自感知一体化复合密封极板组件及其控制预警方法与流程

本发明涉及质子交换膜电解水制氢装备，特别涉及一体化复合密封极板组件及其控制预警方法。

背景技术：

1、质子交换膜电解水制氢是实现可再生能源规模化制氢的核心技术，双极板作为电解槽的核心部件，其边缘密封结构的可靠性直接决定电解槽的运行安全性与使用寿命。由于质子交换膜电解槽内部长期处于高压、高湿、富氢、富氧的酸性介质环境，密封结构同时承受装配预紧压力、温度循环波动及启停交变载荷的共同作用，一旦密封结构发生过度压缩、永久蠕变、界面脱粘或介质渗透，将引发氢气、氧气或电解液泄漏，严重威胁电解槽安全稳定运行。

2、现有质子交换膜电解槽通常采用独立橡胶密封圈实现双极板间的气液密封。该类密封结构仅承担单一密封功能，对密封材料的横向蠕变变形及向流道内的挤入行为缺乏有效约束。电解槽经过长期压紧与压力循环后，密封橡胶易发生不可逆的形状改变，既会导致流道有效截面积缩减、流体分配异常，也会造成密封界面接触压力分布不均，降低长期密封可靠性。

3、为实现密封状态的在线监测，现有的一些方案提出在密封圈附近设置电阻丝、光纤或其他分立传感元件的方案。但此类方案均存在难以克服的缺陷：首先，传感元件多通过粘接、嵌装或机械固定方式集成于密封结构中，其与橡胶密封材料的热膨胀系数、弹性模量及界面性能存在显著差异，长期运行过程中易发生界面滑移、脱粘甚至局部剥离，反而形成新的渗漏风险点；其次，分立传感元件的引入破坏了密封体的结构连续性，增加了装配复杂度，且多数传感元件难以长期耐受电解槽内部强酸、强氧化的苛刻工况；再者，电解槽工作电流大、电磁环境复杂，常规电检测信号易受共模电压、开关谐波及电磁噪声干扰，测量稳定性差，同时检测回路易在不同直流电位的双极板之间形成导电旁路，干扰电解槽主电源的正常工作，甚至带来安全隐患。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中的不足，提供一种自感知一体化复合密封极板组件及其控制预警方法。

2、本发明的目的是通过如下技术方案实现的：自感知一体化复合密封极板组件，包括极板本体、设置在极板本体上的绝缘弹性密封体，绝缘弹性密封体内部埋设有钛基铠甲片；所述绝缘弹性密封体沿极板本体的外围边缘连续布置，钛基铠甲片与极板本体之间形成有绝缘弹性材料层；所述极板本体上设置有检测参考端，检测参考端连接本地浮地检测电路,本地浮地检测电路以极板本体的电位作为本地参考电位；所述钛基铠甲片上设置有检测引出端，所述检测引出端延伸至绝缘弹性密封体外部并连接控制预警系统；

3、控制预警系统包括交流激励模块，交流激励模块在钛基铠甲片与对应极板本体之间施加幅值受限的交流检测信号；所述极板本体、钛基铠甲片以及二者之间的绝缘弹性材料层共同构成原位复导纳检测单元；交流检测信号在钛基铠甲片、绝缘弹性材料、极板本体和本地浮地检测电路之间形成检测通道；通过原位复导纳检测单元的导纳参数表征密封区域的机械变形状态与介质侵入状态。

4、作为优选，所述钛基铠甲片朝向极板本体的一侧设置有复合介电涂层，复合介电涂层内分散设置离子响应介电填料；当酸性介质或者含离子介质进入密封区域后，离子响应介电填料周围的极化状态和离子迁移条件发生变化，使复合介电涂层的介电常数、介电损耗或者等效交流电导发生改变，以提高介质侵入的检测响应。

5、作为优选，绝缘弹性密封体的内侧设置有流道区；所述钛基铠甲片沿绝缘弹性密封体的延伸方向连续设置，所述钛基铠甲片靠近流道区的一侧设置有阻挡部，钛基铠甲片远离流道区的一侧设置有释放部；所述阻挡部为相对于铠甲片主体表面凸出的台阶结构或折弯结构，用于限制绝缘弹性密封体受压后向流道方向移动；所述释放部为相对于铠甲片主体表面凹陷的弧形过渡结构，用于容纳受压变形的绝缘弹性密封体材料，并引导绝缘弹性密封体材料优先向远离流道区的一侧变形。

6、作为优选，所述检测参考端通过取样支路与本地浮地检测电路相连，所述检测参考端与双极板的主电流输入端、主电流输出端相互独立，不承担电解槽的主工作电流；所述检测参考端的取样支路设置有限流与过电压保护结构；所述交流激励模块的输出支路设置有隔直元件。

