一种用于高压水电解的金属双极板密封结构

技术领域

本发明涉及电解领域中的双极板密封技术领域，具体而言是一种用于高压水电解的金属双极板密封结构。

背景技术

质子交换膜电解单元包括质子交换膜和附着于两侧的催化剂，并在两侧配置供电体，多个电解单元串联组成电解槽，在两侧施加电压并向阳极提供水，阳极水被分解产生氢离子，通过质子交换膜后在阴极侧与电子结合为氢气，在此过程中，阳极有部分水跟随氢离子迁移至阴极侧，阳极侧产生氧气和剩余未反应的水混合排出电解单元。

由于氢气的应用场合一般为高压，因此，阳极侧的对水和氧气的密封、阴极侧对氢气的密封是实现电解槽功能的重要环节。现有技术中一般选择胶线沟槽的密封方式和简单平垫的密封方式。这两种方式无法保证高压可靠密封，分别存在胶线组装时错动和平垫受气压窜动而失效。

发明内容

根据上述提出高压水电解工作时易发生泄漏的技术问题，而提供一种用于高压水电解的金属双极板密封结构。本发明主要利用在双极板两侧合理布置闭合沟槽，保证密封平垫与双极板之间紧密贴合，不易发生窜动，从而可靠密封，而且防止了氢气和氧气混合现象的产生。此双极板结构减少了双极板密封结构的加工量，降低了电解槽组装难度。此双极板结构可以配合多种材料的密封平垫，且根据电解槽内部电解小室的设计厚度需要，灵活调整双极板和密封垫的匹配。

本发明采用的技术手段如下：

一种用于高压水电解的金属双极板密封结构，包括双极板和位于所述双极板两侧的密封平垫；

所述双极板具有外围密封区域和中心反应区域；

所述外围密封区域包括贯穿所述双极板且对向布置的进水口和出水口、贯穿所述双极板且对向布置的出氢口、闭合沟槽；

所述中心反应区域包括设置于所述双极板的阳极表面带有沟槽的产氧区、设置于所述双极板的阴极表面带有沟槽的产氢区，且所述产氧区的沟槽两端分别朝向所述进水口和所述出水口，所述产氢区的沟槽两端分别朝向两个所述出氢口；

所述闭合沟槽包括分别布置于所述双极板的阳极表面和阴极表面的阳极闭合沟槽和阴极闭合沟槽；

所述阳极闭合沟槽包括分别包围两个所述出氢口的氧隔离闭合沟槽、包围所述进水口、所述出水口及所述产氧区的氧流动闭合沟槽；

所述阴极闭合沟槽包括分别包围所述进水口和所述出水口的氢隔离闭合沟槽、包围两个所述出氢口及所述产氢区的氢流动闭合沟槽；

所述密封平垫覆盖所述外围密封区域，并于所述进水口、所述出水口和所述出氢口处布置有与所述进水口、所述出水口和所述出氢口相适配的通孔，所述密封平垫为柔性材料制成，受压后所述密封平垫部分进入所述闭合沟槽内。

优选地，所述氧隔离闭合沟槽、所述氧流动闭合沟槽、所述氢隔离闭合沟槽和所述氢流动闭合沟槽的沟槽数量不少于2条。

优选地，所述氧隔离闭合沟槽、所述氧流动闭合沟槽、所述氢隔离闭合沟槽和所述氢流动闭合沟槽的沟槽截面呈矩形，深度为0.01-1mm，宽度为0.1-5mm，相邻两条沟槽的间隔为0.1-5mm。

优选地，所述产氢区和所述产氧区的沟槽截面为矩形，深度为0.1-1mm、宽度为0.5-5mm，间隔为0.5-5mm。

优选地，所述密封平垫呈环形，由橡胶、聚四氟乙烯、PU、POM或铜制成。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种用于高压水电解的金属双极板和密封平垫，通过在双极板两侧加工多道闭合沟槽，水口和氢口处的闭合沟槽保证另一面的氢气气和氧气无法进入，造成氢氧混合；外圈的闭合沟槽保证气体和液体无法外漏。配合密封平垫，在使用螺栓紧固后，密封平垫不会窜动，同时防止了发生对外界泄露和氢氧口气体混合的情况产生，满足高压密封使用。

