一种可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽

本发明属于质子交换膜，具体涉及一种可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽。

背景技术：

1、氢能作为二次能源，具有能量密度高、来源用途广泛、适应大规模储能等多种优势。随着氢能资源的开发和利用，一些新能源技术和装置被广泛研究设计出来。在各种制氢技术中，质子交换膜电解水制氢技术以其清洁无污染，制氢纯度高，与可再生能源适配性强，体积较小，启停快，负荷可调节范围大等优势成为制氢领域研究的重点对象。目前传统的质子交换膜电解槽由阴阳极端板，阴阳极极板，阴阳极气液扩散层和两侧涂有催化层的质子交换膜构成。

2、电解槽的装夹方式直接决定了电解槽内部各组件是否能够良好的接触在一起，使电解槽整体的性能达到最佳。如果电解槽装夹方式有问题，会导致内部压力分配不均，总欧姆电阻升高，漏水等种种问题，影响它整体的性能乃至产生危险。

3、目前质子交换膜电解槽的装夹方式有很多种，包括螺栓装夹、气压装夹、液压装夹和弹簧装夹等。目前常使用的是前面两种装夹方式，相对而言螺栓装夹比气压装夹成本更低，但螺栓装夹的精度不如气压装夹。但无论是哪种装夹方式，都是将电解槽作为一个整体进行装夹，并没有考虑到电解槽内外压力分配不均的问题，也并不能控制电解槽内部的具体压力。因为在电解槽中，扩散层所能产生的变形量远大于垫片，而且很难保证扩散层与垫片的厚度完全相同，有可能出现电解槽压力大部分均由四周垫片承担，而内部只分到很小一部分的情况。这样不但导致电解槽性能变差，也会难以获取电解槽内部的具体情况，以及在外施加压力的合适值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽，以解决现有的质子交换膜电解槽内外压力分配不均，内部压力无法实时监测和控制的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽，包括两侧的端板，两个端板之间设置有若干个单电池，每一个单电池包括阴极部分和阳极部分；包括阴极部分和阳极部分均设置有各自的侧极板，一个单电池中的两个侧极板之间为中间部件；两个相邻的单电池共用一个侧极板，共用的侧极板为中间极板；

4、至少一侧的端板、侧极板和中间极板均分为中心区和外环区，外环区围绕中心区设置，外环区和中心区通过折皱结构连接；

5、所述折皱结构由若干个阵列的单元组成，每一个单元包括第一薄片和第二薄片，第一薄片和第二薄片的上端一体连接，第一薄片和第二薄片的夹角为α，α的范围为～°；

6、设置有中心区和外环区的端板外部连接有夹装盘，夹装盘和端板之间设置有施力盘，施力盘和中心区同轴设置；施力盘的形状和中心区相等，施力盘的面积小于或等于中心区的面积；

7、所述夹装盘的中心开设有螺纹孔，螺纹孔内安装有用于向中心区加压的加压螺栓，加压螺栓和施力盘的螺纹连接，施力盘和中心区接触。

8、本发明的进一步改进在于：

9、优选的，每一个第一薄片的下端和前面单元第二薄片的下端一体连接，第一薄片和前面单元第二薄片的夹角为α。

10、优选的，所述侧极板和中间极板的折皱结构上均设置有垫圈。

11、优选的，所述垫圈上开设有相对的槽，侧极板和中间极板上均开设有工质传输口，每一个槽和一个工质传输口相对。

12、优选的，所述施力盘的面积和中心区的面积相等。

13、优选的，所述端板的中心区、侧极板的中心区、和中间极板的中心区面积均相等。

14、优选的，加压螺栓上套装有弹簧。

15、优选的，加压螺栓上安装有压力传感器。

16、优选的，加压侧的折皱结构的折皱密集程度大于另一侧的折皱结构的折皱密集程度。

17、优选的，阴极侧的端板设置有夹装盘和施力盘。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

19、本发明公开了一种可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽，该结构将阴极的端板、阳极的端板、阴极板、阳极板和垫片均分为内外两部分，内外两部分之间通过折皱部分连接，使得无论是从内部分和外部分均匀的施加压力，通过折皱部分，能够防止内部分和外部分受力不均，进而使得整个电解槽的受力均匀，使电解槽可以更好的控制内外之间的压力分布；同时在端板外部添加螺栓加压装置和传感器，使得能够将电解槽内外分开施加压力，从而实现电解槽内部压力的控制和实时监测。

20、进一步的，本发明中的端部极板，中间极板和端部垫片，均可以根据情况增设折皱结构，使电解槽加压时，都能够进行力的传导，同时每一部分的折皱结构的密集度能够根据具体的位置进行调整，使得内部和外部的位移量可以略有不同。

21、进一步的，提出在电解槽内部加压螺栓上固定传感器，这样可以更精确的控制内部压力大小，找到适合电解槽的最佳压力。

22、进一步的，提出针对可控制压力电解槽的新设计，包括将折皱作为流道，并在其中添加垫圈以提升其传质效果。

技术特征：

1.一种可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽，其特征在于，包括两侧的端板(4)，两个端板(4)之间设置有若干个单电池，每一个单电池包括阴极部分和阳极部分；包括阴极部分和阳极部分均设置有各自的侧极板(5)，一个单电池中的两个侧极板(5)之间为中间部件(7)；两个相邻的单电池共用一个侧极板(5)，共用的侧极板为中间极板(8)；

2.根据权利要求1所述的一种可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽，其特征在于，每一个第一薄片(111)的下端和前面单元第二薄片(112)的下端一体连接，第一薄片(111)和前面单元第二薄片(112)的夹角为α。

3.根据权利要求1所述的一种可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽，其特征在于，所述侧极板(5)和中间极板(8)的折皱结构(11)上均设置有垫圈(15)。

4.根据权利要求3所述的一种可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽，其特征在于，所述垫圈(15)上开设有相对的槽(16)，侧极板(5)和中间极板(8)上均开设有工质传输口(13)，每一个槽(16)和一个工质传输口(13)相对。

5.根据权利要求1所述的一种可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽，其特征在于，所述施力盘(12)的面积和中心区(41)的面积相等。

6.根据权利要求1所述的一种可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽，其特征在于，所述端板(4)的中心区(41)、侧极板(5)的中心区(41)、和中间极板(8)的中心区(41)面积均相等。

7.根据权利要求1所述的一种可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽，其特征在于，加压螺栓(3)上套装有弹簧。

8.根据权利要求1所述的一种可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽，其特征在于，加压螺栓(3)上安装有压力传感器。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽，其特征在于，加压侧的折皱结构(11)的折皱密集程度大于另一侧的折皱结构(11)的折皱密集程度。

10.根据权利要求1所述的一种可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽，其特征在于，阴极侧的端板设置有夹装盘(2)和施力盘(12)。

技术总结
本发明公开了一种可控制内部装配压力的质子交换膜电解槽，该结构根据施力端，能够将阴极的端板、阳极的端板、阴极侧板、阳极侧板和垫片均分为内外两部分；内外两部分之间通过折皱部分连接，使得内外两部分可以分别施加并调节压力，防止内往外受力不均，进而使得整个电解槽的受力均匀。同时在端板添加螺栓加压装置和传感器，监测内侧的压力，从而实现电解槽内部压力的控制和实时监测。

技术研发人员：苏进展,张佳伟,王浩
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/6