用于电解水制氢的AEM电解槽的制备工艺的制作方法

本发明属于氢能源，具体涉及一种用于电解水制氢的aem电解槽的制备工艺。

背景技术：

1、在当前能源形势下，人们对可再生能源的需求日益增长。氢作为一种清洁能源，具有广阔的应用前景。电解水制氢是一种重要的制氢方法，其中阴离子交换膜电解水制氢(aem)技术以其独特的优势受到广泛关注。aem技术主要由阴离子交换膜和两个催化电极组成。它一般采用纯水或低浓度碱性溶液作为电解质，并使用廉价非贵金属催化剂和碳氢膜。这种工艺具有成本低、启停快、耗能少的优点，集合了与可再生能源耦合时的易操作性，同时又达到与质子交换膜电解水制氢(pem)相当的电流和效率。

2、从材料、性能、效率和成本来看，阴离子交换膜电解水制氢(aem)突破材料技术壁垒，无疑是电解水技术在储能应用中的优化更迭，氢储能的最优解。因此，开发一种高效、经济的aem电解水制氢电解槽设计方法与流程具有重要意义。

3、现有商用电解水电解槽在设计和制造流程还存在一些问题：(1)碱液电解槽体积大，各零部件装配工艺复杂，气密性难以控制；(2)质子交换膜电解水制氢(pem)受限于膜电极技术发展的制造成本高，催化剂多采用贵金属。有鉴于此，有必要提供一种简易便捷，制造成本低，材料不掺杂贵金属，结构合理，制造流程可靠的aem电解水制氢电解槽设计方法与流程。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种成本低、效能高、可大规模商业化应用的aem电解槽的制备工艺。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于电解水制氢的aem电解槽的制备工艺，包括膜电极mea，膜电极mea至少包括阴极催化层、阳极催化层以及设于阴极催化层和阳极催化层之间的aem交换膜，以及用于支撑aem交换膜的封装膜，封装膜为中部设有窗口的绝缘材料膜；所述膜电极mea两侧由内向外依次对称设有气液两相扩散层、极板、绝缘密封垫片和端板；

3、制备aem电解槽的具体步骤如下：

4、s1.采用ccf工艺，分别在aem交换膜两侧制备催化层，得到膜电极mea，aem交换膜一侧为阴极催化层，另一侧为阳极催化层；

5、s2.将两块极分别粘上封装膜，将气液两相扩散层放置于封装膜内；然后将膜电极mea放于两极板之间进行压合；

6、s3.将带有极板膜电极mea两侧依次放置绝缘密封垫片和端板进行装堆；此步骤可在自动装堆机操作下高效进行。

7、s4.采用紧固件将多层模块固定为一个整体，并进行气密性检测。

8、优选的是，所述封装膜、极板、绝缘密封垫片和端板边缘处相对应的均匀设有若干固定孔，通过在固定孔处安装紧固件，将多层模块固定为一体，形成aem电解槽。

9、优选的是，所述膜电极mea露出于封装膜的部分形成有效催化区，阴极催化层、阳极催化层和气液两相扩散层的大小与有效催化区相适配。

10、优选的是，s2中，将膜电极mea放于两极板之间进行压合时，采用定位工装进行压合操作，所述定位工装包括第一压板和第二压板，第一压板边缘设有导向套，第二压板边缘设有导向柱，导向柱可移动的插入到导向套内。

11、优选的是，所述采用定位工装进行压合操作时的压力为10-80kgf/cm2。

12、优选的是，所述绝缘密封垫片和封装膜的邵氏硬度a为50-70度，极板和端板的硬质材料邵氏硬度d为50-70度。

13、优选的是，s4中，组装完成后，气液两相扩散层一侧与催化层相接触，另一侧与极板相接触。

14、优选的是，所述封装膜和绝缘密封垫片采用ptfe、硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶、pen或pet材料中的一种或几种复合；

15、所述气液两相扩散层采用ni基、ti基或碳基多孔材料中的一种；

16、所述阴极催化层和/或阳极催化层采用ni、fe、mn、zn、a1、mg或co基催化材料中的一种或多种复合；

17、所述极板为带有镀层的金属板。

18、优选的是，所述极板近气液两相扩散层一侧表面加工有气液流道；所述膜电极mea、封装膜、极板、绝缘密封垫片和端板的近边缘处设有若干导气孔，导气孔与气液流道相连通。

19、优选的是，所述气液流道为采用冲压或蚀刻工艺在极板表面加工出的沟槽，在极板表面呈网状布置，气液流道的加工深度为0.05-1.5mm，宽度为0.05-1.5mm。

