堆芯模块及电解制氢电解槽的制作方法-尊龙凯时官方app下载

文档序号:36405076发布日期:2023-12-16 11:09阅读:6来源:国知局
堆芯模块及电解制氢电解槽的制作方法

1.本发明涉及水电解制氢技术领域,尤其涉及一种堆芯模块及电解制氢电解槽



背景技术:

2.可再生能源发电具有间歇性

波动性

随机性的特点,电能的并网消纳问题日益突出,氢气作为无碳的能量载体,是目前最清洁的能源之一,并且因其极高的能量转化率,被认为是可以存储来自可再生和间歇电源的最佳手段

质子交换膜
(pem)
水电解制氢是目前成熟的制氢技术之一,
pem
电解水制氢技术以质子交换膜为固体电解质,在直流电的作用下,将水电解成氢气和氧气

3.相关技术中,
pem
电解槽堆芯是由双极板

膜电极

流道板及密封组件等片状构件交替堆叠后压装紧固而成

4.但随着电解槽规模越来越大,堆芯片数也越来越多,电芯堆叠难度越来越大,此外,随着堆芯片数的增加,压装过程中压装力的传递及分布均匀性难以保证



技术实现要素:

5.本发明提供一种堆芯模块及电解制氢电解槽,用以减小现有技术中因堆芯片数增多,堆叠难度较大,且压装过程中压装力的传递及分布均匀性难以保证的问题,具有堆叠较为方便,压装力传递及分布更加均匀的优势

6.本发明提供一种堆芯模块,包括:
7.第一隔板;
8.第二隔板,与所述第一隔板间隔设置;
9.芯体,设置于所述第一隔板和所述第二隔板之间,所述芯体内设置有多个电解室;
10.拉紧结构,用于连接所述第一隔板和所述第二隔板,使所述第一隔板和所述第二隔板压紧所述芯体

11.根据本发明提供的一种堆芯模块,所述拉紧结构包括:
12.连接部,一侧与所述第一隔板的侧面贴合,相对的另一侧与所述第二隔板的侧面贴合;
13.连接件,用于连接固定所述连接部与所述第一隔板及所述第二隔板相贴合的部分

14.根据本发明提供的一种堆芯模块,所述第一隔板和所述第二隔板采用导电材料制成;所述连接部与所述第一隔板和所述第二隔板电绝缘连接

15.根据本发明提供的一种堆芯模块,所述连接部采用绝缘材料制成

16.根据本发明提供的一种堆芯模块,所述连接件包括螺钉或铆钉

17.根据本发明提供的一种堆芯模块,所述第一隔板上和所述第二隔板上设置有位置相对应的气液进出口,所述气液进出口连通所述芯体的电解室

18.根据本发明提供的一种堆芯模块,所述第一隔板和所述第二隔板上环绕所述气液
进出口设置有密封槽,用于供密封圈嵌入

19.本发明还提供一种电解制氢电解槽,包括至少两个上述的堆芯模块;多个所述堆芯模块串联电连接

20.根据本发明提供的一种电解制氢电解槽,所述堆芯模块的第一隔板和第二隔板采用导电材料制成,且同一所述堆芯模块的第一隔板与所述第二隔板电绝缘;
21.多个所述堆芯模块叠放设置,其中一所述堆芯模块的第一隔板与相邻所述堆芯模块的第二隔板相抵接

22.根据本发明提供的一种电解制氢电解槽,还包括紧固组件,多个所述堆芯模块通过所述紧固组件互相压紧

23.根据本发明提供的一种电解制氢电解槽,所述紧固组件包括:
24.第一端板;
25.第二端板,与所述第一端板间隔设置,多个所述堆芯模块堆叠于所述第一端板和所述第二端板之间;
26.锁紧件,用于连接所述第一端板和所述第二端板,使所述第一端板和所述第二端板压紧多个所述堆芯模块

27.根据本发明提供的一种电解制氢电解槽,所述锁紧件包括:
28.连杆,用于依次穿过所述第一端板和所述第二端板;
29.一对限位部,分别连接于所述连杆的两端,其中一所述限位部用于和所述第一端板抵接,另一限位部用于和所述第二端板抵接;
30.两个所述限位部中的至少一者与所述连杆螺纹连接

