本发明专利技术公开了一种膜电极单元和PEM电解水制氢电解槽及制备方法，涉及PEM电解水制氢领域，包括N个膜电极组件；2N个气体扩散层；2N个密封组件；N+1个极板，所述极板包括1个上端极板、1个下端极板和N‑1个双极板；还包括端板、绝缘板及集流板；其中，所述端板包括上端板和下端板；所述膜电极单元的上端从下往上贴有集流板、绝缘板和上端板；所述膜电极单元的下端从上往下贴有集流板、绝缘板和下端板。本发明专利技术所选择的关键部件的均采用超薄的结构设计，可使其体积极大地缩小，厚度变薄，整个装配完成的电解槽结构紧凑，在满足性能优势的同时具有更小的占地面积和更便捷的运输特性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及pem电解水制氢领域，尤其涉及一种膜电极单元和pem电解水制氢电解槽及制备方法。
技术介绍
1、氢能作为一种清洁能源，与传统的煤炭、化石能源相比较，氢能在转化过程中，几乎是零碳排放的，它有燃烧性能好、储量丰富、热值高、储存形态多样等特点。氢能技术的发展近年来受到国家的大力推广和支持，其中pem电解制氢是氢能技术发展的重要方面。pem纯水电解制氢因其具有电流密度高，响应速度快，产氢纯度高，体积小等特点近年越来越受到人们的关注，此外pem电解水制氢技术与可再生能源的波动性良好结合的特点也是其快速发展的主要动力。
2、pem电解槽阴阳极发生反应各不相同，阳极电解水后产生氧气，经双极板阳极面排出，阴极电解后产生氢气，经双极板阴极面排出，为防止气体窜漏，保证电解槽运行的安全性与稳定性，需在阳极面和阴极面设计密封结构以分隔pem电机槽的阴阳极。在当前的研究中，很多研究者为了追求成本的降低，选择诸如双极板无流场、无涂层设计，装配过程中存在定位困难、因为变形从而贴合膜电极表面不均、扎伤、损坏膜电极的问题。
3、此外，在关键部件的匹配和装配过程中，电解槽生产使用过程中各式各样的材料选择，电堆组装方式，零部件的表面处理，催化剂负载以及使用的方法，操作条件等过程无法做到简单化、系统化，导致各种结果的性能偏差巨大，严重阻碍了pem电解水制氢技术的发展。
4、针对现在pem电解水制氢部件匹配和装配的问题，需要开发一种简单、低成本pem电解槽的装配方法，以降低制造和使用成本，提高电解槽的使用寿命。
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br/>技术实现思路
1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何降低pem电解水制氢电解槽的制造和使用成本，提高电解槽的使用寿命。
2、为实现上述目的，本专利技术一方面提供了一种膜电极单元，包括：
3、n个膜电极组件；所述膜电极组件包括阳极催化剂层、阴极催化剂层和质子交换膜，所述阳极催化剂层和阴极催化剂层位于所述质子交换膜两侧；
4、2n个气体扩散层；所述气体扩散层包括n个阳极气体扩散层和n个阴极气体扩散层，所述阳极气体扩散层紧靠阳极催化剂层，所述阴极气体扩散层紧靠阴极催化剂层；
5、2n个密封组件；
6、n+1个极板，所述极板包括1个上端极板、1个下端极板和n-1个双极板；
7、其中，所述上端极板的下侧、下端极板的上侧及双极板的双侧开有密封沟槽；所述密封组件置于所述密封沟槽内；
8、所述阳极气体扩散层紧靠所述置有密封沟槽的所述上端极板的下侧或所述双极板的下侧；所述阴极气体扩散层紧靠所述置有密封沟槽的所述下端极板的上侧或所述双极板的上侧。
9、优选地，所述阴极催化剂层厚度为5-20μm，阳极催化剂层厚度为10-30μm。
10、优选地，所述阳极气体扩散层为钛毡、多孔烧结钛板、多孔钛网中的任一种，所述阳极气体扩散层上面的镀层为镀层金、铂、ni、cr中的任一种；所述阳极气体扩散层的孔隙率为15％-80％；所述阳极气体扩散层的厚度为0.15mm-2mm；
11、所述阴极气体扩散层为碳纸、碳布、碳纤维毡、钛毡、多孔烧结钛板、多孔钛网、镍网中的任一种，所述阴极气体扩散层的孔隙率为10％-90％；所述阴极气体扩散层的厚度为0.1-2mm。
12、优选地，所述密封组件为硅橡胶、氟橡胶中的任一种；所述密封组件的厚度为0.5-2.8mm，所述密封组件的宽度为2.5-8.5mm。
13、优选地，所述下端极板带有阴极流场和密封沟槽，所述上端极板带有阳极流场、密封沟槽、进水口、出水口、阴极流场结构、阳极流场结构和氢气出口；所述双极板带有密封沟槽、阳极流场、进出水口、阴极流场结构、阳极流场结构、氢气出口和密封沟槽。
14、本专利技术另一方面提供了一种pem电解水制氢电解槽，包括上述膜电极单元，还包括端板、绝缘板及集流板；其中，所述端板包括上端板和下端板；所述膜电极单元的上端从下往上贴有集流板、绝缘板和上端板；所述膜电极单元的下端从上往下贴有集流板、绝缘板和下端板。
15、优选地，所述上端板和下端板由碳钢或不锈钢组成。
16、优选地，所述绝缘板为环氧树脂板、聚四氟乙烯板、聚醚醚酮板、聚酰亚胺板中的任一种；所述集流板为铜板。
17、本专利技术还提供了一种pem电解水制氢电解槽的装配方法，所述方法包括以下步骤：
18、s10、在装配平台上确定下端板的位置，水平放置，然后在定位孔插入定位销，在螺栓孔插入螺杆；
19、s20、在下端板上依次放入绝缘板、集流板；
20、s30、在下端极板的密封沟槽中放入密封组件，然后依次堆叠阴极气体扩散层、膜电极组件和阳极气体扩散层；
