PEM电解堆高压密封技术详解

     尽管PEM电解堆与燃料电池电堆在结构、内部环境等存在较大的相似性，如数百单元堆叠、高氧气含量、高湿度、酸性环境等，但对密封来讲，PEM电解堆存在更大的挑战性，其阳极更高电位（1.5-2.0V甚至更高）、大量液态水（数十至数百倍反应水量）、更大的组装力，均对密封方式、材质和结构提出了更高的要求。

一、主流厂商密封压力

表1 国内外主流厂商阴极氢侧操作压力

二、密封原理及要求

三、密封材质

      PEM电解堆密封通常属于静力学密封中的垫密封，在压紧力作用下，垫片自身产生弹性和塑性变形，填塞密封面间间隙，达到密封的目的。在密封领域，如表2所示，可用于密封的材料众多，但PEM电解堆对密封材质有较高要求：

•     绝缘

•     高耐氧化，长时间处于高电位及氧气环境；

•     高耐酸性，PEM堆中pH通常在1-4左右；

•     耐温性＞120℃以上；

•     耐水解，长期处于饱和水气环境；

•     溶出物对膜及催化剂影响小；

•     密封性及耐疲劳性，PEM堆运行时热膨胀及压力变化；

表2 密封材料分类

    当前在PEM中采用的垫片类型主要有硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶、聚四氟乙烯及相应改性垫片。其中，硅橡胶在燃料电池中应用广泛，具有改性方便、成本低、易于粘接等优势，但其主链Si-O-Si及侧链Si-CH₃容易断裂，在水中稳定性不足。氟橡胶稳定性、机械性能都较为优异，是较为理想的PEM电解堆材料，当然现在也存在粘接困难、成型工艺复杂、成本高等问题，限制了其大范围的使用。三元乙丙橡胶在机械性能与耐老化方面稍逊氟橡胶，但成型工艺较为简单，在各厂商中有广泛应用。聚四氟乙烯属于塑料密封垫片，性质稳定，一般需设计造型或配合接触面造型来实现密封。如下表3所示。

表3 氟塑料密封圈的种类、工作条件及应用特点

四、主流厂商密封结构设计

•    （1）橡胶垫片+底涂胶+沟槽

• 

图1 密封结构一

关键设计点：橡胶垫压缩量、压缩率、填充率；

                        底涂胶涂覆厚度与宽度；

                        底涂胶定位精度及粘附力。

•    （2）橡胶垫+底涂胶+限位块

图2 密封结构二

关键设计点：橡胶垫压缩量、压缩率；

                        底涂胶涂覆厚度与宽度；

                        底涂胶定位精度及粘附力；

            限位块高度。

•    （3）一体注塑橡胶+沟槽

• 

图3 密封结构三

关键设计点：橡胶垫压缩量、压缩率；

                        橡胶注塑工艺。

•    （4）一体注塑橡胶+限位块

图4 密封结构四

关键设计点：橡胶垫压缩量、压缩率；

                        橡胶注塑工艺；

                        限位块高度。

•    （5）塑料垫片+止水线

图5 密封结构五

关键设计点：塑料垫片机械性能；

                       止水线结构；

                       止水线与塑料垫片高度匹配。

图6 双峰式密封结构

表4中各种不同造型橡胶垫片，

表4 橡胶垫片的造型、特点和应用

也可以采用一种密封方式多级串联或多种密封方式并用的组合密封方式（图7），总之，设计密封结构时应综合考虑密封效果、工艺难度、装配难度、成本及维修的方便性等。

图7 组合密封

  注：由于作者水平有限，仅代表个人观点，如有错误请多指正。

原文始发于微信公众号（PEM水电解）：【干货】PEM电解堆高压密封技术详解