[发明专利]一种PEM水电解制氢膜电极-绝缘边框一体化结构

说明书

本发明涉及一种PEM水电解制氢膜电极‑绝缘边框一体化结构，包括阳极气室、阴极气室和设于阳极气室、阴极气室之间的膜电极；阳极气室包括阳极侧钛隔板、阳极扩散层、阳极侧密封垫片、阳极绝缘边框、膜电极密封垫片；阴极气室包括阴极侧钛隔板、阴极侧气体扩散层、阴极侧密封垫片、阴极绝缘边框；阴极绝缘边框上设有一个环形沉台，膜电极对应阴极侧表面与环形沉台接触并胶黏连接，构成环形结构的粘接层。与现有技术相比，本发明所制备的膜电极‑绝缘边框一体结构对于膜电极要求更少的材料，无复杂外形，节省成本；减少了安装膜电极对位安装环节，提高效率；能够在保护膜边缘不被损坏的情况下，能够很好的确保阴极/阳极气体密封。

技术领域

本发明涉及PEM水电解制氢领域，尤其是涉及一种PEM水电解制氢膜电极-绝缘边框一体化结构。

背景技术

电解水制氢以水为反应物，在电解装置中施加直流电即可产生氢气和氧气，设备简单，产生氢气纯度高，可以大规模技术推广和使用。电解水主要有三种方式：碱性电解水制氢、固体氧化物电解水制氢和质子交换膜电解水制氢。其中，质子交换膜电解水制氢具有电流密度高、灵活性强、效率高、能量容量大等特点，能很好的匹配可再生能源(如风能、太阳能)，并且由于结构紧凑，可以在高达350bar的高压下运行，有利于氢气的存储和输运，可以有效降低压缩和存储带来的损耗。质子交换膜电解池(Proton ExchangeMembraneElectrolysis Cell，PEMEC)主要由膜电极、气体扩散层和双极板构成。

膜电极作为PEMEC的核心部件主要由阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层构成。阳极催化剂主要将水分解为氧气、电子和质子；质子交换膜作为固体电解质，能够有效的隔绝阴阳两极生成的气体，但质子能够以水合氢离子的形式通过；阴极催化剂促使氢离子反应生成氢气。

现有水电解槽是放置在常温环境下，故水电解槽相对于环境有较高的压力差，阴极气室与环境压差最大可达到3.5MPa。阳极气室与环境压差最大可达1.5MPa。PEM制氢对水电解槽密封材料有非常高的要求，现有材料满足要求的种类较少，且价格昂贵，制约水电解槽的成本和商业应用范围。

现有的膜电极尺寸与绝缘边框外形尺寸完全相同，膜电极两侧的阴极反应区和阳极反应区喷涂催化剂，现有技术有3个弊端：①反应区和非反应区膜厚度存在差距10～15微米；②质子膜存在浪费；③由于膜电极仅仅是质子膜，质地较软，且对于环境中的湿度较为敏感容易发生溶胀，产生褶皱，装配极为不便。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种PEM水电解制氢膜电极-绝缘边框一体化结构，所制备的膜电极-绝缘边框一体结构对于膜电极要求更少的材料，无复杂外形，节省成本。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的目的是提供一种PEM水电解制氢膜电极-绝缘边框一体化结构，包括阳极气室、阴极气室和设于阳极气室、阴极气室之间的膜电极；

所述阳极气室包括设于阳极侧的：阳极侧钛隔板、阳极扩散层、阳极侧密封垫片、阳极绝缘边框、膜电极密封垫片；

所述阴极气室包括设于阴极侧的：阴极侧钛隔板、阴极侧气体扩散层、阴极侧密封垫片、阴极绝缘边框；

所述阴极绝缘边框上设有一个环形沉台，膜电极对应阴极侧表面与环形沉台接触并胶黏连接，构成环形结构的粘接层。

进一步地，所述环形沉台的宽度为5～10mm，环形沉台的深度s为0.1～0.2mm。

进一步地，所述环形沉台的环形面上涂覆有粘接胶体，以此构成粘接层，粘接层连接膜电极与阴极绝缘边框。

进一步地，所述粘接层采用的胶体为热敏粘接胶或压敏粘接胶。

进一步地，所述环形沉台的内壁与膜电极周向外边之间留设有间隙。