CN220520645U - 密封垫及其电解装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种密封垫及其电解装置，密封垫包括一体成型的基部和凸起部，基部为平板形，凸起部设于基部的中间部位的上表面，凸起部包含至少2个凸起，相邻的凸起之间无间距。本实用新型的密封垫，具有优异的抗压变性能和耐热水解性能以及密封性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种密封垫及其电解装置。
背景技术
氢能作为一种清洁低碳、热值高、来源多样、储运灵活的绿色能源，被誉为21世纪的“终极能源”。氢能源按生产来源划分，可以分为“灰氢”、“蓝氢”和“绿氢”三类。“灰氢”、”蓝氢“在制备及存储过程中仍有较高的碳排放以及制造成本。而绿氢则是利用风电、水电、太阳能、核电等可再生能源电解制氢，制氢过程完全没有碳排放，真正做到低碳环保。现有的绿色制氢技术主要包括碱性电解制氢以及酸性电解制氢两种。碱性电解槽制氢在上世纪60年代已经发展成熟，但是产氢量低、效率低。而PEM电解槽制氢具有体积小，结构紧凑，效率高，响应时间短，能耗低、氢气纯度高等优点，被广大科研人员积极开展研究。面向高效制氢以及下游输氢、储氢等应用，要求电解槽产氢可连续，纯度高，气体压力大(＞3Mpa)。然而，PEM电解槽高压制氢对膜电极，双极板以及密封结构的设计提出更高的要求。尤其是密封材料，材料耐久性，密封结构的设计对高压制氢系统的可靠性及寿命影响巨大。
由于双极板在加工过程中直线度、厚度的均一性比较差，双极板表面刻蚀的沟槽深度偏差也较大。在装配过程中双极板及密封垫片受到较大的挤压力，然而沟槽深度不均一导致密封垫在受力情况下，产生不一致的弹性形变。这种不一致的弹性形变导致密封可靠性大幅下降。另外，在PEM电解制氢过程中，特别是在高压制氢状态下，密封垫片受到膜电极产氢的内侧向高压推力，导致密封垫侧向形变，甚至撕裂。因此，在电堆装配以及运行时，密封垫与沟槽的贴合处会产生较多的氢气泄漏点。先前的电解槽封装密封技术主要针对于低压制氢系统的应用开发，还未有PEM高压制氢系统密封技术的开发应用报导。
实用新型内容
本实用新型为了克服现有技术中的密封垫抗压性能、耐热水解性能和密封性能差等问题，提供了一种新的密封垫及其电解装置。本实用新型的密封垫具有长寿命、低氢气泄漏率、耐水解、高可靠性等优点。
本实用新型通过下述技术方案解决以上技术问题的。
本实用新型还提供一种密封垫，其包括一体成型的基部和凸起部，所述基部为平板形，所述凸起部设于所述基部的中间部位的上表面，所述凸起部包含至少2个凸起，相邻的所述凸起之间无间距。
本实用新型中，较佳地，所述基部以所述凸起部为基准，分为所述中间部位和位于所述中间部位的两端的限位部，其中一端的所述限位部的长度与所述凸起部的宽度的比值为1-2.2。
本实用新型中，较佳地，所述凸起的横截面为弧形和/或梯形。
其中，更佳地，所述凸起部包含至少2个横截面的形状相同或不同的凸起。
其中，更佳地，当所述凸起的横截面为梯形时，所述梯形的上底边还沿所述凸起的凸出方向进一步设有第二凸起部。
特别地，所述第二凸起部包含至少1个第二凸起。更特别地，当所述第二凸起的个数大于1个时，所述第二凸起之间无间距。更特别地，所述第二凸起的横截面为弧形。
其中，更佳地，所述凸起的横截面为半圆形，所述半圆形的直径为0.6-1.2mm。
其中，更佳地，所述凸起的横截面为梯形，所述梯形的下底边长为6-22mm，所述梯形的上底边长为3-6mm。
本实用新型中，较佳地，所述凸起的个数为2-4。
本实用新型中，较佳地，所述基部的材料为过氧氟橡胶。较佳地，所述基部的材料的硬度为75A～85A。
本实用新型还提供了一种电解装置，其包括双极板、膜电极和上述所述的密封垫。
本实用新型中，较佳地，所述的密封垫设置在相邻的所述双极板和所述膜电极之间，其中所述基部贴设在所述膜电极上，所述双极板上开设有用于容纳所述凸起部的沟槽，从而使装配时所述凸起部设置在所述沟槽内。
本实用新型中，较佳地，所述膜电极的膜为质子交换膜。
本实用新型中，较佳地，所述电解装置还包括挡板，所述挡板设于双极板的沟槽内。
