CN115786951A

CN115786951A - 一种高压电解水制氢装置

Info

Publication number: CN115786951A
Application number: CN202211653507.8A
Authority: CN
Inventors: 李光福; 陈奔; 潘牧
Original assignee: Foshan Xianhu Laboratory
Current assignee: Foshan Xianhu Laboratory
Priority date: 2022-12-21
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2023-03-14

Abstract

本发明公开了一种高压电解水制氢装置，包括电解槽电堆和高压夹紧结构，电解槽电堆包括多个依次交替层叠设置的极板和膜电极，膜电极的两侧分别设置有钛毡和碳纸，极板靠近碳纸侧设置有碳纸压槽。高压夹紧结构将电解槽电堆夹紧，碳纸被压入碳纸压槽内，在夹紧安装时，避免了碳纸的过度压缩，提升了水电解槽的使用寿命。碳纸压槽控制了碳纸的压缩量，使得碳纸的压缩始终在限度范围内。碳纸适度的压缩在保证高压电解水制氢装置不漏气的情况下，同时提高了氢气的传质能力，提升了水电解槽的性能。

Description

一种高压电解水制氢装置

技术领域

本发明涉及氢能源技术领域，特别涉及一种高压电解水制氢装置。

背景技术

氢能以其清洁、无污染、高效、可储存和方便运输等优点被视为最理想的能源载体和储能方式。其中利用PEM水电解制氢技术，质子交换膜高压电解水制氢装置由多个电解槽单元构成，可以通过反应：2H₂O+电能＝2H₂+O₂分别在电解槽的阴极和阳极产生氢气和氧气，产生的氢气通过处理后在储气罐进行存储，从而制得清洁的氢气。

现有的高压电解水制氢装置采用的是硅胶材质的垫片，在压力较大的压紧过程中，容易变形，导致漏水等情况的发生，并且施压过小的贴合，不能使膜电极和垫板之间的间隙消除，从而无法减小电阻，节省用电量。

此外，水电解槽由于在阳极发生反应产生H+，阳极的PH值为强酸性，采取传统的碳纸当作扩散层容易对碳纸产生腐蚀作用，因此PEM水电解槽阳极侧采取钛毡作为扩散层，而阴极侧为了节约成本仍然采取碳纸作为催化层，碳纸在压缩的过程中超过了一定的压缩限度，容易产生不可逆转的机械损伤，影响阳极侧氢气的传质，因此亟需设计一种高压电解水制氢装置来解决上述问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种高压电解水制氢装置，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：

本发明提供了一种高压电解水制氢装置，包括电解槽电堆和高压夹紧结构，电解槽电堆包括多个依次交替层叠设置的极板和膜电极，所述膜电极的两侧分别设置有钛毡和碳纸，所述极板靠近所述碳纸侧设置有碳纸压槽。

本发明的有益效果是：

高压夹紧结构将电解槽电堆夹紧，碳纸被压入碳纸压槽内，在夹紧安装时，避免了碳纸的过度压缩，提升了水电解槽的使用寿命。碳纸压槽控制了碳纸的压缩量，使得碳纸的压缩始终在限度范围内。碳纸适度的压缩在保证高压电解水制氢装置不漏气的情况下，同时提高了氢气的传质能力，提升了水电解槽的性能。

作为上述技术方案的进一步改进，所述极板与膜电极之间设置有密封垫，所述密封垫与膜电极的边框密封贴合，所述极板设置有密封槽，所述密封垫设置于所述密封槽，所述密封槽的槽底面积大于所述密封垫的面积。

密封垫可以防止漏水，而密封槽的槽底面积大于所述密封垫的面积给大压紧力的作用下密封垫的变形留出水平空间，防止出现漏气现象，也就是通过密封槽的设定能够控制密封垫的形变量，延长密封垫的使用寿命。

作为上述技术方案的进一步改进，所述膜电极两侧的密封垫分别为宽密封垫和窄密封垫，所述电解槽电堆在所述宽密封垫的覆盖范围内。

在压紧安装时，密封垫可能会相对膜电极出现错位，为了解决这个问题，分别设置宽密封垫和窄密封垫，在电解槽电堆装配大夹紧力的作用下，窄密封垫能够完全压盖在宽密封垫上，起到良好的密封作用，即使在安装过程中，出现一定错位，窄密封垫能够完全压盖在宽密封垫上。宽密封垫和窄密封垫的设计在一定程度上减少了设置于膜电极两侧的两个密封垫在大夹紧力的作用下不能完全重合从而对膜电极方框两侧形成剪切力，进而避免了对膜电极的边框造成机械损伤。

