一种高耐久高利用率PEM电解水膜电极封装结构制造技术

本技术涉及膜电极封装结构技术领域，具体地说是一种高耐久高利用率PEM电解水膜电极封装结构，包括质子交换膜、两层第一边框层以及两层第二边框层，质子交换膜两侧表面均设置有催化层，质子交换膜和催化层设于两层第一边框层之间，且位于第一边框层的内边缘处，两层第一边框层相对的面相互粘接，两层第一边框层相背的面分别粘接有一层第二边框层；本技术同现有技术相比，能够降低质子交换膜的浪费，提升材料利用率，节省膜电极的成本，同时改善长时间运行因为反复溶胀和密封垫挤压导致的脱胶问题,提升膜电极的耐久和可靠性。

【技术实现步骤摘要】

[]本技术涉及膜电极封装结构，具体地说是一种高耐久高利用率pem电解水膜电极封装结构。

技术介绍

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技术介绍
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1、膜电极是pem(proton exchange membrane，质子交换膜)电解水制氢装置的核心组件，主要由质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、边框材料和粘结剂等材料组成。目前膜电极封装方法多使用在燃料电池领域，其结构原理虽然和电解水膜电极相似，但是电解水膜电极的质子交换膜相较于燃料电池膜电极在厚度上大幅增加，导致质子交换膜在使用过程中的溶胀问题严重，对电解水膜电极的封装带造成一系列问题：

2、(1)目前电解水质子交换膜厚度多为100μm以上，为了避免质子交换膜和边框在贴合后的接触位置有气泡，所以质子交换膜的尺寸和边框尺寸保持一致，造成非反应活性区质子交换膜材料的大量浪费，材料利用率小于50％，大幅增加膜电极的成本，如附图5所示。

3、(2)较厚的质子膜在干燥和潮湿两种状态转变中因为收缩和溶胀导致尺寸变化幅度较大，而与其接触的边框及胶材料的尺寸变化较小，加上密封垫挤压的影响，导致运行过程中膜电极易产生组件变形及粘接失效等问题，尤其在水气进出口的位置，如附图6和附图7所示。

4、因此，需要一种新的电解水膜电极的封装结构，以减少质子交换膜浪费的问题，同时改善长时间运行因为反复溶胀和密封垫挤压导致的脱胶问题。

技术实现思路

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技术实现思路
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1、本技术的目的就是要解决上述的不足而提供一种高耐久高利用率pem电解水膜电极封装结构，能够降低质子交换膜的浪费，提升材料利用率，大幅节省膜电极的成本，同时改善长时间运行因为反复溶胀和密封垫挤压导致的脱胶问题。

2、为实现上述目的设计一种高耐久高利用率pem电解水膜电极封装结构，包括质子交换膜1、两层第一边框层2以及两层第二边框层3，所述质子交换膜1两侧表面均设置有催化层4，所述质子交换膜1和催化层4设于两层第一边框层2之间，且位于第一边框层2的内边缘处，两层第一边框层2相对的面相互粘接，两层第一边框层2相背的面分别粘接有一层第二边框层3。

3、进一步地，所述第一边框层2和第二边框层3均采用高分子材料pen、pi或pps制成，具有很好的物理机械性能、气体阻隔性能、化学稳定性及耐热、耐紫外线、耐辐射等性能，从而确保边框膜产品具有优异的耐老化性。

4、进一步地，所述质子交换膜1为具有增强层的复合质子交换膜，所述复合质子交换膜由质子交换膜以及设置于质子交换膜阳极侧与阴极侧之间的增强层构成，可以减少反复溶胀带来的活性区尺寸变化导致的机械损伤，延长运行寿命。

5、进一步地，所述质子交换膜1的长宽均比活性反应区6大4-6mm，有利于边框贴合的对齐过程；所述质子交换膜1的厚度为25-80μm，相较于超过100μm厚度的质子交换膜，可以提升离子导通率和电解水效率，而增强层的引入提升质子交换膜的力学性能，减缓质子交换膜溢出的问题。

6、进一步地，所述第二边框层3与第一边框层2的外边缘齐平，所述第二边框层3的内边缘位于第一边框层2的内边缘的外侧，且第二边框层3的内边缘设于质子交换膜1外围，进一步为膜电极提供力学支撑。

7、进一步地，所述第二边框层3上粘接有密封垫8，所述密封垫8与质子交换膜1外径的距离保持3mm以上，从而密封垫8的挤压作用不会影响到边框和质子交换膜的贴合，避免脱胶现象，保障长时间运行封装的稳定性。

8、进一步地，所述第一边框层2的内边缘处设置有凹槽5，两层第一边框层2上的凹槽5上下对称布置，并构成供质子交换膜嵌入的插槽。

9、进一步地，所述两层第一边框层2之间的插槽内设置有粘结剂层，并通过粘结剂层与质子交换膜1紧密贴合。

10、进一步地，所述第一边框层2内位于插槽的上下两侧均设置有凹槽二7，所述催化层4通过凹槽二7设于第一边框层2内，且催化层4的长宽均偏小于质子交换膜1的长宽。

11、本技术同现有技术相比，具有如下优点：

12、(1)本技术质子交换膜位于第一边框层的内边缘处，而并非如改进前结构那样与边框尺寸保持一致，能够降低质子交换膜的浪费，提升材料利用率到90％以上，大幅节省了膜电极的成本；

