一种具有绝缘功能的碱性水电解制氢设备的制作方法

本发明涉及碱性水电解制氢设备，具体指一种新型绝缘碱性水电解制氢设备的结构。

背景技术：

1、能源是人类社会发展的重要基础和动力。从工业革命至今，世界范围内主要利用的能源类型为煤炭、石油等化石类一次能源，因其不可再生、燃烧利用过程中会产生大量温室气体和氮、硫氧化物等有害物质的特点导致了全球范围内的能源危机和环境恶化问题日趋严峻。因此，寻找和开发清洁环保型的能源，构建清洁低碳高效能源体系已成为全人类的普遍共识。中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。在此背景下，氢气作为一种新型清洁能源，被社会广泛认可并日益受到的重视。

2、氢气作为重要的工业原料和还原剂，已在化肥、石油化工、精细化工、医药、电子、冶金等各社会经济领域被广泛地使用。氢作为能源应用具有来源多样、能量密度高、终端零排放、应用场景广泛等多重优势。诸多专业人士预测有关氢能的研发将在本世纪内得到迅猛的发展，其能源体系的建立在保障国家能源安全、推进能源产业升级、实现“碳达峰、碳中和”、改善大气环境质量等方面具有重要意义。

3、我国现代社会发展面临能源安全和环境污染两大现实问题，导致这两大问题产生的根源在于以煤炭、石油为主的化石类能源利用形式。我国“十四五规划”中已在深入实施制造强国战略、发展壮大战略性新兴产业、促进国防实力和经济实力同步提升等方面明确对新能源的发展作出要求。

4、氢气可否作为能源而被广泛应用，制氢技术的研发及选择是至关重要的一个环节。作为大规模制氢的途径，主要的技术方法包括化石燃料(煤、石油或者天然气)制氢、工业副产氢、化工原料制氢、太阳能直接制氢、生物质制和电解水制氢几类。在低碳发展理念下，按照氢气的生产来源，制氢方法又被分为“灰氢、蓝氢、绿氢”三大类。灰氢指通过化石能源资源生产氢气，也是当前的主流的工业氢气生产方式，如煤制氢和天然气制氢。蓝氢指使用了碳捕集与封存技术的氢气生产方式，是在灰氢方式上的叠加升级。绿氢指使用可再生能源技术生产氢气的方式，太阳能直接制氢和生物质制氢虽然属于绿氢制取方法，但它们的技术还不成熟，实现批量生产需要一个较长的过程，故现有工业应用中绿氢制取方法一般为电解水方式(可再生能源电力电解水方式)。目前，全球每年95%以上的氢气是通过化石燃料制取技术获得，生产过程必然排出co2，这与氢能产业以环保、经济、安全、高效的方式来实现(氢)能源供给的初衷相悖，不利于氢能产业健康和可持续的发展。

5、电解水制氢技术利用可再生能源获得的电能进行规模产氢，可实现co2的零排放，可将具有强烈波动特性的风能、太阳能转换为氢能，更利于储存与运输，从而实现氢的能源载体功能，通过电解水方式获得的氢气纯度较高，可达99.9%以上，是环保、经济、安全高效的制氢方法。综上所述，电解水制氢技术必将成为未来氢能绿色发展的重要技术支撑，对电解水制氢技术的研发无论从节能增效还是从长远的解决能源短缺问题角度出发，都具有重要的现实意义。

6、现有工业应用的碱性水电解制氢设备主要是由电极板、隔膜、绝缘密封件和夹紧装置以及其它附件组成，其结构特点为若干个电解室串联组合后由夹紧装置配合其实现为电解反应提供反应场所并兼具承压（满足压力、温度等操作条件）的功能。因其总体结构特征决定现有设备（由电解室组成的）外壳在操作工况下为带电状态，增加了运行维护难度；因夹紧且需要承压这一结构特征导致现有设备在满足大型化、大规模生产的需求下同时提高（压力、温度等）操作条件难以实现，一旦在大型化需求的同时提高操作条件后，各电解室间的密封性能较难保障；考虑电解槽内介质的危害性及操作（条件）状态，现有电解槽需配套设置甲类厂房，增加了项目的总体投资。

技术实现思路

1、本发明提供一种具有绝缘功能的碱性水电解制氢设备，降低设备运行维护难度并使其满足设备室外多场景应用的需求。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种具有绝缘功能的碱性水电解制氢设备，包括组合电解室，所述组合电解室安装于承压外腔中，该承压外腔包括壳体，该壳体一侧由平盖密封，另一侧依次由密封连接预紧环兼做设备法兰、设备法兰、壳体短节、封头而组成承压外腔；所述平盖上设有氢气、氧气出口通道、碱液入口通道及导电铜排阴极接入口通道，各通道均和组合电解室的相应的通道贯通连接；靠近预紧环兼做设备法兰侧的组合电解室侧由压紧机构压紧密封，而壳体短节上开有去离子水入口、去离子水出口、导电铜排阳极接入口通道；所述组合电解室的极板框由非金属制成。

