一种可自定位组装的质子交换膜电解水反应装置及其组装方法

本发明属于质子交换膜电解水制氢反应装置领域，涉及一种可自定位组装的电解水反应装置及其组装方法，尤其涉及一种规模化低成本生产的可自定位组装的质子交换膜电解水反应装置及其组装方法。

背景技术：

1、面对化石能源过度消费造成的全球环境污染和能源危机，寻求可持续和可再生的能源已成为当今最重要的挑战之一。氢能被认为是人类的终极能源，氢气的生产是氢能大规模普及应用的关键产业环节。不幸的是，2020年全球制氢产量为9000万吨，其中96％的氢气仍然是通过天然气重整和煤炭气化产生的，因此也导致了近9亿吨二氧化碳的排放。电解水制氢是人类目前最有效的绿色零碳制氢方式，根据国际能源署的数据，到2030年，全球电解水制氢装机容量将达到850gw，到2050年电解水制氢装机容量将达到3600gw。但是电解水制氢存在制氢设备昂贵，制氢设备规模化生产效率低等难题。

2、质子交换膜电解水反应装置是电解水设备的最核心的装置。长期以来，反应装置的组装都是以手工方式组装完成，反应装置的装配环节低效，反应装置的装配精度低，质量一致性得不到有效保证，这些因素直接导致反应装置规模化生产难以实施，制氢设备的生产成本也难以降低。

3、质子交换膜电解水反应装置主要零部件都是大型的平板件，反应装置是由平板件按照一定的顺序堆叠而成，各平板部件定位是一个很大的难题。目前，行业一般借鉴碱性电解槽的制造工艺，使用外部夹具限制定位法组装反应装置。在反应装置压装过程中部件之间平面自由度限制依靠平板之间的静摩擦力，在单元电解单元堆叠数量增多时，竖直方向作用力下，由于大面积平板之间形变的积累造成的水平方向存在力的分解，平板部件之间会产生相对滑动，直接影响了质子交换膜电解水反应装置的组装精度，同时也降低了生产效率。其次，外部限制定位方法需要专门设计的大型精密定位工装夹具，而且工装夹具的通用性差，加工成本高，直接导致质子交换膜电解水反应装置的生产成本增加。外部夹具定位误差、压装错位、平板部件之间纵向间隙不一致都会导致产品部件受损，影响反应装置产品质量和一致性。

4、因此，如何解决质子交换膜电解水反应装置生产的低效率和组装一致性难以保证的问题，已成为本领域诸多一线研究人员亟待解决的问题之一。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种可自定位组装的电解水反应装置及其组装方法，特别是一种规模化低成本生产的可自定位组装的质子交换膜电解水反应装置。本发明基于电解水反应装置平板部件结构特性解决问题，将组装定位方式与平板部件的结构融合设计，通过在平板部件中设计可传递的自定位盲孔/销阵列解决产品定位平面和纵向问题，提高了各平板部件定位组装精度，为大规模生产制氢装置提供了新的方案，更加有利于实现连续化生产。

2、本发明提供了一种可自定位组装的电解水反应装置，包括平板件、集电板和电解单元mea；

3、所述平板件包括端板、绝缘板、单极板和双极板；

4、所述平板件的正反两面设置有定位孔阵列和定位销阵列；

5、相邻的平板件之间的定位孔与定位销的尺寸相适配。

6、优选的，所述定位孔阵列包括三个或三个以上的定位孔；

7、所述定位销阵列包括三个或三个以上的定位销；

8、任意所述平板件的正反两面，一面设置有定位孔阵列，另一面设置有定位销阵列。

9、优选的，所述定位孔包括定位通孔和/或定位盲孔；

10、所述平板件的正面设置有定位孔阵列；

11、所述平板件的反面设置有定位销阵列。

12、优选的，所述平板件的厚度为s，平板件上的盲孔底与平板件表面之间的厚度为x，定位销高度为h，满足h≤2(s-x)；

13、x为0.5～2mm；

14、所述阵列位于平板件的密封圈外部。

15、优选的，所述定位孔阵列中的所有定位孔不排列在一条直线上；

16、所述定位销阵列中的所有定位销不排列在一条直线上；

17、所述阵列包括三角形阵列、四边形阵列或五边形阵列。

18、优选的，所述平板件分为甲型平板件和乙型平板件；

19、所述甲型平板件的阳极面定位孔呈倒三角形分布，阴极面定位销呈正三角形分布；

20、所述乙型平板件的阳极面定位孔呈正三角形分布，阴极面定位销呈倒三角形分布。

21、优选的，所述电解水反应装置包括依次叠放的乙型上端板、甲型绝缘板、乙型单极板、集电板、电解单元mea、集电板、甲型双极板、集电板、电解单元mea、集电板、乙型单极板、甲型绝缘板和乙型下端板；

