一種節(jié)能高壓力水電解制氫電解槽的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及水電解制氫設(shè)備，特別涉及一種節(jié)能高壓力水電解制氫電解槽，其具有高效節(jié)能，可承受較高壓力的特點。
【背景技術(shù)】
[0002]水電解制氫是一種傳統(tǒng)的制氫方法，水電解制氫設(shè)備的核心部分是電解槽，其主要消耗的是電和水。當(dāng)今世界水電解制氫技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展，所面臨的廣泛挑戰(zhàn)是降低設(shè)備運行電耗和制氫成本，提高市場應(yīng)用的高效性和廣泛性，提高設(shè)備的使用壽命和安全性。通過長期研究和生產(chǎn)實踐，已經(jīng)形成共識:改進電解槽極板結(jié)構(gòu)和極板材料、提高電解槽的內(nèi)部產(chǎn)氣壓力是是提高電解效率和滿足市場廣泛需求的重要有效途徑?，F(xiàn)有需氫行業(yè)對水電解制氫運行成本和產(chǎn)氣壓力的要求越來越高，需要制氫設(shè)備既要有很高的工作效率，且具備很高的產(chǎn)氫壓力。傳統(tǒng)的電解槽密封主要采用的是平墊密封，由于平墊密封的局限性和電解槽設(shè)備體積大的因素存在，電解槽密封效果只能達到3.2MPa，極少部分微小型電解槽可達到5MPa，而市場需氫行業(yè)需要更要壓力的氫氣，則需要在傳統(tǒng)制氫系統(tǒng)再增加一套氫氣增壓機，不僅復(fù)雜了制氫工藝，而且提高了設(shè)備運行成本。本實用新型的密封結(jié)構(gòu)就是依據(jù)這樣的需求提出來的。
[0003]現(xiàn)有傳統(tǒng)電解槽的密封方式采用的是聚四氟平墊壓緊密封，通過極板框與聚四氟平墊之間的壓緊力，達到電解槽的密封效果，由于平面密封的局限性，這種密封方法存在以下不足:
[0004](I)平墊的密封效果是與極板框的壓緊力來決定的，本身的材質(zhì)的回彈性和耐壓特性決定它不能承受很高的螺桿壓緊力，也就決定了它的密封壓力不會很高。
[0005](2)平墊密封的密封效果與密封寬度是成正比的，電解槽的密封面寬度過大，極大的提高了電解槽自身重量和體積，也增加了裝配難度和生產(chǎn)成本。
[0006](3)現(xiàn)有用于電解槽密封的聚四氟平墊使用后存在一定的永久變形，無法二次使用，由聚四氟材料價格相對于較高，導(dǎo)致設(shè)備在清洗及維修時提高了維修成本。
[0007]由于電解過程中，在電極表面存在著氣態(tài)、液態(tài)、電子與離子三相間迀移、互動的電化學(xué)反應(yīng)，需要有足夠大的相互接觸反應(yīng)的面積，同時也要求電極結(jié)構(gòu)不使電解過程中氣體脫附、上升和電解液循環(huán)流動受阻，才能保證電解反應(yīng)過程順利進行，本實用新型的極板結(jié)構(gòu)就是依據(jù)這樣的需求提出來的。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)的極板結(jié)構(gòu)普遍采用在一塊乳突型的主極板兩側(cè)附加一層鎳絲網(wǎng)的附極板，構(gòu)成水電解制氫極板組件；另一種電極結(jié)構(gòu)為一塊平面型主極板其兩側(cè)附加兩塊不銹鋼絲支撐網(wǎng)，再在兩側(cè)外各疊加一塊鎳絲網(wǎng)作為附極板。增加附極板的目的都是增大極板的表面積來提高點解效率，但這兩種方法都存在以下不足:
[0009](I)乳突型主極板通過乳突狀型面的凹凸表面增加極板表面積，并以此來支撐附極板，但是這種結(jié)構(gòu)其表面積的增加收到乳突數(shù)量的限制，乳突設(shè)置的數(shù)量過多、密度大，不但制作十分困難，并且會引起氣體上浮和電解液循環(huán)流動的困難，影響電解效果。
[0010](2)乳突型極板成型需要比較復(fù)雜的成型模具，制造困難，成本比較昂貴，如需改型或改變極板規(guī)格，更新成本高，浪費大。
[0011](3)乳突型極板結(jié)構(gòu)決定了其附加的網(wǎng)狀附極板層數(shù)不能多，一般采用單層，否則難以支撐和獲得與主極板同電位效果。因此，其附極板結(jié)構(gòu)增加的表面積仍然有限。
[0012](4)采用平面主極板加不銹鋼支撐網(wǎng)和鎳絲網(wǎng)組成的壓疊式結(jié)構(gòu)極板，由于不銹鋼支撐網(wǎng)和鎳絲網(wǎng)單層疊壓，必然導(dǎo)致增加的極板面積有限，如果多層隨機疊壓，也必然存在金屬絲網(wǎng)間的間隙度不均勻，在密壓處密度大、間隙小，引起氣體或電解液流動受阻，同時易在點解過程中產(chǎn)生的陽極流堵塞，造成安全事故。
