CN115287689B - 一种唇形密封圈及电解槽密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种唇形密封圈及电解槽密封结构，唇形密封圈包括密封体，以及分别设置在其外壁和内壁上的外唇边和内唇边，将唇形密封圈安装在两个极板之间，在密封体上设置唇腔室并与介质腔连通，当介质进入唇腔室中，在压力作用下唇腔室发生膨胀变形，由于密封体的两侧受到极板的约束，当压力增大能够有效增加密封体与极板之间的接触压力，提高唇形密封圈的密封性能，提高密封压力，通过该唇形密封圈解决了大型碱性水电解制氢电解槽高压力状态下运行密封问题，通过从根本上改变密封系统结构，改变电解槽室密封原理，从而突破现有电解槽密封系统运行上限，达到大型制氢电解槽可在压力要求。

Description

一种唇形密封圈及电解槽密封结构

技术领域

本发明涉及碱性水电解制氢装备技术领域，具体为用于碱性水电解制氢电解槽的一种唇形密封圈及电解槽密封结构。

背景技术

我国大功率中压型碱性制氢装备的工作压力一般为1.6MPa；国外设备主要依旧是常压状态居多，通过多组并联形式提高装机规模。氢气逐步由化学品归属于能源，全球氢气主要用于化工产品加氢，一般加氢压力较高，故市场对于水电解制氢装备特别是大功率碱性水电解制氢装备运行压力提出了较高要求。

尽管我国压力型设备相比国外有了较大的进步，常规压力型设备特别是较大型设备一般运行压力均不大于1.6MPa，电解槽一般采用压滤式结构，密封系统为平垫片密封，通过在极板框边缘开设密封水线和改性密封垫材料性能来保障整个电解槽密封性，但一般电解槽直径特别大，最大直径超过2m，且密封垫除具备密封性能外还需具备绝缘性能，故只能通过绝缘密封材料一次次改性提升性能，密封系统难以突破上限需求，特别是大型设备难以在较高压力下运行，且电解槽长期使用存在下垂挠度问题，密封垫是一次性产品，维修成本高且难度大，从而在与其它制氢路线相比时竞争力欠缺。

密封是水电解制氢电解槽最重要的问题，密封系统能否长久稳定运行是决定电解槽能否正常稳定运行的前提，水电解制氢电解槽压滤式结构特性致使电解槽有数百个密封，一处密封故障都会导致整台设备停机，直接影响的水电解制氢设备运行安全性，也是影响水电解制氢电解槽装备超大型化发展的障碍。

发明内容

针对大型碱性水电解制氢电解槽高压力状态下运行密封问题，本发明提供一种唇形密封圈及电解槽密封结构，使电解槽密封系统运行1.6MPa上限，达到大型制氢电解槽可在3.2MPa及以上压力下运行的目的。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种唇形密封圈，包括环向封闭的密封体，密封体靠近介质的一侧设置有唇腔室，唇腔室与密封体封闭的介质腔连通，当唇腔室受压密封体膨胀变形，用于增加密封体与约束体的接触压力；