4、所述压紧机构包括压紧环板，该压紧环板安装于支撑环内侧上后压住组合电解室侧端，安装于预紧环兼做设备法兰上的钩圈通过压紧螺栓和支撑环连接。

5、所述预紧环兼做设备法兰和钩圈的连接结构为：预紧环兼做设备法兰的法兰密封面端面位置延伸出环形卡槽结构，而钩圈内壁开有带斜角的凹形槽，该凹槽与设备法兰上的环形卡槽相互配合，该环形卡槽可为钩圈提供固定位置并在压紧螺栓压紧组合电解室时平衡螺栓预紧力。

6、所述钩圈为分体结构，分为2~4块，安装后由钩圈连接环板连接为一体。

7、所述支撑环上设有支撑筋板。

8、所述承压腔体内壁上设置了绝缘衬里。

9、所述碱性水电解制氢设备由鞍座支撑。

10、本发明采用外腔承压、内腔（组合电解室）提供电解反应场所的双腔室结构，利用外腔中通入的去离子水作为压力平衡的介质以规避非金属材料制（绝缘）极板框承压能力差的缺陷，可实现在满足大型化需求的同时提高（压力、温度等）操作条件，从而达到提高电解反应效率的目的；通过对各承压腔室分别进行绝缘防护（非金属材料制极板框+绝缘衬里或涂层），以达到使电解槽外腔在操作工况下不带电的状态，从而降低设备运行维护难度并使其满足设备（室外）多场景应用的需求，即，达到降低项目总体投资（无必须配套甲类厂房的要求）的同时保障设备安全运行的要求。

11、本发明结构简单、无转动部件、性能可靠、设备紧凑、处理量大、安全可靠，特别适合有多场景使用需求的电解制氢设备的建造。

技术特征：

1.一种具有绝缘功能的碱性水电解制氢设备，包括组合电解室，其特征在于，所述组合电解室安装于承压外腔中，该承压外腔包括壳体（2），该壳体（2）一侧由平盖（17）密封，另一侧依次密封连接预紧环兼做设备法兰（6）、设备法兰（8）、壳体短节（9）、封头（10）而组成承压外腔；所述平盖（17）上设有氢气、氧气出口通道、碱液入口通道及导电铜排阴极接入口通道，各通道均和组合电解室的相应的通道贯通连接；靠近预紧环兼做设备法兰（6）侧的组合电解室侧由压紧机构压紧密封，而壳体短节（9）上开有去离子水入口（w）、去离子水出口（v）、导电铜排阳极接入口通道；所述组合电解室的极板框由非金属制成。

2.根据权利要求1所述的一种具有绝缘功能的碱性水电解制氢设备，其特征在于，所述压紧机构包括压紧环板（3），该压紧环板（3）安装于支撑环（15）内侧上后压住组合电解室侧端，安装于预紧环兼做设备法兰（6）上的钩圈（7）通过压紧螺栓（13）和支撑环（15）连接。

3.根据权利要求2所述的一种具有绝缘功能的碱性水电解制氢设备，其特征在于，所述预紧环兼做设备法兰（6）和钩圈（7）的连接结构为：预紧环兼做设备法兰（6）的法兰密封面端面位置延伸出环形卡槽结构，而钩圈（7）内壁开有带斜角的凹形槽，该凹槽与设备法兰（6）上的环形卡槽相互配合，该环形卡槽可为钩圈（7）提供固定位置并在压紧螺栓（13）压紧组合电解室时平衡螺栓预紧力。

4.根据权利要求3所述的一种具有绝缘功能的碱性水电解制氢设备，其特征在于，所述钩圈（7）为分体结构，分为2~4块，安装后由钩圈连接环板（12）连接为一体。

5.根据权利要求2所述的一种具有绝缘功能的碱性水电解制氢设备，其特征在于，所述支撑环（15）上设有支撑筋板（14）。

6.根据权利要求1所述的一种具有绝缘功能的碱性水电解制氢设备，其特征在于，所述承压腔体内壁上设置了绝缘衬里。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种具有绝缘功能的碱性水电解制氢设备，其特征在于，所述碱性水电解制氢设备由鞍座（16）支撑。

技术总结
一种具有绝缘功能的碱性水电解制氢设备，包括组合电解室，所述组合电解室安装于承压外腔中，该承压外腔包括壳体，该壳体一侧由平盖密封，另一侧依次密封连接预紧环兼做设备法兰、设备法兰、壳体短节、封头而组成承压外腔；所述平盖上设有氢气、氧气出口通道、碱液入口通道及导电铜排阴极接入口通道，各通道均和组合电解室的相应的通道贯通连接；靠近预紧环兼做设备法兰侧的组合电解室侧由压紧机构压紧密封，而壳体短节上开有去离子水入口、去离子水出口、导电铜排阳极接入口通道；所述组合电解室的极板框由非金属制成。本发明降低了设备运行维护难度并使其满足设备室外多场景应用的需求。

技术研发人员：文晓龙,孙冬来,谢腾腾,徐文芳,武艳波,许鑫森,豆少刚
受保护的技术使用者：上海蓝滨石化设备有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14