本实用新型中，所述凸起部可以降低因沟槽深度偏差大而产生的密封泄漏的风险。所述同时，凸起部还可以有效的降低因高压氢气对密封垫产生的内侧向挤压撕裂的泄漏风险。更进一步，在中高压制氢(＞10Mpa)的环境下，在双极板的沟槽中设计特殊结构如挡板，挡板的作用是防止密封垫因高压氢气作用下发生侧向撕裂破坏，导致密封失效。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。
本实用新型所用试剂和原料均市售可得。
本实用新型的积极进步效果在于：
本实用新型的密封垫，经过模压熟化成型后制得的一体成型的基部和凸起部，具有优异的抗压变性能和耐热水解性能以及密封性能。具体地：
本实用新型的密封垫能够在20MPa的挤压力下，120℃下热压3h发生的永久变形量小于10％，抗压变性能突出。在耐水解性能方面，一方面，本实用新型的密封垫在工况下，不会发生热水降解导致材料力学性能丧失从而密封失效。另一方面，在热水浸泡时，密封件不会有杂质析出水中，污染水源，导致电堆性能的衰减。通过加速模拟试验验证，将密封垫放在160℃下的高压热水釜中蒸煮3个月后，密封垫的外观、硬度以及拉伸强度并未有明显的变化。将釜中的水溶液去做水质分析，有机物TOC含量小于10ppm，ICP测试未发现有金属离子。表明密封垫较强的耐水解性。
本实用新型的电解装置气密性良好，通过将本实用新型的密封垫安装在双极板的沟槽中并与膜电极贴合在一起，电堆封装时较大螺栓预紧力可以让密封垫产生弹性形变，使得双极板与膜电极紧密衔接在一起，有效的防止工作时膜电极的阴极侧产生的氢气泄漏逸出。对电解装置进行气密性测试，用高压氢瓶往电堆里鼓气，在不同气压下保持48h,观察气压表的压力的变化，评估电堆的气密性能。常规的无结构的密封垫片，在3MPa的气压下，静止48h后，气压表降为2.1MPa，表明密封效果不佳。当氢气压力往上升至5MPa时，可以观察到电堆内部气体泄漏，此时密封已经失效。而本实用新型的密封垫，可以实现在高压氢气环境下，不发生泄漏。密封垫在5MPa的气压下，静置保压48h后，气压并没有下降。同时，调节氢气气压阀提高保压压力，在氢气压力达到10MPa也不会发生泄漏，表明该本实用新型的密封垫的可靠性较好。而目前行业内的密封垫的密封压力在2～3MPa。
附图说明
图1为实施例1的电解装置的沟槽及密封垫装配图。
图2为实施例2的电解装置的沟槽及密封垫装配图。
图3为实施例2的凸起部的放大示意图。
图4为实施例3的电解装置的沟槽及密封垫装配图。
图5为实施例3的凸起部的放大示意图。
附图标记说明：
密封垫1
凸起部11
基部12
第二凸起部13
双极板2
膜电极3
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
本实施例提供了一种密封垫1，如图1所示，其包括一体成型的基部12和凸起部11，基部12为平板形，凸起部11设于基部12的中间部位的上表面，凸起部11包含2个凸起，相邻的凸起之间无间距。
基部12以凸起部11为基准，分为中间部位和位于中间部位的两端的限位部，限位部的长度与凸起部11的宽度的比值为1.5。
凸起部11包含2个横截面为半圆形的凸起；半圆形的直径为0.65mm。
基部12的材料为过氧氟橡胶，基部12的材料的硬度为75A。
本实施例还提供了一种电解装置，如图1所示，其包括双极板2和膜电极3，还包括上述的密封垫1，密封垫1设置在相邻的双极板2和膜电极3之间，其中基部12贴设在膜电极3上，双极板2上开设有用于容纳凸起部11的沟槽，从而使装配时凸起部11设置在沟槽内。膜电极3的膜为质子交换膜。
实施例2
实施例2和实施例1的区别在于，如图2所示，凸起部11包含2个横截面为梯形的凸起；梯形的下底边长为7mm，梯形的上底边长为3.5mm。
梯形的上底边还沿凸起的凸出方向进一步设有第二凸起部13。第二凸起部13包含2个横截面为弧形的第二凸起。第二凸起之间无间距。图3为实施例2的凸起部的放大示意图。
基部12的材料为过氧氟橡胶，基部12的材料的硬度为80A。
实施例3
实施例3和实施例1的区别在于，如图4所示，凸起部11包含2个横截面为半圆形和1个横截面为梯形的凸起；半圆形的直径为0.7mm。梯形的下底边长为5.5mm，梯形的上底边长为3.5mm。
