CN218710903U - 一种高压力型水电解制氢装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高压力型水电解制氢装置，包括压紧装置和电解槽，压紧装置对电解槽的两端施加密封压力；若干个极板组件依次叠置在压紧装置中，相邻两个极板组件之间同心设置唇形密封圈和限位环，限位环套设在唇形密封圈的外侧，相邻两个极板组件间隔设置在限位环的两侧并绝缘，限位环的内环壁用于对唇形密封圈环向约束；本实用新型的电解槽水压强度压力可达10MPa及以上，气压气密性测试安全压力可达8MPa及以上，通过改变电解槽密封原理，从电解槽密封系统方面做出改变，克服超大型电解槽装备制造密封难题，克服中大型级以上电解槽装备使用过程中挠度变形问题，满足市场对高压力型特别是高压力中大型水电解制氢装备的需求。

Description

一种高压力型水电解制氢装置

技术领域

本实用新型涉及水电解制氢装备领域，具体为涉及碱性水电解制氢电解槽装备领域的一种高压力型水电解制氢装置。

背景技术

水电解制氢是众多制氢路线中的其一，而碱性水电解制氢是水电解制氢技术路线的主流工艺，电解制氢特别是碱性水电解制氢工艺在未来相当长时间内都将会占据市场重要地位，电解槽无论从成本还是运行方面考虑都是水电解制氢装备最核心的部分，氢气在运输过程及使用终端需求的压力往往较高，一般需求约4MPa以上，过程都需要经过压缩机提升制氢端供气压力，从而增加了设备投资与能耗。

密封是水电解制氢电解槽装备面临的最重要的问题，尤其是大型电解槽装备，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。当前及长久以来行业内碱性水电解制氢电解槽装备密封均采用平面密封结构组合绝缘改性塑料密封垫片形式，水电解制氢电解槽压滤式结构特性致使电解槽有数百个小室数百个密封，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更大型化发展的障碍。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种高压力型水电解制氢装置，突破现有中大型电解槽装备密封能力上限问题，克服超大型电解装备制造密封难题，实现电解制氢装置在高压力下的稳定运行。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种高压力型水电解制氢装置，包括压紧装置和电解槽，压紧装置对电解槽的两端施加密封压力；

所述电解槽包括若干极板组件，极板组件的两侧设置有电解腔，若干个极板组件依次叠置在压紧装置中，相邻两个极板组件之间压装有同心的唇形密封圈和限位环；

所述唇形密封圈和限位环由内而外依次套设在电解腔的外侧，限位环的内环壁用于对唇形密封圈环向约束，若干个限位环同轴设置，相邻两个极板组件间隔设置在限位环的两侧并绝缘，相邻两个极板组件的相邻两个电解腔之间设置有隔膜布，隔膜布的边缘压装在两个极板组件之间。

优选的，所述极板组件包括极板框、平极板、阳极副极网、阴极副极网和支撑网；

所述平极板配装在极板框的内孔中，平极板的边缘与极板框的孔壁连接，阳极副极网和阴极副极网设置在极板框的两侧并固接，所述支撑网设置在平极板的两侧，支撑网用于对阳极副极网和阴极副极网支撑定位。

