CN109898094A - 一种高压水电解槽 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压水电解槽，包括金属外框，金属外框内侧设置有绝缘内衬底座，绝缘内衬底座的顶端设置有正极接电板，绝缘内衬底座的底端设置有负极接电板，正极接电板与负极接电板之间设置有电解槽，电解槽由多个双极板堆叠而成，每两个双极板之间设置有阳极集电器和阴极集电器，阳极集电器向着正极接电板的一侧设置，阴极集电器向着负极接电板的一侧设置，阳极集电器和阴极集电器之间设置有膜电极，阳极集电器的内侧设置有C型滑环组合密封内环，阴极集电器的外侧设置有C型滑环组合密封外环，C型滑环组合密封内环的内侧设置有金属支撑内环。本发明解决质子交换膜水电解槽高压密封问题，显著提高电解槽氢气出口压力。
Description
技术领域
本发明涉及电解技术领域，特别涉及一种高压水电解槽。
背景技术
质子交换膜水电解装置由于其高能效、高产气纯度以及小型、轻量在电网储能、燃料电池、加氢站、航天、化工等方面具有广阔的应用前景。利用PEM水电解制氢技术，实现电力资源在时间、空间维度重新分布和电解产物多元化利用，可大大提高能源综合利用效率，减少碳排放。
但目前PEM水电解槽受密封形式制约不能产生高压氢气，现有的PEM水电解槽通常采用聚四氟乙烯或三元乙丙橡胶制成平板密封垫，通过螺栓预紧力将结构压紧实现密封。受到橡胶密封件允许压缩量的限制，这种水电解槽结构能够制取的氢气最大压力一般不超过3.5MPa。
为了满足燃料电池、加氢站等氢能应用的需要，必须将氢气存储于高压气瓶内，通常气瓶存储压力为35MPa。目前，PEM水电解槽制取的氢气最高压力不大于3.5MPa，必须通过氢气压缩机，使之达到设定高压，才能存储于气瓶内。从而导致水电解制氢系统整体装备体积大、能耗高、可靠性差、电解效率低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种高压水电解槽，旨在解决质子交换膜水电解槽高压密封问题，显著提高电解槽氢气出口压力。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明一种高压水电解槽，包括金属外框，所述金属外框内侧设置有绝缘内衬底座，所述绝缘内衬底座的顶端设置有正极接电板，所述绝缘内衬底座的底端设置有负极接电板，所述正极接电板与负极接电板之间设置有电解槽，所述电解槽由多个双极板堆叠而成，所述每两个双极板之间设置有阳极集电器和阴极集电器，所述阳极集电器向着正极接电板的一侧设置，所述阴极集电器向着负极接电板的一侧设置，所述阳极集电器和阴极集电器之间设置有膜电极，所述阳极集电器的内侧设置有C型滑环组合密封内环，所述阴极集电器的外侧设置有C型滑环组合密封外环，所述C型滑环组合密封内环的内侧设置有金属支撑内环，所述双极板、阳极集电器、膜电极、阴极集电器、正极接电板的中心位置均位于同一竖直轴线上，且双极板、阳极集电器、膜电极、阴极集电器、正极接电板的中心均设置有氢气排出孔，所述电解槽的两端均与绝缘内衬底座之间存在空隙，所述空隙和双极板内部区域构成了水流通道，所述水流通道的一端连接有进水口，所述水流通道的另一端连接有出水口，水经所述水流通道的进水口端进入所述双极板的内部区域，经所述双极板反应后，再从所述水流通道的出水口端流出。
作为本发明的一种优选技术方案，所述C型滑环组合密封外环和C型滑环组合密封内环均采用C型滑环组合密封结构，所述C型滑环组合密封结构由耐高压O型密封圈和PTFE骨架组成，所述耐高压O型密封圈扣接在PTFE骨架上，且C型滑环组合密封结构通过耐高压O型密封圈与双极板相连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述金属外框的顶部设置有金属上端板，所述金属上端板与金属外框之间设置有绝缘端盖。
作为本发明的一种优选技术方案，所述金属上端板和绝缘端盖均通过螺栓与金属外框固定连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述进水口和出水口均位于金属上端板和绝缘端盖表面的两侧，所述氢气排出孔位于金属上端板和绝缘端盖表面的中心位置，且绝缘端盖与正极接电板相扣合，且正极接电板节点处穿过绝缘端盖向外延伸。
作为本发明的一种优选技术方案，所述螺栓的外侧设置有防松螺母，所述螺栓与金属上端板之间设置有碟簧。
作为本发明的一种优选技术方案，所述负极接电板的底部设置有底部接电端子，所述底部接电端子穿过金属外框向外延伸。
作为本发明的一种优选技术方案，所述底部接电端子与绝缘内衬底座之间设置有弹性密封垫。
作为本发明的一种优选技术方案，所述整个高压水电解槽采用圆形结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、密封结构采用差压设计，分别在阴极集电器外侧和阳极集电器内侧形成氢气高压密封，降低水、氧气通流密封要求，内部采用PTFE骨架和O型圈组合密封方式，具有自紧密封效果，可承受0-50MPa高压且O型圈磨损小寿命长。
