CN115011973A - 一种密封面结构及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种密封面结构及其制备方法和应用，其中密封面结构包括设在基底上用于密封的第一表面，第一表面设有若干纳米凹陷。本发明所述密封面结构，由于若干纳米凹陷的存在，使用时密封圈等柔性密封组件可以内嵌到纳米凹陷中，起到超高压密封的效果。

Description

一种密封面结构及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其涉及一种密封面结构及其制备方法和应用。

背景技术

氢气具有清洁环保的特点，可以从水中来，反应后又生成水，是人类社会理想的终极能源。目前，以水为原料获取氢气的商业化途径是电解水制氢技术，大体可以分为三大类：一是碱性电解水制氢技术；二是质子交换膜（PEM）电解水制氢技术；三是固体氧化物电解池（SOEC）电解水制氢技术。其中PEM制氢技术以纯水为原料，响应速度快、制氢效率高，特别适用于匹配可再生能源的波动性、间歇性特点，是未来发展的主要制氢技术。

水电解制氢设备是电解槽，一般都是平板型重复单元结构，每个单元都需要进行密封处理，防止产生的氢气和氧气从装置内逸出。现有的电解槽密封压力一般在3MPa左右，而在应用端一般都在15MPa以上，比如实验室氢气瓶压力15MPa，氢气管束车20-30MPa，燃料电池车用高压氢气35-70MPa，目前电解水产生的氢气都是通过压缩机加压到高压后充装到上述设备中，如果可以将电解槽压力提高至15MPa以上，就可以省去压缩系统，缩短工艺流程，节约能耗。但是目前电解槽不能在高压下操作，主要受制于平面密封技术不能承受高压，导致电解槽工作压力较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种密封面结构，由于若干纳米凹陷的存在，使用时密封圈等柔性密封组件可以内嵌到纳米凹陷中，起到超高压密封的效果。

本发明的另一个目的在于提供一种密封面结构的制备方法。

本发明的又一个目的在于提供一种电解水制氢双极板。

本发明的又一个目的在于提供一种密封结构。

本发明的又一个目的在于提供一种电解水制氢设备。

为达到上述目的，本发明的第一方面实施例提出一种密封面结构，包括设在基底上用于密封的第一表面，所述第一表面设有若干纳米凹陷。

本发明实施例的密封面结构，由于若干纳米凹陷的存在，使用时密封圈等柔性密封组件可以内嵌到纳米凹陷中，起到超高压密封的效果。

在本发明的一些实施例中，若干纳米凹陷布满整个第一表面，且相邻两个纳米凹陷之间留有1-20nm的间距。

在本发明的一些实施例中，若干纳米凹陷的当量直径均在1-50nm之间。

在本发明的一些实施例中，所述基底材质为不锈钢、铁、铝、铜、镍中的一种或几种的合金。

为达到上述目的，本发明的第二方面实施例提出一种密封面结构的制备方法，包括

将所述基底的第一表面浸渍在电解液中，以所述基底为工作电极，在工作电极和对电极之间通电，对所述基底进行处理。

本发明实施例的密封面结构的制备方法，工艺简单，操作方便，所获得的密封面结构，具有若干规则的纳米凹陷，密封圈等柔性密封组件可以内嵌到纳米凹陷中，起到超高压密封的效果。

在本发明的一些实施例中，所述电解液为草酸、硼酸、硫酸和氢氟酸中的至少两种的混合液。

在本发明的一些实施例中，所述对电极为石墨电极或铂电极；所述基底在置于电解液中之前需进行超声洗涤、烘干预处理。

在本发明的一些实施例中，对所述基底进行处理的工艺条件为：电压为10-50V，温度为常温，处理时间为10-240min。

为达到上述目的，本发明的第三方面实施例提出一种电解水制氢双极板，包括本发明实施例所述的密封面结构。

为达到上述目的，本发明的第四方面实施例提出一种密封结构，包括柔性密封组件和本发明实施例所述的密封面结构；所述柔性密封组件内嵌至若干纳米凹陷中。

在本发明的一些实施例中，所述柔性密封组件为密封圈或密封胶。

为达到上述目的，本发明的第五方面实施例提出一种电解水制氢设备，包括本发明实施例的密封结构。

本发明实施例的电解水制氢双极板、密封结构和电解水制氢设备的有益效果均与本发明实施例的密封面结构的有益效果基本相同，在此不再赘述。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的密封面结构的扫描电镜图。