作为上述技术方案的进一步改进，所述极板包括相互贴合的阳极板和阴极板，所述阳极板靠近所述钛毡侧，所述阴极板靠近所述碳纸侧，设置在所述阴极板与膜电极之间的密封垫为宽密封垫，所述阳极板与膜电极之间的密封垫为窄密封垫。

设计时，阴极侧的压力大于阳极侧压力，所以在阴极侧的密封垫为宽密封垫，阳极侧的密封垫为窄密封垫，能起到更好地密封效果。

作为上述技术方案的进一步改进，所述高压夹紧结构包括多个螺杆件、分别设置于所述电解槽电堆两侧的底板端板和盖板端板，所述螺杆件依次穿过所述底板端板和盖板端板将所述电解槽电堆夹紧。

通过螺杆件夹紧电解槽电堆两侧的底板端板和盖板端板，进而夹紧固定电解槽电堆。

作为上述技术方案的进一步改进，所述底板端板和盖板端板均设置有多个定位孔，所述极板和膜电极均设置有多个定位槽，所述定位孔与定位槽一一对应设置。

安装时，定位孔与定位槽一一对应设置且均在同一条直线上，使得安装时，底板端板、盖板端板、极板和膜电极对应准确，便于安装，减少出现错位的情况。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电解槽电堆的两侧均设置有绝缘板、集流板，所述集流板嵌设于所述绝缘板，结构更为紧凑。

作为上述技术方案的进一步改进，所述极板包括位于所述电解槽电堆两侧的单极板，所述单极板设置于所述集流板和绝缘板。

作为上述技术方案的进一步改进，所述单极板与所述绝缘板之间设置有密封圈，所述单极板设置有密封安装槽，所述密封圈设置于所述密封安装槽。密封圈起到密封作用，密封安装槽便于安装密封圈、

作为上述技术方案的进一步改进，所述密封安装槽的槽底面积大于所述密封圈的面积。控制密封圈压缩形变量，延长密封圈的使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；

图1是本发明所提供的一种高压电解水制氢装置，其一实施例的结构示意图；

图2是本发明所提供的一种高压电解水制氢装置，其一实施例的结构示意图；

图3是本发明所提供的一种高压电解水制氢装置，其一实施例的侧示图；

图4是本发明所提供的一种高压电解水制氢装置，其一实施例双级板的结构示意图；

图5是本发明所提供的一种高压电解水制氢装置，其一实施例窄密封垫的结构示意图；

图6是本发明所提供的一种高压电解水制氢装置，其一实施例宽密封垫的结构示意图；

图7是本发明所提供的一种高压电解水制氢装置，其一实施例局部结构示意图。

附图说明：

底板端板110、螺纹孔111、底板绝缘板120、第一集流板130、膜电极140、碳纸压槽141、第二集流板150、盖板绝缘板160、盖板端板170、定位孔171、螺杆组180、弹簧碟片181、双极板210、宽密封槽211、窄密封槽212、阴极单极板220、阳极单极板230、钛毡240、碳纸250、宽密封垫260、窄密封垫270。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

氢能以其清洁、无污染、高效、可储存和方便运输等优点被视为最理想的能源载体和储能方式。通过发电电解水而得到氢气的应用受到越来越多的关注。其中利用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。

质子交换膜高压电解水制氢装置由多个电解槽单元构成，可以通过反应：分别在电解槽的阴极和阳极产生氢气和氧气，产生的氢气通过处理后在储气罐进行存储，从而制得清洁的氢气。

由于现有的水电解槽将片状极板密封起来，极板产生的热量无法散发出来，可以通过水冷的方式向水电解槽中通入冷却水来达到控制高压电解水制氢装置的温度的目的。

现有的高压电解水制氢装置采用的是硅胶材质的垫片，在压力较大的压紧过程中，容易变形，导致漏水等情况的发生，并且施压过小的贴合，不能使膜电极140和垫板之间的间隙消除，从而无法减小电阻，节省用电量。