31.根据本发明提供的一种电解制氢电解槽,所述第一隔板上和所述第二隔板上设置有位置相对应的气液进出口,所述气液进出口连通所述芯体的电解室;
32.相邻两个堆芯模块,其中一所述堆芯模块的第一隔板上的气液进出口与另一所述堆芯模块的第二隔板上的气液进出口对应连通

33.根据本发明提供的一种电解制氢电解槽,还包括电连接件,所述电连接件用于电连接相邻所述堆芯模块的第一隔板和第二隔板

34.根据本发明提供的一种电解制氢电解槽,所述电连接件包括:
35.连接体,一侧与其中一所述堆芯模块的第一隔板的侧面贴合,相对的另一侧与相邻所述堆芯模块的第二隔板的侧面贴合;
36.固定件,用于连接固定所述连接体与所述第一隔板及所述第二隔板相贴合的部分

37.根据本发明提供的一种电解制氢电解槽,所述固定件包括螺钉

38.本发明提供的一种堆芯模块及电解制氢电解槽,通过将大功率电解制氢电解槽内的堆芯分解为多个堆芯模块,可以在保证电解制氢电解槽整体功率的同时,减少单个堆叠结构内芯体单元的堆叠数量,堆叠更加简单

方便;同时,单个堆叠结构内芯体单元数量的减少,可以使压装力的传递和分布更加均匀,提高芯体单元之间的电连接性能

密封性能等,保证电解制氢电解槽的工作性能;
39.此外,电解制氢电解槽的堆芯采用多个堆芯模块串联而成,当某个电解小室发生故障时,可通过电压巡检模块快速定位故障小室,并通过拆解更换其所在的堆芯模块,较为
方便地实现整个堆芯的快速维护,而不影响其他堆芯模块的使用;并且,通过将不同数量的堆芯模块串联,可方便地装配不同功率的电解制氢电解槽,以满足不同的应用场景需求,具有更高的灵活性

附图说明
40.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图

41.图1是本发明实施例提供的堆芯模块的结构示意图;
42.图2是本发明实施例提供的电解制氢电解槽的结构示意图

43.附图标记:
44.1、
第一隔板;
2、
第二隔板;
3、
芯体;
4、
拉紧结构;
40、
连接部;
41、
连接件;
5、
气液进出口;
50、
密封槽;
6、
紧固组件;
60、
第一端板;
61、
第二端板;
62、
锁紧件;
620、
连杆;
621、
限位部;
7、
绝缘垫层;
8、
集流板;
9、
电连接件;
90、
连接体;
91、
固定件

具体实施方式
45.为使本发明的目的

技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚

完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例

基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围

46.为了方便理解本发明提供的堆芯模块及电解制氢电解槽,首先说明其应用背景,太阳能

风能等可再生能源发电具有间歇性

波动性

随机性的特点,导致可再生电能的并网消纳问题日益突出,因此,需要将可再生电能转化为其他能量进行存储,氢气作为一种无碳的能量载体,是目前最清洁的能源之一,并且具有极高的能量转化率,因此是用于储存可再生电能的最佳手段

47.质子交换膜电解水制氢是目前较为成熟的一种制氢技术,其利用质子交换膜作为固体电解质,在直流电的作用下将水电解为氢气和氧气;相关技术中,
pem
电解槽的堆芯是由双极板

膜电极

流道板

密封组件等片状结构交替堆叠,然后压装紧固而成

48.但是随着电解槽的规模越来越大,堆芯片数也越来越多,不仅堆叠难度加大,而且随着堆芯片数的增加,压装过程中压装力的传递及分布的均匀性难以控制,使得各个片状构件之间的电连接性能

