CN220746097U - 一种高压质子膜电解制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本实用公开了一种高压质子膜电解制氢装置，包括外圈给电体、双极板和抗压膜电极组件，还包括的高压密封结构，高压密封结构分别置于相邻两双极板的上、下端部，双极板的上下端分别设有边缘结构，两双极板对应侧的边缘结构相互配合形成径向抱紧力，高压密封结构为密封垫圈内部嵌入环形的钢圈，以在两侧受预应高压挤压力后保持水平方向刚性支撑。本实用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,达到PEM电解槽在35‑90Mpa及以上压力下运行的目的。
Description
技术领域
本实用涉及燃料电池技术领域，具体是一种高压质子膜电解制氢装置。
背景技术
电解水制氢以水为反应物，在电解装置中施加直流电即可产生氢气和氧气，设备简单，产生氢气纯度高，可以大规模技术推广和使用。电解水主要有三种方式：碱性电解水制氢、固体氧化物电解水制氢和质子交换膜电解水制氢。其中，质子交换膜电解水制氢具有电流密度高、灵活性强、效率高、能量容量大等特点，能很好的匹配可再生能源(如风能、太阳能)，并且由于结构紧凑，可以在高达350bar的高压下运行，有利于氢气的存储和输运，可以有效降低压缩和存储带来的成本增加。质子交换膜电解槽主要由膜电极、气体扩散层和双极板构成。
目前，为防止气体特别是氢气的泄漏，双极板的两面都必须安装密封组件。现有的方法是先做好密封胶圈或密封垫片，再用胶水固定在双极板的两面成为双极板密封组件，膜电极夹在两块双极板之间组成电池单元。
这种方法在质子交换膜电解槽各部件装配时，即在一定压力下预压下，常常会出现密封胶圈被压出、挤出现象，导致电解槽组装失败。需要拆下重新安装，拆卸过程中，由于电解槽是由较多个膜电极与双极板通过较大的紧固力装配在一起的，密封胶圈有一定的弹性形变，并紧紧地与膜电极、双极板贴住，才会达到密封的效果。
其次，目前市面上主流密封技术是单纯改性四氟垫片为主，绝对硬度有限，其内部膜电极主要采用常规耐压进口Nafion，承压能力有限加上现有常规质子交换膜主要采用差压电解，考虑膜电极的耐压性综合选择下只能维持4MPa以内，很难进一步提高。并且双极板最外端加工密封形式比较单一，主要为内嵌式或梯形为主。
为了解决上述问题，本案由此而生。
实用新型内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本实用提供了一种高压质子膜电解制氢装置，解决了上述背景技术中提出的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本实用通过以下技术方案予以实现：一种高压密封结构，包括呈柱状的密封垫圈，所述密封垫圈的内部嵌有环形的钢圈，以在两侧受预应高压挤压力后保持水平方向刚性支撑，密封垫圈两侧受高压挤压力的压强范围达35-90Mpa。
作为优选方案，进一步地，钢圈在密封垫圈注塑时预装。
作为优选方案，进一步地，密封垫圈采用含氟聚氨酸酯材质，钢圈采用高强度钢材。
一种高压质子膜电解制氢装置，包括外圈给电体、双极板和抗压膜电极组件，还包括上述高压密封结构，所述高压密封结构分别置于相邻两双极板的上、下端部，所述双极板的上下端分别设有边缘结构，两双极板对应侧的边缘结构相互配合形成径向抱紧力。
作为优选方案，进一步地，边缘结构为扇形锯齿或齿状折边，对应侧两边缘结构相互紧密咬合。
作为优选方案，进一步地，抗压膜电极组件依次包括第一电解液扩散层、第一催化剂层、质子交换膜层、第二催化剂层、第二电解液扩散层。
质子交换膜层优选采用N117膜，稳定性更高，当然N115膜、碳氢膜等也可。
第一电解液扩散层由内至外包括钛纤维烧结板和钛网板，第二电解液扩散层由内至外包括钛纤维烧结板和钛网板。
第一催化剂层为氧化铱催化剂和所述第二催化剂层中的催化剂为铂黑催化剂。
(三)有益效果
采用上述技术方案后，本实用与现有技术相比具有以下有益效果：
本实用提供的一种高压质子膜电解制氢装置，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,达到PWM电解槽在35-90Mpa及以上压力下运行的目的。具体实现为：在相邻两双极板的边缘结构内侧设置密封垫圈，其中内部嵌入环形的钢圈(高强度钢材)，以在两侧受预应高压挤压力后保持水平方向刚性支撑，同时双极板的边缘结构为扇形锯齿或齿状折边，对应侧两边缘结构相互紧密咬合，使得两双极板受压横向高压后在竖直方向上的滑移问题得以根本解决，进而实现电解槽室高压密封。
附图说明
图1为本实用内部结构爆炸图；
图2为本实用改进出放大示意图；
图3为本实用整体示意图。