水电解槽由于在阳极发生反应产生H+，阳极的PH值为强酸性，采取传统的碳纸250当作扩散层容易对碳纸250产生腐蚀作用，因此PEM水电解槽阳极侧采取钛毡240作为扩散层，而阴极侧为了节约成本仍然采取碳纸250作为催化层，碳纸250在压缩的过程中超过了一定的压缩限度，容易产生不可逆转的机械损伤，影响阳极侧氢气的传质。因此，参照图1至图7，本发明提供了一种高压电解水制氢装置作出如下实施例：

在一些实施例中，一种高压电解水制氢装置，包括电解槽电堆和高压夹紧结构。高压夹紧结构用于将电解槽电堆夹紧。如图1所示，展示了用于高压电解水制氢装置装配结构示意图，从下到上包括依次设置的底板端板110、底板绝缘板120、第一集流板130、多个依次交替层叠设置的极板和膜电极140、第二集流板150、盖板绝缘板160、盖板端板170。其中，集流板分为第一集流板130和第二集流板150，绝缘板分为底板绝缘板120和盖板绝缘板160。

所述极板包括双极板210和单极板，双极板210包括相互贴合的阳极板和阴极板，双极板210的两侧均设置有膜电极140，单极板分为阴极单极板220和阳极单极板230，单极板只有一侧设置有膜电极140，故双极板210和膜电极140的数量为多个，多个双极板210和膜电极140呈上下依次交替层叠设置，设置在多个双极板210和膜电极140下侧的单极板为阴极单极板220，设置在多个双极板210和膜电极140上侧的单极板为阳极单极板230。

所述膜电极140的两侧分别设置有钛毡240和碳纸250，所述阳极板靠近所述钛毡240侧，所述阴极板靠近所述碳纸250侧，双极板210靠近所述碳纸250侧设置有碳纸压槽141。高压夹紧结构将电解槽电堆夹紧，碳纸250被压入碳纸压槽141内，在夹紧安装时，避免了碳纸250的过度压缩，提升了水电解槽的使用寿命。碳纸压槽141控制了碳纸250的压缩量，使得碳纸250的压缩始终在限度范围内。碳纸250适度的压缩在保证高压电解水制氢装置不漏气的情况下，同时提高了氢气的传质能力，提升了水电解槽的性能。

进一步地，所述极板与膜电极140之间设置有密封垫，所述密封垫与膜电极140的边框密封贴合，所述极板设置有密封槽，所述密封垫设置于所述密封槽，所述密封槽的槽底面积大于所述密封垫的面积。其中，所述膜电极140两侧的密封垫分别为宽密封垫260和窄密封垫270，所述电解槽电堆在所述宽密封垫260的覆盖范围内。

在压紧安装时，密封垫可能会相对膜电极140出现错位，为了解决这个问题，分别设置宽密封垫260和窄密封垫270，在电解槽电堆装配大夹紧力的作用下，窄密封垫270能够完全压盖在宽密封垫260上，起到良好的密封作用，即使在安装过程中，出现一定错位，窄密封垫270能够完全压盖在宽密封垫260上。宽密封垫260和窄密封垫270的设计在一定程度上减少了设置于膜电极140两侧的两个密封垫在大夹紧力的作用下不能完全重合从而对膜电极140方框两侧形成剪切力，进而避免了对膜电极140的边框造成机械损伤。

在其他一些实施例中，也可设置两个宽度相同的密封垫，并对应设置密封槽。同样地，密封垫可以防止漏水，而密封槽的槽底面积大于所述密封垫的面积给大压紧力的作用下密封垫的变形留出水平空间，防止出现漏气现象，也就是通过密封槽的设定能够控制密封垫的形变量，延长密封垫的使用寿命。

参照图3所示，进一步详细说明，膜电极140的边框通过窄密封垫270与上侧双极板210的阳极板密封接触，图3中上侧双极板210的阳极板没有画出，其结构与阳极板相同。所述阴极板上侧设置有宽密封槽211，宽密封槽211的设定能够控制宽密封垫260的形变量为25％，延长宽密封垫260的使用寿命。所述阳极板的下侧设置有窄密封槽212，窄密封槽212的设定能够控制窄密封垫270的形变量为30％，延长窄密封圈的使用寿命。