13、(2)本技术增强层质子交换膜可以减少反复溶胀带来的活性区尺寸变化导致的机械损伤，延长了运行寿命；

14、(3)本技术质子交换膜和水气进\出口不直接接触，避免了该位置因为溶胀导致的脱胶和质子交换膜溢出现象，大幅提升了膜电极的运行寿命；

15、(4)本技术密封垫和质子交换膜相对位置的优化，避免了因为密封垫挤压导致的边框脱胶现象，大幅提升了膜电极的耐久和可靠性。

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【技术保护点】

1.一种高耐久高利用率PEM电解水膜电极封装结构，其特征在于：包括质子交换膜(1)、两层第一边框层(2)以及两层第二边框层(3)，所述质子交换膜(1)两侧表面均设置有催化层(4)，所述质子交换膜(1)和催化层(4)设于两层第一边框层(2)之间，且位于第一边框层(2)的内边缘处，两层第一边框层(2)相对的面相互粘接，两层第一边框层(2)相背的面分别粘接有一层第二边框层(3)。

2.如权利要求1所述的高耐久高利用率PEM电解水膜电极封装结构，其特征在于：所述第一边框层(2)和第二边框层(3)均采用高分子材料PEN、PI或PPS制成。

3.如权利要求1所述的高耐久高利用率PEM电解水膜电极封装结构，其特征在于：所述质子交换膜(1)为具有增强层的复合质子交换膜，所述复合质子交换膜由质子交换膜以及设置于质子交换膜阳极侧与阴极侧之间的增强层构成。

4.如权利要求1所述的高耐久高利用率PEM电解水膜电极封装结构，其特征在于：所述质子交换膜(1)的长宽均比活性反应区(6)大4-6mm，所述质子交换膜(1)的厚度为25-80μm。

5.如权利要求1所述的高耐久高利用率PEM电解水膜电极封装结构，其特征在于：所述第二边框层(3)与第一边框层(2)的外边缘齐平，所述第二边框层(3)的内边缘位于第一边框层(2)的内边缘的外侧，且第二边框层(3)的内边缘设于质子交换膜(1)外围。

6.如权利要求1所述的高耐久高利用率PEM电解水膜电极封装结构，其特征在于：所述第二边框层(3)上粘接有密封垫(8)，所述密封垫(8)与质子交换膜(1)外径的距离保持3mm以上。

7.如权利要求1至6中任一项所述的高耐久高利用率PEM电解水膜电极封装结构，其特征在于：所述第一边框层(2)的内边缘处设置有凹槽(5)，两层第一边框层(2)上的凹槽(5)上下对称布置，并构成供质子交换膜嵌入的插槽。

8.如权利要求7所述的高耐久高利用率PEM电解水膜电极封装结构，其特征在于：所述两层第一边框层(2)之间的插槽内设置有粘结剂层，并通过粘结剂层与质子交换膜(1)紧密贴合。

9.如权利要求7所述的高耐久高利用率PEM电解水膜电极封装结构，其特征在于：所述第一边框层(2)内位于插槽的上下两侧均设置有凹槽二(7)，所述催化层(4)通过凹槽二(7)设于第一边框层(2)内，且催化层(4)的长宽均偏小于质子交换膜(1)的长宽。

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【技术特征摘要】

1.一种高耐久高利用率pem电解水膜电极封装结构，其特征在于：包括质子交换膜(1)、两层第一边框层(2)以及两层第二边框层(3)，所述质子交换膜(1)两侧表面均设置有催化层(4)，所述质子交换膜(1)和催化层(4)设于两层第一边框层(2)之间，且位于第一边框层(2)的内边缘处，两层第一边框层(2)相对的面相互粘接，两层第一边框层(2)相背的面分别粘接有一层第二边框层(3)。

2.如权利要求1所述的高耐久高利用率pem电解水膜电极封装结构，其特征在于：所述第一边框层(2)和第二边框层(3)均采用高分子材料pen、pi或pps制成。

3.如权利要求1所述的高耐久高利用率pem电解水膜电极封装结构，其特征在于：所述质子交换膜(1)为具有增强层的复合质子交换膜，所述复合质子交换膜由质子交换膜以及设置于质子交换膜阳极侧与阴极侧之间的增强层构成。

4.如权利要求1所述的高耐久高利用率pem电解水膜电极封装结构，其特征在于：所述质子交换膜(1)的长宽均比活性反应区(6)大4-6mm，所述质子交换膜(1)的厚度为25-80μm。

5.如权利要求1所述的高耐久高利用率pem电解水膜电极封装结构，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵冠雷，刘嘉玺，张志国，
申请(专利权)人：上海亿氢能源科技有限公司，
类型：新型
国别省市：