2、本发明的双极板表面的闭合沟槽加工简单，允许加工公差范围较大，降低工艺难度。密封平垫为材质较软的板材，使用简单刀模即可切割。

综上，本发明的技术方案解决了现有技术中的高压水电解密封不可靠，双极板和密封件加工工艺较复杂的问题。基于上述理由本发明可在电解等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中一种用于高压水电解的金属双极板密封结构结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中双极板阴极侧结构示意图。

图3为本发明具体实施方式中双极板阳极侧结构示意图。

图4为本发明具体实施方式中闭合沟槽局部示意图。

图中：1、双极板；11、闭合沟槽；111、氢流动闭合沟槽；112、氢隔离闭合沟槽；113、氧流动闭合沟槽；114、氧隔离闭合沟槽；12、进水口；13、出水口；14、出氢口；15、产氢区；16、产氧区；2、密封平垫；21、平垫进水口；22、平垫出水口；23、平垫出氢口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～4所示，一种用于高压水电解的金属双极板密封结构，包括双极板1和位于所述双极板1两侧的密封平垫2；

所述双极板1具有外围密封区域和中心反应区域；

所述外围密封区域包括闭合沟槽11、贯穿所述双极板1且对向布置的进水口12和出水口13、贯穿所述双极板1且对向布置的出氢口14；

所述中心反应区域包括设置于所述双极板1的阳极表面带有沟槽的产氧区16、设置于所述双极板1的阴极表面带有沟槽的产氢区15，且所述产氧区16的沟槽两端分别朝向所述进水口12和所述出水口13，所述产氢区15的沟槽两端分别朝向两个所述出氢口14；

所述闭合沟槽11包括分别布置于所述双极板1的阳极表面和阴极表面的阳极闭合沟槽和阴极闭合沟槽；

如图2所示，所述阴极闭合沟槽包括分别包围所述进水口12和所述出水口13的氢隔离闭合沟槽112、包围两个所述出氢口14及所述产氢区15的氢流动闭合沟槽111；

如图3所示，所述阳极闭合沟槽包括分别包围两个所述出氢口14的氧隔离闭合沟槽114、包围所述进水口12、所述出水口13及所述产氧区16的氧流动闭合沟槽113；

所述密封平垫2覆盖所述外围密封区域，并于所述进水口12、所述出水口13和所述出氢口14处布置有与其相适配的平垫进水口21、平垫出水口22和平垫出氢口23，所述密封平垫2呈环形，为柔性材料制成，如橡胶、聚四氟乙烯、PU、POM或铜等材料，本实施方式中采用橡胶制成，螺栓紧固过程中密封平垫2受压发生形变，部分进入所述闭合沟槽11内，既能够起到密封效果又能够防止密封平垫2发生滑动。

所述氧隔离闭合沟槽114、所述氧流动闭合沟槽113、所述氢隔离闭合沟槽112和所述氢流动闭合沟槽111的沟槽数量不少于2条，本具体实施方式中采用三条，且沟槽截面呈矩形，深度为0.01-1mm，宽度为0.1-5mm，相邻两条沟槽的间隔为0.1-5mm。本具体实施方式采用深度尺寸为0.05mm，宽度尺寸为1mm，间隔尺寸为2mm。

所述产氢区15和所述产氧区16的沟槽截面为矩形，深度为0.1-1mm、宽度为0.5-5mm，间隔为0.5-5mm。本具体实施方式采用深度为0.3mm、宽度为3mm，间隔为3mm。

为组成水电解槽，在所述双极板1两侧的密封平垫2的环形中心依次增加导电体，膜电极，即可组成两个电解小室，逐渐增多上述单元可组成多个电解小室。在电解小室两端增加集电板和端板，使用螺栓穿过端板并将所有零件夹紧，即可组成电解槽。膜电极、集电板和端板在双极板1的进水口12、出水口13和出氢口14的对应位置均有相同的孔道。

本发明以双极板1和密封平垫2为核心部件的水电解槽工作过程如下：向电解槽进水口供水，并向集电板正负极加上直流电，水流经进水口12进入产氧区16，产生氧气混合未反应的水从出水口13流出；由产氢区15产生的氢气从出氢口14流出。调节流出氢气和氧气的压力，使电解槽内的压力增加，密封平垫2分别保证产氢区15和产氧区16不发生外漏，同时保证出水口13的氧气和出氢口14的氢气不发生混合。实际应用中，系统在8MPa时未出现外漏和混合问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。