CN210215563U - 一种高压水电解槽 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高压水电解槽，包括金属外框，金属外框内侧设置有绝缘内衬底座，绝缘内衬底座的顶端设置有正极接电板，绝缘内衬底座的底端设置有负极接电板，正极接电板与负极接电板之间设置有电解槽，电解槽由多个双极板堆叠而成，每两个双极板之间设置有阳极集电器和阴极集电器，阳极集电器向着正极接电板的一侧设置，阴极集电器向着负极接电板的一侧设置，阳极集电器和阴极集电器之间设置有膜电极，阳极集电器的内侧设置有C型滑环组合密封内环，阴极集电器的外侧设置有C型滑环组合密封外环，C型滑环组合密封内环的内侧设置有金属支撑内环。本实用新型解决质子交换膜水电解槽高压密封问题，显著提高电解槽氢气出口压力。

Description

一种高压水电解槽

技术领域

本实用新型涉及电解技术领域，特别涉及一种高压水电解槽。

背景技术

质子交换膜水电解装置由于其高能效、高产气纯度以及小型、轻量在电网储能、燃料电池、加氢站、航天、化工等方面具有广阔的应用前景。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。

但目前PEM水电解槽受密封形式制约不能产生高压氢气，现有的PEM水电解槽通常采用聚四氟乙烯或三元乙丙橡胶制成平板密封垫，通过螺栓预紧力将结构压紧实现密封。受到橡胶密封件允许压缩量的限制，这种水电解槽结构能够制取的氢气最大压力一般不超过3.5MPa。

为了满足燃料电池、加氢站等氢能应用的需要，必须将氢气存储于高压气瓶内，通常气瓶存储压力为35MPa。目前，PEM水电解槽制取的氢气最高压力不大于3.5MPa，必须通过氢气压缩机，使之达到设定高压，才能存储于气瓶内。从而导致水电解制氢系统整体装备体积大、能耗高、可靠性差、电解效率低。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种高压水电解槽。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：

本实用新型一种高压水电解槽，包括金属外框，所述金属外框内侧设置有绝缘内衬底座，所述绝缘内衬底座的顶端设置有正极接电板，所述绝缘内衬底座的底端设置有负极接电板，所述正极接电板与负极接电板之间设置有电解槽，所述电解槽由多个双极板堆叠而成，所述每两个双极板之间设置有阳极集电器和阴极集电器，所述阳极集电器向着正极接电板的一侧设置，所述阴极集电器向着负极接电板的一侧设置，所述阳极集电器和阴极集电器之间设置有膜电极，所述阳极集电器的内侧设置有C型滑环组合密封内环，所述阴极集电器的外侧设置有C型滑环组合密封外环，所述C型滑环组合密封内环的内侧设置有金属支撑内环，所述双极板、阳极集电器、膜电极、阴极集电器、正极接电板的中心位置均位于同一竖直轴线上，且双极板、阳极集电器、膜电极、阴极集电器、正极接电板的中心均设置有氢气排出孔，所述电解槽的两端均与绝缘内衬底座之间存在空隙，所述空隙和双极板内部区域构成了水流通道，所述水流通道的一端连接有进水口，所述水流通道的另一端连接有出水口，水经所述水流通道的进水口端进入所述双极板的内部区域，经所述双极板反应后，再从所述水流通道的出水口端流出。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述C型滑环组合密封外环和C型滑环组合密封内环均采用C型滑环组合密封结构，所述C型滑环组合密封结构由耐高压O型密封圈和PTFE骨架组成，所述耐高压O型密封圈扣接在PTFE骨架上，且C型滑环组合密封结构通过耐高压O型密封圈与双极板相连接。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述金属外框的顶部设置有金属上端板，所述金属上端板与金属外框之间设置有绝缘端盖。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述金属上端板和绝缘端盖均通过螺栓与金属外框固定连接。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述进水口和出水口均位于金属上端板和绝缘端盖表面的两侧，所述氢气排出孔位于金属上端板和绝缘端盖表面的中心位置，且绝缘端盖与正极接电板相扣合，且正极接电板节点处穿过绝缘端盖向外延伸。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述螺栓的外侧设置有防松螺母，所述螺栓与金属上端板之间设置有碟簧。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述负极接电板的底部设置有底部接电端子，所述底部接电端子穿过金属外框向外延伸。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述底部接电端子与绝缘内衬底座之间设置有弹性密封垫。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述整个高压水电解槽采用圆形结构。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1、密封结构采用差压设计，分别在阴极集电器外侧和阳极集电器内侧形成氢气高压密封，降低水、氧气通流密封要求，内部采用PTFE骨架和O型圈组合密封方式，具有自紧密封效果，可承受0-50MPa高压且O型圈磨损小寿命长。