密封性能等难以得到保证,导致电解槽的工作性能难以保证

49.基于上述原因,本发明提供了一种堆芯模块及电解制氢电解槽,具有堆叠更为方便,压装力传递及分布更加均匀的优势,使得电解槽的工作性能得以保证

50.下面结合图
1-图2描述本发明的堆芯模块及电解制氢电解槽

51.参照图1和图2,一种电解制氢电解槽,包括至少两个串联电连接的堆芯模块;堆芯模块包括第一隔板
1、
第二隔板
2、
芯体3和拉紧结构4;其中,第一隔板1和第二隔板2间隔设置;芯体3包括堆叠于第一隔板1和第二隔板2之间的多个芯体单元,芯体3内设置有多个电解室;拉紧结构4用于连接第一隔板1和第二隔板2,使第一隔板1和第二隔板2压紧芯体
3。
52.实际生产时,首先制作堆芯模块,然后将多个堆芯模块串联电连接,形成电解制氢电解槽整体;制作堆芯模块时,将特定数量的芯体单元堆叠于第一隔板1和第二隔板2之间形成芯体3,使用第一隔板1和第二隔板2压紧芯体单元,然后通过拉紧结构4连接第一隔板1和第二隔板2,使芯体3被压紧于第一隔板1和第二隔板2之间;根据实际生产的需求,可以控制芯体3内芯体单元的数量来控制单个堆芯模块的功率;相较于相关技术,通过将大功率电解制氢电解槽内的堆芯分解为多个堆芯模块,可以在保证电解制氢电解槽整体功率的同时,减少单个堆叠结构内芯体单元的堆叠数量,堆叠更加简单

方便;同时,单个堆叠结构内芯体单元数量的减少,可以使压装力的传递和分布更加均匀,提高芯体单元之间的电连接性能

密封性能等,保证电解制氢电解槽的工作性能

53.此外,相关技术中,大功率电解制氢电解槽中堆芯的堆叠结构复杂,故障定位较为困难,当单个电解室出现故障时,需要对整个堆芯进行拆解,维护不便且成本很高;而本发明实施例中的大功率电解制氢电解槽的堆芯采用多个堆芯模块串联而成,当某个电解小室发生故障时,可通过电压巡检模块快速定位故障小室,并通过拆解更换其所在的堆芯模块,较为方便地实现整个堆芯的快速维护,而不影响其他堆芯模块的使用;并且,通过将不同数量的堆芯模块串联,可方便地装配不同功率的电解制氢电解槽,以满足不同的应用场景需求,具有更高的灵活性

54.需要说明的是,上述的芯体单元可以包括膜电极

流道板

扩散层

密封组件等片状结构,通过将不同芯体单元按照一定顺序堆叠压紧,形成带有电解室的并具有电解制氢功能的功能模块,阳极电解室和阴极电解室通过质子交换膜相隔离,用于分别产生氧气和氢气,芯体3为至少一个功能模块的集合;具体的可以参考现有的
pem
制氢电解槽堆芯结构,本发明中仅是将大功率电解制氢电解槽内的堆芯分解为多个堆芯模块,目的是减少单个堆叠结构中芯体单元的数量,以简化堆叠过程,同时使压装力的传递和分布更加均匀,但并未对堆芯的结构及其内部各个芯体单元的排布顺序做出任何改变,因此,本发明中对于芯体3的具体结构及其内部各个芯体单元的排布方式不做赘述

55.参照图1,拉紧结构4包括连接部
40
和连接件
41
;其中,连接部
40
的一侧与第一隔板1的侧面贴合,相对的另一侧与第二隔板2的侧面贴合;连接件
41
用于固定连接部
40
与第一隔板1及第二隔板2相贴合的部分

通过连接部
40
和连接件
41
,可以连接第一隔板1和第二隔板2,从而将芯体3压紧于第一隔板1和第二隔板2之间

56.具体的,连接部
40
呈长板状,其沿长度方向的两侧分别贴合第一隔板1和第二隔板2的侧面,并通过连接件
41
相连

57.当然,上述仅是连接部
40
诸多可选择的结构之一,其他实施例中,连接部
40
还可以采用其他形状

结构,只要能够实现第一隔板1和第二隔板2的连接即可

58.可以理解的是,通过调整连接部
40
相对两侧的长度,可以调整第一隔板1和第二隔板2之间的距离,从而适用于不同规格芯体3的压紧;例如,当制作功率规格较小的堆芯模块时,堆叠于第一隔板1和第二隔板2之间的芯体单元的数量较少,此时使用相对较短的连接部
40
连接第一隔板1和第二隔板2,以压紧芯体3;当制作功率规格较大的堆芯模块时,堆叠于第一隔板1和第二隔板2之间的芯体单元的数量较多,此时需要使用相对较长的连接部
40
连接第一隔板1和第二隔板2,以压紧芯体
3。
59.具体的,连接件
41
可以选用螺钉