优选的，所述极板框的两侧设置有介质通道，用于使电解腔中的工质进入唇形密封圈的唇腔中。

优选的，所述介质通道上设置有及通道压片。

优选的，所述极板组件的两侧分别设置有用于安装唇形密封圈的密封槽；所述极板组件的一侧设置有用于安装限位环的限位槽。

优选的，所述唇形密封圈包括环向封闭的密封体，密封体的外壁和内壁分别设置有环形的外唇边和内唇边，密封体的内壁上设置有密封唇腔，两个密封唇腔对称设置在内唇边的两侧。

优选的，所述密封体设置在相邻两个极板框的密封槽中，外唇边和内唇边压装在相邻两个极板框之间，外唇边的外壁与限位环的内壁抵接。

优选的，所述内唇边上设置有波纹补偿节。

优选的，所述波纹补偿节为环形结构，其截面为等厚度的圆弧结构。

优选的，所述限位环采用硬质绝缘材料制成。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供的一种高压力型水电解制氢装置，在相邻两个极板组件之间安装唇形密封圈和限位环，通过限位环对两个极板组件进行隔离起到绝缘作用，其次，限位环能够控制两个极板组件对唇形密封圈的压缩量，并且保证每个唇形密封圈的压缩量相同，避免压缩力过大导致唇形密封圈密封失效，另外，所有的限位环同轴设置，限位环在电解槽紧固时可以提供支撑力，大幅度增强电解槽整体安装刚性，避免电解槽安装及长期使用过程中出现挠度现象。

进一步，唇形密封圈作为制氢装置的主要密封元件，唇形密封圈位于两个极板组件之间，对相邻两个极板组件起到绝缘作用，避免相接触的两个极板组件短路；其次，唇形密封圈能够避免电解室的介质泄漏，确保电解整体密封性能。

附图说明

图1为本发明高压力型水电解制氢装置的结构图；

图2为本发明高压力型水电解制氢装置的密封结构图；

图3为本发明极板组件的端面图；

图4为本发明极板组件的结构示意图；

图5为本发明唇形密封圈的结构示意图。

图中：拉杆1；螺母2；垫片3；绝缘垫片4；左端板5；左端极板组件6；绝缘管7；右端板8；右端极板组件9；唇形密封圈10；隔膜布11；极板组件 12；限位环13；极板框14；阳极副极网15；支撑网16；平极板17；阴极副极网18；通道压片19；外唇边20；波纹补偿节21；唇腔室22；内唇边23；密封体24；密封槽25；限位槽26。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

参阅图1-5，一种高压力型水电解制氢装置，包括压紧装置以及设置在其内部的电解槽，压紧装置用于对电解槽施加密封压力。

所述电解槽包括极板组件12、唇形密封圈10和限位环13；所述极板组件的两侧均设置有同轴的电解腔，若干个极板组件12依次叠置并压装在压紧装置中，相邻两个极板组件之间设置同心的唇形密封圈10和限位环13，并且相邻两个极板组件非接触连接并绝缘，限位环13套设与唇形密封圈10的外侧，唇形密封圈10与相邻两个极板组件12的相邻两个电解腔围成的空间形成电解室，电解室中设置有隔膜布，用于隔离两个电解腔，在密封状态下，限位环13的内环壁用于对唇形密封圈10环向约束。

所述极板组件12包括极板框14、平极板17、支撑网16、阳极副极网15、阴极副极网18和通道压片19；所述极板框14具有一定厚度的圆环，所述平极板17配装在极板框14的内孔中并位于圆环的轴向中心，平极板17的边缘与极板框14的孔壁连接，阳极副极网15和阴极副极网18设置在极板框14的两侧，并且阳极副极网15和阴极副极网18的边缘与极板框14的两端固接，平极板17的两侧均设置有支撑网16，支撑网16用于对阳极副极网15和阴极副极网18起到支撑定位作用，阳极副极网15和阴极副极网18分别与平极板17之间形成两个电解腔；所述极板框14、平极板17、支撑网16、阳极副极网15、阴极副极网18的各连接处相互焊接形成极板组件12，可以降低零件间接触电阻，另一方面可以减少电解槽安装零件数量，提高装配便利性。

所述极板框14两端面开设有安装唇形密封圈10的密封槽25，其中一个侧面开设有安装限位环13的限位槽26，限位槽26的直径大于密封槽的直径，限位槽26位于阴极副极网18或阳极副极网15的一侧，另外极板框14的两个侧面均开设有电解区域介质自由进入唇形密封圈10密封唇腔的介质通道，介质通道的一端与电解腔连通，另一端与密封槽25连通。

