用于电解水的膜电极组件的制作方法

1.本实用新型涉及新能源技术领域，特别是涉及一种用于电解水的膜电极组件。


背景技术：

2.氢气来源广泛，热值高，清洁无碳，可储能、发电、发热，灵活高效，应用场景丰富，被认为是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想能源载体，备受各国青睐。美国、日本、德国等发达国家高度重视氢能产业发展，已将氢能上升到国家能源战略高度，并推出相应的氢能发展规划和支持政策。氢气作为能源载体，将在全球能源转型中与电力互为补充，`1q被认为是未来制氢的发展方向，特别是利用可再生能源电解水制氢，具备将大量可再生能源电力转移到难以深度脱碳工业部门的潜力，成为各国瞄准的方向和攻关重点。
3.pem水电解制氢选用具有良好化学稳定性、质子传导性、气体分离性的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代石棉膜，能有效阻止电子传递，提高电解槽安全性。pem水电解制氢主要部件包括膜电极和双极板，一般采用导电耐腐蚀性的材料为双极板，膜电极一般多采用pe膜或离子交换膜材料作为隔膜材料，膜电极包括质子交换膜、催化剂层和气体扩散层，如授权公开号为cn1853300，授权公开日为2006年10月25日，名称为一种用于电解水的膜电极组件，含具有正面和背面的离子传导性膜、该正面(阴极侧)上用于生成氢气的第一催化剂层、该正面上的第一气体扩散层、该背面(阳极侧)上用于生成阳极氧气的第二催化剂层以及该背面上的第二气体扩散层。第一气体扩散层具有比离子传导性膜更小的平面尺寸，而第二气体扩散层具有与离子传导性膜基本相等的平面尺寸。
4.pem电解水工作过程中，有时氢透过质子交换膜而向阳极侧移动，或者氧透过质子交换膜而向阴极侧移动，由于这种反应气体的透过移动，而在相同电极侧存在氢和氧时，该氢与氧发生反应而有时会生成过氧化氢，在膜电极接合体中产生的过氧化氢可能会发生自由基化而使质子交换膜劣化，过氧化氢发生了自由基化后的过氧化氢自由基在催化剂层中，在催化剂的作用下，变换为水、氧，消失的可能性高，但如气体扩散层和质子交换膜存在直接连接的区域，过氧化氢自由基可直接通过气体扩散层输送至膜电极上，在该区域上，过氧化氢自由基不会因催化剂作用而消失，到达质子交换膜，使质子交换膜劣化的可能性高，由于气体扩散层外周端部存在有微细的突起即毛刺，现有技术膜电极组件中的气体扩散层的毛刺容易刺入质子交换膜内，从而使得气体扩散层和质子交换膜存在直接连接的区域，质子交换膜劣化的可能性高，同时还可能会引起反应气体的交叉泄漏、电极彼此短路的情况。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种用于电解水的膜电极组件，以解决现有技术中的上述不足之处。
6.为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
7.一种用于电解水的膜电极组件，包括质子交换膜以及设置在所述质子交换膜两侧的第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和第二电极层均具有与所述质子交换膜相接配置的催化剂层及配置在所述催化剂层之上的气体扩散层，所述催化剂层的面积小于所述质子交换膜的面积，所述气体扩散层的面积小于所述催化剂层的面积，所述催化剂层的外周端相对于所述质子交换膜向内缩进形成第一缩进结构，所述气体扩散层的外周端相对于所述质子交换膜向内缩进形成第二缩进结构；
8.还包括密封框，所述密封框体包括相对设置的上框体和下框体，所述上框体和下框体的内壁依次设置有尺寸不同的第一环形保护结构、第二环形保护结构和第三环形保护结构，所述第一环形保护结构、第二环形保护结构和第三环形保护结构分别与所述质子交换膜、催化剂层和气体扩散层对应设置，所述上框体和下框体的周向侧边设置有相连接的连接部。
