本發(fā)明涉及堿性電解槽，尤其是涉及一種堿性電解槽的工裝墊圈厚度最優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、在當前世界以化石燃料主導的能源結(jié)構(gòu)背景下，氫能因其高熱值和零排放等優(yōu)勢而被廣泛認為是扭轉(zhuǎn)能源形勢的有力競爭者。目前在其多種主要制備方式中，水電解制氫因其清潔高效的優(yōu)勢成為各國的研究重點。常溫電解水制氫技術(shù)按照電解質(zhì)類型主要分為常溫運行的堿性電解水制氫awe、質(zhì)子交換膜電解水制氫pem、陰離子交換膜電解水制氫aem，其中以堿水電解技術(shù)最為成熟，且成本最低更具經(jīng)濟性，被認為是大規(guī)模電解水制氫應用的主要方式，陰極+隔膜+陽極的“三明治”結(jié)構(gòu)是其主要結(jié)構(gòu)特征。

2、其中，電極和隔膜在電解小室內(nèi)的接觸程度對電解反應的發(fā)生存在顯著影響，已有大量文獻和專利對此相關(guān)問題進行了研究并提出相應的解決方案。常規(guī)電解裝配經(jīng)驗認為，相對緊密的隔膜和電極裝配能夠最大程度的降低歐姆阻抗從而增強反應電流，因此會選擇盡可能小的軸向壓緊距離來實現(xiàn)最大化隔膜-電極界面接觸。中國專利cn117926299a《一種質(zhì)子交換膜水電解槽及其裝配裝置和制造方法》中，上海交通大學和上海簡氫能源提出的一種水電解槽裝配方法中使用了螺旋彈簧作為壓緊裝置來實現(xiàn)電極和隔膜組件的軸向緊固以實現(xiàn)最大化界面接觸。此外，現(xiàn)有部分實驗室電解槽使用了軸向壓力模塊用以控制界面接觸最大化。但在實際操作中過大的壓緊力并不會給反應電流帶來持續(xù)的正向增益，有時甚至會因此引起隔膜破裂甚至電解槽短路。對此，廈門大學嘉庚實驗室團隊利用微電流探測的手段觀察了pem電解槽中催化材料和其他表面接觸界面附近的電流傳輸及物質(zhì)傳輸影響，發(fā)現(xiàn)過于遠離或緊密的界面距離分別會不利于電流和物質(zhì)的傳輸從而引起較差的電化學反應，這側(cè)面說明了電解槽裝配過程中需要通過控制合理的壓緊力范圍來調(diào)整隔膜和電極接觸程度。

3、目前，尚無相關(guān)研究來針對堿性電解槽的具體最佳裝配方案以調(diào)節(jié)電極隔膜的壓緊程度，而最直接的調(diào)節(jié)方式就是控制其中的聚四氟密封墊圈的支撐厚度。因此設(shè)計合理的墊圈厚度范圍試驗方法十分必要。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種堿性電解槽的工裝墊圈厚度最優(yōu)化設(shè)計方法，通過綜合考量電極-隔膜界面因素，引入特定分析手段，有力推動堿性電解水技術(shù)的發(fā)展與應用拓展并帶來顯著經(jīng)濟效益。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、本發(fā)明提供一種堿性電解槽的工裝墊圈厚度最優(yōu)化設(shè)計方法，包括以下步驟：

4、s1：獲取電解槽的單螺栓扭矩、螺栓螺距、螺栓個數(shù)，計算待測電解槽實際軸向力；

5、s2：根據(jù)s1中獲得的軸向力結(jié)果，選取相應壓力范圍的壓緊裝置，對不同厚度的含墊圈元件進行壓緊操作，獲取可接受墊圈厚度范圍；

6、s3：基于s2中獲得的可接受墊圈厚度范圍，在實際電解槽中進行裝配工裝，并利用電化學工作站獲取不同厚度下的靜態(tài)歐姆值，從而得到最佳墊圈厚度結(jié)果。

7、進一步地，s1中，計算待測電解槽實際軸向力的方式為：

8、

9、其中：

10、faxis：待測電解槽實際軸向力，單位n；

11、t：單螺栓扭矩，根據(jù)生產(chǎn)商提供的電解槽使用手冊或?qū)嶋H操作情況獲得，單位n.m；

12、p：螺栓螺距，單位mm；

13、n：螺栓個數(shù)。

14、進一步地，s2中，包括以下具體步驟：

15、測量待測電極和膜的厚度；

16、根據(jù)陰極和陽極的厚度適配等厚度的聚四氟乙烯ptfe墊圈；

17、選取隔膜用ptfe墊圈厚度范圍；

18、將電極、電極適配ptfe、隔膜、隔膜適配ptfe進行組合；

19、基于測試時的壓縮量，從而確定實際工作厚度；

20、篩選墊圈厚度組合，獲取處于可接受范圍內(nèi)的墊圈組合信息。

21、進一步地，s2中，待測電極和膜的厚度包括陰極和陽極的厚度以及隔膜厚度；

22、s2中，根據(jù)陰極和陽極的厚度適配等厚度的聚四氟乙烯ptfe墊圈的過程中：墊圈形狀和電解槽內(nèi)截面形狀一致并且其內(nèi)部流場區(qū)域能夠容納電極，隔膜用ptfe墊圈形狀要求一致。