所述唇形密封圈10包括环向封闭的密封体，密封体的外壁和内壁分别设置有环形的外唇边20和内唇边23并位于同一径向平面，密封体靠近电解室的一侧设置有具有密封唇腔22，两个密封唇腔22对称设置在内唇边23的两侧，并且密封唇腔22的开口位置与内唇边23的接触位置平滑过度。

所述密封体位于相邻两个极板框14的密封槽25中，外唇边20和内唇边 23夹装在相邻两个极板框14中，并且外唇边20的边缘与限位环的内环壁抵接，密封唇腔22的开口端通过介质通道与电解腔连通，介质通道位于内唇边23 的一侧，当电解液在压力下进入密封唇腔22中，唇腔室22在电解液的压力下变形膨胀，使整个密封体的体积变大，密封体在两侧在极板组件的约束下，能够有效增加密封体与极板组件的密封压力，进而提高密封性能。

所述内唇边23上设置有波纹补偿节21，所述波纹补偿节21位于内唇边23 上靠近唇腔室22的一侧，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在工作受力状态下内唇边不会因为内外压紧拉扯而撕裂。波纹补偿节21为环形结构，其截面为等厚度的圆弧结构，并与密封体同心设置，波纹补偿节21在内唇边23的一侧形成环形凸起结构，在内唇边23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21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。

唇形密封圈10是高压力型水电解制氢装置的密封元件，其材质为橡胶、塑料或其改性产品，唇形密封圈10位于两个极板组件之间，对相邻两个极板组件起到绝缘作用，避免相接触的两个极板组件12短路；其次，唇形密封圈10为电解室提供内密封及外密封，内密封是密封电解室产生的氢气和氧气不相互串气，外密封是密封电解槽及电解室不泄漏，确保电解整体密封性能，唇形密封圈10主要由两边唇形腔室、内唇边及外唇边组成，其中两边唇腔室用以外密封，内唇边用以内密封，外唇边用以唇形密封圈10安装过程进行拨动调整，保证唇形密封圈10安装姿态正确。

限位环13采用绝缘硬质材料制成，该材料能够在约100℃运行工况中材料性能无任何变化，其材质为环氧树脂类或陶瓷类，限位环13的厚度大于限位槽 26的深度，使限位环13的端面凸出极板框14的端面，使相邻两个极板框14 保持一定的间隙，同时限位环13对相邻两个极板组件12隔开起到绝缘作用。其次，用以控制唇形密封圈10在两个极板组件之前的压缩量，保证所有唇形密封圈10的压缩变形量相同，且约束唇形密封垫10在工作状态下受内压向外挤出；另外，限位环13采用硬质材料可以为相邻两个极板组件提供超大的预紧力且不会影响密封性能，压缩力过大也不会导致唇形密封圈10压缩过量失效，限位环13在电解槽紧固时可以提供支撑力，大幅度增强电解槽整体安装刚性，避免电解槽安装及长期使用过程中出现挠度现象。

再次参阅图1，所述压紧装置包括拉杆和端板，多个极板组件叠置形成电解槽，相邻两个极板组件设置有隔膜布11，用于分离电解室阴阳极两侧产生的氢气和氧气，保障氢气和氧气物质的纯度，电解槽的两端分别设置有做左端极板组件6和右端极板组件9，左端极板组件6和右端极板组件9的外侧分别设置左端板5和右端板8，左端板5和右端板8通过多个拉杆1连接，拉杆两端套设有垫片和绝缘垫片，通过螺母2对左端板5和右端板8施加压力，使左端板5和右端板8对电解槽夹持。

左端极板组件6及右端极板组件9结构相同，相比极板组件12，左端极板组件6和右端极板组件9板料厚度较厚，且工件两侧面均焊接有一块平极板17，平极板17与左端极板组件6或右端极板组件9形成内部腔室，该腔室在电解槽中主要起电解液缓冲作用，提高电解槽使用稳定性。左端板5和右端板8用来夹紧整个电解槽，且左端板5或右端板8上开设有电解液及所产生气体的接口，与边界对接连接。整个电解槽通过拉杆1、螺母2等辅件施加紧固力，与常规电解槽相比，电解槽两端无需设置碟簧，无需进行热胀冷缩补偿即可确保槽体密封性能。