2、流道结构通过绝缘内衬底座与堆叠双极板组成水流通道，电堆中心孔出氢，简化了传统电解槽的结构，提高了氢气的高压密封性。
3、承压结构可以在电解槽常压进水，高压产氢的同时，为电解槽提供稳定性。
4、接电结构均采用正负端接电柱结构设计，使接电结构大部分包裹在绝缘电解槽的内部，增加电绝缘性能。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的整体结构拆分图；
图3是本发明的整体结构俯视图；
图4是图3的A-A剖面图；
图5是图3的B-B剖面图；
图6是本发明单电解槽的局部结构示意图；
图7是本发明C型滑环组合密封结构的整体结构示意图；
图8是图7的A-A剖面图；
图9是图8的局部结构放大图；
图中：1、防松螺母；2、碟簧；3、螺栓；4、金属上端板；5、绝缘端盖；6、正极接电板；7、C型滑环组合密封内环；8、支撑内环；9、阳极集电器；10、膜电极；11、阴极集电器；12、C型滑环组合密封外环；13、双极板；14、负极接电板；15、底部接电端子；16、弹性密封垫；17、绝缘内衬底座；18、金属外框；19、耐高压O型密封圈；20、PTFE骨架；21、氢气排出孔；22、C型滑环组合密封结构；23、进水口；24、出水口；25、电解槽；26、水流通道。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；其中附图中相同的标号全部指的是相同的部件。
此外，如果已知技术的详细描述对于示出本发明的特征是不必要的，则将其省略，对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。需要说明的是，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义，此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1
如图1-9所示，本发明提供一种高压水电解槽，包括防松螺母1、碟簧2、螺栓3、金属上端板4、绝缘端盖5、正极接电板6、C型滑环组合密封内环7、支撑内环8、阳极集电器9、膜电极10、阴极集电器11、C型滑环组合密封外环12、双极板13、负极接电板14、底部接电端子15、弹性密封垫16、绝缘内衬底座17、金属外框18，金属外框18与金属上端板4为不锈钢材质，用于承受内部高压。金属上端板4两侧对称设有进水口23与进水口24，中心与绝缘端盖5中间凸起定位配合；金属外框18底部通孔用于伸出底部接电端子15，端面设有密封槽，配合绝缘端盖5实现密封。绝缘端盖5采用聚丙烯等耐温绝缘材料，保证电解槽绝缘安全，设有两个进水孔与两个出水孔，起分流作用，中间凸起处设有氢气出口以及正电极通孔，通孔处采用耐高压O型密封圈密封。绝缘内衬底座17采用聚丙烯等耐温绝缘材料，内侧面与负极接电板14、双极板13、正极接电板6外侧面贴合组成进水流道结构与出水流道结构，连通绝缘端盖5进出水孔，内侧面壁厚处设有半圆缺口，与内部负极接电板14、双极板13、正极接电板6外侧面缺口配合实现圆柱销定位，圆柱销采用绝缘材质。弹性密封垫16可采用橡胶等弹性材料，与底部接电端子15配合，吸收内部结构热胀的同时，也起到密封作用。底部接电端子15可采用黄铜等导电材料，紧贴负极接电板14，连接电源负极。正极接电板6采用钛材料，两导电柱连接电源的正极，中心通孔作为氢气出口。负极接电板14采用钛材料，采用圆环凸起，与C型滑环组合密封外环12、膜电极10配合实现阴极集电器11外环高压密封，圆环凸起两侧对称设置有呈弧线状的缺口，与进出水流道结构连接，实现阳极集电器9的进水与出水。双极板13采用钛材料，中心通孔为氢气出口，配合阳极集电器9、C型滑环组合密封内环7、金属支撑内环8、膜电极10、阴极集电器11实现氢气流道密封。阳极集电器9采用粉末钛板，一面光洁，一面带流道槽，流道槽起导流作用，中间通孔作为氢气出口。膜电极10采用全氟磺酸质子交换膜，中间通孔为氢气出口。阴极集电器11采用不锈钢丝网，一面光洁，中间通孔作为氢气出口。C型滑环组合密封内环7和C型滑环组合密封外环12均由耐高压O型密封圈19和PTFE骨架20组成，具有自紧密封效果，可承受0-50MPa高压力且耐高压O型密封圈19磨损小寿命长。支撑内环8提供内部支撑作用，防止系统启动时C型滑环组合密封内环7挤压损伤。
进一步，承压结构组成：金属上端板4、绝缘端盖5、绝缘内衬底座17、金属外框18组成承压结构，承压结构常压进水，高压产氢，金属外框为主要承压结构，可调整厚度以承受内部0-35MPa甚至更高的压力。
接电结构组成：正极接电板6、底部接电端子15分别连接电源的正负极。
密封结构组成：C型滑环组合密封外环12、膜电极10、双极板13在阴极集电器11外侧形成氢气高压密封。C型滑环组合密封内环7、支撑内环8、膜电极10、双极板13在阳极集电器9内侧形成氢气高压密封。
流道结构组成：绝缘内衬底座17、双极板13组成进出水流道结构。阳极集电器9、C型滑环组合密封内环7、支撑内环8、膜电极10、阴极集电器11、双极板13中心处的氢气排出孔21组成氢气流道结构。