22、所述电解单元mea上设置有与定位销阵列相适配的全通孔阵列结构；

23、所述集电板上设置有与定位销阵列相适配的全通孔阵列结构和/或集电板的正反两面设置有定位孔阵列和定位销阵列。

24、优选的，所述电解水反应装置包括电解水反应堆；

25、所述电解水反应堆包括依次堆叠的甲型双极板阴极面、阴极集电板、mea、阳极集电板、乙型双极板阳极面；

26、所述电解水反应装置包括质子交换膜电解水反应装置。

27、优选的，所述平板件侧面设置有堆叠防呆直线凹槽标识；

28、所述定位孔包括圆孔、多边形孔和异形孔中的一种或多种；

29、所述定位销包括圆销、多边形销和异形销中的一种或多种。

30、本发明还提供了一种采用如上述技术方案任意一项所述的电解水反应装置的自定位组装方法，包括以下步骤：

31、1)将已经加工有定位装置的质子交换膜电解水反应装置的部件，按照部件堆叠规则，各部件定位盲孔/销阵列实现配合，依次叠放，完成电解水反应装置各部件平面自由度的限位，实现平面定位堆叠；

32、2)在压力作用下，通过定位孔和定位销的尺寸配合，实现各部件恒间隙尺寸预装定位，得到自定位组装后的电解水反应装置。

33、本发明提供了一种可自定位组装的电解水反应装置，包括平板件、集电板和电解单元mea；所述平板件包括端板、绝缘板、单极板和双极板；所述平板件的正反两面设置有定位孔阵列和定位销阵列；相邻的平板件之间的定位孔与定位销的尺寸相适配。与现有电解水反应装置定位组装技术相比，本发明有以下特点：a)把盲孔/销定位阵列设计在部件上。根据定位阵列的不同，端板、双极板、导电板、集电板等平板型部件分为甲型和乙型两种，在堆叠组装时，甲型平板和乙型平板是孔销楔入配合关系，mea柔性部件是全通孔阵列结构；b)按照电解水反应装置的堆叠顺序，通过盲孔/销配合关系实现各平板件定位；c)在各平板同一侧面位置有线性标识符，通过线性标识符位置和连续性检查部件堆叠的正确性；在mea同一侧面位置有矩形缺口，通过矩形缺口的位置连续性，检查mea堆叠的正确性；d)反应装置压装过程中，由于定位阵列盲孔/销配合的存在，限制了平面xy方向的自由度，提高了部件组装精度。本发明除了以上的优点外，由于采用自定位盲孔/销定位阵列，避免了以往外定位治具对超尺寸mea的干涉，因此mea尺寸可以超过其他部件尺寸，降低了各双极板之间短路的可能性，提高了电解水反应装置的工作安全性。

34、与外定位方法比较，本发明提供的反应装置自定位组装方法在实际运用中装堆时间缩短80％以上，平板部件之间定位精度可以达到0.1mm，通过孔销配合限制了平面xy方向的自由度，电解水反应装置的装配精度和良品率都有了很大的提高。

35、本发明通过部件自定位的方法，实现了质子交换膜电解水反应装置部件堆叠过程中的准确、快速定位问题，定位方法简单易行，堆叠过程中不需要使用高精度定位夹具系统。使用本方法，在反应装置压装过程中，部件相对位置通过盲孔/销完成全自由度定位，避免了由于平板部件与mea之间摩擦力不足造成的反应区和密封区错位等缺陷。定位销和定位盲孔的尺寸配合，限制了装置组装和堆叠过程中的纵向位移，大幅度提高了装配精度，避免了由于平板间堆叠力的不均一影响电解反应装置的质量一致性的问题。