本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜(pem)電解水制氫，具體而言，尤其涉及一種長(zhǎng)壽命耐高壓型pem電解槽密封結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、pem電解水制氫技術(shù)由于其具體在大電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行、電解槽可以直接產(chǎn)出≥3mpa的氫氣和瞬時(shí)響應(yīng)速率快等獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而被深入開(kāi)發(fā)及規(guī)?；痉稇?yīng)用。pem電解槽在氫氣出口端可以直接產(chǎn)出高壓氫氣為后續(xù)的氫氣壓縮存儲(chǔ)節(jié)約大量的能量，產(chǎn)出高壓氫氣是pem電解槽主要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)之一。為實(shí)現(xiàn)高壓氣體的產(chǎn)出，對(duì)pem電解槽的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。如何設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠壽命長(zhǎng)達(dá)80000小時(shí)以上的耐高壓型電解槽密封結(jié)構(gòu)是pem電解槽設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。

2、當(dāng)前多數(shù)pem電解槽密封組件的設(shè)計(jì)仍以pem燃料軟質(zhì)膠線作為密封部件的密封設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)更高壓力氣體的密封，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。膠線密封為全軟體結(jié)構(gòu)，在電解槽一定溫度及內(nèi)高壓介質(zhì)壓力作用下，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行容易出現(xiàn)老化造成泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

3、較為普遍應(yīng)用的第二種密封結(jié)構(gòu)為加增極框密封組件，在極框表面設(shè)有凸起的棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，通過(guò)棱臺(tái)壓合軟質(zhì)的薄密封墊片實(shí)現(xiàn)高壓氣體的密封。極框制作原材料一般為聚醚醚酮、聚砜、聚苯硫醚、聚醚酰亞胺等，密封墊片一般為ptfe薄膜，與全軟質(zhì)密封結(jié)構(gòu)相比較降低了軟體密封結(jié)構(gòu)厚度，承壓主體為極框結(jié)構(gòu)，極框結(jié)構(gòu)與軟質(zhì)密封線相比具有更好的耐受性，能保證壓力型電解槽的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。但該結(jié)構(gòu)仍存在較薄的密封墊片在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生蠕變或塑性形變，薄墊片較小的回彈量不足以補(bǔ)償墊片蠕變或塑性形變產(chǎn)生的位移，使電解槽存在泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)多層墊片的組裝增加裝配難度，容易產(chǎn)生錯(cuò)位。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、根據(jù)上述提出pem電解槽密封采用的膠線密封或極框結(jié)構(gòu)密封存在的技術(shù)問(wèn)題，提供一種長(zhǎng)壽命耐高壓型pem電解槽密封結(jié)構(gòu)，采用“軟硬結(jié)合”的密封理念，在電解槽雙極板開(kāi)設(shè)凹型溝槽，凹槽內(nèi)帶有貫穿的通孔，通過(guò)注塑成型的工藝在雙極板兩側(cè)凹槽內(nèi)注塑一體化密封膠條，兩側(cè)膠條通過(guò)凹槽內(nèi)貫穿的通孔連接為一個(gè)整體，防止膠條結(jié)構(gòu)發(fā)生位移；所述密封結(jié)構(gòu)還包含主體密封部件極框結(jié)構(gòu)，在極框的外邊緣表面設(shè)有多圈凸棱硬質(zhì)密封線結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到電解槽組裝力作用時(shí)，極框表面的凸棱會(huì)壓縮注塑在雙極板上的密封膠條結(jié)構(gòu)，密封膠條下陷至雙極板凹槽上沿平面以下，主體承壓結(jié)構(gòu)為硬質(zhì)密封極框，軟質(zhì)密封膠條不暴露在凹槽上沿水平面以上，使密封結(jié)構(gòu)更為可靠；密封膠條相較于密封薄膜具有更大的彈性形變，在電解槽長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中能有效的補(bǔ)償擴(kuò)散層厚度變化，密封部件形變，蠕變等帶來(lái)的影響，使其能在高溫高壓條件下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的穩(wěn)定運(yùn)行。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

3、一種長(zhǎng)壽命耐高壓型pem電解槽密封結(jié)構(gòu)，包括金屬雙極板、密封膠條和密封極框；

4、所述金屬雙極板的兩側(cè)表面分別沿外邊緣開(kāi)設(shè)有一圈凹槽，所述凹槽內(nèi)開(kāi)設(shè)有貫穿所述金屬雙極板兩側(cè)表面的通孔；所述金屬雙極板的兩側(cè)分別設(shè)置有在所述凹槽中注塑成型的所述密封膠條，且兩側(cè)的所述密封膠條在注塑成型過(guò)程中通過(guò)所述通孔相互連接形成一體化結(jié)構(gòu)；

