套住，导管两侧伸进至两侧端板内，保证电解槽与螺杆之间的绝缘性能。

组合密封垫9由橡胶密封垫11和隔膜石棉布12组合而成。隔膜石棉布12是专门用于水电解制氢的密织斜纹石棉布，厚度约2～5mm，这里的隔膜石棉布12厚度为3.2mm。隔膜石棉布12直径应与橡胶密封垫11的内圆直径一致，橡胶密封垫11采用三元乙丙橡胶。

橡胶密封垫11区别于传统的平垫密封，在橡胶密封垫11的两侧各有一个密封唇15，密封唇15内部有一个椭圆形袋状气室17，密封唇15高度H为6mm，密封唇A面宽度L1为12mm，A面与H的夹角a为110°，A面与B面的夹角b为110°，B面与C的夹角a为25°B面的宽度L2为5mm，密封唇内部实心部分L3为5.5mm，密封唇外部延伸部分L4为15mm，密封唇外部延伸部分厚度L5为6mm。由于电解槽设计压力和设计直径的不同，密封唇的H、L1、L2、L3、L4、L5会适当改变。

橡胶密封垫11与隔膜石棉布12的组合方式为橡胶密封垫11在进行硫化压紧时，将隔膜石棉布12外圈放在橡胶密封垫11内侧位置，同时压紧并硫化，保证橡胶密封垫11与隔膜石棉布12粘牢，粘接部分长度为80mm。

极板框13上有放置橡胶密封垫密封唇15的高压密封槽16，高压密封槽16外径与密封唇16的外径一致，直径大小根据设计的电解槽产气量大小来确定，凹槽的深度为6mm，宽度为12mm，两凹槽之间的支撑筋宽度为5mm，凹槽外部极板框宽度为10mm，凹槽内部极板框宽度为65mm。

橡胶密封垫与极板框组件连接时，先将橡胶密封垫的密封唇嵌入极板框的密封槽内，由于密封唇存在一定的角度，按压过程中避免密封唇的不规则变形；其次将极板框组件叠放在型橡胶密封垫上，同样确保密封唇嵌入密封槽内，且保证密封唇不严重变形，这样依次叠放至电解槽装配完成。

综上所述，本发明的这种高压力水电解制氢电解槽，将组合密封垫设计成带有自紧结构的带有密封唇的组合密封垫，其唇形部分嵌入到极板框的凹槽内部，然后极板框与带有密封唇的组合密封垫之间互相压紧，在电解槽内部有压力时，由于带有密封唇的组合密封垫的密封唇的结构，随着设备内部压力的增加，电解槽内部气体会进入到密封唇内部空间，电解槽内部气体压力会给密封唇一个向外的扩张力，而向外的扩张力使密封唇与极板框组件之间形成一定的压紧力，随着电解槽内部压力的增大，其密封唇与极板框之间的压紧力也越来越大，则电解槽的密封效果越来越好，这样通过结构密封弥补了平垫密封的不足，可满足远大于3.2MPa的内部压力，经过试验，这种高压力水电解制氢电解槽至少可满足8MPa的内部压力。它结构简单、安装方便，同时采用三元乙丙橡胶垫极大的降低了橡胶垫成本，且可以反复使用。在高压状态下，不仅可以满足高压氢、氧气的直接输送，减少气体加压环节，而且内部压力的提高，对电解槽的工作效率了有很大的降低。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高压力水电解制氢电解槽，包括分别位于两端相对而设的扁平圆柱形的正极端板（6）和负极端板（4），正极端板（6）和负极端板（4）之间间隔交错排布有扁平圆柱形的组合密封垫（9）和极板框组件（10），并保持平行，螺杆（2）穿过正极端板（6）和负极端板（4）将组合密封垫（9）和极板框组件（10）紧固，其特征在于：所述的组合密封垫（9）两圆柱端面上分别设有呈圆形并且偏向圆心的密封唇（15），所述的极板框组件（10）的两圆柱端面上分别设有一呈圆形的高压密封槽（16），组合密封垫（9）的密封唇（15）嵌在极板框组件（10）的高压密封槽（16）中。

2.如权利要求1所述的高压力水电解制氢电解槽，其特征在于：所述的组合密封件（9）由环状的橡胶密封垫（11）和位于其环内的圆形隔膜石棉布（12）组合而成，隔膜石棉布（12）的边缘与橡胶密封垫（11）的环内边缘通过硫化热压工艺形成一体。

3.如权利要求2所述的高压力水电解制氢电解槽，其特征在于：所述的环状的橡胶密封垫（11）的两端面上分别设置有一圈偏向橡胶密封垫（11）环心的密封唇（15），两圈密封唇（15）内侧与橡胶密封垫（11）间形成两个对称的袋状气室（17）。

4.如权利要求1或2或3所述的高压力水电解制氢电解槽，其特征在于：所述的密封唇（15）的截面由垂直于橡胶密封垫（11）的横段（18）、接在横段（18）外端的斜段（19）以及接在斜段（19）的回钩段（20）组成，横段（18）与斜段（19）的夹角a为95°～145°，斜段（19）与回钩段（20）的夹角b为80°～130°，横段（18）、斜段（19）、回钩段（20）与橡胶密封垫（11）围成袋状气室（17），所述的袋状气室（17）的室壁为平滑的曲线，其走势为由回钩段（20）端部向横段（18）内侧，并且以15°～55°的偏向角逐渐偏向斜段（19）内侧。

5.如权利要求1所述的高压力水电解制氢电解槽，其特征在于：所述的极板框组件（10）由环状的极板框（13）和位于其环内的圆形极板（14）经焊接组合而成，极板框（13）的两端面上对应于密封唇（15）的位置设有一圈高压密封槽（16），密封唇（15）嵌于高压密封槽（16）中且留有活动间隙；所述的正极端板（6）和负极端板（4）相对的内侧面上，也分别设有一圈用于嵌装密封唇（15）的高压密封槽（16）。

6.如权利要求1所述的高压力水电解制氢电解槽，其特征在于：所述的螺杆（2）的两端设有拧紧部件，该拧紧部件由内向外依次包括绝缘套（7）、平垫圈（8）、碟簧（3）和螺母（1），绝缘套（7）紧贴在正极端板（6）或负极端板（4）外圆面，正极端板（6）和负极端板（4）之间螺杆部分由绝缘导管（5）套住。