一种用于PEM电解水制氢的耐高压电解单元的制作方法

本发明涉及电解水制氢，具体为一种用于pem电解水制氢的耐高压电解单元。

背景技术：

1、pem电解槽制氢技术只需阳极侧通水，在通电的情况下就可以直接在阳极产生氧气，阴极产生氢气；因为单侧通水且结构紧凑，因此可以实现阴极氢气的高压输出，甚至达到70mpa的输出压力；有利于氢气的储存和加注，可以直接和多种应用场景耦合；为了防止膜电极破损导致阴阳极串气，引发安全事故，这种高差压式电解槽使质子膜强度和电解槽结构合理性面临了巨大的挑战；本田公司发表了一篇关于70mpa差压式电解槽的相关论文，论文表明在阳极多孔传输层的支撑下，随着质子膜厚度增加，耐压性能也随之增加；目前，市面上通用的多孔传输层和质子膜都满足70mpa耐压的要求；

2、但是，目前的膜电极和电解槽往往忽略了边缘效应的影响，如说明书附图2所示，即阳极多孔传输层的刚性边缘对膜电极的挤压导致膜电极严重形变，以及膜电极在阴极多孔传输层与阴极密封边框之间的缝隙区域没有阳极多孔传输层作为支撑面；在阴极高压氢气的挤压下，缝隙区域的质子膜因为严重形变和无支撑的双重影响，更容易出现破损现象，导致阴阳极串气，引发安全事故。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于pem电解水制氢的耐高压电解单元，以解决上述背景技术中提出的电解槽在高差压工况下，阴极高压(大于10mpa)氢气对膜电极挤压穿孔，阴阳极串气造成安全事故问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于pem电解水制氢的耐高压电解单元，包括双极板阳极侧、双极板阴极侧、密封边框、膜电极和多孔传输层，所述膜电极包括质子膜、阳极催化层和阴极催化层,所述多孔传输层包括阳极多孔传输层和阴极多孔传输层，所述膜电极一侧依次堆叠阳极多孔传输层和双极板阳极侧，所述膜电极另一侧依次堆叠阴极多孔传输层和双极板阴极侧；

3、所述密封边框包括阳极密封边框和阴极密封边框，所述膜电极通过阳极密封边框和阴极密封边框进行全膜密封，所述密封边框的中间开口尺寸大于多孔传输层的尺寸，使多孔传输层可以完整嵌入开口区域和催化层紧密贴合，所述阳极密封边框与阳极多孔传输层之间形成阳极缝隙区域，所述阴极密封边框与阴极多孔传输层之间形成阴极缝隙区域，所述阳极密封边框的开口尺寸大于阴极密封边框，所述阳极多孔传输层的尺寸大于阴极多孔传输层，使得阴极缝隙区域对应的膜电极部分完全被阳极多孔传输层支撑。

4、优选的，所述质子膜为全氟磺酸膜，厚度大于80μm。

5、优选的，所述阳极多孔传输层的边界比阴极多孔传输层的边界外延8～20mm；

6、优选的，所述密封边框的中间开口尺寸比多孔传输层的尺寸大1～3mm，即多孔传输层与密封边框之间的缝隙区域尺寸为1～3mm。

7、优选的，所述阳极多孔传输层为钛纤维毡或钛网；且阳极多孔传输层的表面进行铱、铂、金贵金属或非贵金属镀层处理；

8、优选的，所述阳极多孔传输层的孔隙率在45～78％，孔径小于50μm。

9、优选的，所述阴极多孔传输层为碳纤维纸、碳纤维布、钛纤维毡和钛网中的任意一种材质制成。

10、优选的，所述双极板为钛或不锈钢材质，且双极板的表面进行涂层处理。

11、优选的，所述涂层材料由铱、铂、氮化钛、氮化铬中的一种或几种组合而成。

12、与现有技术相比，本发明提供了一种用于pem电解水制氢的耐高压电解单元，通过改变阳极多孔传输层的尺寸，以要素关系改变的方式，使得阴极多孔传输层与阴极密封边框之间的缝隙区域对应的膜电极部分不会因阳极多孔传输层的刚性边缘挤压而变形，同时完全被阳极多孔传输层支撑，有效规避了边缘效应的影响；即使在高压差工作环境中，阴极缝隙区域对应的膜电极部分也不会因高压差而被挤压破损，有效避免了膜电极破损引发的氢气和氧气串气带来的安全问题，极大的保证了电解槽的安全性能。

技术特征：

1.一种用于pem电解水制氢的耐高压电解单元，包括双极板阳极侧(5)、双极板阴极侧(10)、密封边框、膜电极和多孔传输层，其特征在于：所述膜电极包括质子膜(1)、阳极催化层(2)和阴极催化层(7),所述多孔传输层包括阳极多孔传输层(3)和阴极多孔传输层(8)，所述膜电极一侧依次堆叠阳极多孔传输层(3)和双极板阳极侧(5)，所述膜电极另一侧依次堆叠阴极多孔传输层(8)和双极板阴极侧(10)；

2.根据权利要求1所述的一种用于pem电解水制氢的耐高压电解单元，其特征在于：所述质子膜(1)为全氟磺酸膜，厚度大于80μm。

3.根据权利要求1所述的一种用于pem电解水制氢的耐高压电解单元，其特征在于：所述阳极多孔传输层(3)的边界比阴极多孔传输层(8)的边界外延8～20mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于pem电解水制氢的耐高压电解单元，其特征在于：所述密封边框的中间开口尺寸比多孔传输层的尺寸大1～3mm，使多孔传输层可以完整嵌入开口区域和催化层紧密贴合。

5.根据权利要求1所述的一种用于pem电解水制氢的耐高压电解单元，其特征在于：所述阳极多孔传输层(3)为钛纤维毡或钛网；且阳极多孔传输层(3)的表面进行铱、铂、金贵金属或非贵金属镀层处理。

6.根据权利要求1所述的一种用于pem电解水制氢的耐高压电解单元，其特征在于：所述阳极多孔传输层(3)的孔隙率在45～78％，孔径小于50μm。

7.根据权利要求1所述的一种用于pem电解水制氢的耐高压电解单元，其特征在于：所述阴极多孔传输层(8)为碳纤维纸、碳纤维布、钛纤维毡和钛网中的任意一种材质制成。

8.根据权利要求1所述的一种用于pem电解水制氢的耐高压电解单元，其特征在于：所述双极板为钛或不锈钢材质，且双极板的表面进行涂层处理。

9.根据权利要求8所述的一种用于pem电解水制氢的耐高压电解单元，其特征在于：所述涂层材料由铱、铂、氮化钛、氮化铬中的一种或几种组合而成。

技术总结本发明公开了一种用于PEM电解水制氢的耐高压电解单元，包括双极板阳极侧、双极板阴极侧、密封边框、膜电极和多孔传输层，所述膜电极包括质子膜、阳极催化层和阴极催化层,所述多孔传输层包括阳极多孔传输层和阴极多孔传输层，所述膜电极一侧依次堆叠阳极多孔传输层和双极板阳极侧；本发明通过改变阳极多孔传输层的尺寸，以要素关系改变的方式，使得阴极多孔传输层与阴极密封边框之间的缝隙区域对应的膜电极部分不会因阳极多孔传输层的刚性边缘挤压而变形，同时完全被阳极多孔传输层支撑，有效规避了边缘效应的影响；即使在高压差工作环境，阴极缝隙区域对应的膜电极也不会因高压差而被挤压破损，有效避免了膜电极破损引发的安全问题。技术研发人员：李金龙,崔勇,谭明波受保护的技术使用者：武汉中极氢能产业创新中心有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/18