5、所述密封極框的兩側(cè)表面分別沿外邊緣設(shè)置有與所述密封膠條位置相對(duì)應(yīng)的多圈凸棱硬質(zhì)密封線；

6、所述電解槽包括兩片所述金屬雙極板、膜電極和兩片所述密封極框；所述膜電極兩側(cè)分別設(shè)置有一組所述金屬雙極板和所述密封極框，所述密封極框上的所述凸棱硬質(zhì)密封線與位于同一側(cè)的所述金屬雙極板上的所述密封膠條相接觸；

7、當(dāng)所述電解槽受到組裝壓緊力作用時(shí)，所述凸棱硬質(zhì)密封線壓縮相接觸的所述密封膠條，使所述密封膠條壓縮至所述凹槽上沿水平面以下。

8、進(jìn)一步地，所述膜電極兩側(cè)表面的外邊緣與所述密封極框之間安裝有薄膜密封墊片，所述密封極框上的所述凸棱硬質(zhì)密封線與所述薄膜密封墊片相接觸；

9、所述電解槽中，位于所述膜電極陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)的兩個(gè)所述密封極框分別為陰極密封極框和陽(yáng)極密封極框；當(dāng)所述電解槽受到組裝壓緊力作用時(shí)，所述陰極密封極框和所述陽(yáng)極密封極框朝向所述膜電極一側(cè)表面上的多圈所述凸棱硬質(zhì)密封線能夠相互嚙合形成縫隙，并擠壓所述薄膜密封墊片和所述膜電極發(fā)生形變填充在所述縫隙中形成密封。

10、進(jìn)一步地，所述電解槽中，所述膜電極的陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)分別設(shè)置有陰極碳紙擴(kuò)散層和陽(yáng)極鈦氈?jǐn)U散層；所述膜電極兩側(cè)的所述薄膜密封墊片內(nèi)側(cè)邊緣分別與所述陰極碳紙擴(kuò)散層和所述陽(yáng)極鈦氈?jǐn)U散層的外側(cè)邊緣有重疊。

11、進(jìn)一步地，所述陰極碳紙擴(kuò)散層與位于所述膜電極陰極側(cè)的所述金屬雙極板之間以及所述陽(yáng)極鈦氈?jǐn)U散層與位于所述膜電極陽(yáng)極側(cè)的所述金屬雙極板之間均設(shè)置有鈦網(wǎng)。

12、進(jìn)一步地，所述金屬雙極板為鈦基金屬板或帶有耐腐蝕涂層的不銹鋼金屬板，所述金屬雙極板上所述凹槽的成型工藝為蝕刻加工工藝、機(jī)械加工工藝或沖壓成型加工工藝。

13、進(jìn)一步地，所述金屬雙極板的厚度為0.2～5mm；所述凹槽的深度為0.05～2mm，寬度為1～50mm；所述通孔的直徑為0.2～25mm。

14、進(jìn)一步地，所述密封膠條的材質(zhì)為三元乙丙橡膠、硅橡膠或氟橡膠。

15、進(jìn)一步地，所述密封極框的材質(zhì)為聚醚醚酮、聚砜、聚苯硫醚或聚醚酰亞胺。

16、進(jìn)一步地，所述密封極框的成型工藝為機(jī)械加工或注塑成型加工工藝。

17、進(jìn)一步地，所述凸棱硬質(zhì)密封線的高度為0.1～5mm；相鄰兩圈所述凸棱硬質(zhì)密封線之間的距離為1～10mm。

18、進(jìn)一步地，所述薄膜密封墊片的材質(zhì)為聚四氟乙烯、聚醚酰亞氨、聚苯硫醚或聚酰亞胺，所述薄密封墊片的厚度為10～100μm。

19、較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

20、1、本發(fā)明提供的長(zhǎng)壽命耐高壓型pem電解槽密封結(jié)構(gòu)，采用“軟硬結(jié)合”的密封設(shè)計(jì)理念，既能保證在電解槽長(zhǎng)久運(yùn)行過(guò)程中補(bǔ)償電解槽部件由于厚度變化產(chǎn)生的位移，同時(shí)完全下陷在雙極板凹槽內(nèi)的軟質(zhì)密封線能有效避免在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中由于軟體密封線失效所帶來(lái)的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

