一种用于PEM电解堆的压力补偿系统及补偿方法

技术领域

本发明涉及可再生能源水电解制氢的技术领域，尤其是指一种用于PEM电解堆的压力补偿系统及补偿方法。

背景技术

绿氢作为一种绿色二次能源，其大规模应用可以实现零碳排放，推动现有能源系统向更新型、更优化的方向转型。通过大规模可再生能源发电制取绿氢，不仅有助于解决我国“弃风、弃光”等现象，又能解决新能源消纳及并网稳定性问题，实现环境可持续发展。PEM水电解制氢是水电解制氢技术路径之一，具有工作电流密度大(＞1A/cm

PEM电解堆是由极板、多孔扩散层、膜电极等依次重复堆叠，并经绝缘板、导电板及端板压装而成。其中端板起到压紧电解堆使电解堆内部受力均匀，降低内阻，增加PEM电解堆能效作用关键。目前国内生产的PEM电解堆单堆产氢量基本都在50-100Nm

目前行业内主要采用以下两种方法对这一情况进行改进。如增加双层端板，既端板外侧增加防止中心形变的中心压板，用以改善此种情况。或者将电堆结构做成矩形，瘦长的端板中心形变会相应减小。但这两种都有一定的弊端，首先双层端板结构占用空间较大，材料成本高结构复杂，不好安装。而瘦长结构电堆有效面积小，材料利用率低，很难匹配大功率电堆。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于PEM电解堆的压力补偿系统，能够有效解决端板压装时受力形变导致中间外凸，使内部双极板受力不均导致内阻升高，电解堆效率降低的问题。

本发明的第二目的在于提供一种用于PEM电解堆的压力补偿方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种用于PEM电解堆的压力补偿系统，包括设置于PEM电解堆内部的两个压力补偿膜板以及设置于PEM电解堆外部的气源装置，两个压力补偿膜板以PEM电解堆的双极板为中心对称设置，且每个压力补偿膜板分别位于PEM电解堆的双极板和端板之间的任意位置，所述PEM电解堆内部设置有自其两个外端面分别通至两个压力补偿膜板的两个压力补偿孔，所述气源装置分别通过管道与两个压力补偿孔连通，该气源装置通过向两个压力补偿孔注入气体或液体从而向两个压力补偿膜板施加压力，压力补偿膜板受压变形并将形变压力向双极板方向传递，从而起到压力补偿的作用进而使双极板受力均衡。

进一步，所述压力补偿膜板设置于PEM电解堆的端板和绝缘板之间，或设置于PEM电解堆的绝缘板和铜板之间，或设置于PEM电解堆的铜板和端极板之间。

进一步，所述端板、绝缘板或铜板的内侧面加工有用于安装压力补偿膜板的安装槽，所述压力补偿膜板安装于安装槽内。

进一步，所述安装槽的内侧面靠近边缘处加工有一圈密封环槽，所述密封环槽内安装有用于防止气体或液体泄漏的密封圈。

进一步，还包括用于辅助压力补偿膜板安装的辅助安装板，所述辅助安装板设置于压力补偿膜板的外侧，将辅助安装板和压力补偿膜板对接使两者之间形成密封腔室，且两者之间设置有用于防止密封腔室内部气体或液体泄漏的密封圈，所述辅助安装板上形成有与压力补偿孔连通的通孔。

进一步，所述气源装置采用外接气源补偿，其包括气源瓶、主管道、两个第一分管道、第一进气截止阀、第一减压阀和第二减压阀，所述气源瓶通过主管道与两个第一分管道连接，两个第一分管道分别与PEM电解堆两端的两个压力补偿孔连接，所述主管道上依次设置有第一减压阀、第一进气截止阀和第二减压阀。

进一步，所述主管道上并位于第一减压阀和气源瓶之间设置有第一压力表，所述第一减压阀和第一进气截止阀之间设置有第二压力表，所述第二减压阀与两个第一分管道之间设置有第三压力表，其中一个第一分管道上设置有排气阀，且该第一分管道上并位于排气阀和PEM电解堆之间设置有压力变送器。

进一步，所述气源装置采用PEM电解堆工作产生的氢气气源补偿，其包括电堆氢气管道、两个第二分管道、第二进气截止阀、增压器、第五压力表、第三减压阀和第六压力表，所述电堆氢气管道的一端与PEM电解堆的电堆氢气出口连接，其另一端与两个第二分管道连接，两个第二分管道分别与PEM电解堆两端的两个压力补偿孔连接，所述电堆氢气管道上依次设置有第二进气截止阀、增压器、第五压力表、第三减压阀和第六压力表。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：