21、s40、在双极板两侧的密封沟槽中分别填入密封组件，然后将其放在阳极气体扩散层表面；
22、s50、依次重复s30和s40的步骤，直至堆叠结束，在最上层放入上端极板，再堆叠集流板、绝缘板和上端板；
23、s60、将步骤s50得到的堆叠结构放入压机下，开始堆叠压紧，在保持一定压力的情况下进行螺丝紧固，直到达到预设紧固，形成pem电解槽。
24、优选地，所述步骤s60中的压力为0.01-3mpa；保压时间为8-24h。
25、本专利技术的有益技术效果：
26、1、本专利技术从实际应用的角度对关键部件进行了大量实验和筛选，优选出现阶段适配工业应用的pem电解槽关键部件，这些部件的基本参数得到了实际验证，从结构设计和部件搭配上选择了最简单的方式，一方面加工制造成本较低，另一方面装配简单，提高了制造效率，满足工业化和批量化装配使用；
27、2、本专利技术在电解槽装配过程中，可选择自动化抓取进行堆叠和定位，避免各关键部件阴阳极错乱和错位，装配精度高；
28、3、本专利技术在堆叠结束后，进行机械紧固，根据所选择的关键部件进行紧固力矩的选择的压实，具有不同部件堆叠的适配性，避免损伤关键材料和结构；
29、4、本专利技术所选择的关键部件的均采用超薄的结构设计，可使其体积极大地缩小，厚度变薄，整个装配完成的电解槽结构紧凑，在满足性能优势的同时具有更小的占地面积和更便捷的运输特性；此外，更适配于多台pem电解槽并联应用的场景。
30、5、本专利技术提出的pem电解槽的匹配和装配方法，可对电解槽的规模进行放大，避免并联结构造成的成本高、占地面积大、控制系统复杂等缺陷。
31、以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。
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【技术保护点】
1.一种膜电极单元，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的膜电极单元，其特征在于，所述阴极催化剂层厚度为5-20μm，阳极催化剂层厚度为10-30μm。
3.根据权利要求1所述的膜电极单元，其特征在于，所述阳极气体扩散层为钛毡、多孔烧结钛板、多孔钛网中的任一种，所述阳极气体扩散层上面的镀层为镀层金、铂、Ni、Cr中的任一种；所述阳极气体扩散层的孔隙率为15％-80％；所述阳极气体扩散层的厚度为0.15mm-2mm；
4.根据权利要求1所述的膜电极单元，其特征在于，所述密封组件为硅橡胶、氟橡胶中的任一种；所述密封组件的厚度为0.5-2.8mm，所述密封组件的宽度为2.5-8.5mm。
5.根据权利要求1所述的膜电极单元，其特征在于，所述下端极板带有阴极流场和密封沟槽，所述上端极板带有阳极流场、密封沟槽、进水口、出水口、阴极流场结构、阳极流场结构和氢气出口；所述双极板带有密封沟槽、阳极流场、进出水口、阴极流场结构、阳极流场结构、氢气出口和密封沟槽。
6.一种PEM电解水制氢电解槽，包括权利要求1-5任一所述的膜电极单元，其特征在于，还包括端板、绝缘板及集流板；其中，所述端板包括上端板和下端板；所述膜电极单元的上端从下往上贴有集流板、绝缘板和上端板；所述膜电极单元的下端从上往下贴有集流板、绝缘板和下端板。
7.根据权利要求6所述的PEM电解水制氢电解槽，其特征在于，所述上端板和下端板由碳钢或不锈钢组成。
8.根据权利要求6所述的PEM电解水制氢电解槽，其特征在于，所述绝缘板为环氧树脂板、聚四氟乙烯板、聚醚醚酮板、聚酰亚胺板中的任一种；所述集流板为铜板。
9.一种PEM电解水制氢电解槽的装配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的PEM电解水制氢电解槽的装配方法，其特征在于，
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【技术特征摘要】
1.一种膜电极单元，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的膜电极单元，其特征在于，所述阴极催化剂层厚度为5-20μm，阳极催化剂层厚度为10-30μm。
3.根据权利要求1所述的膜电极单元，其特征在于，所述阳极气体扩散层为钛毡、多孔烧结钛板、多孔钛网中的任一种，所述阳极气体扩散层上面的镀层为镀层金、铂、ni、cr中的任一种；所述阳极气体扩散层的孔隙率为15％-80％；所述阳极气体扩散层的厚度为0.15mm-2mm；
4.根据权利要求1所述的膜电极单元，其特征在于，所述密封组件为硅橡胶、氟橡胶中的任一种；所述密封组件的厚度为0.5-2.8mm，所述密封组件的宽度为2.5-8.5mm。
5.根据权利要求1所述的膜电极单元，其特征在于，所述下端极板带有阴极流场和密封沟槽，所述上端极板带有阳极流场、密封沟槽、进水口、出水口、阴极流场结构、阳极流场结构和氢气出口；...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩坤坤，路文龙，蒋章堂，
申请(专利权)人：上海电气集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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