20、本发明的用于电解水制氢的aem电解槽的制备工艺，至少具有以下优点：

21、1.极板主体可采用较为廉价的合金板，表面镀层的存在可提高碱性环境与电化学条件下的抗腐蚀性能，稳定性更强；同时镀层选用和气液扩散层更匹配的材料，可降低接触电阻，降低电解槽能耗，约为4.3-4.8kwh/nm3。

22、2.核心组件为膜电极mea，采用电催化剂直接成膜技术(ccf)，将阴离子交换膜(aem)，催化层，封装膜，制备成膜电极mea，与pem电解槽相比，便于后期维护更换；对比采用隔膜的碱液电解槽，基于阴离子交换膜的电极可以极大程度隔绝氢气和氧气，产出的氢气纯度≥99.8％；基于阴离子交换膜的膜电极，其催化电流密度可达10000-30000a/m2，因此可达到较高的电解水催化效率(85％-95％)。

23、3.相比传统碱液电解槽，aem电解槽体积小，结构更紧凑，利用自动装堆机进行压合，可有效减小各模块板层间的间隙，从而降低接触电阻，提高电解槽整体的制氢效率。

24、4.整体密封采用软硬结合的工艺，可达到较为理想的气密性，同时根据实际需求可达到不同程度的目标压强(3-7mpa)。

25、5.在相同产氢量下，本aem电解槽对比传统碱液电解槽体积更小，体积和重量约为传统碱液电解槽的一半。

技术特征：

1.一种用于电解水制氢的aem电解槽的制备工艺，其特征在于，包括膜电极mea，膜电极mea至少包括阴极催化层、阳极催化层和设于阴极催化层和阳极催化层之间的aem交换膜，以及用于支撑aem交换膜的封装膜，封装膜为中部设有窗口的绝缘材料膜；所述膜电极mea两侧由内向外依次对称设有气液两相扩散层、极板、绝缘密封垫片和端板；

2.如权利要求1所述的用于电解水制氢的aem电解槽的制备工艺，其特征在于，所述封装膜、极板、绝缘密封垫片和端板边缘处相对应的均匀设有若干固定孔，通过在固定孔处安装紧固件，将多层部件固定为一体，形成aem电解槽。

3.如权利要求1所述的用于电解水制氢的aem电解槽的制备工艺，其特征在于，所述膜电极mea露出于封装膜的部分形成有效催化区，阴极催化层、阳极催化层和气液两相扩散层的大小与有效催化区相适配。

4.如权利要求1所述的用于电解水制氢的aem电解槽的制备工艺，其特征在于，s2中，将膜电极mea放于两极板之间进行压合时，采用定位工装进行压合操作，所述定位工装包括第一压板和第二压板，第一压板边缘设有导向套，第二压板边缘设有导向柱，导向柱可移动的插入到导向套内。

5.如权利要求4所述的用于电解水制氢的aem电解槽的制备工艺，其特征在于，所述采用定位工装进行压合操作时的压力为10-80kgf/cm2。

6.如权利要求5所述的用于电解水制氢的aem电解槽的制备工艺，其特征在于，所述绝缘密封垫片和封装膜的邵氏硬度a为50-70度，极板和端板的硬质材料邵氏硬度d为50-70度。

7.如权利要求1所述的用于电解水制氢的aem电解槽的制备工艺，其特征在于，s4中，组装完成后，气液两相扩散层一侧与催化层相接触，另一侧与极板相接触。

8.如权利要求1所述的用于电解水制氢的aem电解槽的制备工艺，其特征在于，所述封装膜和绝缘密封垫片采用ptfe、硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶、pen或pet材料中的一种或几种复合；

9.如权利要求1所述的用于电解水制氢的aem电解槽的制备工艺，其特征在于，所述极板近气液两相扩散层一侧表面加工有气液流道；所膜电极mea、封装膜、极板、绝缘密封垫片和端板的近边缘处设有若干导气孔，导气孔与气液流道相连通。

10.如权利要求9所述的用于电解水制氢的aem电解槽的制备工艺，其特征在于，所述气液流道为采用冲压或蚀刻工艺在极板表面加工出的沟槽，在极板表面呈网状布置，气液流道的加工深度为0.05-1.5mm，宽度为0.05-1.5mm。

技术总结
本申请涉及一种用于电解水制氢的AEM电解槽的制备工艺，采用CCF工艺，分别在AEM交换膜两侧制备催化层，得到膜电极MEA，将两块极板分别粘上封装膜，将气液两相扩散层放置于封装膜内；将膜电极MEA两侧依次放置带有气液两相扩散层的极板、绝缘密封垫片和端板进行装堆，随后采用紧固件将各层部件固定；本发明的用于电解水制氢的AEM电解槽的制备工艺，工艺相对简洁，良品率高，成本低，所制成的AEM电解槽电解效率高，拆卸简单、使用灵活，其独特的模块化结构可应用于诸多电化学合成领域。

技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：江苏笠泽制道氢能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15