电化学反应器的制作方法

作者:德州传奇扑克下载 | 2020-08-06 18:54

  电化学反应器(包括电池和电解池)是一种结构紧凑、元件众多的能量转换装置。工作过程中多数电化学反应器涉及到所需流体在反应器内部的传输。所需流体大致包括阴极反应流体、阳极反应流体、吹扫流体和控温流体(冷却或加热)等。为了防止所需流体向反应器外的泄漏(外漏)和不同流体在反应器内部的混合(内漏),需要反应器保持良好的密封性能。尤其是对操作在高压条件下的电化学反应器而言,密封问题显得更为重要。

  电化学反应器的密封不同于一般的化学反应器,在做到防止流体泄漏的同时还需要保持阴阳极之间的绝缘。在传统技术上,一般采用将绝缘性密封材料做成整张厚度均匀的垫片并将其夹在阴阳极极板之间的方式来实现电化学反应器的密封,如美国专利US8282811B2。这种传统密封方式尽管结构简单,但密封成本较高,尤其是对大型高压电化学反应器而言。大型反应器密封所占据的区域面积大,高压操作又需使用变形小的硬质塑料作为密封材料,因此,无论是密封垫或是极板都需要达到很高的厚度均匀性,从而推高了密封相关元件的制造成本。

  传统密封方式下的高压操作条件对密封材料的回弹性和抗蠕变性亦有很高的要求。为规避因密封材料原因及其他因素所导致的密封失效问题,可以采取具有表面氧化物膜的金属密封材料代替塑料等传统非金属密封材料。显然,由于氧化物膜的压力形变更小,对采用金属氧化物膜层密封技术的大型高压反应器而言,仍然存在着密封难度高和密封成本高的问题。因此需要开发一种新的密封方式,既可以使用传统的非金属密封材料,又可以降低对密封相关元件厚度均匀性的要求。

  本实用新型的目的是提供一种采用双密封技术的电化学反应器,降低了密封难度和密封成本。

  一种电化学反应器,包括:极板,外周设置有密封槽;膜电极组件,包括能够发生电化学反应的活性区和非活性区,所述非活性区位于所述活性区的外围,所述非活性区域为固体电解质膜的裸露区域;内密封垫,设置于所述膜电极组件与所述极板之间,位于所述膜电极组件的非活性区;和外密封垫,设置于所述内密封垫外周、且置于所述极板的密封槽内。

  根据本新型的另一实施方式,所述外密封垫以钢材为基体,所述基体全部或部分包覆塑料或橡胶绝缘密封材料。

  根据本新型的另一实施方式,所述外密封垫与外密封槽之间的接触配合面为平面或曲面。

  根据本新型的另一实施方式,所述电化学反应器的组成元件的形状为圆形、圆环形、方形或方环形。

  本实用新型的电化学反应器采用双密封,内密封有效防止流体内漏,外密封有效防止流体外漏,有效解决了密封难度高和密封成本高的问题。特别适合高压(大于1大气压)电化学反应器。

  通过参照附图详细描述其示例实施方式,本实用新型的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

  1螺栓孔;2阴极反应流体进孔;3阴极流场;4阴极反应流体出孔;5阴极单极板;6双极板;7膜裸露环面;8阴极内密封环;9膜电极;10阳极内密封环;11阳极单极板;14阳极反应流体进孔;15阳极反应流体出孔;16阳极流场;17阳极多孔层活性区;18离子导电膜;19阴极多孔层活性区;20外密封环;21外密封环槽。

  传统密封方式密封难度大的主要根源在于一个密封区同时承担着防止流体内漏和防止流体外漏两种密封任务,本实用新型则是设置两个密封区来承担这两种密封任务:一部分称为内密封区,在此区域使用内密封环以防止内漏;另一部分称为外密封区,在此区域配合使用外密封环和外密封环槽以防止外漏。就对密封区的功能划分及所采取的措施而言,本实用新型给出的新的密封方式可称为双密封,而传统密封方式则称为单密封。

  图1为一个采用双密封方式的串联集成式电化学反应器堆(简称电堆,由多个单片电化学反应器串联而成,且相邻单片共享一个极板),包括两端的阴极单极板5和阳极单极板11,中间重复的多个双极板6,夹在双极板之间以及双极板和单极板之间的膜电极9,紧贴膜电极9两侧的阴极内密封环8和阳极内密封环10,膜电极9及阴阳极内密封环8,9外围的外密封环20。这些元件均为圆形或环形。两个单极板外周具有相应的螺栓孔1,通过带绝缘层或绝缘垫的螺栓将各元件夹在一起,形成反应器。