图2为本发明实施例1中预处理的不锈钢基底密封槽表面的扫描电镜图。

图3为本发明实施例1中通电处理后的不锈钢基底密封槽表面扫描电镜图。

图4为根据本发明一个实施例的密封结构的简单示意图。

图5为根据本发明一个实施例的电解水制氢双极板的简单结构示意图。

图6为高压密封测试装置的简单结构示意图。

图7为本发明实施例1的制备方法所制备的密封面与对比例1中的密封面的承压曲线对比图。

图8为根据本发明一个实施例的电解水制氢设备的简单结构示意图。

图9为对比例2中通电处理后的不锈钢基底密封槽表面扫描电镜图。

图10为对比例3中通电处理后的不锈钢基底密封槽表面扫描电镜图。

附图标记：

1-基底；2-纳米凹陷；3-柔性密封组件；4-第二表面；5-密封槽；501-密封槽内表面；6-第一板；7-第二板；8-第一密封圈；9-密封空腔；10-进气口；11-压力表；12-截止阀；13-第一双极板；14-第一扩散层；15-膜电极；16-第二扩散层；17-第二双极板；18-第二密封圈。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例和对比例中所涉及的原材料、化学试剂和设备，如无特殊说明，均为可通过商业途径获得的原材料、化学试剂和设备；本发明实施例和对比例所涉及的方法，如无特殊说明，均为常规方法。

下面参考附图描述本发明实施例的一种密封面结构、密封结构、电解水制氢双极板和电解水制氢设备。

图1为根据本发明一个实施例的密封面结构的扫描电镜图。

如图1所示，本发明实施例的密封面结构，包括设在基底1上用于密封的第一表面，第一表面设有若干纳米凹陷2。

本发明实施例的密封面结构，由于若干纳米凹陷的存在，使用时密封圈等柔性密封组件可以内嵌到纳米凹陷中，起到超高压密封的效果。

需要说明的是，这里基底可以是任何具有本发明实施例设有若干纳米凹陷的第一表面的物体，例如机械零部件、双极板、容器等。基底材质包括但不限于不锈钢、铁、铝、铜、镍中的一种或几种的合金。

在一些实施例中，第一表面为基底的某一个表面；在另一些实施例中，第一表面为基底连续设置的几个表面。

在一些实施例中，若干纳米凹陷2布满整个第一表面，且相邻两个纳米凹陷之间留有间距（如图1所示），这里间距可以在1-20nm之间，比如10nm。纳米凹陷可以理解为是在第一表面上的若干盲孔，只是这些盲孔的当量直径均在1-50nm之间。

在一些实施例中，若干纳米凹陷2的形状是规则的，比如半球形、圆柱体、立方体、横截面为菱形的结构、锥形等；在另一些实施例中，若干纳米凹陷的形状可以是不规则的，比如各个纳米凹陷形状不同的情形或者均为异形的情形等。

在一些实施例中，若干纳米凹陷2在第一表面上的分布是均匀的，比如以阵列的形式分布等；在另一些实施例中，若干纳米凹陷在第一表面上的分布是不均匀的，比如在第一表面的某一部分分布比较密集，而在另一部分分布的比较稀疏，等等。

但无论若干纳米凹陷自身的形状如何、若干纳米凹陷在第一表面的分布状况如何，其设置的主要目的是使用时保证密封圈等柔性密封组件可以内嵌到其中，提高超高压密封效果。因此，可以根据柔性密封组件的类型选择、不同材质、不同结构以及密封面需要承受的压力状况，相应的对若干纳米凹陷的结构和在第一表面上的分布状况进行设计。作为本发明一种可能的示例，若干纳米凹陷的形状是规则，且均匀分布在第一表面上，这样更能保证密封面各部分的密封结合力均一，进而提高密封的稳定性。