7、作为优选，当前检测通道与电解槽主电源公共端、机壳接地端以及其他检测通道回路之间保持电气隔离，以避免形成直流导电通路或旁路电流。

8、一种自感知一体化复合密封极板组件的控制预警方法，具体包括如下步骤：

9、s1:本地浮地激励：以当前检测通道回路对应的极板本体电位为本地参考电位，向钛基铠甲片施加幅值受限的交流检测信号；

10、s2:参数采集与计算：实时采集原位复导纳检测单元的等效电容值与等效交流电导值，结合预标定的基准参数计算电容变化率与电导变化率；

11、s3:状态判别与分级控制：根据电容变化率与电导变化率的阈值匹配结果分析密封区域的机械变形异常与介质侵入异常，基于分析结果采取对应的处理措施。

12、作为优选，步骤s2中，预标定过程包括装配基准标定和运行基准标定；

13、装配基准标定的方法为：电解槽装配压紧后，在正式运行前对各检测通道进行装配基准标定，记录对应检测通道在预设装配压力、温度和无介质侵入状态下的初始电容值c0和初始电导值g0；

14、运行基准标定的方法为：电解槽进入稳定带电运行、密封状态确认正常且工况参数稳定时，记录正常运行状态下的寄生耦合与工况干扰基准特征，获取运行基准参数，并确定补偿参数；基准参数包括带载稳态基准值、寄生参数基线与噪声与干扰基准，补偿参数包括温度补偿系数、压力补偿系数、工作电流补偿系数；运行过程中根据电解槽的工作电流、极板本体的电位、温度、压力调用对应的基准参数与补偿参数，对电容实测值和等效交流电导实测值进行修正，以消除正常工况波动导致的检测偏差；修正后的实测值用于计算电容变化率与电导变化率。

15、作为优选，所述电容变化率的计算公式为：

16、；

17、其中，为经上述基准参数与补偿参数修正后的等效电容实测值，c0为装配基准标定得到的初始等效电容值；

18、所述电导变化率的计算公式为：

19、；

20、其中，为经上述基准参数与补偿参数修正后的等效交流电导实测值，g0为装配基准标定得到的初始等效交流电导值。

21、作为优选，当电容变化率达到或超过第一电容变化率阈值且低于第二电容变化率阈值、电导变化率低于第一电导变化率阈值时，则判定为绝缘弹性密封体机械变形类异常，绝缘弹性密封体机械变形类异常包括过度压缩、永久变形或局部脱粘；

22、若电导变化率达到或超过第一电导变化率阈值且低于第二电导变化率阈值，并且电容变化率低于第二电容变化率阈值，则判定为介质侵入类异常；

23、若电容变化率达到或超过第二电容变化率阈值，或电导变化率达到或超过第二电导变化率阈值，则判定为高风险密封失效状态。

24、作为优选，对于堆叠式电解槽的多通道检测场景，各检测通道采用分时激励、异频激励或编码激励方式抑制检测通道间串扰；同时通过结构屏蔽、多频检测、空载/带载标定、参考通道补偿或等效网络解算中的至少一种方式降低寄生参数对检测结果的干扰。

25、本发明的有益效果是：

26、1、本发明将钛基铠甲片内嵌于绝缘弹性密封体内部，使其兼具密封结构增强骨架与传感检测电极双重功能，无需额外嵌装电阻丝、光纤等分立传感元件，从根源上避免了传感元件与密封材料因物性参数不匹配引发的界面滑移、脱粘及剥离缺陷，消除了传感集成带来的新增渗漏风险点，同时简化了密封组件结构与装配工序。

27、2、本发明通过钛基铠甲片的非对称截面结构设计，在流道侧设置阻挡约束部、在远离流道侧设置弧形凹陷释放部，主动引导绝缘弹性密封体受压后向远离流道的一侧定向变形延展，有效约束密封材料向流道内的挤入行为，避免流道有效截面积缩减与流体分配异常，保障电解槽气液输运效率与电化学反应一致性。

28、3、本发明通过同步采集等效电容与等效电导双参数，实现密封区域机械变形异常与介质侵入异常两类失效模式的特征解耦与精准区分，有效排除单一参数检测存在的信号耦合干扰，显著提升密封泄漏风险识别的准确性与早期预警可靠性。

29、4、本发明采用原位复导纳非侵入式检测架构，检测支路无需串联接入电解槽主电流回路、不承载主工作电流；结合本地浮地激励与通道电气隔离设计，避免检测回路形成直流导电旁路，并降低其对主电源系统的电磁耦合影响，在实现密封状态在线实时监测的同时，有效提升pem电解槽长期运行的电气安全性与工况稳定性。