氫能源具有安全無污染、熱值高、可存儲等優(yōu)點，成為解決能源危機(jī)及環(huán)境污染問題的有效途徑[1]。質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane，PEM）水電解技術(shù)是國際上*先進(jìn)的水電解制氫技術(shù)[2]。利用該技術(shù)，可將現(xiàn)今大量的棄風(fēng)、棄光、棄水、棄核電能轉(zhuǎn)換為能量密度高的氫氣進(jìn)行存儲，大大提高可再生能源 和電網(wǎng)綜合利用效率[3]。

為了滿足燃料電池、加氫站等氫能應(yīng)用的需要，必須將氫氣存儲于高壓氣瓶內(nèi)，通常氣瓶存儲壓力為35-70MPa。目前PEM水電解槽不能產(chǎn)生高壓氫氣的主要是受密封形式制約，現(xiàn)有的PEM水電解槽通常采用聚四氟乙烯或三元乙丙橡膠制成平板密封墊，通過螺栓預(yù)緊力將結(jié)構(gòu)壓緊實現(xiàn)密封。受到橡膠密封件允許壓縮量的限制，這種水電解槽結(jié)構(gòu)能夠制取的氫氣*大壓力一般不超過3.5MPa。必須通過氫氣壓縮機(jī)，使之達(dá)到設(shè)定高壓，才能存儲于氣瓶內(nèi)。從而導(dǎo)致水電解制氫系統(tǒng)整體裝備體積大、能耗高、可靠性差、電解效率低。本文旨在通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，用較低成本解決質(zhì)子交換膜水電解槽高壓密封問題，顯著提高電解槽氫氣出口壓力。

一、電解槽結(jié)構(gòu)組成

本文所設(shè)計電解槽結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要部件為：1.金屬法蘭；2.PP內(nèi)襯底座；3.PP內(nèi)襯密封套；4.金屬外罩；5.內(nèi)部水流通道；6.氫氣通道；7.氧氣與水通道；8.陰極接電端；9.丁腈橡膠板。

電解槽爆炸圖如圖2所示，從左到右分別為防松螺母（1）、碟簧（2）、螺栓（3）、金屬上端板（4）、絕緣端蓋（5）、正極接電板（6）、C型滑環(huán)組合密封內(nèi)環(huán)（7）、支撐內(nèi)環(huán)（8）、陽極集電器（9）、膜電極（10）、陰極集電器（11）、C型滑環(huán)組合密封外環(huán)（12）、雙極板（13）、負(fù)極接電板（14）、底部接電端子（15）、彈性密封墊（16）、絕緣內(nèi)襯底座（17）、金屬外框（18）。

承壓結(jié)構(gòu)組成：金屬上端板（4）、絕緣端蓋（5）、絕緣內(nèi)襯底座（17）、金屬外框（18）組成承壓結(jié)構(gòu)。

密封結(jié)構(gòu)組成：C型滑環(huán)組合密封外環(huán)（12）、膜電極（10）、雙極板（13）在陰極集電器（11）外側(cè)形成氫氣高壓密封。C型滑環(huán)組合密封內(nèi)環(huán)（7）、支撐內(nèi)環(huán)（8）、膜電極（10）、雙極板（13）在陽極集電器（9）內(nèi)側(cè)形成氫氣高壓密封。

流道結(jié)構(gòu)組成：絕緣內(nèi)襯底座（17）、雙極板（13）組成進(jìn)出水流道結(jié)構(gòu)。陽極集電器（9）、C型滑環(huán)組合密封內(nèi)環(huán)（7）、支撐內(nèi)環(huán)（8）、膜電極（10）、陰極集電器（11）、雙極板（13）組成氫氣流道結(jié)構(gòu)。

接電結(jié)構(gòu)組成：正極接電板（6）、底部接電端子（15）分別連接電源的正負(fù)極。

二、部件功能介紹

1.金屬外框（18）與金屬上端板（4）為不銹鋼材質(zhì)，用于承受內(nèi)部高壓。金屬上端板（4）兩側(cè)對稱設(shè)有進(jìn)水口與出水口，中心與絕緣端蓋（5）中間凸起定位配合；金屬外框（18）底部通孔用于伸出底部接電端子（15），端面設(shè)有密封槽，配合絕緣端蓋（5）實現(xiàn)密封。

