本发明涉及一种用于pem电解槽极板的密封结构，属于电解水制氢。
背景技术：
1、为满足能源消费需求，同时，平衡环境污染问题，开发并利用可再生的清洁能源迫在眉睫。氢气具有比较高的能量密度、燃烧后的产物对环境无污染以及地球储存丰富等优点，因此，在基于可再生清洁能源的能源储存和使用中，电解水制氢将成为重要的组成部分，电解水制氢所得氢气也将发展为重要的能源载体。电解水制氢是指在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子分解为氢气和氧气，分别在阴、阳极析出。目前，电解水制氢目前主要有三种技术路线，即碱性(awe)电解水制氢、质子交换膜(pem)电解水制氢以及固体氧化物(soec)电解水制氢。其中，质子膜电解水制氢系统比碱性电解水制氢系统效率更高，产生的氢气更纯，比固体氧化物电解水制氢系统技术更成熟，因此是目前电解水制氢技术领域研发的重点。
2、pem电解水制氢的pem电解槽在结构和内部环境上类似于燃料电池电堆(例如，数百单元堆叠、高氧气含量、高湿度、酸性环境等)，由膜电极、双极板(阴极板和阳极板)和密封圈形成的密封腔体是组成pem电解槽密封结构的基本单元(具体结构可参考公开号为cn111041510a的专利申请文本)。在压紧力作用下，放置于pem电解槽双极板密封槽中的密封圈自身产生弹性和塑性变形，填塞双极板密封面间间隙，达到密封的目的。电解水制氢反应产生高压氢气和高压氧气后，在高压产物氢气和氧气的作用下，pem电解槽双极板密封槽中的密封圈具有向外侧移动的趋势，需要依靠密封圈受压接触面上的摩擦力，防止气体泄露。因此，pem电解槽密封结构的设计关系到运行安全性和性能，是pem电解槽的核心。但是，当双极板面积超过1000cm2且pem电解槽中氢气和氧气压力高于1.6mpa时，由于现有pem电解槽双极板密封结构的密封性能有限，易发生密封圈外露或气体泄露等问题，影响pem电解槽安全稳定的运行。因此，亟需设计密封性能更佳的pem电解槽双极板密封结构以适应更大规模的pem电解槽。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本发明提供了一种用于pem电解槽极板的密封结构，所述密封结构包括极板和密封圈；所述极板的一侧向内凹陷，形成密封槽；所述密封圈嵌于密封槽；所述密封槽被密封圈填充的部分为填充区；所述填充区包括a区域、b区域和c区域；所述b区域位于a区域和c区域之间；所述密封圈填充于a区域的部分为a’区域，填充于b区域的部分为b’区域，填充于c区域的部分为c’区域；所述b区域与b’区域相抵靠接触的部分两边向外凸起，中间向内凹陷形成半圆形凹凸结构；所述b区域向外凸起的两个部分分别为第一半圆(r1)和第三半圆(r3)，向内凹陷的部分为第二半圆(r2)；所述a区域的截面深度小于等于所述c区域的截面深度；所述b区域的截面深度小于所述a区域的的截面深度；所述a’区域、b’区域和c’区域分别通过底涂胶固定在密封槽的a区域、b区域和c区域内。
2、在本发明的一种实施方式中，所述填充区a区域的截面为矩形；所述填充区a区域的截面面积满足如下公式：
3、sa1＝m1×(h4-h2)；
4、式中，sa1为填充区a区域的截面面积，单位mm2；m1为填充区a区域的截面宽度，单位mm；(h4-h2)为填充区a区域的截面深度，单位mm；h4为阴极板或阳极板的厚度，单位mm；h2为填充区a区域与密封圈a’区域相抵靠接触的内侧底面和阴极板与膜电极相贴的一面或阳极板与膜电极相贴的一面之间的距离，单位mm。
5、在本发明的一种实施方式中，所述m1的取值范围为2～20mm，所述m2的取值范围为3～40mm，所述h4的取值范围1～20mm，所述h2的取值范围0.2～9.5mm。
6、在本发明的一种实施方式中，所述填充区b区域的截面面积满足如下公式：
7、sb1＝(m2-m1)×(h4-h3+r1)-π(r12+r32-r22)/4；
8、式中，sb1为填充区b区域的截面面积，单位mm2；(m2-m1)为填充区b区域的截面宽度，单位mm；(h4-h3+r1)为填充区b区域的截面深度，单位mm；r1、r2和r3分别为第一半圆、第二半圆和第三半圆的直径，单位mm；h1为填充区c区域与密封圈c’区域相抵靠接触的内侧底面和阴极板与膜电极相贴的一面或阳极板与膜电极相贴的一面之间的距离，单位mm；π为圆周率。
9、在本发明的一种实施方式中，所述m1的取值范围为2～20mm，所述m2的取值范围为3～40mm，所述h1的取值范围0.05～5mm，所述r1的取值范围0.1～6，所述r2的取值范围0.1～6，所述r3的取值范围0.1～6。
