氫能源具有安全無污染、熱值高、可存儲等優點，成為解決能源危機及環境污染問題的有效途徑[1]。質子交換膜（Proton Exchange Membrane，PEM）水電解技術是國際上*先進的水電解制氫技術[2]。利用該技術，可將現今大量的棄風、棄光、棄水、棄核電能轉換為能量密度高的氫氣進行存儲，大大提高可再生能源 和電網綜合利用效率[3]。

為了滿足燃料電池、加氫站等氫能應用的需要，必須將氫氣存儲于高壓氣瓶內，通常氣瓶存儲壓力為35-70MPa。目前PEM水電解槽不能產生高壓氫氣的主要是受密封形式制約，現有的PEM水電解槽通常采用聚四氟乙烯或三元乙丙橡膠制成平板密封墊，通過螺栓預緊力將結構壓緊實現密封。受到橡膠密封件允許壓縮量的限制，這種水電解槽結構能夠制取的氫氣*大壓力一般不超過3.5MPa。必須通過氫氣壓縮機，使之達到設定高壓，才能存儲于氣瓶內。從而導致水電解制氫系統整體裝備體積大、能耗高、可靠性差、電解效率低。本文旨在通過結構設計，用較低成本解決質子交換膜水電解槽高壓密封問題，顯著提高電解槽氫氣出口壓力。

一、電解槽結構組成

本文所設計電解槽結構如圖1所示。主要部件為：1.金屬法蘭；2.PP內襯底座；3.PP內襯密封套；4.金屬外罩；5.內部水流通道；6.氫氣通道；7.氧氣與水通道；8.陰極接電端；9.丁腈橡膠板。

電解槽爆炸圖如圖2所示，從左到右分別為防松螺母（1）、碟簧（2）、螺栓（3）、金屬上端板（4）、絕緣端蓋（5）、正極接電板（6）、C型滑環組合密封內環（7）、支撐內環（8）、陽極集電器（9）、膜電極（10）、陰極集電器（11）、C型滑環組合密封外環（12）、雙極板（13）、負極接電板（14）、底部接電端子（15）、彈性密封墊（16）、絕緣內襯底座（17）、金屬外框（18）。

承壓結構組成：金屬上端板（4）、絕緣端蓋（5）、絕緣內襯底座（17）、金屬外框（18）組成承壓結構。

密封結構組成：C型滑環組合密封外環（12）、膜電極（10）、雙極板（13）在陰極集電器（11）外側形成氫氣高壓密封。C型滑環組合密封內環（7）、支撐內環（8）、膜電極（10）、雙極板（13）在陽極集電器（9）內側形成氫氣高壓密封。

流道結構組成：絕緣內襯底座（17）、雙極板（13）組成進出水流道結構。陽極集電器（9）、C型滑環組合密封內環（7）、支撐內環（8）、膜電極（10）、陰極集電器（11）、雙極板（13）組成氫氣流道結構。

接電結構組成：正極接電板（6）、底部接電端子（15）分別連接電源的正負極。

二、部件功能介紹

1.金屬外框（18）與金屬上端板（4）為不銹鋼材質，用于承受內部高壓。金屬上端板（4）兩側對稱設有進水口與出水口，中心與絕緣端蓋（5）中間凸起定位配合；金屬外框（18）底部通孔用于伸出底部接電端子（15），端面設有密封槽，配合絕緣端蓋（5）實現密封。

2.絕緣端蓋（5）采用聚丙烯等耐溫絕緣材料，保證電解絕緣安全，設有兩個進水孔與兩個出水孔，起分流作用，中間凸起處設有氫氣出口以及正電極通孔，通孔處采用耐高壓O型密封圈密封。

3.絕緣內襯底座（17）采用聚丙烯等耐溫絕緣材料，內側面與負極接電板（14）、雙極板（13）、正極接電板（6）外側面貼合組成進水流道結構與出水流道結構，連通絕緣端蓋（5）進出水孔，內側面壁厚處設有半圓缺口，與內部負極接電板（14）、雙極板（13）、正極接電板（6）外側面缺口配合實現圓柱銷定位，圓柱銷采用絕緣材質。

4.彈性密封墊（16）可采用橡膠等彈性材料，與底部接電端子（15）配合，吸收內部結構熱脹的同時，也起到密封作用。

5.底部接電端子（15）可采用黃銅等導電材料，緊貼負極接電板（14），連接電源負極。

6.正極接電板（6）采用鈦材料，兩導電柱連接電源的正極，中心通孔作為氫氣出口。

7.負極接電板（14）采用鈦材料，采用圓環凸起，與C型滑環組合密封外環（12）、膜電極（10）配合實現陰極集電器（11）外環高壓密封，圓環凸起兩側對稱設置有呈弧線狀的缺口，與進出水流道結構連接，實現陽極集電器（9）的進水與出水。

8.雙極板（13）采用鈦材料，中心通孔為氫氣出口，配合陽極集電器（9）、C型滑環組合密封內環（7）、金屬支撐內環（8）、膜電極（10）、陰極集電器（11）實現氫氣流道密封。

9.陽極集電器（9）采用粉末鈦板，一面光潔，一面帶流道槽，流道槽起導流作用，中間通孔作為氫氣出口。

10.膜電極（10）采用全氟磺酸質子交換膜，中間通孔為氫氣出口。

11.陰極集電器（11）采用不銹鋼絲網，一面光潔，中間通孔作為氫氣出口。

12. C型滑環組合密封內環（7）和C型滑環組合密封外環（12）均由耐高壓O型密封圈（19）和PTFE骨架（20）組成，具有自緊密封效果，可承受0-50MPa高壓力且耐高壓O型密封圈（19）磨損小壽命長。

13.支撐內環（8）提供內部支撐作用，防止系統啟動時C型滑環組合密封內環（7）擠壓損傷。

三、設計**意義

**的外部承壓結構：常壓進水，高壓產氫（35MPa），金屬外框為主要承壓結構，可調整厚度以承受內部0-35MPa壓力，結構經過CAE分析與試驗驗證，安全可靠。

**的通流方式：絕緣內襯與堆疊雙極板組成U形水通流，電堆中心孔出氫，經CFD設計優化，簡化傳統氫氣高壓密封結構。

**的內部密封結構：采用差壓設計，降低水、氧氣通流密封要求，內部采用PTFE骨架+O型圈組合密封方式，具有自緊密封效果，可承受35MPa及以上高壓且O型圈磨損小壽命長。

**的接電形式：采用正負端接電柱結構設計，外圍絕緣包裹，增加電絕緣安全性能。

四、結束語

本文以“內外平衡、壓力轉移”的理念，針對水電解槽的緊固結構、電氣結構、通流結構、密封結構進行了**設計，進一步提高制氫壓力和功率，降低成本，提高效率，滿足氫能產業化發展對水電解槽的技術需求。