铆钉等;但是铆接一般为不可拆卸固定,为了便
于堆芯模块的维护,本实施例中,连接件
41
采用螺钉

60.具体的,为了提高连接的可靠性,连接部
40
通过多个连接件
41
与第一隔板1和第二隔板2相连

61.当然,连接部
40
包括但不限于上述列举的结构

62.另一个可行的实施例中,连接件
41
包括螺纹柱和螺母;其中,螺纹柱固定连接于第一隔板1及第二隔板2的侧面,连接部
40
相对的两侧均设置有通孔,连接第一隔板1和第二隔板2时,使第一隔板1和第二隔板2上的螺纹柱分别穿过连接部
40
两侧的孔,然后使用螺母锁紧,如此,同样可以实现第一隔板1和第二隔板2的连接固定,使第一隔板1和第二隔板2压紧芯体
3。
63.另一个可行的实施例中,连接件
41
包括双头螺栓和螺母;具体的,第一隔板1的侧面凸出设置有第一连板,第二隔板2的侧面凸出设置有第二连板,双头螺栓的两端分别穿过第一连板和第二连板,螺母分别连接于双头螺栓的两端,两个螺母分别与第一连板和第二连板相抵接,从而使第一隔板1和第二隔板2压紧芯体
3。
64.堆芯模块的第一隔板1和第二隔板2通过多个上述的拉紧结构4连接固定,以保证第一隔板1和第二隔板2连接的可靠性

65.具体的,第一隔板1和第二隔板2均采用导电材料制成,从而使第一隔板1和第二隔板2分别形成堆芯模块的阴阳两极,第一隔板1和第二隔板2的具体材质可以根据实际需求选择,其中,阳极材质可以选用石墨等化学性质稳定的材质,阴极材质可以选用金属或合金

66.由于第一隔板1和第二隔板2形成了堆芯模块的阴阳两极,因此,第一隔板1和第二隔板2之间需要电绝缘

67.具体的,连接部
40
整体可以采用绝缘材料制成,以此实现第一隔板1和第二隔板2之间的电绝缘;或者,连接部
40
位于第一隔板1和第二隔板2之间的部分采用绝缘材料制成,以此实现第一隔板1和第二隔板2之间的电绝缘;亦或者,在拉紧机构4与第一隔板1及第二隔板2之间设置绝缘胶

绝缘垫层7等绝缘结构,来实现第一隔板1和第二隔板2之间的电绝缘

68.本实施例中,连接部
40
整体采用绝缘材料制成,以保证第一隔板1和第二隔板2之间的绝缘性能

69.基于上述,只需使多个堆芯模块叠放设置,即其中一堆芯模块的第二隔板2与相邻堆芯模块的第一隔板1相贴合,即可实现多个堆芯模块的串联电连接

70.参照图1,第一隔板1和第二隔板2上设置有位置相对应的气液进出口5,气液进出口5与芯体3的电解室连通,气液进出口5为电解液的入口,并作为氢气或氧气的排出口

71.具体的,气液进出口5设置有四个,四个气液进出口5依据功能两两分为一组,其中一组气液进出口5连通堆芯模块的阳极电解室,作为电解液的入口及氧气的排出口,另一组气液进出口5连通堆芯模块的阴极电解室,作为氢气的排出口;当多个堆芯叠放时,其中一堆芯模块的第一隔板1上的气液进出口5与相邻堆芯模块的第二隔板2上的气液进出口5对应连通

72.具体的,第一隔板1和第二隔板2上环绕气液进出口5设置有密封槽
50
,用于供密封圈嵌入,通过密封槽
50
和密封圈,可以保证相邻堆芯模块气液进出口5连接处的密封性能

73.下面对本发明提供的电解制氢电解槽进行描述,下文描述的电解制氢电解槽与上文描述的堆芯模块可相互对应参照

74.参照图1和图2,一种电解制氢电解槽,包括至少两个上述的堆芯模块,多个堆芯模块叠放设置,即其中一堆芯模块的第一隔板1与相邻堆芯模块的第二隔板2相贴合,以此实现多个堆芯模块的串联电连接

75.相邻堆芯模块中,其中一堆芯模块的第一隔板1上的气液进出口5与相邻堆芯模块的第二隔板2上的气液进出口5对应连通,并且,气液进出口5外围的密封槽
50
中嵌设有密封圈,以保证相邻堆芯模块上气液进出口5连接处的密封性能