图3所示，阳极侧的窄密封垫270和阴极侧的宽密封垫260设置在膜电极140的方框两侧，在高压水电解槽装配大夹紧力的作用下，窄密封垫270能够完全压盖在宽密封垫260上，起到良好的密封作用，避免了两个密封垫在大夹紧力的作用下不能完全重合从而对膜电极140方框两侧形成剪切力，避免了对膜电极140的边框造成机械损伤。

图3所示，阳极侧选择钛毡240作催化层，阴极侧选择碳纸250作催化层，所述阴极板膜电极140设置了碳纸压槽141，在大夹紧力的作用下，碳纸250被压入碳纸压槽141中，碳纸压槽141的设定能够控制碳纸250的压缩量为17％，避免了大夹紧力对阴极催化层过度压缩造成的机械损伤，影响气体的传质。所述膜电极140阳极侧催化层钛毡240不可压缩，因此阳极板上不需要设置压槽结构。

下面进一步介绍其他结构。

所述盖板绝缘板160与底板绝缘板120在上下方向上呈现对称式分布。所述底板绝缘板120和第一集流板130采取嵌套的方式进行组装，所述盖板绝缘板160与第二集流板150采取嵌套式的方式进行组装。

所述第一集流板130和第二集流板150上设置有导电凸耳131，两个集流板的导电凸耳131分别连接直流电源的正负极，在水电解过程中，外部直流电源通过第一集流板130和第二集流板150对电解槽提供水电解的电流。

所述盖板端板170下侧设置有盖板密封槽，盖板绝缘板160与盖板端板170之间用盖板密封圈完成密封接触。

所述第二集流板150与阳极单极板230之间直接接触，阳极单极板230上侧设置有密封安装槽，与盖板绝缘板160之间通过密封圈完成密封接触。

所述第一集流板130与阴极单极板22 0直接接触，阴极单极板220的四周直接与底板绝缘板120接触。

所述底板端板110、盖板端板170上均设置有螺纹孔111，所述盖板端板170上设置有两个氢气的出口，一个反应水的入口，一个反应水氧的出口，一个冷却水的入口，一个冷却水的出口。

所述底板端板110、盖板端板170上设置有定位孔171，所述底板绝缘板120、阴极单极板220、双极板210、阳极单极板230、盖板绝缘板160上均设置有定位槽。便于安装，减少出现错位的情况。

在定位安装的过程中，定位杆穿过底板端板110的定位孔171起到定位的作用，底板绝缘板120、第一集流板130、阴极单极板220、双极板210、阳极单极板230、第二集流板150、盖板端板170的定位槽穿过定位杆，在垂直方向上依次安装。

所述底板端板110、盖板端板170在压力机7t的压力下与其他组件密接，并在弹簧碟片181和螺杆组180的作用下通过螺杆孔紧固。

本实施例的各个组件都在设置了定位孔171和定位槽，方便高压水电解制氢的快速安装，保证了高压电解水制氢装置的密封结构，避免了压紧过程中出现双极板210或者其他组件滑移的现象，提升了高压电解水制氢装置的安装效率。

如图2所示，展示了双极板210装配结构示意图，从上到下包括依次设置的宽密封垫260、阴极板、胶圈、阳极板、窄密封垫270。

所述阴极板上侧设置有阴极流场和密封槽，阴极板上侧设置有碳纸压槽141，宽密封垫260安装在密封槽中，所述宽密封垫260的宽度小于阴极流场密封槽的宽度，给大压紧力的作用下密封垫的变形留出水平空间，防止出现漏气现象。

所述阴极板设置有两个氢气出口结构，流道中的氢气可向两个氢气出口结构均排出氢气。

所述阴极板的下侧设置有胶槽，所述阳极板上侧设置有冷却水流场，所述阴极板的下侧与阳极板的上侧通过胶圈密切接触，在热压下，胶圈融化将阴极板和阳极板粘贴形成双极板210。

所述阳极板下侧设置有密封槽和阳极流场，窄密封垫270安装在密封槽中，所述窄密封槽212的宽度小于阳极流场密封槽的宽度，给大压紧力的作用下密封垫的变形留出水平空间，防止出现漏气现象。