9.上述的用于电解水的膜电极组件，所述连接部包括沿所述上框体周向以及所述下框体周向依次对应设置的周向黏合部。
10.上述的用于电解水的膜电极组件，所述第一环形保护结构、第二环形保护结构和第三环形保护结构均包括环形保护体，所述环形保护体的内侧壁上设置有保护层。
11.上述的用于电解水的膜电极组件，还包括疏水层，其设置在所述催化剂层和所述气体扩散层之间，所述疏水层与所述催化剂层面积相同。
12.上述的用于电解水的膜电极组件，所述疏水层包括层体以及设置在所述层体上的粘结部，所述粘结部包括沿所述层体周向设置的周向粘结部以及条形粘结部。上述的用于电解水的膜电极组件，还包括导流层，两所述气体扩散层远离所述疏水层一侧均设置有所述导流层。
13.上述的用于电解水的膜电极组件，所述导流层包括外环形流道以及至少一个内环形流道，所述外环形流道环绕所述内环形流道设置，所述内环形流道和所述外环形流道之间设置有连接流道，所述外环形流道与所述内环形流道之间以及内环形流道的内部均设置有导流孔。
14.在上述技术方案中，本实用新型提供一种用于电解水的膜电极组件，具有以下有益效果：
15.本实用新型实施例提供一种用于电解水的膜电极组件，包括膜电极和密封框，膜电极包括依次叠置的阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层，阳极催化层和阴极催化层的各侧边相对于质子交换膜的各侧边形成环形的第一缩进结构，阳极气体扩散层的各侧边相对于阳极催化层的各侧边形成环形的第二缩进结构，阴极气体扩散层的各侧边相对阴极催化层的各侧边形成环形的第二缩进结构，密封框包括相对设置在上框体和下框体，上框体和下框体内均设置第一环形保护结构、第二环形保护结构和第三环形保护结构，如此阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层依次形成阶梯式的结构，通过第一环形保护结构、第二环形保护结构和第三环形保护结构质子交换膜和气体扩散层相分隔开，避免气体扩散层的毛刺刺入质子交换膜内，从而使得气体扩散层和质子交换膜存在直接连接的区域，质子交换膜劣化的可能性高，同时还避免可能会引起反应气体的交叉泄漏、电极彼此短路的情况。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本实用新型实施例提供的用于电解水的膜电极组件的结构示意图；
18.图2为本实用新型实施例提供的导流层的结构示意图；
19.图3为本实用新型实施例提供的下框体的结构示意图；
20.图4为本实用新型实施例提供的疏水层的结构示意图。
21.附图标记说明：
22.1、质子交换膜；2、催化剂层；3、气体扩散层；4、疏水层；4.1、粘结部；5、导流层；5.1、外环形流道；5.2、内环形流道；5.3、导流孔；6、密封框；6.1、上框体；6.2、下框体；6.3、第一环形保护结构；6.4、第二环形保护结构；6.5、第三环形保护结构。
具体实施方式
23.为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细介绍。
24.如图1-4所示，本实用新型实施例提供一种用于电解水的膜电极组件，包括质子交换膜1以及设置在质子交换膜1两侧的第一电极层和第二电极层，第一电极层和第二电极层均具有与质子交换膜1相接配置的催化剂层2及配置在催化剂层2之上的气体扩散层3，催化剂层2的面积小于质子交换膜1的面积，气体扩散层3的面积小于催化剂层2的面积，催化剂层2的外周端相对于质子交换膜1向内缩进形成第一缩进结构，气体扩散层3的外周端相对于质子交换膜1向内缩进形成第二缩进结构；密封框6体包括相对设置的上框体6.1和下框体6.2，上框体6.1和下框体6.2的内壁沿周向分别设置有尺寸不同的第一环形保护结构6.3、第二环形保护结构6.4和第三环形保护结构6.5，第一环形保护结构6.3、第二环形保护结构6.4和第三环形保护结构6.5分别与质子交换膜1、催化剂层2和气体扩散层3对应设置，上框体6.1和下框体6.2的周向侧边设置有相连接的连接部。