所述密封体的外环壁和内环壁分别设置有外唇边和内唇边，外唇边和内唇边用于压装在两个约束体之间，所述内唇边上设置有补偿结构，用于在密封状态下增加内唇边的受压变形量。

优选的，所述补偿结构为波纹补偿节，其截面为圆弧结构，波纹补偿节在内唇边的一侧形成环形凸起结构，在内唇边的另一侧形成环形凹槽结构。

优选的，所述唇腔室为设置在密封体内环壁的环形开口腔，开口侧位于密封体的内壁上，用于使密封介质进入唇腔室中。

优选的，所述唇腔室为两个并沿密封体的轴向中心对称设置，两个唇腔室位于内唇边的两侧。

优选的，所述唇腔室与内唇边的接触位置平滑过度。

一种电解槽密封结构，包括极板和所述的唇形密封圈；

所述极板的两侧均设置有电解腔，电解腔的外部同心设置有用于安装密封体的环形凹槽，电解腔与凹槽之间设置有介质通道；

所述密封体的两侧嵌置在相邻两个极板的环形凹槽中，外唇边和内唇边压装在两个极板之间，唇腔室通过介质通道与电解腔连通。

优选的，所述极板的一侧设置有用于安装限位环的限位环槽，限位环嵌置在限位环槽中，外唇边的外侧壁抵接在限位环的内壁上。

优选的，所述相邻两个极板的两个电解腔之间设置有隔膜布，隔膜布的边缘压装在内唇边与基板之间。

优选的，所述环形凹槽的深度小于密封体的1/2厚度。

优选的，所述限位环为绝缘硬质材料制成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种唇形密封圈，在密封体上设置唇腔室，并且与唇形密封圈封闭的介质腔连通，当介质进入唇腔室中，在压力作用下唇腔室发生膨胀变形，进而使密封体变大，由于密封体的两侧受到约束体的约束，因此当压力增大，能够有效增加密封体与约束体之间的接触压力，进而提高唇形密封圈的密封性能，提高密封压力，其次，在密封体的外壁和内壁上分别设置外唇边和内唇边，并将其压装在两个约束体之间，能够进一步提高唇形密封圈的密封性能，通过该唇形密封圈解决了大型碱性水电解制氢电解槽高压力状态下运行密封问题，通过从根本上改变密封系统结构，改变电解槽室密封原理，使其具备低压不渗、高压不漏的功能特点，从而突破现有电解槽密封系统运行1.6MPa上限，达到大型制氢电解槽可在3.2MPa及以上压力下运行的目的。

附图说明

图1为本发明密封垫的平面图；

图2为图1中A-A的剖视图；

图3为本发明极板的平面图；

图4为本发明密封垫与极板的安装示意图；

图5为图4的局部放大图。

图中：1、极板；2、唇形密封圈；3、限位环；4、隔膜布；5、限位环槽；6、密封环槽；7、介质通道；10、外唇边；11、波纹补偿节；12、唇腔室；13、内唇边；14、密封体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1和2，一种唇形密封圈，包括环形封闭的密封体，密封体靠近介质的一侧设置有唇腔室12，当唇腔室12受压密封体的两侧沿其轴向双向扩张，用于增加密封体两侧的密封压力，密封体的外壁和内壁分别设置有外唇边10和内唇边13，并位于同一径向平面。

所述唇腔室12为设置在密封体内环壁的环形开口腔，开口侧位于密封体14的内壁上，用于使密封介质进入唇腔室12中，当密封介质在压力下进入唇腔室12中，唇腔室12在密封介质的压力下变形膨胀，使整个密封体的体积变大，当密封体的两侧在约束条件下，能够有效增加密封体两侧的密封压力，进而提高密封性能。

所述唇腔室12为两个并沿密封体的轴向中心对称设置，所述内唇边13为环形片状结构，并位于密封体14的轴向厚度中心，两个唇腔室12位于内唇边13的两侧，并且唇腔室12与内唇边13的接触位置平滑过度，使密封介质能够顺利进入唇腔室12中，内唇边和外唇边10用于夹装在相邻两极板1之间，用于增加密封性能和绝缘性能。

所述内唇边13上设置有补偿结构，用于在密封状态下增加内唇边的受压变形量，该补偿结构可保障唇形密封圈2在工作受力状态下内唇边不会因为内外压紧拉扯而撕裂。

所述补偿结构为波纹补偿节11，并位于内唇边13上靠近唇腔室12的一侧，波纹补偿节11为环形结构，其截面为等厚度的圆弧形状，并与密封体同心设置，波纹补偿节11在内唇边13的一侧形成环形凸起结构，在内唇边13的另一侧形成环形凹槽结构，在工作状态下内唇边受压变形，波纹补偿节11受压延展缓解内唇边内外压紧造成的拉扯变形，避免内唇边造成撕裂而损坏，提高整个唇形密封圈的使用寿命。

本发明还提供了一种高压力型制氢电解槽的密封系统，包括极板1、限位环3、隔膜布4和唇形密封圈2。

所述极板的两侧设置同轴的电解腔，所述极板1的两侧均设置有用于安装密封体的环形凹槽，并且凹槽的深度小于密封体的1/2厚度，环形凹槽与电解腔同心设置，并位于电解腔的外部，极板的一侧设置有用于安装限位环3的限位环槽5，极板1的两侧均设置有至少一个介质通道7，介质通道7的一端与电解腔连通，另一端与环形凹槽连通，介质通道7上设置有盖板，用于使电解腔中的介质流入唇形密封圈的唇腔室中，可使唇腔室的压力与两个极板之间的内部压力保持平衡，避免升压降压过程不平衡导致唇型密封圈2局部或部分损坏。

所述密封体14的两侧嵌置在两个极板1的环形凹槽中，外唇边和内唇边压装在两个极板之间，介质通道7位于内唇边与极板之间，限位环嵌置在限位环槽中，并且限位环与密封体之间的径向距离为外唇边10的宽度，即外唇边10的外侧壁抵接在限位环的内壁上，相邻两个极板的两个电解腔与内唇边围成的空间形成电解小室，隔膜布4设置在两个电解腔之间，隔膜布的边缘压装在内唇边13与极板之间，将两个极板相邻的两个电解腔隔离。