2、流道结构通过绝缘内衬底座与堆叠双极板组成水流通道，电堆中心孔出氢，简化了传统电解槽的结构，提高了氢气的高压密封性。

3、承压结构可以在电解槽常压进水，高压产氢的同时，为电解槽提供稳定性。

4、接电结构均采用正负端接电柱结构设计，使接电结构大部分包裹在绝缘电解槽的内部，增加电绝缘性能。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的整体结构拆分图；

图3是本实用新型的整体结构俯视图；

图4是图3的A-A剖面图；

图5是图3的B-B剖面图；

图6是本实用新型单电解槽的局部结构示意图；

图7是本实用新型C型滑环组合密封结构的整体结构示意图；

图8是图7的A-A剖面图；

图9是图8的局部结构放大图；

图中：1、防松螺母；2、碟簧；3、螺栓；4、金属上端板；5、绝缘端盖；6、正极接电板；7、C型滑环组合密封内环；8、支撑内环；9、阳极集电器；10、膜电极；11、阴极集电器；12、C型滑环组合密封外环；13、双极板；14、负极接电板；15、底部接电端子；16、弹性密封垫；17、绝缘内衬底座；18、金属外框；19、耐高压O型密封圈；20、PTFE骨架；21、氢气排出孔；22、C型滑环组合密封结构；23、进水口；24、出水口；25、电解槽；26、水流通道。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

如图1-3所示，本实用新型提供一种高压水电解槽，包括防松螺母1、碟簧2、螺栓3、金属上端板4、绝缘端盖5、正极接电板6、C型滑环组合密封内环7、支撑内环8、阳极集电器9、膜电极10、阴极集电器11、C型滑环组合密封外环12、双极板13、负极接电板14、底部接电端子15、弹性密封垫16、绝缘内衬底座17、金属外框18，金属外框18与金属上端板4为不锈钢材质，用于承受内部高压。金属上端板4两侧对称设有进水口23与进水口24，中心与绝缘端盖5中间凸起定位配合；金属外框18底部通孔用于伸出底部接电端子15，端面设有密封槽，配合绝缘端盖5实现密封。绝缘端盖5采用聚丙烯等耐温绝缘材料，保证电解槽绝缘安全，设有两个进水孔与两个出水孔，起分流作用，中间凸起处设有氢气出口以及正电极通孔，通孔处采用耐高压O型密封圈密封。绝缘内衬底座17采用聚丙烯等耐温绝缘材料，内侧面与负极接电板14、双极板13、正极接电板6外侧面贴合组成进水流道结构与出水流道结构，连通绝缘端盖5进出水孔，内侧面壁厚处设有半圆缺口，与内部负极接电板14、双极板13、正极接电板6外侧面缺口配合实现圆柱销定位，圆柱销采用绝缘材质。弹性密封垫16可采用橡胶等弹性材料，与底部接电端子15配合，吸收内部结构热胀的同时，也起到密封作用。底部接电端子15可采用黄铜等导电材料，紧贴负极接电板14，连接电源负极。正极接电板6采用钛材料，两导电柱连接电源的正极，中心通孔作为氢气出口。负极接电板14采用钛材料，采用圆环凸起，与C型滑环组合密封外环12、膜电极10配合实现阴极集电器11外环高压密封，圆环凸起两侧对称设置有呈弧线状的缺口，与进出水流道结构连接，实现阳极集电器9的进水与出水。双极板13采用钛材料，中心通孔为氢气出口，配合阳极集电器9、C型滑环组合密封内环7、金属支撑内环8、膜电极10、阴极集电器11实现氢气流道密封。阳极集电器9采用粉末钛板，一面光洁，一面带流道槽，流道槽起导流作用，中间通孔作为氢气出口。膜电极10采用全氟磺酸质子交换膜，中间通孔为氢气出口。阴极集电器11采用不锈钢丝网，一面光洁，中间通孔作为氢气出口。C型滑环组合密封内环7和C型滑环组合密封外环12均由耐高压O型密封圈19和PTFE骨架20组成，具有自紧密封效果，可承受0-50MPa高压力且耐高压O型密封圈19磨损小寿命长。支撑内环8提供内部支撑作用，防止系统启动时C型滑环组合密封内环7挤压损伤。

进一步，承压结构组成：金属上端板4、绝缘端盖5、绝缘内衬底座17、金属外框18组成承压结构，承压结构常压进水，高压产氢，金属外框为主要承压结构，可调整厚度以承受内部0-35MPa甚至更高的压力。

接电结构组成：正极接电板6、底部接电端子15分别连接电源的正负极。

密封结构组成：C型滑环组合密封外环12、膜电极10、双极板13在阴极集电器11外侧形成氢气高压密封。C型滑环组合密封内环7、支撑内环8、膜电极10、双极板13在阳极集电器9内侧形成氢气高压密封。