23、進一步地，s2中，選取隔膜用ptfe墊圈厚度范圍的過程中，以實測膈膜厚度為厚度下基準值，步長為0.05mm，依次疊加進行設(shè)定。

24、進一步地，s2中，將電極、電極適配ptfe、隔膜、隔膜適配ptfe進行組合的過程中，每次使用空電解槽極板作為壓力件，將組合零件夾入其中并確保相對位置均處于幾何中心不會滑移。

25、進一步地，s2中，基于測試時的壓縮量，從而確定實際工作厚度的過程包括：開啟壓力儀器，固定軸向壓力為s1中計算得到的軸向壓力，記錄壓頭開始接觸極板時的相對位置及最終穩(wěn)定位置，獲得此時壓縮量，從而確定實際工作厚度。

26、進一步地，s3中，具體包括以下幾個子步驟：

27、使用實際待測電解槽，對處于s2中得到的可接受墊圈厚度范圍內(nèi)的墊圈-電極-隔膜組合分別進行實槽安裝；

28、將電化學工作站與電解槽連接；

29、利用電化學工作站的電化學阻抗譜功能，在開路狀態(tài)下對不同厚度組合的墊圈-電極-隔膜進行靜態(tài)eis測量；

30、對不同厚度組合下的eis曲線進行對照，選取歐姆阻抗最小的厚度結(jié)果，將其確定為最佳墊圈厚度組合。

31、進一步地，s3中，進行靜態(tài)eis測量的過程中，按照工作電極和sense連接正極、參比電極和對電極連接負極的方式進行連接。

32、進一步地，s3中，確定最佳墊圈厚度組合的具體過程包括：對不同厚度組合下的eis曲線進行對照，重點關(guān)注曲線中反映歐姆阻抗的部分，截取阻抗圖中曲線和橫軸交點來獲取該種墊圈厚度下的整個電解槽的歐姆值，通過比較各個厚度組合對應的歐姆值，選取歐姆阻抗最小的厚度結(jié)果，將其確定為最佳墊圈厚度組合。

33、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

34、1)本發(fā)明充分考慮了界面導電性和物質(zhì)傳輸對電極-隔膜界面附近電化學反應的關(guān)鍵影響。通過設(shè)計的最佳墊圈工裝厚度確定方法，有效優(yōu)化了電極與隔膜之間的接觸環(huán)境。一方面，精準的墊圈厚度選擇降低了界面電阻，使得電流傳導更為高效，從而顯著提升了堿水電解反應強度。

35、2)在以往的堿性電解槽工裝緊固環(huán)節(jié)，缺乏明確且統(tǒng)一的墊圈厚度選擇標準，導致裝配過程隨意性大，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。而本發(fā)明成功地統(tǒng)一了裝配標準，依據(jù)科學嚴謹?shù)妮S向力計算、壓緊測試以及電化學分析流程，確定出適用于不同電解槽的最佳墊圈厚度。這一標準化流程極大地提高了堿性電解槽裝配的一致性和可重復性，無論是在大規(guī)模生產(chǎn)還是小型實驗裝置搭建中，都能確保每個電解槽都達到相近的高性能水平，有效減少了因裝配差異引發(fā)的質(zhì)量問題和性能波動。

36、3)本發(fā)明創(chuàng)新性地引入電化學阻抗和反應界面接觸程度作為核心分析手段，為堿性電解槽技術(shù)領(lǐng)域開辟了新的研究與發(fā)展方向。這不僅有助于深入理解電極-隔膜界面的復雜電化學反應機制，而且為后續(xù)開發(fā)更先進的電解槽技術(shù)提供了有力的理論依據(jù)和實踐指導。研究人員可基于本發(fā)明進一步探索如何通過優(yōu)化其他相關(guān)因素來協(xié)同提升電解槽性能，如開發(fā)新型墊圈材料、改進電極結(jié)構(gòu)等，從而推動整個堿性電解水技術(shù)不斷創(chuàng)新與拓展，在新能源領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用并適應未來多元化的應用需求。