一种带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元的制作方法

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1.本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元。

背景技术：

2.当前质子交换膜燃料电池的密封不管是分体式的还是整体式的，均以双极板对密封圈的压缩使密封圈弹性变形，以密封圈回弹压迫结合面，填充双极板密封面的凹坑与间隙形成密封。密封性能的好坏取决于密封圈在结合面处的凹坑与间隙的填充程度，在密封圈材料硬度和形状不变的情况下，密封圈的密封性能取决于双极板对密封圈的夹紧力。
3.对于中压以上的电堆，特别是高压电堆，密封圈所受的力需要更大，为提高密封性能就需提高密封圈的硬度以获得更高的弹性模量，从而在有限的压缩变形中获得密封所需的回弹力，但这势必会影响密封圈对于结合面的凹坑和间隙的填充性能，密封圈的硬度与其密封性能形成了矛盾，难以直接从硬度或弹性模量中解决密封性能问题，从而导致电堆反应气渗漏成为燃料电池电堆性能的难题，密封问题也直接成为决定燃料电池性能的好坏重要指标，其中密封圈与膜电极接触面的漏气及漏水问题尤为重要，亟需研发者通过结构上的创新来解决此问题。

技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元，解决了密封圈与膜电极接触面的漏气及漏水问题。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.本发明的目的是提供一种带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元，包括阴阳极对应的2片金属钛隔板，以及设于2片金属钛隔板之间的膜电极，2片金属钛隔板靠近膜电极的一侧分别设有阴极密封槽和阳极密封槽，所述阴极密封槽和阳极密封槽中均设有密封圈；
7.所述阴极密封槽和阳极密封槽的周向外侧边上均设有抱箍。
8.进一步地，所述抱箍的内侧与密封圈的周向外侧抵接。
9.进一步地，所述抱箍限制了密封靠近膜电极处的局部变形，在氢气压力和水压力的作用下，密封圈的体应力增加，以此避免密封圈与膜电极接触面的漏气及漏水。
10.进一步地，两个抱箍夹设于膜电极两侧。
11.进一步地，阳极侧和阴极侧的抱箍相同。
12.进一步地，所述抱箍为一体式环状结构，包括4个凸起部。
13.进一步地，在阳极侧，4个凸起部分别对应：氢气出口#1、电解水入口、氢气出口#2、电解水&氧气出口。
14.进一步地，在阴极侧，4个凸起部分别对应：氢气出口#1、电解水&氧气出口、氢气出口#2、电解水入口。
15.进一步地，所述抱箍为金属材料或塑料材料。
16.进一步地，所述抱箍预加工且固定于金属钛隔板上，或与金属钛隔板分体式设计。
17.与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
18.本技术方案创新地在密封槽外边增加了抱箍，因为与抱箍限制了密封圈靠近膜电极处的局部变形，在氢气压力和水压力的作用下，密封圈的体应力增加，很好的解决了密封圈与膜电极接触面的漏气及漏水问题。
附图说明
19.图1为第n片钛板阳极侧结构示意图；
20.其中：10a金属钛隔板阳极侧；20抱箍；101氢气出口#1；102螺栓孔；103电解水入口；104密封圈；105氢气出口#2；106电解水&氧气出口；107阳极反应区；401电源正极接线端；
21.图2为第n+1片钛板阳极侧结构示意图；
22.其中：10金属钛隔板；10b金属钛隔板阳极侧；108阴极反应区；402电源负极接线端；
23.图3为图1中k1-k1截面结构图；
24.图4为图3中k2区域的放大图；
25.其中：30膜电极；104a未压缩密封圈；104压缩后密封圈；
26.图5为图4中k3区域的放大图；
27.20抱箍；201阴极侧抱箍与密封圈接触面；202阳极侧抱箍与密封圈接触面；203阴极侧密封圈与膜电极接触面；204阳极侧密封圈与膜电极接触面；205阳极侧密封圈下表面；206阴极密封圈下表面；110阳极密封圈与密封槽接触面；111阴极密封圈与密封槽接触面；109阴极密封槽；115阳极密封槽；
28.图6为对比例1的结构示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的结构/模块名称、控制模式、算法、工艺过程或组成配比等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
30.本发明中带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元，包括阴阳极对应的2片金属钛隔板10，以及设于2片金属钛隔板10之间的膜电极30，2片金属钛隔板10靠近膜电极30的一侧分别设有阴极密封槽109和阳极密封槽115，所述阴极密封槽109和阳极密封槽115中均设有密封圈104；阴极密封槽109和阳极密封槽115的周向外侧边上均设有抱箍20。
31.抱箍20的内侧与密封圈104的周向外侧抵接。所述抱箍20限制了密封靠近膜电极处的局部变形，在氢气压力和水压力的作用下，密封圈的体应力增加，以此避免密封圈与膜电极接触面的漏气及漏水。
32.两个抱箍20夹设于膜电极30两侧。具体地，包括以下几个接触面：阴极侧抱箍与密封圈接触面201；阳极侧抱箍与密封圈接触面202；阴极侧密封圈与膜电极接触面203；阳极侧密封圈与膜电极接触面204；阳极侧密封圈下表面205；阴极密封圈下表面206；阳极密封圈与密封槽接触面110；阴极密封圈与密封槽接触面111。
33.阳极侧和阴极侧的抱箍20相同。抱箍20为一体式环状结构，包括4个凸起部。在阳极侧，4个凸起部分别对应：氢气出口#1101、电解水入口103、氢气出口#2105、电解水&氧气出口106。在阴极侧，4个凸起部分别对应：氢气出口#1101、电解水&氧气出口106、氢气出口#2105、电解水入口103。