流道结构组成：绝缘内衬底座17、双极板13组成进出水流道结构。阳极集电器9、C型滑环组合密封内环7、支撑内环8、膜电极10、阴极集电器11、双极板13中心处的氢气排出孔21组成氢气流道结构。

具体的，如图1所示，螺栓3穿过金属上端板4、绝缘端盖5、金属外框18用防松螺母1、碟簧2进行定位紧固，提供电解槽的密封压紧力，整个电解槽装置为圆形，采用常压进水，高压产出氢气；如图4、6所示，常压水从金属上端板4的进水口23流入，经过绝缘内衬底座17与双极板13组合产生的进水流道结构，进入阳极集电器9发生电化学反应，经过绝缘内衬底座17与双极板13组合产生的出水流道结构，从金属上端板4的进水口24流出。常压水在阳极集电器9电化学反应产生氧气，在阴极集电器11产生氢气，氧气与水流一同经过出水流道结构，从金属上端板4的进水口24排出，氢气通过氢气流道结构从绝缘端盖5的出氢口排出。两双极板13之间组成单电解槽，阳极集电器9与阴极集电器11之间用膜电极10隔离，阳极集电器9外圆面连接进出水流道结构，内圆面高压密封，阴极集电器11外圆面高压密封，内圆面连接氢气流道。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高压水电解槽，包括金属外框(18)，其特征在于，所述金属外框(18)内侧设置有绝缘内衬底座(17)，所述绝缘内衬底座(17)的顶端设置有正极接电板(6)，所述绝缘内衬底座(17)的底端设置有负极接电板(14)，所述正极接电板(6)与负极接电板(14)之间设置有电解槽(25)，所述电解槽(25)由多个双极板(13)堆叠而成，所述每两个双极板(13)之间设置有阳极集电器(9)和阴极集电器(11)，所述阳极集电器(9)向着正极接电板(6)的一侧设置，所述阴极集电器(11)向着负极接电板(14)的一侧设置，所述阳极集电器(9)和阴极集电器(11)之间设置有膜电极(10)，所述阳极集电器(9)的内侧设置有C型滑环组合密封内环(7)，所述阴极集电器(11)的外侧设置有C型滑环组合密封外环(12)，所述C型滑环组合密封内环(7)的内侧设置有金属支撑内环(8)，所述双极板(13)、阳极集电器(9)、膜电极(10)、阴极集电器(11)、正极接电板(6)的中心位置均位于同一竖直轴线上，且双极板(13)、阳极集电器(9)、膜电极(10)、阴极集电器(11)、正极接电板(6)的中心均设置有氢气排出孔(21)，所述电解槽(25)的两端均与绝缘内衬底座(17)之间存在空隙，所述空隙和双极板(13)内部区域构成了水流通道(26)，所述水流通道(26)的一端连接有进水口(23)，所述水流通道(26)的另一端连接有出水口(24)，水经所述水流通道(26)的进水口(23)端进入所述双极板(13)的内部区域，经所述双极板(13)反应后，再从所述水流通道(26)的出水口(24)端流出。

2.根据权利要求1所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述C型滑环组合密封外环(12)和C型滑环组合密封内环(7)均采用C型滑环组合密封结构(22)，所述C型滑环组合密封结构(22)由耐高压O型密封圈(19)和PTFE骨架(20)组成，所述耐高压O型密封圈(19)扣接在PTFE骨架(20)上，且C型滑环组合密封结构(22)通过耐高压O型密封圈(19)与双极板(13)相连接。

3.根据权利要求1所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述金属外框(18)的顶部设置有金属上端板(4)，所述金属上端板(4)与金属外框(18)之间设置有绝缘端盖(5)。

4.根据权利要求3所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述金属上端板(4)和绝缘端盖(5)均通过螺栓(3)与金属外框(18)固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述进水口(23)和出水口(24)均位于金属上端板(4)和绝缘端盖(5)表面的两侧，所述氢气排出孔(21)位于金属上端板(4)和绝缘端盖(5)表面的中心位置，且绝缘端盖(5)与正极接电板(6)相扣合，且正极接电板(6)节点处穿过绝缘端盖(5)向外延伸。

6.根据权利要求4所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述螺栓(3)的外侧设置有防松螺母(1)，所述螺栓(3)与金属上端板(4)之间设置有碟簧(2)。

7.根据权利要求4所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述负极接电板(14)的底部设置有底部接电端子(15)，所述底部接电端子(15)穿过金属外框(18)向外延伸。

8.根据权利要求7所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述底部接电端子(15)与绝缘内衬底座(17)之间设置有弹性密封垫(16)。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种高压水电解槽，其特征在于，所述整个高压水电解槽采用圆形结构。

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