一种用于PEM电解堆的压力补偿方法，基于上述所述的用于PEM电解堆的压力补偿系统实现，所述气源装置采用外接气源补偿，该补偿方法包括步骤，

通过气源装置的第一减压阀将其气源瓶输出压力P1调节到使用输出压力P2；

开启气源装置的第一进气截止阀，气体通过气源装置的第二减压阀将压力调节至补偿所需压力P3，进而通过压力补偿孔向压力补偿膜板方向流动；

压力补偿膜板受到冲入气体的压强并向双极板方向产生形变，形变压力向双极板方向传递以起到压力补偿的作用，从而使双极板受力均衡。

一种用于PEM电解堆的压力补偿方法，基于上述所述的用于PEM电解堆的压力补偿系统实现，所述气源装置采用PEM电解堆工作产生的氢气气源补偿，该补偿方法包括步骤，

开启气源装置的第二进气截止阀，PEM电解堆产生的氢气通入气源装置的增压器；

增压器受压进而挤压其输出端的纯水并使纯水压力加压到P4，加压后的纯水通过气源装置的第三减压阀调节至补偿所需压力P5，进而通过压力补偿孔向压力补偿膜板方向流动；

压力补偿膜板受到纯水压强并向双极板方向产生形变，形变压力向双极板方向传递以起到压力补偿的作用，从而使双极板受力均衡。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明通过在PEM电解堆内部设置压力补偿膜板，压力补偿膜板在气体或液体的作用下向内侧受压变形，并将形变压力向PEM电解堆的双极板方向传递，从而起到压力补偿的作用进而使双极板受力均衡。

2、本发明可适用于各种形状尺寸的电解堆，完美解决了形变对电解堆尺寸限制，且电解堆能够以更低的成本做到更大的有效面积，材料利用率高。

3、本发明结构简单，成本低，控制灵活，并且具备调节能力，能够通过主动调节补偿压力达到最佳效果。

4、本发明的补偿压力源选择性多，可以使用开关机反吹用氮气压力源，也可以使用自身电解产生的氢气压力源，补偿时不消耗气源气体，安全可靠，无成本损耗。

附图说明

图1为本发明的压力补偿系统(采用外接气源补偿)的结构示意图。

图2为本发明的压力补偿系统(采用PEM电解堆的氢气气源补偿)的结构示意图。

图3为本发明的压力补偿膜板的受力形变示意图。

图4为本发明的压力补偿膜板安装在端板上的结构示意图。

图5为图4的A-A向剖视图。

图6为图5中B处的局部放大图。

图7为本发明的端板的局部示意图。

图8为本发明的压力补偿膜板在PEM电解堆内部的安装示意图一。

图9为本发明的压力补偿膜板在PEM电解堆内部的安装示意图二。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1至图7所示，本实施例提供了一种用于PEM电解堆的压力补偿系统，包括设置于PEM电解堆1内部的两个压力补偿膜板2以及设置于PEM电解堆1外部的气源装置，两个压力补偿膜板2以PEM电解堆1的双极板105为中心对称设置，且每个压力补偿膜板分别位于PEM电解堆的双极板105和端板101之间的任意位置，所述PEM电解堆1内部设置有自其两个外端面分别通至两个压力补偿膜板2的两个压力补偿孔108，所述气源装置通过管道与两个压力补偿孔108连通，该气源装置通过两个压力补偿孔108分别向PEM电解堆1内部两个压力补偿膜板2的方向注入气体或液体，压力补偿膜板2受压变形并将形变压力向双极板105方向传递，从而起到压力补偿的作用进而使双极板105受力均衡。

具体的，压力补偿膜板2可以设置于端板101和绝缘板102之间，或设置于绝缘板102和铜板103之间，或设置于铜板103和端极板104之间。

具体的，端板101、绝缘板102或铜板103的内侧面加工有用于安装压力补偿膜板2的安装槽106，安装槽深度根据实际情况确定，所述压力补偿膜板2通过螺钉107安装于安装槽106内。

具体的，安装槽106的底面靠近边缘处加工有一圈密封环槽109，所述密封环槽内安装有用于防止气体或液体泄漏的密封圈110。

具体的，压力补偿膜板采用金属材质制成，并可以根据实际需要设计成圆形、方形、椭圆形等形状。

如图3所示，本实施例通过压力补偿膜板的外侧面、密封圈以及端板之间形成一密闭空间。PEM电解堆组装好后，将其接入系统工作，气体或液体通过压力补偿孔通入，压力补偿膜板受压向PEM电解堆内侧形变鼓起，产生一个均匀的反向压力压向双极板侧，将形变压力向双极板传递，图中实心箭头表示气体或液体的流入方向，空心箭头表示压力补偿膜板的受力形变方向，通过对端板压装时受力形变产生的空隙进行有效的填充，使双极板受压均匀，扩散层紧密接触，从而起到压力补偿的作用，并有效提高电解堆整体的工作能效。

具体的，当气源装置采用外接气源补偿时，其包括气源瓶20(如氮气源)、主管道21、两个第一分管道4、第一进气截止阀5、第一减压阀6和第二减压阀7，所述气源瓶20通过主管道21与两个第一分管道4连接，两个第一分管道4分别与两个压力补偿孔108连接，主管道21上依次设置有第一减压阀6、第一进气截止阀5和第二减压阀7。