水电解制氢电解槽是由数百个相同结构的电解小室组成，每个电解小室是一个相对独立的密封结构，密封结构包含内密封和外密封，内密封目的是为了避免电解小室内隔膜布两侧氢、氧气体串气影响气体纯度，外密封目的是为了避免电解小室向外部空间漏气造成槽体泄漏。

本发明内密封原理是，将唇形密封圈2夹装在两个极板之间，通过隔膜布的边缘压装在内唇边与两个极板之间，从而可避免隔膜布两侧氢气、氧气通过间隙串气，从而达到内密封的目的；在电解小室工作中，两个电解腔的介质通过介质通道7进入唇腔室，唇腔室受到压力膨胀变形过程中同时受到密封环槽和限位环的约束，能够有效增加密封体与极板的接触压力，进而提高密封性能，电解小室中工作内压越大，唇形密封圈2腔室唇边与极板组件密封环槽相贴越紧，密封越好，从而突破常规垫片密封原理达到高压力密封的目的。

限位环3材质为绝缘硬质材料，且不随电解槽工况温度变化而变化，限位环3一方面可约束唇形密封圈2受内压后向外膨胀，可对唇形密封圈2起到保护的作用，另一方面限位环3可起限位作用，限位用于调整唇形密封圈2挤压变形量，避免唇形密封圈压缩过量或压缩不到位造成密封泄漏，另限位环2硬质材料不会发生蠕变松弛现象，电解槽不会因为长期使用而密封松弛，可保障密封系统刚性，保障电解小室甚至整个电解槽刚性，避免电解槽长期使用挠度变形。

依据本发明密封系统进行实验测试，密封系统的水压强度压力可达10MPa及以上，气压气密性测试安全压力可达8MPa及以上，密封系统的压力远远大于市场常规结构电解槽密封运行压力，且唇形密封圈2及限位环3等可反复使用，大幅度减小了电解槽装备维检成本。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种唇形密封圈，其特征在于，包括环向封闭的密封体，密封体靠近介质的一侧设置有唇腔室（12），所述唇腔室（12）为设置在密封体内环壁的环形开口腔，开口侧位于密封体（14）的内壁上，用于使密封介质进入唇腔室（12）中；

唇腔室（12）与密封体封闭的介质腔连通，当唇腔室（12）受压密封体膨胀变形，用于增加密封体与约束体的接触压力；

所述密封体的外环壁和内环壁分别设置有外唇边（10）和内唇边（13），外唇边（10）和内唇边（13）用于压装在两个约束体之间，所述内唇边（13）上设置有补偿结构，用于在密封状态下增加内唇边的受压变形量。

2.根据权利要求1所述的一种唇形密封圈，其特征在于，所述补偿结构为波纹补偿节（11），其截面为圆弧结构，波纹补偿节（11）在内唇边（13）的一侧形成环形凸起结构，在内唇边（13）的另一侧形成环形凹槽结构。

3.根据权利要求1所述的一种唇形密封圈，其特征在于，所述唇腔室（12）为两个并沿密封体的轴向中心对称设置，两个唇腔室（12）位于内唇边（13）的两侧。

4.根据权利要求3所述的一种唇形密封圈，其特征在于，所述唇腔室（12）与内唇边（13）的接触位置平滑过度。

5.一种电解槽密封结构，其特征在于，包括极板（1）和权利要求1-4任一项所述的唇形密封圈（2）；

所述极板（1）的两侧均设置有电解腔，电解腔的外部同心设置有用于安装密封体的环形凹槽，电解腔与凹槽之间设置有介质通道（7）；

所述密封体（14）的两侧嵌置在相邻两个极板（1）的环形凹槽中，外唇边和内唇边压装在两个极板之间，唇腔室（12）通过介质通道与电解腔连通。

6.根据权利要求5所述的一种电解槽密封结构，其特征在于，所述极板的一侧设置有用于安装限位环（3）的限位环槽（5），限位环嵌置在限位环槽中，外唇边（10）的外侧壁抵接在限位环的内壁上。

7.根据权利要求5所述的一种电解槽密封结构，其特征在于，所述相邻两个极板的两个电解腔之间设置有隔膜布（4），隔膜布的边缘压装在内唇边（13）与基板之间。

8.根据权利要求5所述的一种电解槽密封结构，其特征在于，所述环形凹槽的深度小于密封体的1/2厚度。

9.根据权利要求6所述的一种电解槽密封结构，其特征在于，所述限位环为绝缘硬质材料制成。