具体的，如图1所示，螺栓3穿过金属上端板4、绝缘端盖5、金属外框18用防松螺母1、碟簧2进行定位紧固，提供电解槽的密封压紧力，整个电解槽装置为圆形，采用常压进水，高压产出氢气；如图4、6所示，常压水从金属上端板4的进水口23流入，经过绝缘内衬底座17与双极板13组合产生的进水流道结构，进入阳极集电器9发生电化学反应，经过绝缘内衬底座17与双极板13组合产生的出水流道结构，从金属上端板4的进水口24流出。常压水在阳极集电器9电化学反应产生氧气，在阴极集电器11产生氢气，氧气与水流一同经过出水流道结构，从金属上端板4的进水口24排出，氢气通过氢气流道结构从绝缘端盖5的出氢口排出。两双极板13之间组成单电解槽，阳极集电器9与阴极集电器11之间用膜电极10隔离，阳极集电器9外圆面连接进出水流道结构，内圆面高压密封，阴极集电器11外圆面高压密封，内圆面连接氢气流道。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高压水电解槽，包括金属外框(18)，其特征在于，所述金属外框(18)内侧设置有绝缘内衬底座(17)，所述绝缘内衬底座(17)的顶端设置有正极接电板(6)，所述绝缘内衬底座(17)的底端设置有负极接电板(14)，所述正极接电板(6)与负极接电板(14)之间设置有电解槽(25)，所述电解槽(25)由多个双极板(13)堆叠而成，所述每两个双极板(13)之间设置有阳极集电器(9)和阴极集电器(11)，所述阳极集电器(9)向着正极接电板(6)的一侧设置，所述阴极集电器(11)向着负极接电板(14)的一侧设置，所述阳极集电器(9)和阴极集电器(11)之间设置有膜电极(10)，所述阳极集电器(9)的内侧设置有C型滑环组合密封内环(7)，所述阴极集电器(11)的外侧设置有C型滑环组合密封外环(12)，所述C型滑环组合密封内环(7)的内侧设置有金属支撑内环(8)，所述双极板(13)、阳极集电器(9)、膜电极(10)、阴极集电器(11)、正极接电板(6)的中心位置均位于同一竖直轴线上，且双极板(13)、阳极集电器(9)、膜电极(10)、阴极集电器(11)、正极接电板(6)的中心均设置有氢气排出孔(21)，所述电解槽(25)的两端均与绝缘内衬底座(17)之间存在空隙，所述空隙和双极板(13)内部区域构成了水流通道(26)，所述水流通道(26)的一端连接有进水口(23)，所述水流通道(26)的另一端连接有出水口(24)，水经所述水流通道(26)的进水口(23)端进入所述双极板(13)的内部区域，经所述双极板(13)反应后，再从所述水流通道(26)的出水口(24)端流出。
2.根据权利要求1所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述C型滑环组合密封外环(12)和C型滑环组合密封内环(7)均采用C型滑环组合密封结构(22)，所述C型滑环组合密封结构(22)由耐高压O型密封圈(19)和PTFE骨架(20)组成，所述耐高压O型密封圈(19)扣接在PTFE骨架(20)上，且C型滑环组合密封结构(22)通过耐高压O型密封圈(19)与双极板(13)相连接。
3.根据权利要求1所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述金属外框(18)的顶部设置有金属上端板(4)，所述金属上端板(4)与金属外框(18)之间设置有绝缘端盖(5)。
4.根据权利要求3所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述金属上端板(4)和绝缘端盖(5)均通过螺栓(3)与金属外框(18)固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述进水口(23)和出水口(24)均位于金属上端板(4)和绝缘端盖(5)表面的两侧，所述氢气排出孔(21)位于金属上端板(4)和绝缘端盖(5)表面的中心位置，且绝缘端盖(5)与正极接电板(6)相扣合，且正极接电板(6)节点处穿过绝缘端盖(5)向外延伸。
6.根据权利要求4所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述螺栓(3)的外侧设置有防松螺母(1)，所述螺栓(3)与金属上端板(4)之间设置有碟簧(2)。
7.根据权利要求4所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述负极接电板(14)的底部设置有底部接电端子(15)，所述底部接电端子(15)穿过金属外框(18)向外延伸。
8.根据权利要求7所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述底部接电端子(15)与绝缘内衬底座(17)之间设置有弹性密封垫(16)。
9.根据权利要求1-8所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述整个高压水电解槽采用圆形结构。
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