  膜电极9是一个组合或复合元件,中间为离子导电膜18,两侧分别是面积较小的发生电化学反应的阴极多孔层活性区19和阳极多孔层活性区17,活性区17,19外周裸露的离子导电膜18环面7为内密封区。膜电极9的裸露环面上同时具有阴极反应流体进孔2、阴极反应流体出孔4、阳极反应流体进孔14和阳极反应流体出孔15,阴阳极进出孔2,4,14,15均处于环面7直径上,两直径可以垂直也可以不垂直。在两端的两个膜电极9内密封区上可以不必同时具有阴阳极进出孔2,4,14,15,即使全部具有,有的孔也可以不起作用。阴极单极板5和阳极单极板11均兼有夹板、集流板和极板的功能,可以是单一元件,也可以是组合元件。对应于膜电极9密封区上的开孔布局,在阴极单极板5上刻有阴极流体进孔2和阳极流体出孔15,在阳极单极板9上刻有阴极流体出孔4和阳极流体进孔14。双极板6具有集流板和极板的功能,可以是单一元件,也可以是组合元件。对应于膜电极9密封区上的开孔布局,双极板6同时具有阴极流体进出孔2和阳极流体进出孔14。在对应于膜电极9活性区17,19处,在阴极单极板5内面和阳极单极板11内面分别刻有阴极流场3和阳极流场16(流场也可以是独立的导流块),在双极板6的两面分别刻有阴极流场3和阳极流场16。阴阳极单极板5,11和双极板6上的流场5,11分别与对应性质的流体进出孔2,4,14,15相连,形成阴极流体和阳极流体在反应器内部流动的通道。电堆中间的阴阳极内密封环8,10上也具有与膜电极9上对应的阴阳极流体进出孔2,4,14,15,电堆两端的四个内密封环8,10不必都具有四种性质的孔。组装后各元件上进出孔2,4,14,15相叠加形成四个贯通电堆内部的阴阳极流体进出总管。在对应于阴阳极内密封环8,10的外围处,在阴阳极单极板5,11的内面和双极板6的两面刻有外密封环槽21,以接纳外密封环20嵌入。

  在双密封方式下,内密封负荷小,可以使用较软、较厚的塑料、橡胶等作为内密封环8,10材料,从而降低了对内密封区域所在的极板的厚度均匀性要求。在双密封方式下,外密封区域面积小,故外密封环槽21底的厚度均匀性亦容易保证,而对作为独立元件的外密封环20而言,其厚度均匀性更容易保证。外密封环20可以采用钢材(不锈钢、碳钢等)作为基体材料,基体可全部或部分包覆塑料、橡胶等常规绝缘密封材料。外密封环20和外密封环槽21的凹凸配合不仅可以提高了外密封的承压能力,而且也可以降低外密封环20包覆密封材料的硬度,而低硬度包覆材料的使用反过来可进一步降低对外密封环槽21底的厚度均匀性的要求。

  外密封环20与外密封环槽21之间的接触配合面可以为平面,也可以是曲面或其他能过达到密封功能的形式。

  去掉图1电堆中的中间元件,只保留两个单极板5,11、一个膜电极9、一个阴极内密封环8、一个阳极内密封环10和一个外密封环20,则电堆转化为一个单片电化学反应器,如图2所示。图2中的单片反应器采用了更为简单的进出孔结构,即,阴极进出口2,4同时设置在阴极单极板5上,阳极进出孔14,15同时设置在阳极单极板11上,且各进出孔2,4,14,15均处于活性区17,19或流场3,16内,这样,内密封环区可以变得更小且没有阴阳极流体进出孔。图3给出了电堆(右)中和单片(左)中阴极内密封环的对比图,阳极内密封环与与阴极一样),因为单片反应器阴阳极进出孔2,4,14,15不必贯通阴阳极,所以阴极流体进出孔所在的环面直径与阳极流体进出孔所在的环面直径之间可以呈任意角度。

  以上实施例以电化学反应器的组成元件为圆形为例,电化学反应器的组成元件的形状圆环形、方形或方环形也可以实现本实用新型的目的。

  本实用新型的技术方案已由优选实施例揭示如上。本领域技术人员应当意识到在不脱离本实用新型所附的权利要求所揭示的本实用新型的范围和精神的情况下所作的更动与润饰,均属本实用新型的权利要求的保护范围之内。


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