本实用新型的一种高压力型水电解制氢装置进行实验测压，电解槽水压强度压力可达10MPa及以上，气压气密性测试安全压力可达8MPa及以上，电解槽密封压力远远大于市场常规结构电解槽密封运行压力，另外，基于安全考虑没有进行更高的等级的压力测试，根据当前的测压结果，还可以进行更高的压力下保持密封；另外，常规水电解制氢电解槽密封系统密封垫均是一次性使用，电解槽拆装后无法再使用，维修成本过高，而采用唇形密封圈及限位环等密封元器件可反复使用，从而可大幅降低电解槽装备维修费用。另外，限位环材质是绝缘硬质材料，电解槽预紧时无需担心压力过大致使密封垫压缩过量，电解槽预紧力可相对无限大，电解槽整体刚性较好，避免了常规氟塑料密封类型电解槽长期使用过程中出现挠度的问题，突破了大型级超大型电解槽设计短板。

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

Claims (10)

1.一种高压力型水电解制氢装置，其特征在于，包括压紧装置和电解槽，压紧装置对电解槽的两端施加密封压力；

所述电解槽包括若干极板组件，极板组件的两侧设置有电解腔，若干个极板组件依次叠置在压紧装置中，相邻两个极板组件之间压装有同心的唇形密封圈和限位环；

所述唇形密封圈和限位环由内而外依次套设在电解腔的外侧，限位环的内环壁用于对唇形密封圈环向约束，若干个限位环同轴设置，相邻两个极板组件间隔设置在限位环的两侧并绝缘，相邻两个极板组件的相邻两个电解腔之间设置有隔膜布，隔膜布的边缘压装在两个极板组件之间。

2.根据权利要求1所述的一种高压力型水电解制氢装置，其特征在于，所述极板组件包括极板框、平极板、阳极副极网、阴极副极网和支撑网；

所述平极板配装在极板框的内孔中，平极板的边缘与极板框的孔壁连接，阳极副极网和阴极副极网设置在极板框的两侧并固接，所述支撑网设置在平极板的两侧，支撑网用于对阳极副极网和阴极副极网支撑定位。

3.根据权利要求2所述的一种高压力型水电解制氢装置，其特征在于，所述极板框的两侧设置有介质通道，用于使电解腔中的工质进入唇形密封圈的唇腔中。

4.根据权利要求3所述的一种高压力型水电解制氢装置，其特征在于，所述介质通道上设置有及通道压片。

5.根据权利要求1所述的一种高压力型水电解制氢装置，其特征在于，所述极板组件的两侧分别设置有用于安装唇形密封圈的密封槽；所述极板组件的一侧设置有用于安装限位环的限位槽。

6.根据权利要求5所述的一种高压力型水电解制氢装置，其特征在于，所述唇形密封圈包括环向封闭的密封体，密封体的外壁和内壁分别设置有环形的外唇边和内唇边，密封体的内壁上设置有密封唇腔，两个密封唇腔对称设置在内唇边的两侧。

7.根据权利要求6所述的一种高压力型水电解制氢装置，其特征在于，所述密封体设置在相邻两个极板框的密封槽中，外唇边和内唇边压装在相邻两个极板框之间，外唇边的外壁与限位环的内壁抵接。

8.根据权利要求6所述的一种高压力型水电解制氢装置，其特征在于，所述内唇边上设置有波纹补偿节。

9.根据权利要求8所述的一种高压力型水电解制氢装置，其特征在于，所述波纹补偿节为环形结构，其截面为等厚度的圆弧结构。

10.根据权利要求1所述的一种高压力型水电解制氢装置，其特征在于，所述限位环采用硬质绝缘材料制成。

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