形成发明实施例的密封面结构的方法不限，但作为本发明一种可能的示例，为了形成规则的纳米凹陷，本发明密封面结构可以按如下方法制备，该方法包括：将基底的第一表面浸渍在电解液中，以基底为工作电极，在工作电极和对电极之间通电，对基底进行处理。

本发明实施例的密封面结构的制备方法，工艺简单，操作方便，所获得的密封面结构，具有若干规则的纳米凹陷，密封圈等柔性密封组件可以内嵌到纳米凹陷中，起到超高压密封的效果。

本发明实施例的密封面结构的制备方法将基底在电解液中通电处理形成纳米凹陷的原理为：所选用的金属基底晶格为四方结构或六方结构或八方立面体结构，在进行电化学处理时，基底的反应点位优先会以晶格为单元进行，通过控制电压和电解液种类，可以实现使晶格进行不同类型的反应。

在一些实施例中，为了去除基底上的杂质，保证基底处理的效果，在将基底至于电解液中之前，需要对基底先进行预处理，例如先通过蒸馏水等超声洗涤，再烘干等。

在本发明的一些实施例中，电解液可以采用草酸、硼酸、硫酸和氢氟酸中的至少两种的混合液。作为一种可能的示例，电解液为草酸和硼酸以质量比20：1-10：1混合的混合液。控制草酸和硼酸不同的混合比例，即可控制电解液的pH。需要说明的是，电解液中强酸含量越多，反应性越大，纳米凹陷深度越大；弱酸越多，反应性越弱，纳米凹陷深度越小。

在本发明的一些实施例中，对基底进行处理的工艺条件为：电压为10-50V，温度为常温，处理时间为10-240min。处理时间越长，纳米凹陷深度越大；时间越短，纳米凹陷深度越小。

需要说明的是，作为一种可能的示例，当第一表面为基底连续设置的几个表面时，可以先将其中一个表面或一部分表面放入上述电解液中通电处理，再将其他表面依次轮流放入上述电解液中处理，例如，当第一表面为基板上沿周向一周设置的密封槽表面时，且密封槽为矩形时，可以依次将密封槽位于矩形四条边的部位依次置于上述电解液中通电处理，使得整个密封槽表面经通电处理都可生成纳米凹陷。

本发明实施例的电解水制氢双极板，包括如本发明实施例的密封面结构。

作为一种可能的示例，如图5所示，电解水制氢双极板的基底上具有第二表面4，第二表面边缘位置沿基底周向一圈开有密封槽5，密封槽5的整个密封槽内表面501具有本发明实施例的密封面结构。具体的，密封槽内表面501为密封面结构中的第一表面，其上设有若干纳米凹陷。

需要说明的是，这里电解水制氢双极板的基底可以是未经处理的不锈钢、铁、铝、铜、镍中的一种或几种的合金的原始基材所构成的基底，也可以是在这些原始基材设置了防腐层等保护层的基底。作为一种可能的示例，电解水制氢双极板的基底材质包括但不限于不锈钢、铁、铝、铜、镍中的一种或几种的合金。

如图4所示，本发明实施例的密封结构，包括柔性密封组件和本发明实施例的密封面结构；柔性密封组件内嵌至若干纳米凹陷中。

其中，图4中虚线以上为密封面。

这里，在一些实施例中，柔性密封组件可以选择氟橡胶圈、硅橡胶圈等密封圈，而在另一些实施例中，柔性密封组件可以选择速干液态密封胶、光敏性密封胶、热敏性密封胶等密封胶。

需要说明的是，柔性密封组件内嵌至若干纳米凹陷中，解释如下：当柔性密封组件选择氟橡胶圈、硅橡胶圈等密封圈时，是指密封圈与密封面结构的第一表面接触的一侧与纳米凹陷位置相对应的部位内嵌入该纳米凹陷；而当柔性密封组件采用速干液态密封胶、光敏性密封胶、热敏性密封胶等密封胶时，可以是密封胶与纳米凹陷相对应的位置内嵌入该纳米凹陷，也可以是只在纳米凹陷内设置密封胶。