21、2、本發(fā)明提供的長(zhǎng)壽命耐高壓型pem電解槽密封結(jié)構(gòu)，能夠簡(jiǎn)化電解槽裝配難度，一體式注塑成型的密封膠條結(jié)構(gòu)，減少了獨(dú)立的密封薄膜的使用能有效防止軟體密封組件滑動(dòng)造成的安裝錯(cuò)位，簡(jiǎn)化電解槽裝配工藝流程。

22、基于上述理由本發(fā)明可在質(zhì)子交換膜(pem)電解水制氫領(lǐng)域廣泛推廣。

技術(shù)特征：

1.一種長(zhǎng)壽命耐高壓型pem電解槽密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括金屬雙極板、密封膠條和密封極框；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長(zhǎng)壽命耐高壓型pem電解槽密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述膜電極兩側(cè)表面的外邊緣與所述密封極框之間安裝有薄膜密封墊片，所述密封極框上的所述凸棱硬質(zhì)密封線與所述薄膜密封墊片相接觸；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的長(zhǎng)壽命耐高壓型pem電解槽密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電解槽中，所述膜電極的陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)分別設(shè)置有陰極碳紙擴(kuò)散層和陽(yáng)極鈦氈?jǐn)U散層；所述膜電極兩側(cè)的所述薄膜密封墊片內(nèi)側(cè)邊緣分別與所述陰極碳紙擴(kuò)散層和所述陽(yáng)極鈦氈?jǐn)U散層的外側(cè)邊緣有重疊。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的長(zhǎng)壽命耐高壓型pem電解槽密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述陰極碳紙擴(kuò)散層與位于所述膜電極陰極側(cè)的所述金屬雙極板之間以及所述陽(yáng)極鈦氈?jǐn)U散層與位于所述膜電極陽(yáng)極側(cè)的所述金屬雙極板之間均設(shè)置有鈦網(wǎng)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長(zhǎng)壽命耐高壓型pem電解槽密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬雙極板為鈦基金屬板或帶有耐腐蝕涂層的不銹鋼金屬板，所述金屬雙極板上所述凹槽的成型工藝為蝕刻加工工藝、機(jī)械加工工藝或沖壓成型加工工藝；所述密封極框的成型工藝為機(jī)械加工或注塑成型加工工藝。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長(zhǎng)壽命耐高壓型pem電解槽密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述密封膠條的材質(zhì)為三元乙丙橡膠、硅橡膠或氟橡膠；所述密封極框的材質(zhì)為聚醚醚酮、聚砜、聚苯硫醚或聚醚酰亞胺。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長(zhǎng)壽命耐高壓型pem電解槽密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬雙極板的厚度為0.2～5mm；所述凹槽的深度為0.05～2mm，寬度為1～50mm；所述通孔的直徑為0.2～25mm；所述凸棱硬質(zhì)密封線的高度為0.1～5mm；相鄰兩圈所述凸棱硬質(zhì)密封線之間的距離為1～10mm。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的長(zhǎng)壽命耐高壓型pem電解槽密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述薄膜密封墊片的材質(zhì)為聚四氟乙烯、聚醚酰亞氨、聚苯硫醚或聚酰亞胺，所述薄密封墊片的厚度為10～100μm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種長(zhǎng)壽命耐高壓型PEM電解槽密封結(jié)構(gòu)，包括金屬雙極板、密封膠條和密封極框；所述金屬雙極板的兩側(cè)表面分別沿外邊緣開(kāi)設(shè)有一圈凹槽；所述金屬雙極板的兩側(cè)分別設(shè)置有在所述凹槽中注塑成型的所述密封膠條，且兩側(cè)的所述密封膠條連接形成一體化結(jié)構(gòu)；所述密封極框的兩側(cè)表面分別沿外邊緣設(shè)置有多圈凸棱硬質(zhì)密封線；當(dāng)所述電解槽受到組裝壓緊力作用時(shí)，所述凸棱硬質(zhì)密封線壓縮相接觸的所述密封膠條，使所述密封膠條壓縮至所述凹槽上沿水平面以下。本發(fā)明的技術(shù)方案解既能保證在電解槽長(zhǎng)久運(yùn)行過(guò)程中補(bǔ)償電解槽部件由于厚度變化產(chǎn)生的位移，同時(shí)設(shè)置的密封膠線能有效避免在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中由于軟體密封線失效所帶來(lái)的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：劉會(huì)兵,楊焱森,徐家慧,陳桂銀,張晨,邢丹敏
受保護(hù)的技術(shù)使用者：新源動(dòng)力股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6