25.具体的，电解水的主要部件包括膜电极组件和双极板，双极板设置在膜电极的相对两侧，膜电极组件包括质子交换膜1，本实施例中的膜电极组件为装配前的结构，在质子交换膜1的两侧分别设置有第一电极层和第二电极层，第一电极层包括阳极催化剂层2和阳极气体扩散层3，第二电极层包括阴极催化剂层2和阴极气体扩散层3，即膜电极包括依次叠置的阳极气体扩散层3、阳极催化剂层2、质子交换膜1、阴极催化剂层2和阴极气体扩散层3，质子交换膜1可以使用氟树脂系的离子交换膜，催化剂层2可以通过将预先形成在薄膜基材的表面上的催化剂层2转印到质子交换膜1的表面而形成，气体扩散层3可以通过碳纤维、石墨纤维等的具有导电性及气体透过性气体扩散性的多孔质的纤维基材构成，将构成气体扩散层3的基材重叠配置在预先形成于质子交换膜1的催化剂层2上，利用热压等进行接合。
26.本实施例中，为避免气体扩散层3的毛刺容易刺入质子交换膜1内，从而使得气体扩散层3和质子交换膜1存在直接连接的区域，从而导致质子交换膜1劣化的可能性高，以及引起反应气体的交叉泄漏、电极彼此短路的情况，首先，对质子交换膜1、催化剂层2以及气体扩散层3的结构进行改进，使得催化剂层2的面积小于质子交换膜1的面积，气体扩散层3
的面积小于催化剂层2的面积，使得位于中间的质子交换膜1的面积最大，而质子交换膜1相对两侧的阳极催化剂层2和阴极催化剂层2的面积小于质子交换膜1的面积，而阳极气体扩散层3的面积小于阳极催化剂层2的面积，阴极气体扩散层3的面积小于阴极催化剂层2的面积，如此阳极催化剂层2和阴极催化剂层2的各侧边相对于质子交换膜1的各侧边形成环形的第一缩进结构，阳极气体扩散层3的各侧边相对于阳极催化剂层2的各侧边形成环形的第二缩进结构，阴极气体扩散层3的各侧边相对阴极催化剂层2的各侧边形成环形的第二缩进结构；其次，通过在密封框6内设置保护结构，通过保护结构实现对气体扩散层3与质子交换膜1之间的隔离，且通过保护结构还能够对质子交换膜1、催化剂层2以及气体扩散层3进行保护。
27.本实施例中，密封框6包括相对设置在上框体6.1和下框体6.2，上框体6.1和下框体6.2的结构相同，上框体6.1和下框体6.2能够组合形成对膜电极进行密封和保护的结构，上框体6.1和下框体6.2均包括框体，框体包括环形底板以及沿环形底板周向设置的侧板，各侧板形成一个供膜电极放入的开口部，环形底板上形成的环形开口尺寸小于开口部的尺寸，底板和侧板的材质可以是热塑性聚合物，也可以是其他可对膜电极进行密封的材质，此为现有技术中的常用结构，在框体的内部形成从上到下宽度逐渐增大的环形保护结构，环形保护结构有三层，分别为第一环形保护结构6.3、第二环形保护结构6.4和第三环形保护结构6.5，第一环形保护结构6.3、第二环形保护结构6.4和第三环形保护结构6.5的形状和尺寸与质子交换膜1、催化剂层2和气体扩散层3的形状以及尺寸相一致，如此在使用时，将膜电极放入至下框体6.2中，下框体6.2的第一环形保护结构6.3、第二环形保护结构6.4和第三环形保护结构6.5分别与质子交换膜1、阳极催化剂层2和阳极气体扩散层3相对应，随后将上框体6.1盖合在下框体6.2上，上框体6.1内的第一环形保护结构6.3、第二环形保护结构6.4和第三环形保护结构6.5分别与质子交换膜1、阴极催化剂层2和阴极气体扩散层3相对应，上框体6.1和下框体6.2之间在合适温度和压力下层压以进行连接，为提升上框体6.1和下框体6.2之间的连接强度，在上框体6.1和下框体6.2相对应的周向侧边上可设置有连接部。