10、在本发明的一种实施方式中，所述填充区c区域的截面为矩形；所述填充区c区域的截面面积满足如下公式：
11、sc1＝(m3-m2)×(h4-h1)；
12、式中，sc1为填充区c区域的截面面积，单位mm2；(m3-m2)为填充区c区域的截面宽度，单位mm；(h4-h1)为填充区c区域的截面深度，单位mm。
13、在本发明的一种实施方式中，所述m1的取值范围为2～20mm，所述m2的取值范围为3～40mm，所述h4的取值范围1～20mm，所述h2的取值范围0.2～9.5mm。
14、在本发明的一种实施方式中，所述密封圈a’区域的截面为矩形；所述密封圈a’区域的截面面积满足如下公式：
15、s1＝§×l1×a1；
16、式中，s1为密封圈a’区域的截面面积，单位mm2；§为密封圈的弹性系数；l1为密封圈a’区域的截面长度，单位mm；a1为密封圈a’区域的截面宽度，单位mm。
17、在本发明的一种实施方式中，所述密封圈b’区域的截面面积满足如下公式：
18、s2＝sb1-s胶2；
19、式中，s2为密封圈b’区域的截面面积，单位mm2；sb1为填充区b区域的截面面积，单位mm2；s胶2为密封圈b’区域底涂胶的点胶截面面积，单位mm2。
20、在本发明的一种实施方式中，所述密封圈c’区域的截面为矩形；所述密封圈c’区域的截面面积满足如下公式：
21、s3＝§×l3×a3；
22、式中，s3为密封圈c’区域的截面面积，单位mm2；§为密封圈的弹性系数；l3为密封圈c’区域的截面长度，单位mm；a3为密封圈c’区域的截面宽度，单位mm。
23、在本发明的一种实施方式中，所述填充区的截面面积满足如下公式：
24、s填充区＝sa1+sb1+sc1；
25、所述密封圈的截面面积满足如下公式：
26、s密＝s1+s2+s3；
27、并且，所述填充区和密封圈的截面面积满足如下公式：
28、sa1＝s1+s胶1；
29、sb1＝s2+s胶2；
30、sc1＝s3+s胶3；
31、式中，s胶1为密封圈a’区域底涂胶的点胶截面面积，单位mm2；s胶2为密封圈b’区域底涂胶的点胶截面面积，单位mm2；s胶3为密封圈c’区域底涂胶的点胶截面面积，单位mm2。
32、在本发明的一种实施方式中，所述密封圈的弹性系数§由密封圈在电解水制氢的反应温度和压力下材料的膨胀系数a或收缩系数b决定，§＝a或b，§的取值范围为0.90～1.20。
33、在本发明的一种实施方式中，所述极板为阴极板和/或阳极板。
34、在本发明的一种实施方式中，所述极板为pem电解槽的阴极板和/或阳极板。
35、在本发明的一种实施方式中，所述底涂胶分别设于a区域与a’区域相抵靠接触的内侧底面、b区域与b’区域相抵靠接触的内侧底面以及c区域与c’区域相抵靠接触的内侧底面。
36、在本发明的一种实施方式中，所述底涂胶分别设于a区域与a’区域相抵靠接触的内侧底面、第一半圆与b’区域相抵靠接触的内侧底面、第二半圆与b’区域相抵靠接触的内侧底面、第三半圆与b’区域相抵靠接触的内侧底面以及c区域与c’区域相抵靠接触的内侧底面。
37、在本发明的一种实施方式中，所述底涂胶通过单一点胶分别设于a区域与a’区域相抵靠接触的内侧底面、第一半圆与b’区域相抵靠接触的内侧底面、第二半圆与b’区域相抵靠接触的内侧底面、第三半圆与b’区域相抵靠接触的内侧底面以及c区域与c’区域相抵靠接触的内侧底面。
38、在本发明的一种实施方式中，所述密封圈的材料包括硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶或聚四氟乙烯中的至少一种。
39、本发明还提供了一种电解槽，所述电解槽设有上述密封结构。
40、在本发明的一种实施方式中，所述密封结构单独设于电解槽的阴极板或阳极板，或者，所述密封结构同时设于电解槽的阴极板和阳极板。
41、在本发明的一种实施方式中，所述阴极板和阳极板上的密封结构对称设置或不对称设置。
42、在本发明的一种实施方式中，所述电解槽为pem电解槽。
43、本发明还提供了一种电解水制氢装置，所述电解水制氢装置包括上述电解槽。
44、在本发明的一种实施方式中，所述电解水制氢装置为pem电解水制氢装置。
45、本发明还提供了一种电解水制氢方法，所述方法为：将去离子水通入上述电解水制氢装置中进行电解，得到氢气。
46、在本发明的一种实施方式中，所述电解水制氢方法为pem电解水制氢方法。
47、本发明还提供了上述密封结构或上述电解槽或上述电解水制氢装置或上述电解水制氢方法在电解水制氢中的应用。
48、在本发明的一种实施方式中，所述电解水制氢为pem电解水制氢。
49、本发明技术方案，具有如下优点：