2.絕緣端蓋（5）采用聚丙烯等耐溫絕緣材料，保證電解絕緣安全，設(shè)有兩個進(jìn)水孔與兩個出水孔，起分流作用，中間凸起處設(shè)有氫氣出口以及正電極通孔，通孔處采用耐高壓O型密封圈密封。

3.絕緣內(nèi)襯底座（17）采用聚丙烯等耐溫絕緣材料，內(nèi)側(cè)面與負(fù)極接電板（14）、雙極板（13）、正極接電板（6）外側(cè)面貼合組成進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)與出水流道結(jié)構(gòu)，連通絕緣端蓋（5）進(jìn)出水孔，內(nèi)側(cè)面壁厚處設(shè)有半圓缺口，與內(nèi)部負(fù)極接電板（14）、雙極板（13）、正極接電板（6）外側(cè)面缺口配合實現(xiàn)圓柱銷定位，圓柱銷采用絕緣材質(zhì)。

4.彈性密封墊（16）可采用橡膠等彈性材料，與底部接電端子（15）配合，吸收內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱脹的同時，也起到密封作用。

5.底部接電端子（15）可采用黃銅等導(dǎo)電材料，緊貼負(fù)極接電板（14），連接電源負(fù)極。

6.正極接電板（6）采用鈦材料，兩導(dǎo)電柱連接電源的正極，中心通孔作為氫氣出口。

7.負(fù)極接電板（14）采用鈦材料，采用圓環(huán)凸起，與C型滑環(huán)組合密封外環(huán)（12）、膜電極（10）配合實現(xiàn)陰極集電器（11）外環(huán)高壓密封，圓環(huán)凸起兩側(cè)對稱設(shè)置有呈弧線狀的缺口，與進(jìn)出水流道結(jié)構(gòu)連接，實現(xiàn)陽極集電器（9）的進(jìn)水與出水。

8.雙極板（13）采用鈦材料，中心通孔為氫氣出口，配合陽極集電器（9）、C型滑環(huán)組合密封內(nèi)環(huán)（7）、金屬支撐內(nèi)環(huán)（8）、膜電極（10）、陰極集電器（11）實現(xiàn)氫氣流道密封。

9.陽極集電器（9）采用粉末鈦板，一面光潔，一面帶流道槽，流道槽起導(dǎo)流作用，中間通孔作為氫氣出口。

10.膜電極（10）采用全氟磺酸質(zhì)子交換膜，中間通孔為氫氣出口。

11.陰極集電器（11）采用不銹鋼絲網(wǎng)，一面光潔，中間通孔作為氫氣出口。

12. C型滑環(huán)組合密封內(nèi)環(huán)（7）和C型滑環(huán)組合密封外環(huán)（12）均由耐高壓O型密封圈（19）和PTFE骨架（20）組成，具有自緊密封效果，可承受0-50MPa高壓力且耐高壓O型密封圈（19）磨損小壽命長。

13.支撐內(nèi)環(huán)（8）提供內(nèi)部支撐作用，防止系統(tǒng)啟動時C型滑環(huán)組合密封內(nèi)環(huán)（7）擠壓損傷。

三、設(shè)計**意義

**的外部承壓結(jié)構(gòu)：常壓進(jìn)水，高壓產(chǎn)氫（35MPa），金屬外框為主要承壓結(jié)構(gòu)，可調(diào)整厚度以承受內(nèi)部0-35MPa壓力，結(jié)構(gòu)經(jīng)過CAE分析與試驗驗證，安全可靠。

**的通流方式：絕緣內(nèi)襯與堆疊雙極板組成U形水通流，電堆中心孔出氫，經(jīng)CFD設(shè)計優(yōu)化，簡化傳統(tǒng)氫氣高壓密封結(jié)構(gòu)。

**的內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)：采用差壓設(shè)計，降低水、氧氣通流密封要求，內(nèi)部采用PTFE骨架+O型圈組合密封方式，具有自緊密封效果，可承受35MPa及以上高壓且O型圈磨損小壽命長。

**的接電形式：采用正負(fù)端接電柱結(jié)構(gòu)設(shè)計，外圍絕緣包裹，增加電絕緣安全性能。

四、結(jié)束語

本文以“內(nèi)外平衡、壓力轉(zhuǎn)移”的理念，針對水電解槽的緊固結(jié)構(gòu)、電氣結(jié)構(gòu)、通流結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了**設(shè)計，進(jìn)一步提高制氫壓力和功率，降低成本，提高效率，滿足氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展對水電解槽的技術(shù)需求。