28.本实用新型实施例提供一种用于电解水的膜电极组件，包括膜电极和密封框6，膜电极包括依次叠置的阳极气体扩散层3、阳极催化剂层2、质子交换膜1、阴极催化剂层2和阴极气体扩散层3，阳极催化剂层2和阴极催化剂层2的各侧边相对于质子交换膜1的各侧边形成环形的第一缩进结构，阳极气体扩散层3的各侧边相对于阳极催化剂层2的各侧边形成环形的第二缩进结构，阴极气体扩散层3的各侧边相对阴极催化剂层2的各侧边形成环形的第二缩进结构，密封框6包括相对设置在上框体6.1和下框体6.2，上框体6.1和下框体6.2内均设置第一环形保护结构6.3、第二环形保护结构6.4和第三环形保护结构6.5，如此阳极气体扩散层3、阳极催化剂层2、质子交换膜1、阴极催化剂层2和阴极气体扩散层3依次形成阶梯式的结构，通过第一环形保护结构6.3、第二环形保护结构6.4和第三环形保护结构6.5质子交换膜1和气体扩散层3相分隔开，避免气体扩散层3的毛刺刺入质子交换膜1内，从而使得气体扩散层3和质子交换膜1存在直接连接的区域，质子交换膜1劣化的可能性高，同时还可以避免过氧化氢自由基直接通过气体扩散层3输送至质子交换膜1上从而引起反应气体的交叉泄漏、电极彼此短路的情况。
29.本实施例中，优选的，连接部包括沿上框体6.1周向以及下框体6.2周向依次对应
设置的周向黏合部；上框体6.1和下框体6.2在合适的温度和压力下进行层压连接时，周向黏合部可增加上框体6.1和下框体6.2之间的连接强度。
30.本实施例中，优选的，第一环形保护结构6.3、第二环形保护结构6.4和第三环形保护结构6.5均包括环形保护体，环形保护体的内侧壁上设置有保护层；第一环形保护结构6.3、第二环形保护结构6.4和第三环形保护结构6.5的形状分别与质子交换膜1、阴极催化剂层2(阳极催化剂层2)和阴极气体扩散层3(阳极气体扩散层3)相对应，当膜电极放入至上框体6.1或下框体6.2中后，第一环形保护结构6.3、第二环形保护结构6.4和第三环形保护结构6.5的分别环绕在质子交换膜1、阴极催化剂层2(阳极催化剂层2)和阴极气体扩散层3(阳极气体扩散层3)的侧部，通过第一环形保护结构6.3、第二环形保护结构6.4和第三环形保护结构6.5即避免气体扩散层3的毛刺刺入质子交换膜1内，也可以对质子交换膜1、阴极催化剂层2(阳极催化剂层2)和阴极气体扩散层3(阳极气体扩散层3)进行保护。
31.本实施例中，优选的，第二环形保护结构6.4和第三环形保护结构6.5上的保护层包括倾斜面以及与倾斜面相对应的水平面；通过设置倾斜面和水平面可在质子交换膜1与催化剂层2之间以及催化剂层2与气体扩散层3之间形成一个阻挡结构，通过阻挡结构可将质子交换膜1与催化剂层2之间以及催化剂层2与气体扩散层3分隔开，有效避免气体扩散层3和质子交换膜1存在直接连接的区域。
32.本实施例中，优选的，还包括疏水层4，其设置在催化剂层2和气体扩散层3之间，疏水层4与催化剂层2面积相同，疏水层4包括层体以及设置在层体上的粘结部4.1，粘结部4.1包括沿层体周向设置的周向粘结部4.1以及条形粘结部4.1；通过设置疏水层4可良好地保持质子交换膜1的湿润状态，并抑制气体扩散层3的细孔因水分而闭塞的情况，疏水层4在气体扩散层3的基材表面上作为以聚四氟乙烯(ptfe)等疏水性树脂和碳黑等导电性材料为主成分的疏水薄膜而形成；周向粘结部4.1以及条形粘结部4.1提升气体扩散层3和催化剂层2之间的连接，抑制气体扩散层3与催化剂层2的分离，粘结部4.1可以通过与构成质子交换膜1的固体电解质同种的化合物、能够向细孔浸渍的粘接剂构成。
33.本实施例中，优选的，还包括导流层5，两气体扩散层3远离疏水层4一侧均设置有导流层5，导流层5包括外环形流道5.1以及至少一个内环形流道5.2，外环形流道5.1环绕内环形流道5.2设置，内环形流道5.2和外环形流道5.1之间设置有连接流道，外环形流道5.1与内环形流道5.2之间以及内环形流道5.2的内部均设置有导流孔5.3；内环形流道5.2可以有多个，多个内环形流道5.2沿导流层5的外周向中心方向依次设置，各内环形流道5.2之间可均连通，也可以依次连通，通过外环形流道5.1、内环形流道5.2、连接流道和导流孔5.3实现气体或液体的分散均匀流动。
34.以上只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本实用新型权利要求保护范围的限制。