图中，1、给电体；2、双极板；3、质子交换膜层；4、催化剂层；5、钛纤维烧结板；6、钛网板；7、密封垫圈；8、钢圈；9、边缘结构；10、承压体；11、螺纹钢。
具体实施方式
为使本实用的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，并参照附图1-3，对本实用作进一步的详细说明。
一种高压质子膜电解制氢装置，包括外圈的给电体1、双极板2和抗压膜电极组件，还包括的高压密封结构，高压密封结构分别置于相邻两双极板2的上、下端部，双极板2的上下端分别设有边缘结构9，两双极板2对应侧的边缘结构9相互配合形成径向抱紧力。
其中高压密封结构包括呈柱状的密封垫圈7，密封垫圈7两侧受高压挤压力的压强范围可达35-90Mpa。
密封垫圈7受横向预应力高压挤压后，产生一定向竖直方向的形变，导致与之贴合的两相邻双极板2出现轻微滑移而出现密封性问题。因此，本方案在密封垫圈7的内部嵌入环形的钢圈8(钢圈8在密封垫圈7注塑时预装)，以在两侧受预应高压挤压力后保持水平方向刚性支撑。
密封垫圈7采用含氟聚氨酸酯材质，当然也可采用其它如聚四氟乙烯、硅橡胶等材质。
钢圈8采用高强度钢材。
进一步的，双极板2的边缘结构9为扇形锯齿或齿状折边，对应侧两边缘结构9相互紧密咬合，使得两双极板2在竖直方向上的滑移问题得以根本解决。
本方案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,达到PEM电解槽在35-90Mpa及以上压力下运行的目的。
给电体1采用304或316L不锈钢材质。
抗压膜电极组件依次包括第一电解液扩散层、第一催化剂层4、质子交换膜层3、第二催化剂层4、第二电解液扩散层。
质子交换膜层3采用N117膜，稳定性更高。
第一电解液扩散层由内至外包括钛纤维烧结板5和钛网板6，第二电解液扩散层由内至外包括钛纤维烧结板5和钛网板6。电解液扩散层为多孔钛板、烧结钛板等耐酸性环境腐蚀、耐高电位腐蚀，应具有合适的孔洞结构以便气体和水通过的多孔材料，电解液扩散层能使电解液充分扩散至阳极半电池的全部位置。
第一催化剂层4为氧化铱催化剂，第二催化剂层4中的催化剂为铂黑催化剂。
装置最外围的为承压体10，整体横向压力完全靠承压体及螺纹钢11紧固承压。
本方案采用在双极板的边缘结构为扇形锯齿或齿状折边结构，对应侧两边缘结构相互紧密咬合，加上核心材料膜电极使用改性N117高耐压性膜，以及密封环形高承压衬钢性密垫封圈，最后控制氢气和氧气整体等压电解，杜绝巨大压差造成整个电解槽的压力损坏。
针对本实用技术的应用展望：可一步直接做到45Mpa氢气压力，纯度达到99.999％以上主要应用领域为交通领域加氢站场景，尤其灵活应用到撬装及移动式加氢站，更加小巧、灵活、省略氢气压缩机的投资和运行成本，提高加氢站场景下的经济性，未来加氢站加注氢气压力升高至70Mpa，本装置也能适用(制氢压力90Mpa)。
以上所述的具体实施例，对本实用的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用的具体实施例而已，并不用于限制本实用，凡在本实用的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高压质子膜电解制氢装置，包括外圈给电体、双极板和抗压膜电极组件，其特征在于：相邻两所述双极板的上、下端部分别设有高压密封结构，所述双极板的上下端分别设有边缘结构，两双极板对应侧的边缘结构相互配合形成径向抱紧力；所述高压密封结构包括呈柱状的密封垫圈，所述密封垫圈的内部嵌有环形的钢圈，以在两侧受预应高压挤压力后保持水平方向刚性支撑；所述钢圈在密封垫圈注塑时预装。
2.根据权利要求1所述一种高压质子膜电解制氢装置，其特征在于：所述密封垫圈采用含氟聚氨酸酯材质，钢圈采用高强度钢材。
3.根据权利要求1所述一种高压质子膜电解制氢装置，其特征在于：所述密封垫圈两侧受高压挤压力的压强范围达35-90Mpa。
4.根据权利要求1所述一种高压质子膜电解制氢装置，其特征在于：所述边缘结构为扇形锯齿或齿状折边，对应侧两边缘结构相互紧密咬合。
5.根据权利要求1所述一种高压质子膜电解制氢装置，其特征在于：所述抗压膜电极组件依次包括第一电解液扩散层、第一催化剂层、质子交换膜层、第二催化剂层、第二电解液扩散层。
6.根据权利要求5所述一种高压质子膜电解制氢装置，其特征在于：所述质子交换膜层采用N117膜、N115膜、碳氢膜中任意一种。
7.根据权利要求5所述一种高压质子膜电解制氢装置，其特征在于：第一电解液扩散层由内至外包括钛纤维烧结板和钛网板，第二电解液扩散层由内至外包括钛纤维烧结板和钛网板。
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