【實用新型內(nèi)容】
[0013]本實用新型的目的是:針對現(xiàn)有水電解制氫電解槽密封能力的不足和極板結(jié)構(gòu)存在的缺陷，提供一種新型極板結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)的水電解制氫電解槽技術(shù)，通過改進極板結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)，較大幅度的提高了產(chǎn)氣壓力和電解效率，降低能耗和極板制造成本，安裝方便。
[0014]本實用新型的技術(shù)方案是:一種節(jié)能高壓力水電解制氫電解槽，包括分別位于兩端相對而設(shè)的扁平圓柱形的正極端板和負極端板，正極端板和負極端板之間間隔交錯排布有扁平圓柱形的組合密封墊和極板框組件，并保持平行，螺桿穿過正極端板和負極端板將組合密封墊和極板框組件緊固，所述的組合密封墊兩圓柱端面上分別設(shè)有呈圓形并且偏向圓心的密封唇密封唇，所述的極板框組件的兩圓柱端面上分別設(shè)有一呈圓形的高壓密封槽，組合密封墊的密封唇嵌在極板框組件的高壓密封槽中；
[0015]所述的極板框組件由環(huán)狀的極板框和位于其環(huán)內(nèi)的極板組件焊接而成，極板組件由一塊扁平圓柱體形狀的主極板和安裝在主極板的柱體兩端面的附極板組成。
[0016]所述的組合密封件由環(huán)狀的橡膠密封墊和位于其環(huán)內(nèi)的圓形隔膜石棉布組合而成，隔膜石棉布的邊緣與橡膠密封墊的環(huán)內(nèi)邊緣通過硫化熱壓工藝形成一體。
[0017]所述的環(huán)狀的橡膠密封墊的兩端面上分別設(shè)置有一圈偏向橡膠密封墊環(huán)心的密封唇，兩圈密封唇內(nèi)側(cè)與橡膠密封墊間形成兩個對稱的袋狀氣室。
[0018]所述的密封唇的截面由垂直于橡膠密封墊的橫段、接在橫段外端的斜段以及接在斜段的回鉤段組成，橫段與斜段的夾角a為95°?145°，斜段與回鉤段的夾角b為80°?130°，橫段、斜段、回鉤段與橡膠密封墊圍成袋狀氣室，所述的袋狀氣室的室壁為平滑的曲線，其走勢為由回鉤段端部向橫段內(nèi)側(cè)，并且以15°?55°的偏向角逐漸偏向斜段內(nèi)側(cè)。
[0019]所述的極板框的的兩端面上對應(yīng)于密封唇的位置設(shè)有一圈高壓密封槽，密封唇嵌于高壓密封槽中且留有活動間隙；所述的正極端板和負極端板相對的內(nèi)側(cè)面上，也分別設(shè)有一圈用于嵌裝密封唇的高壓密封槽。
[0020]所述的附極板是由0.2?Imm粗的純鎳絲或鍍鎳金屬絲編織成厚度為8?12mm多孔型、多層組合的網(wǎng)格板結(jié)構(gòu)。
[0021 ] 所述的網(wǎng)格板結(jié)構(gòu)的附極板在豎直方向為多個六邊形或四邊形徑向通道，在水平方向為多個矩形橫向通道。
[0022]主極板由厚度為I?3_鍍鎳碳鋼板制成，在主極板上安裝有多個不銹鋼焊接螺柱，多個焊接螺柱沿軸向貫穿主極板，其中一個焊接螺柱位于主極板中心位置，其余焊接螺柱圍繞中心的焊接螺柱周向均布；
[0023]附極板上與設(shè)在主極板上的焊接螺柱的相對應(yīng)位置開設(shè)有相同數(shù)量螺栓安裝孔，通過焊接螺柱和其相配套的不銹鋼螺母、不銹鋼墊片將附極板緊固在主極板的兩側(cè)。
[0024]所述的螺桿的兩端設(shè)有擰緊部件，該擰緊部件由內(nèi)向外依次包括絕緣套、平墊圈、碟簧和螺母，絕緣套緊貼在正極端板或負極端板外圓面，正極端板和負極端板之間螺桿部分由絕緣導(dǎo)管套住。
[0025]本實用新型的有益效果:
[0026](I)采用由鎳絲網(wǎng)編織的多孔型、多層組合的網(wǎng)格板制作的附極板，該極板有效表面積大，是現(xiàn)有技術(shù)的乳突型主極板+單層鎳網(wǎng)的電極結(jié)構(gòu)有效點解面的3?5倍，在相同規(guī)格電解槽條件下，單臺電解槽的工作電流和產(chǎn)氣量可提高2?4倍，其平均每立方米制氫量電耗下降0.1?0.5kw.h左右電量。
[0027](2)由于新型附極板結(jié)構(gòu)設(shè)置的多層、多孔式的徑向通道和軸向通道，且網(wǎng)格板具有一定的厚度和剛性，則能保證在極板受壓的狀態(tài)下，使氣體、液體流動順暢，使點解過程安全、持久運行。
[0028](3)電解槽密封墊采用新型的帶密封唇的組合密封墊，利用電解槽內(nèi)部自身壓力達到自緊密封的效果，使電解