本发明实施例的密封结构可用于电解水制氢双极板的密封。

本发明中，密封结构中密封面的密封压力效果测试可以通过如图6所示的高压密封测试装置进行。该高压密封测试装置包括第一板6和第二板7；第一板6位于第二板7上方，且两者之间留有间距；第一板6和第二板7均可选择本发明实施例的电解水制氢双极板或者具有本发明实施例的电解水制氢双极板结构的平板，两者的密封槽中安装有第一密封圈8，第一密封圈8可以采用氟橡胶圈、硅橡胶圈等，第一密封圈上与纳米凹陷相对应的部位内嵌入该纳米凹陷；第一板6、第二板7和第一密封圈8三者构成一个密封空腔9；第一板6上开有进气口10，进气口10与密封空腔9连通，且进气口10处的管线上安装有压力表11和截止阀12。

采用上述高压密封测试装置测试密封面的密封压力的方法为：测试时，打开截止阀12，往装置内通入高压气体，当压力达到预定压力时，关闭截止阀12，观察压力表11压力指示变化，当压力表11数值不变且稳定4h，即为密封压力。

一种电解水制氢设备，包括本发明实施例的密封结构。

作为一种可能的示例，如图8所示，本发明实施例的电解水制氢设备，包括自上而下依次设置且通过第二密封圈18安装在一起的第一双极板13、第一扩散层14、膜电极15、第二扩散层16和第二双极板17；其中：第一双极板13和第二双极板17均为本发明实施例的电解水制氢双极板，且第一双极板13的基底紧贴第一扩散层14，第二双极板17的基底紧贴第二扩散层16；第一扩散层14和第二扩散层16均可采用现有常规的电解水制氢设备的扩散层结构和材质，例如第一扩散层可以采用多孔钛，第二扩散层可以采用碳纸；膜电极15也可以采用现有常规的电解水制氢设备的膜电极结构及材质；第二密封圈可以选择常规的氟橡胶密封圈等，第二密封圈与第一双极板和第二双极板的密封结构为本发明实施例的密封结构。第一双极板、第一扩散层、膜电极、第二扩散层和第二双极板通过密封圈安装在一起的实现方式为现有技术，在此不再赘述。

下面结合具体实施例和对比例来说明本发明密封面结构的制备方法。

实施例1

将不锈钢基底边缘位置沿基底周向一圈开设密封槽，将不锈钢基底的密封槽所在位置处于蒸馏水中超声洗涤10min，取出鼓风烘干，获得预处理后的不锈钢基底；将预处理后的不锈钢基底的密封槽位置处浸渍在草酸和硼酸以质量比15:1混合的电解液中，以预处理后的不锈钢基底作为工作电极，石墨为对电极，在工作电极和对电极之间通30V电压，室温处理130min，获得通电处理后的不锈钢基底。

本实施例中，将密封槽位置处浸渍在草酸和硼酸以质量比15:1混合的电解液中通电处理，获得通电处理后的不锈钢基底，在具体操作时可以是将密封槽位置处不同部位依次放入草酸和硼酸以质量比15:1混合的电解液中以上述工艺条件通电处理，待密封槽位置处一个部位通电处理完成后，再将密封槽位置处另一个部位通电处理，最终完成整个密封槽位置处的通电处理（也即密封槽表面的通电处理），获得通电处理后的不锈钢基底。

对预处理后的不锈钢基底和通电处理后的不锈钢基底密封槽表面分别进行了扫描电镜测试，预处理后的不锈钢基底密封槽表面的扫描电镜测试图如图2所示，通电处理后的不锈钢基底密封槽表面的扫描电镜测试图如图3所示。通过对比图2和图3可以看出，通电处理后的不锈钢基底密封槽表面有规则纳米凹陷，纳米凹陷的当量直径在1-50nm之间。