所述阳极板设置有反应水的进(出)口结构和冷却水的进(出)口结构。

装配水电解槽过程中，图1中盖板端板170上设置的氢气的出口与双极板210中的氢气出口结构垂直方向上位置保持一致，装配完成后形成氢气歧管。

盖板端板170上设置的反应水的入口和出口与双极板210中反应水的入口结构和出口结构分别在垂直方向上位置保持一致，装配完成后形成反应水的入口歧管和出口歧管。

盖板端板170上设置的冷却水的入口和出口与双极板210中冷却水的入口结构和出口结构分别在垂直方向上位置保持一致，装配完成后形成冷却水的入口歧管和出口歧管。

本申请提供的一种高压电解水制氢装的实施例，第一集流板130和第二集流板150分别接入直流电源的正负极，直流电源对高压电解水制氢装置供电，反应水从盖板端板170的反应水入口进入电堆，通过反应水歧管从各双极板210的反应水入口结构进入阳极流场，在催化剂的作用下，阳极产生氧气，阴极产生氢气，阳极侧反应生成的氧气与未反应的水从阳极板反应水出口结构流出，并从反应水歧管流到盖板端板170上的反应水出口并流出电解槽。

所述阴极侧产生的氢气可以同时从两个氢气出口结构进入氢气歧管，并从盖板端板170上的氢气出口排出高压水电解制氢装置。

所述高压电解水制氢装置，冷却水从盖板端板170的冷却水入口流入高压水电解槽，通过冷却水歧管从各双极板210的冷却水入口结构进入冷却水流场，并从冷却水出口结构进入冷却水歧管，通过盖板端板170的冷却水出口排出高压水电解槽。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种高压电解水制氢装置，其特征在于，包括：

电解槽电堆，其包括多个依次交替层叠设置的极板和膜电极(140)，所述膜电极(140)的两侧分别设置有钛毡(240)和碳纸(250)，所述极板靠近所述碳纸(250)侧设置有碳纸压槽(141)；

高压夹紧结构，其用于将电解槽电堆夹紧。

2.根据权利要求1所述的一种高压电解水制氢装置，其特征在于：

所述极板与膜电极(140)之间设置有密封垫，所述密封垫与膜电极(140)的边框密封贴合，所述极板设置有密封槽，所述密封垫设置于所述密封槽，所述密封槽的槽底面积大于所述密封垫的面积。

3.根据权利要求2所述的一种高压电解水制氢装置，其特征在于：

所述膜电极(140)两侧的密封垫分别为宽密封垫(260)和窄密封垫(270)，所述窄密封垫(270)在所述宽密封垫(260)的覆盖范围内。

4.根据权利要求3所述的一种高压电解水制氢装置，其特征在于：

所述极板包括相互贴合的阳极板和阴极板，所述阳极板靠近所述钛毡(240)侧，所述阴极板靠近所述碳纸(250)侧，设置在所述阴极板与膜电极(140)之间的密封垫为宽密封垫(260)，所述阳极板与膜电极(140)之间的密封垫为窄密封垫(270)。

5.根据权利要求1所述的一种高压电解水制氢装置，其特征在于：

所述高压夹紧结构包括多个螺杆件、分别设置于所述电解槽电堆两侧的底板端板(110)和盖板端板(170)，所述螺杆件依次穿过所述底板端板(110)和盖板端板(170)将所述电解槽电堆夹紧。

6.根据权利要求5所述的一种高压电解水制氢装置，其特征在于：

所述底板端板(110)和盖板端板(170)均设置有多个定位孔(171)，所述极板和膜电极(140)均设置有多个定位槽，所述定位孔(171)与定位槽一一对应设置。

7.根据权利要求1所述的一种高压电解水制氢装置，其特征在于：

所述电解槽电堆的两侧均设置有绝缘板、集流板，所述集流板嵌设于所述绝缘板。

8.根据权利要求7所述的一种高压电解水制氢装置，其特征在于：

所述极板包括位于所述电解槽电堆两侧的单极板，所述单极板设置于所述集流板和绝缘板。

9.根据权利要求8所述的一种高压电解水制氢装置，其特征在于：

所述单极板与所述绝缘板之间设置有密封圈，所述单极板设置有密封安装槽，所述密封圈设置于所述密封安装槽。

10.根据权利要求9所述的一种高压电解水制氢装置，其特征在于：所述密封安装槽的槽底面积大于所述密封圈的面积。