低成本超高压质子交换膜水电解槽结构设计研究

  氢能源具有安全无污染、热值高、可存储等优点，成为解决能源危机及环境污染问题的有效途径[1]。质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）水电解技术是国际上*先进的水电解制氢技术[2]。利用该技术，可将现今大量的弃风、弃光、弃水、弃核电能转换为能量密度高的氢气进行存储，大大提高可再生能源 和电网综合利用效率[3]。

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35-70MPa。目前PEM水电解槽不能产生高压氢气的主要是受密封形式制约，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*大压力一般不超过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。本文旨在通过结构设计，用较低成本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。

一、电解槽结构组成

本文所设计电解槽结构如图1所示。主要部件为：1.金属法兰；2.PP内衬底座；3.PP内衬密封套；4.金属外罩；5.内部水流通道；6.氢气通道；7.氧气与水通道；8.阴极接电端；9.丁腈橡胶板。

电解槽爆炸图如图2所示，从左到右分别为防松螺母（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）。

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。

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）组成氢气流道结构。

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。

二、部件功能介绍

1.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与出水口，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。

2.绝缘端盖（5）采用聚丙烯等耐温绝缘材料，保证电解绝缘安全，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。

3.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。

4.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。

5.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。

6.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。

7.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。

8.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。

9.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。

10.膜电极（10）采用全氟磺酸质子交换膜，中间通孔为氢气出口。

11.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。

12. 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。

13.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。

三、设计**意义

**的外部承压结构：常压进水，高压产氢（35MPa），金属外框为主要承压结构，可调整厚度以承受内部0-35MPa压力，结构经过CAE分析与试验验证，安全可靠。

**的通流方式：绝缘内衬与堆叠双极板组成U形水通流，电堆中心孔出氢，经CFD设计优化，简化传统氢气高压密封结构。

**的内部密封结构：采用差压设计，降低水、氧气通流密封要求，内部采用PTFE骨架+O型圈组合密封方式，具有自紧密封效果，可承受35MPa及以上高压且O型圈磨损小寿命长。

**的接电形式：采用正负端接电柱结构设计，外围绝缘包裹，增加电绝缘安全性能。

四、结束语

本文以“内外平衡、压力转移”的理念，针对水电解槽的紧固结构、电气结构、通流结构、密封结构进行了**设计，进一步提高制氢压力和功率，降低成本，提高效率，满足氢能产业化发展对水电解槽的技术需求。