34.抱箍20为金属材料或塑料材料。抱箍20预加工且固定于金属钛隔板10上，或与金属钛隔板10分体式设计。
35.本技术方案中带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元工作原理：
36.1.本技术方案中电解单元由2片金属钛隔板(第n片与第n+1片)与1片膜电极30组成。
37.2.如图3所示，膜电极30由两侧的钛板压紧；当接线端分别接对应的电源正负极后，形成独立的电解水流通回路和氢气腔体和排出通道。
38.3.如图1所示，电解水由103口入，经过反应区后形成氧气和电解水的二相流从106口出；
39.4.如图2所示，在阳极通过电解水进行反应时，在阴极侧会产生氢气分别从口101和口105排出。
40.具体实施时：
41.1.如图4所示，氢气产生以及电解水及氧气二相流流动时需确保电解水和气体不能外漏。密封圈104的材料可选用三元乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。
42.2.如图5所示，在钛板上密封槽侧边分别增加了抱箍20，阴极侧的抱箍与阳极侧的抱箍相同，安装时相互错开角度为90
°
。
43.a)该抱箍可以在钛板上直接加工出来也可以单独加工成一个零件安装在钛板/膜电极的两侧；
44.b)抱箍作为单独一个零件，材料可以为金属，如不锈钢、钛，加工后通过背胶粘接在钛板或膜电极上。
45.c)抱箍材料也可以为高强度、高硬度树脂。直接注塑在膜电极上或钛板上。
46.d)抱箍作为一个单独零件，材料可以为高强度、高硬度树脂，注塑成型后，通过背胶粘接在钛隔板或者膜电极上。
47.如图5所示，在密封槽外边增加了抱箍20，因为与抱箍限制了密封靠近膜电极处的局部变形。在氢气压力和水压力的作用下，密封圈的体应力增加，很好的解决了密封圈与膜电极接触面的漏气及漏水问题。
48.对比例1
49.如图6所示，通常高压氢气p1约为3mpa，电解水压力约为1.5mpa，分别接触阴/阳极密封圈的下表面205和206。以上压力与钛板正压力共同作用下，密封圈会产生如图6的局部变形，密封圈表面与膜电极表面压紧力就会减小，会产生漏气以及漏水的现象。
50.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元，包括阴阳极对应的2片金属钛隔板(10)，以及设于2片金属钛隔板(10)之间的膜电极(30)，其特征在于，2片金属钛隔板(10)靠近膜电极(30)的一侧分别设有阴极密封槽(109)和阳极密封槽(115)，所述阴极密封槽(109)和阳极密封槽(115)中均设有密封圈(104)；所述阴极密封槽(109)和阳极密封槽(115)的周向外侧边上均设有抱箍(20)。2.根据权利要求1所述的一种带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元，其特征在于，所述抱箍(20)的内侧与密封圈(104)的周向外侧抵接。3.根据权利要求1所述的一种带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元，其特征在于，所述抱箍(20)限制了密封靠近膜电极处的局部变形，在氢气压力和水压力的作用下，密封圈的体应力增加，以此避免密封圈与膜电极接触面的漏气及漏水。4.根据权利要求1所述的一种带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元，其特征在于，两个抱箍(20)夹设于膜电极(30)两侧。5.根据权利要求1所述的一种带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元，其特征在于，阳极侧和阴极侧的抱箍(20)相同。6.根据权利要求1所述的一种带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元，其特征在于，所述抱箍(20)为一体式环状结构，包括4个凸起部。7.根据权利要求6所述的一种带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元，其特征在于，在阳极侧，4个凸起部分别对应：氢气出口#1(101)、电解水入口(103)、氢气出口#2(105)、电解水&氧气出口(106)。8.根据权利要求7所述的一种带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元，其特征在于，在阴极侧，4个凸起部分别对应：氢气出口#1(101)、电解水&氧气出口(106)、氢气出口#2(105)、电解水入口(103)。9.根据权利要求7所述的一种带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元，其特征在于，所述抱箍(20)为金属材料或塑料材料。10.根据权利要求7所述的一种带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元，其特征在于，所述抱箍(20)预加工且固定于金属钛隔板(10)上，或与金属钛隔板(10)分体式设计。

技术总结

本发明涉及一种带有密封圈抱箍结构的电解水制氢单元，包括阴阳极对应的2片金属钛隔板，以及设于2片金属钛隔板之间的膜电极，2片金属钛隔板靠近膜电极的一侧分别设有阴极密封槽和阳极密封槽，所述阴极密封槽和阳极密封槽中均设有密封圈；阴极密封槽和阳极密封槽的周向外侧边上均设有抱箍。与现有技术相比，本发明创新地在密封槽外边增加了抱箍，因为与抱箍限制了密封圈靠近膜电极处的局部变形，在氢气压力和水压力的作用下，密封圈的体应力增加，很好的解决了密封圈与膜电极接触面的漏气及漏水问题。及漏水问题。及漏水问题。