76.为了保证多个堆芯模块连接的稳定性,电解制氢电解槽还包括紧固组件6,多个堆芯模块通过紧固组件6互相压紧

77.紧固组件6包括第一端板
60、
第二端板
61
和锁紧件
62
;其中,第一端板
60
和第二端板
61
间隔设置,多个堆芯模块堆叠于第一端板
60
和第二端板
61
之间;锁紧件
62
用于连接第一端板
60
和第二端板
61
,使第一端板
60
和第二端板
61
压紧多个堆芯模块

78.具体的,锁紧件
62
包括连杆
620
和一对限位部
621
;其中,连杆
620
依次穿过第一端板
60
和第二端板
61
;一对限位部
621
分别连接于连杆
620
的两端,其中一个限位部
621
用于和第一端板
60
抵接,另一个限位部
621
用于和第二端板
61
抵接;两个限位部
621
中的至少一个与连杆
620
螺纹连接

79.在装配电解制氢电解槽时,将多个堆芯模块叠放于第一端板
60
和第二端板
61
之间,然后使用连杆
620
以此穿过第一端板
60
和第二端板
61
,拧紧限位部
621
,使多个堆芯模块被压紧于第一端板
60
和第二端板
61
之间;当需要调整电解制氢电解槽的功率或其中一个堆芯模块损坏时,拆卸限位部
621
,然后拆除连杆
620
以分离第一端板
60
和第二端板
61
,如此可以实现堆芯模块的增减

更换

80.具体的,连杆
620
采用双头螺栓,两个限位部
621
均与连杆
620
螺纹连接

81.多个堆芯模块堆叠后,需使首末两端两个堆芯模块的阴阳两极电绝缘,即需要使首端堆芯模块的第一隔板1与末端堆芯模块的第二隔板2电绝缘

82.基于上述,其中一种方案是使锁紧件
62
采用绝缘材料制成,另一种方案是使第一端板
60
和第二端板
61
中的至少一者采用绝缘材料制成

83.但上述两种方案可能会影响锁紧件
62
的锁紧强度,因此,本实施例中,通过在堆芯模块与第一端板
60
及第二端板
61
之间设置绝缘垫层7,来实现堆芯模块与第一隔板1和第二隔板2之间的电绝缘

84.绝缘垫层7与堆芯模块之间设置有集流板8,集流板8采用导电材料制成且有两块,两块集流板8分别与首末两端两个堆芯模块的第一隔板1和第二隔板2压紧,用于连接电源的正负极

85.为了确保相邻堆芯模块电连接的可靠性,参照图2,相邻堆芯模块之间设置有电连接件
941
,电连接件
941
用于电连接相邻所述堆芯模块的第一隔板1和第二隔板
2。
86.具体的,电连接件
941
包括连接体
90
和固定件
91
;其中,连接体
90
呈板状且采用导电材料制成,连接体
90
一侧与其中一个堆芯模块的第一隔板1的侧面贴合,相对的另一侧与相邻堆芯模块的第二隔板2的侧面贴合;固定件
91
用于连接固定连接体
90
与第一隔板1及第二隔板2相贴合的部分

87.具体的,固定件
91
包括螺钉

88.本发明的新创点在于:通过将大功率电解制氢电解槽内的堆芯分解为多个堆芯模块,可以在保证电解制氢电解槽整体功率的同时,减少单个堆叠结构内芯体单元的堆叠数量,堆叠更加简单

方便;同时,单个堆叠结构内芯体单元数量的减少,可以使压装力的传递和分布更加均匀,提高芯体单元之间的电连接性能

密封性能等,保证电解制氢电解槽的工作性能;
89.此外,相关技术中,大功率电解制氢电解槽中堆芯的堆叠结构复杂,故障定位较为困难,当单个电解室出现故障时,需要对整个堆芯进行拆解,维护不便且成本很高;而本发明实施例中的大功率电解制氢电解槽的堆芯采用多个堆芯模块串联而成,当某个电解小室发生故障时,可通过电压巡检模块快速定位故障小室,并通过拆解更换其所在的堆芯模块,较为方便地实现整个堆芯的快速维护,而不影响其他堆芯模块的使用;并且,通过将不同数量的堆芯模块串联,可方便地装配不同功率的电解制氢电解槽,以满足不同的应用场景需求,具有更高的灵活性

90.最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围

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