进一步的，主管道21上并位于第一减压阀6和气源瓶20之间设置有第一压力表8，所述第一减压阀6和第一进气截止阀5之间设置有第二压力表9，所述第二减压阀7与两个第一分管道4之间设置有第三压力表10，其中一个第一分管道4上设置有排气阀18(常闭)，且该第一分管道4上并位于排气阀18和PEM电解堆端板之间设置有压力变送器19。

外接氮气气源补偿时，氮气气瓶压力一般为14mpa左右，气源输出减压为设定值，避免误操作导致补偿压力过大损坏内部结构，通过增加手动减压阀或者电动减压阀、压力表等元件，实现补偿压力控制，从而达到最佳效果。

具体的，当气源装置采用PEM电解堆工作产生的氢气气源补偿时，其包括电堆氢气管道11、两个第二分管道12、第二进气截止阀13、增压器14和第五压力表16、第三减压阀15和第六压力表17，所述电堆氢气管道11的一端与PEM电解堆的电堆氢气出口连接，其另一端与两个第二分管道12连接，两个第二分管道12分别与PEM电解堆两端的两个压力补偿孔连接，所述电堆氢气管道11上依次设置有第二进气截止阀13、增压器14和第五压力表16、第三减压阀15和第六压力表17。

通过配置专用增压器，增压器后端可以是气体也可以是纯水，建议填充纯水保证安全性。前端设手动或者电动减压阀(减压阀需为可燃气体无外泄减压阀)、压力表等元件实现补偿压力控制，从而达到最佳效果。

本实施例通过调节气体或液体压力来调节压力补偿膜板补偿形变与应力大小，从而达到按需调节的目的。也可以通过实验找到最佳补偿压力，使电解堆从结构角度达到最佳性能。

实施例2

如图8至图9所示，本实施例还提供了一种用于PEM电解堆的压力补偿系统，本实施例与实施例1的不同之处在于：压力补偿膜板2的外侧面设置有辅助安装板3，通过将辅助安装板3和压力补偿膜板2对接使两者之间形成密封腔室，且两者之间设置有用于防止密封腔室内部气体或液体泄漏的密封圈110，辅助安装板上形成有与压力补偿孔108连通的通孔，通过将辅助安装板3和压力补偿膜板2整体安装于端板101和绝缘板102之间，或安装于绝缘板102和铜板103之间，或安装于铜板103和端极板104之间，无需在PEM电解堆的部件上加工安装槽，便于安装。

实施例3：

本实施例还提供一种用于PEM电解堆的压力补偿方法，基于用于PEM电解堆的压力补偿系统实现，所述气源装置采用外接气源补偿，该补偿方法包括步骤，

通过气源装置的第一减压阀将其气源瓶输出压力P1调节到使用输出压力P2；

开启气源装置的第一进气截止阀，气体通过气源装置的第二减压阀将压力调节至补偿所需压力P3，进而通过压力补偿孔向压力补偿膜板方向流动；

压力补偿膜板受到冲入气体的压强并向双极板方向产生形变，通过形变压力向双极板方向传递，从而起到压力补偿的作用进而使双极板受力均衡。

其中，压力补偿膜板自身形变所需压强Pmin相对冲入压强P3较小可以忽略，近似补偿压力F可以用F＝P3*S计算，S为形变补偿膜板的受压面积。

本实施例根据实验数据和实际需要通过减压阀调节输入压力从而调节压力补偿膜板产生的形变与形变产生的压紧力，从而使电解堆的性能达到最佳。

实施例4：

本实施例还提供一种用于PEM电解堆的压力补偿方法，基于用于PEM电解堆的压力补偿系统实现，所述气源装置采用PEM电解堆工作产生的氢气气源补偿，该补偿方法包括步骤，

开启气源装置的第二进气截止阀，PEM电解堆产生的氢气通入气源装置的增压器；

增压器受压进而挤压其输出端的纯水并使纯水压力加压到P4，加压后的纯水通过气源装置的第三减压阀调节至补偿所需压力P5，进而通过压力补偿孔向压力补偿膜板方向流动；

压力补偿膜板受到纯水压强并向双极板方向产生形变，通过形变压力向双极板方向传递，从而起到压力补偿的作用进而使双极板受力均衡。

本实施例通过调节减压阀控制输出端纯水的压强，进而控制调节压力补偿膜板产生的形变与形变产生的压紧力，从而使电解堆的性能达到最佳。

通过本方法使形变与补偿受力可以通过计算进行量化，不仅低成本高效的解决了电解堆端板形变导致双极板受压不均、效率降低的问题，而且使电解堆双极板受压数据可以计算，可以给电解堆结构改进实验奠定可以采集的数据基础。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。