一种碱性水电解槽轻量化端板及其设计方法

技术领域

本发明涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种碱性水电解槽轻量化端板及其设计方法。

背景技术

电解水制氢技术是一项成熟且安全的技术，在工业脱碳的背景下，被视为实现高效能量转换和储存的重要技术。碱性水电解技术具有技术成熟、兆瓦级的生产能力、一次性设备投入和年度维护成本相对比较低、产品使用寿命周期长等优点，已在许多工业应用中使用，具有领先的商业地位。

随着需求的发展，高压碱性水电解技术成为了重要的应用研究方向。碱性水电解通过设计可承受高压的电解槽，能够避免使用第二级压缩机，从而有效地储存制备的氢气。然而，为实现高压范围内正常运行，碱性电解槽需要满足足够的结构要求。据专利CN214830709U报道，现有的大型压力性水电解槽直径已达2米以上，电解槽长度接近5米，重量接近50吨，这需要重的、大体积的端板进行紧固。

端板决定了高压碱性水电解槽的总质量和体积，以确保足够的结构完整性，通常为扁平圆柱形，如图5。在满足水电解槽结构需求的条件下，合理的端板结构设计不仅能够减少电解槽质量和体积，而且还能降低设备投入成本。因此，保证在高压碱性水电解槽正常运行下，实现端板轻量化设计在本领域具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种将高压碱性水电解槽重量降低和体积减小，同时也能降低电解槽成本的碱性水电解槽轻量化端板及其设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种碱性水电解槽轻量化端板，该端板包括底座和位于底座上的中空球顶，该中空球顶内设有与底座连接的加强结构。

进一步地，所述的底座外缘沿圆周方向布设有花瓣。

进一步地，所述花瓣的数量为9-18个，沿圆周方向均匀布置。

进一步地，所述的花瓣内设有通孔。

进一步地，所述的加强结构为沿圆周方向阵列分布的加强肋。

进一步地，所述加强肋的数量至少为3个，沿圆周方向均匀布置。

进一步地，所述的加强肋上方设有与中空球顶内相连的连接部。

一种如上所述碱性水电解槽轻量化端板的设计方法，该方法包括以下步骤：

对原碱性水电解槽端板的结构模型进行有限元分析，以获得原设计结构的性能评价指标；

基于原设计结构的指标参数，定义与刚度、应力和质量减少相关的性能要求，然后创建一个有限元模型进行拓扑优化；

建立优化解决方案的有限元模型，提取特征指标值与原设计的相应性能评价指标进行对比，验证优化后设计方案的指标参数符合要求，确定最终优化后的端板结构。

进一步地，所述的原设计结构的性能评价指标包含定义几何形状、材料、边界条件和电解槽工作压力为20MPa下的服役载荷。

进一步地，所述的拓扑优化是优化端板刚度、屈服强度安全系数、疲劳强度安全系数以及端板质量，其中刚度参数为端板中心的最大垂直位移限制为小于0.05mm，屈服强度安全系数为2，疲劳强度安全系数为1.5。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过设计轻量化结构代替现有的扁平圆柱形设计，可以显着减少高压碱性电解槽的端板质量和体积。此外，通过拓扑优化，实现端板刚度有效提升，从而在电解槽内部的集流板和双极板的边缘保持相对较低的位移，保证电解槽密封性；

(2)本发明在保证高压碱性电解槽正常安全运行下，通过端板的轻量化设计以实现现有技术中高压碱性水电解槽重量降低和体积减小，同时也能降低电解槽成本，提高经济性。

附图说明

图1为实施例中轻量化端板外形结构图；

图2为实施例中轻量化端板剖面结构图；

图3为实施例中轻量化端板圆顶隐藏后结构图；

图4为本发明轻量化端板设计流程图；

图5为现有技术碱性水电解槽端板；

图中标号所示：底座1、花瓣10、通孔100、中空球顶2、加强肋20、连接部200。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

一种碱性水电解槽轻量化端板及其设计方法，如图4，该方法包括以下步骤：

St.1分析原碱性水电解槽案例的结构，确定几何形状、材料选择、边界条件和电解槽工作压力为20MPa下的服役载荷；创建碱性水电解槽端板模型进行有限元分析，评估端板在工作压力下的挠度和结构完整性。

St.2基于原设计结构的指标参数，设置刚度、应力和质量减少相关的性能要求，确定拓扑优化目标函数和约束，定义端板刚度、屈服强度安全系数、疲劳强度安全系数以及端板质量，其中刚度参数为端板中心的最大垂直位移限制为小于0.05mm，屈服强度安全系数为2，疲劳强度安全系数为1.5；然后创建一个有限元模型进行拓扑优化，在分配设计变量、响应、约束和目标后，优化模型文件。

St.3建立优化后的有限元模型，提取特征指标值与原设计的相应性能评价指标进行对比，验证优化后设计方案的指标参数符合要求，确定最终优化后的端板结构。

碱性水电解槽轻量化端板，如图1-3，该端板包括底座1和位于底座1上的中空球顶2，该中空球顶2内设有与底座1连接的加强结构。底座1外缘沿圆周方向布设有花瓣10。花瓣10的数量为12个，沿圆周方向均匀布置。之间的夹角为30°，花瓣10内设有通孔100。

加强结构为沿圆周方向阵列分布的加强肋20。加强肋20的数量为6个，沿圆周方向均匀布置。之间的夹角为60°。加强肋20上方设有与中空球顶2内相连的连接部200。

本发明通过设计轻量化结构代替现有的扁平圆柱形设计，可以显着减少高压碱性电解槽的端板质量和体积。此外，通过拓扑优化，实现端板刚度有效提升，从而在电解槽内部的集流板和双极板的边缘保持相对较低的位移，保证电解槽密封性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。