50、本发明提供了一种用于pem电解槽极板的密封结构，包括极板和密封圈，极板的一侧向内凹陷，形成密封槽，密封圈嵌于密封槽，密封槽被密封圈填充的部分为填充区，填充区包括a区域、b区域和c区域，b区域位于a区域和c区域之间，密封圈填充于a区域的部分为a’区域，填充于b区域的部分为b’区域，填充于c区域的部分为c’区域，b区域与b’区域相抵靠接触的部分两边向外凸起，中间向内凹陷形成半圆形凹凸结构，b区域向外凸起的两个部分分别为第一半圆和第三半圆，向内凹陷的部分为第二半圆，a区域的截面深度小于所述c区域的截面深度，b区域的截面深度小于等于所述a区域的的截面深度，a’区域、b’区域和c’区域分别通过底涂胶固定在密封槽的a区域、b区域和c区域内。本发明将将密封槽设计成三层并联密封结构，并采用一体式密封圈结构。pem电解槽中的电解水制氢反应产生高压氢气和高压氧气后，在高压氢气和高压氧气的作用下，填充满c区域的密封圈作为第一道防护，当其受到产物气体向外的推力，由于多层并连密封设计，使c区域密封圈不仅受压于接触面上的摩擦力，受到c区域下端凹槽壁的反作用力，还受到b区域密封圈的反作用力，使其不易在高压下发生位移；填充满b区域的密封圈作为第二道防护，由于b区域凹槽设计为半圆形凹凸结构，该结构有利于b区域密封圈固定在对应的半圆形凹凸位置上，使其不易在高压下移动错位；a区域密封圈作为第三道防护，a区域密封圈不仅受压于接触面上的摩擦力，还受到a区域下端凹槽壁的反作用力，使其不易在高压下发生位移。
51、进一步地，所述填充区a区域的截面面积满足公式sa1＝m1×(h4-h2)，所述填充区b区域的截面面积满足公式sb1＝(m2-m1)×(h4-h3+r1)-π(r12+r32-r22)/4，所述填充区c区域的截面面积满足公式sc1＝(m3-m2)×(h4-h1)，所述密封圈a’区域的截面面积满足公式s1＝§×l1×a1，所述密封圈b’区域的截面面积满足公式s2＝sb1-s胶2，所述密封圈c’区域的截面面积满足公式s3＝§×l3×a3，所述填充区的截面面积满足公式s填充区＝sa1+sb1+sc1，所述密封圈的截面面积满足公式s密＝s1+s2+s3，并且，所述填充区和密封圈的截面面积满足公式sa1＝s1+s胶1、sb1＝s2+s胶2和sc1＝s3+s胶3。此设置下，在电解水制氢的反应温度和压力下，密封圈和底涂胶能够充分填满填充区a区域、填充区b区域和填充区c区域，防止高压氧气或高压氢气外泄。
1.一种密封结构，其特征在于，所述密封结构包括极板和密封圈；所述极板的一侧向内凹陷，形成密封槽；所述密封圈嵌于密封槽；所述密封槽被密封圈填充的部分为填充区；所述填充区包括a区域、b区域和c区域；所述b区域位于a区域和c区域之间；所述密封圈填充于a区域的部分为a’区域，填充于b区域的部分为b’区域，填充于c区域的部分为c’区域；所述b区域与b’区域相抵靠接触的部分两边向外凸起，中间向内凹陷形成半圆形凹凸结构；所述b区域向外凸起的两个部分分别为第一半圆和第三半圆，向内凹陷的部分为第二半圆；所述a区域的截面深度小于等于所述c区域的截面深度；所述b区域的截面深度小于所述a区域的的截面深度；所述a’区域、b’区域和c’区域分别通过底涂胶固定在密封槽的a区域、b区域和c区域内。
2.如权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述填充区a区域的截面为矩形；所述填充区a区域的截面面积满足如下公式：
3.如权利要求1或2所述的密封结构，其特征在于，所述密封圈a’区域的截面为矩形；所述密封圈a’区域的截面面积满足如下公式：
4.如权利要求1～3任一项所述的密封结构，其特征在于，所述填充区的截面面积满足如下公式：
5.如权利要求3所述的密封结构，其特征在于，所述密封圈的弹性系数§由密封圈在电解水制氢的反应温度和压力下材料的膨胀系数a或收缩系数b决定，§＝a或b，§的取值范围为0.90～1.20。
6.一种电解槽，其特征在于，所述电解槽设有权利要求1～5任一项所述的密封结构。
7.如权利要求6所述的电解槽，其特征在于，所述密封结构单独设于电解槽的阴极板或阳极板，或者，所述密封结构同时设于电解槽的阴极板和阳极板。
8.一种电解水制氢装置，其特征在于，所述电解水制氢装置包括权利要求6或7所述的电解槽。
9.一种电解水制氢方法，其特征在于，所述方法为：将去离子水通入权利要求8所述的电解水制氢装置中进行电解，得到氢气。
10.权利要求1～5任一项所述的密封结构或权利要求6或7所述的电解槽或权利要求8所述的电解水制氢装置或权利要求9所述的电解水制氢方法在电解水制氢中的应用。