将两个本实施例的通电处理后的不锈钢基底组装成如图6所示的高压密封测试装置（两个通电处理后的不锈钢基底分别为第一板和第二板，第一密封圈采用氟橡胶圈，第一密封圈嵌入不锈钢基底的密封槽中），对本实施例通电处理后的不锈钢基底设有纳米凹陷的密封面（也即密封槽表面）进行密封测试，高压气体采用高压氮气，测试结果如图7所示。通过与对比例1（文后）对比可以看出，采用本实施例的制备方法所获得的通电处理后的不锈钢基底密封槽表面的密封初始压力可以加到40MPa，经过20min大约稳定在24.5MPa左右，而对比例1中不锈钢基底密封槽表面最终密封压力稳定在3.2MPa，可见，采用本发明的制备方法所获得的密封面，密封压力大幅度提升。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：电解液采用草酸和硼酸以质量比19:1的混合液。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：电解液采用草酸和硼酸以质量比9:1的混合液。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：在工作电极和对电极之间通12V电压。

实施例5

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：在工作电极和对电极之间通45V电压。

实施例6

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：通电处理时间为15min。

实施例7

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：通电处理时间为70min。

实施例8

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：通电处理时间为200min。

实施例9

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：基底为镍基底。

实施例10

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：电解液为草酸、硫酸和氢氟酸以质量比10：1：1混合的混合液。

实施例11

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：不锈钢基底不进行超声洗涤、烘干，直接进行通电处理。

对比例1

将不锈钢基底边缘位置沿基底周向一圈开设密封槽。

将两个本对比例的不锈钢基底组装成如图6所示的高压密封测试装置（两个不锈钢基底分别为第一板和第二板，第一密封圈采用氟橡胶圈），对本对比例的不锈钢基底的密封面进行密封测试，高压气体采用高压氮气，测试结果如图7所示。从图7可以看出，本对比例不锈钢基底密封槽表面最终密封压力稳定在3.2MPa，远远小于实施例1的24.5MPa。

对比例2

本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于：在工作电极和对电极之间通9V电压。

对本对比例通电处理后的不锈钢基底密封槽表面进行扫描电镜测试，测试结果如图9所示。从图9可以看出，密封槽表面未形成规则纳米凹陷。

经检测，采用本对比例的通电处理后的不锈钢基底密封槽表面的密封初始压力可以加到35MPa，经过20min大约稳定在15MPa。

对比例3

本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于：在工作电极和对电极之间通51V电压。

对本对比例通电处理后的不锈钢基底密封槽表面进行扫描电镜测试，测试结果如图10所示。从图10可以看出，密封槽表面上凹陷杂乱无章。

经检测，采用本对比例的通电处理后的不锈钢基底密封槽表面的密封初始压力可以加到28MPa，经过20min大约稳定在11MPa。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种密封面结构，其特征在于，包括设在基底上用于密封的第一表面，所述第一表面设有若干纳米凹陷。

2.根据权利要求1所述的密封面结构，其特征在于，若干纳米凹陷布满整个第一表面，且相邻两个纳米凹陷之间留有1-20nm的间距。

3.根据权利要求1所述的密封面结构，其特征在于，若干纳米凹陷的当量直径均在1-50nm之间。

4.根据权利要求1所述的密封面结构，其特征在于，所述基底材质为不锈钢、铁、铝、铜、镍中的一种或几种的合金。

5.一种制备如权利要求1至4任意一项所述的密封面结构的方法，其特征在于，包括

将所述基底的第一表面浸渍在电解液中，以所述基底为工作电极，在工作电极和对电极之间通电，对所述基底进行处理。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述电解液为草酸、硼酸、硫酸和氢氟酸中的至少两种的混合液。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述对电极为石墨电极或铂电极；所述基底在置于电解液中之前需进行超声洗涤、烘干预处理。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，对所述基底进行处理的工艺条件为：电压为10-50V，温度为常温，处理时间为10-240min。

9.一种电解水制氢双极板，其特征在于，包括如权利要求1至4任一项所述的密封面结构。

10.一种密封结构，其特征在于，包括柔性密封组件和如权利要求1至4任一项所述的密封面结构；所述柔性密封组件内嵌至若干纳米凹陷中。

11.根据权利要求10所述的密封结构，其特征在于，所述柔性密封组件为密封圈或密封胶。

12.一种电解水制氢设备，其特征在于，包括如权利要求10或11所述的密封结构。

Images