梯形的上底边还沿凸起的凸出方向进一步设有第二凸起部13。第二凸起部13包含2个横截面为弧形的第二凸起。第二凸起之间无间距。图5为实施例3的凸起部的放大示意图。
基部12的材料为过氧氟橡胶，基部12的材料的硬度为85A。
实施例4
实施例4和实施例2的区别在于，基部12的材料为过氧氟橡胶，基部12的材料的硬度为75A。
实施例5
实施例5和实施例1的区别在于，基部12的材料为过氧氟橡胶，基部12的材料的硬度为85A。
效果实施例1
对实施例1-5的密封垫1进行气密性检测，其检测步骤包括：
1)将具有凸起结构的密封垫1与双极板2、膜电极3和钛毡组装成一个单极室结构的电解槽。
2)在承压的阴极室的接口处连接高纯氦气。
3)由于阴极室是独立的密闭极室，调节氦气的减压阀。观察电解槽氦气泄漏的最大压力值。
4)在最大压力的测试条件下，当电解槽的压力达到或者略低于最大泄漏气压下，关闭减压阀。使得电解槽内存有一定量的氦气，保压一定的时间，观察减压阀压力的变化。
将实施例1的密封垫1在120℃，20MPa压力热压3h,永久变形量为8％。密封垫160℃加速热水解实验，水中TOC含量10ppm。将密封垫1装配在实施例1的电解装置上进行气密性测试，最大保压压力6.5Mpa,测试6小时未泄漏衰减。
将实施例2的密封垫1在120℃，20MPa压力热压3h,永久变形量为6.8％。密封垫160℃加速热水解实验，水中TOC含量8ppm。将密封垫1装配在电解装置上进行气密性测试，最大保压压力8Mpa,测试6小时未泄漏，衰减。
将实施例3的密封垫1在120℃，20MPa压力热压30min,永久变形量为5％。密封垫160℃加速热水解实验，水中TOC含量6ppm。将密封垫1装配在电解装置上进行气密性测试，最大保压压力10Mpa,测试6小时未泄漏，衰减。
将实施例4的密封垫1在120℃，20MPa压力热压30min,永久变形量为9％。密封垫160℃加速热水解实验，水中TOC含量5ppm。将密封垫1装配在电解装置上进行气密性测试，最大保压压力5.8Mpa,测试4小时未泄漏，衰减。
将实施例5的密封垫1在120℃，20MPa压力热压30min,永久变形量为6.1％。密封垫160℃加速热水解实验，水中TOC含量8.8ppm。密封沟槽的一侧加高压挡板，将密封垫1装配在电解装置上进行气密性测试，最大保压压力15MPa,测试4小时未泄漏，衰减。
Claims (10)
1.一种密封垫，其特征在于，其包括一体成型的基部和凸起部，所述基部为平板形，所述凸起部设于所述基部的中间部位的上表面，所述凸起部包含至少2个凸起，相邻的所述凸起之间无间距。
2.根据权利要求1所述的密封垫，其特征在于，所述基部以所述凸起部为基准，分为所述中间部位和位于所述中间部位的两端的限位部，其中一端的所述限位部的长度与所述凸起部的宽度的比值为1-2.2。
3.根据权利要求1所述的密封垫，其特征在于，所述凸起的横截面为弧形和/或梯形。
4.根据权利要求3所述的密封垫，其特征在于，所述凸起部包含至少2个横截面的形状相同或不同的凸起。
5.根据权利要求3所述的密封垫，其特征在于，当所述凸起的横截面为梯形时，所述梯形的上底边还沿所述凸起的凸出方向进一步设有第二凸起部。
6.根据权利要求5所述的密封垫，其特征在于，所述第二凸起部包含至少1个第二凸起。
7.根据权利要求6所述的密封垫，其特征在于，所述密封垫满足如下条件中的一种或多种：
①当所述第二凸起的个数大于1个时，所述第二凸起之间无间距；
②所述第二凸起的横截面为弧形。
8.根据权利要求3所述的密封垫，其特征在于，所述密封垫满足如下条件中的一种或多种：
①所述凸起的横截面为半圆形，半圆形的直径为0.6-1.2mm；
②所述凸起的横截面为梯形，梯形的上底边长为3-6mm，梯形的下底边长为6-12mm；
③所述凸起的个数为2-4；
④所述基部的材料为过氧氟橡胶。
9.一种电解装置，其包括双极板和膜电极，其特征在于，还包括如权利要求1-8任一项的所述密封垫。
10.根据权利要求9所述的电解装置，其特征在于，所述密封垫设置在相邻的所述双极板和所述膜电极之间，其中基部贴设在所述膜电极上，所述双极板上开设有用于容纳所述凸起部的沟槽，从而使装配时所述凸起部设置在所述沟槽内。
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