PEM电解水用膜电极的制作方法

pem电解水用膜电极
技术领域
1.本实用新型涉及新能源技术领域，特别是涉及一种pem电解水用膜电极。


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。水电解制氢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。
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，现有的膜电极结构设计不科学，影响膜电极的使用寿命和使用效果。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种pem电解水用膜电极，以解决现有技术中的上述不足之处。
5.为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
6.一种pem电解水用膜电极，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，还包括：
7.疏水层，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，所述疏水层设置在所述催化剂层和所述气体扩散层之间；
8.导流件，所述气体扩散层的两侧设置有电极板，所述导流件设置在所述电极板与所述气体扩散层之间，所述导流件上设置有环形流道和多个导流孔，多个所述导流孔与所述环形流道均相连接；
9.保护组件，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，所述保护组件包括与所述第一缩进结构和第二锁定结构相对应的第一保护件和第二保护件，所述第一保护件和第二保护件之间共同连接有连接件。
10.上述的pem电解水用膜电极，所述连接件为设置在膜电极上的密封部。
11.上述的pem电解水用膜电极，所述第一保护件包括与所述质子交换膜相对应的第一条形件和与所述催化剂层相对应的第二条形件，所述第一条形件和第二条形件上均设置有第一保护层。
12.上述的pem电解水用膜电极，所述第二保护件包括与所述气体扩散层相对应的第三条形件，所述第三条形件上设置有第二保护层。
13.上述的pem电解水用膜电极，所述气体扩散层的周向断面上设置有倾斜部，所述倾斜部上覆盖有所述疏水层。
14.上述的pem电解水用膜电极，还包括粘结部，所述粘结部间隔设置在所述疏水层上。
15.上述的pem电解水用膜电极，所述环形流道至少有一个，所述环形流道沿所述导流件的周向设置，所述环形流道内设置有导流部。
16.上述的pem电解水用膜电极，所述环形流道有多个，多个所述环形流道沿所述导流件的周向从外向内依次设置，各环形流道之间相互连通。
17.上述的pem电解水用膜电极，还包括连接流道，其设置在所述环形流道和所述导流孔之间，用于将各所述导流孔与所述环形流道相连接。
18.上述的pem电解水用膜电极，所述连接流道包括依次交错设置的竖直流道和水平流道，所述竖直流道和水平流道相连通。
19.在上述技术方案中，本实用新型提供一种pem电解水用膜电极，具有以下有益效果：
20.本实用新型实施例提供的pem电解水用膜电极，包括质子交换膜以及设置在质子交换膜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相接配置的催化剂层及配置在催化剂层之上的气体扩散层，质子交换膜、催化剂层和气体扩散层依次形成阶梯式的结构，保护组件包括与阶梯式结构相对应的第一保护件和第二保护件，通过保护组件和阶梯式结构可避免气体扩散层的毛刺刺入质子交换膜，从而引起反应气体的交叉泄漏、电极彼此短路的情况，还可以避免过氧化氢自由基直接通过气体扩散层输送至膜电极上，使得过氧化氢自由基在催化剂的作用下，变换为水和氧而消失。
21.本实用新型实施例提供的pem电解水用膜电极，还包括设置在电极板与气体扩散层之间的导流件，导流件上设置有环形流道和多个导流孔，通过环形流道和多个导流孔，从而使得便于气体和液体的流动。
附图说明
22.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。
23.图1为本实用新型实施例提供的pem电解水用膜电极的结构示意图；
24.图2为本实用新型实施例提供的疏水层的结构示意图；
25.图3为本实用新型实施例提供的导流件的结构示意图。
26.附图标记说明：
27.1、质子交换膜；
28.2、催化剂层；
29.3、气体扩散层；
30.4、疏水层；
31.4.1、粘结部；
32.5、导流件；
33.5.1、环形流道；5.2、导流孔；5.3、连接流道；5.4、竖直流道；5.5、水平流道；
34.6、保护组件；
35.6.1、第一缩进结构；6.2、第二缩进结构；6.3、第一条形件；6.4、第二条形件；6.5、第一保护层；6.6、第三条形件；6.7、第二保护层；6.8、倾斜部；
36.7、双极板。
具体实施方式
37.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。
38.如图1-3所示，本实用新型实施例提供一种pem电解水用膜电极，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，还包括疏水层4、导流件5和保护组件6，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，疏水层4设置在催化剂层2和气体扩散层3之间；气体扩散层3的两侧设置有电极板，导流件5设置在电极板与气体扩散层3之间，导流件5上设置有环形流道 5.1和多个导流孔5.2，多个导流孔5.2与环形流道5.1均相连接；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6.1，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6.2，保护组件6 包括与第一缩进结构6.1和第二锁定结构相对应的第一保护件和第二保护件，第一保护件和第二保护件之间共同连接有连接件。
39.具体的，pem电解水的主要部件包括膜电极、双极板7和密封部，双极板 7设置在膜电极的相对两侧，密封部设置在双极板7和膜电极的周向侧部，用于对双极板7和膜电极进行密封，膜电极包括包括质子交换膜1，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层和阳极气体扩散层3，第二电极层包括阴极催化层和阴极气体扩散层3，即膜电极包括依次叠置的阳极气体扩散层3、阳极催化层、质子交换膜1、阴极催化层和阴极气体扩散层3，双极板7包括阳极板和阴极板，阳极板设置在阳极气体扩散层3的一侧，阴极板设置在阴极气体扩散层3的一侧，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。
40.本实施例中，疏水层4设置在催化剂层2和气体扩散层3之间，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；导流件5包括设置在阳极板和阳极气体扩散层3之间的阳极导流层以及设置在阴极板和阴极气体扩散层3之间的阴极导流层，阳极导流层和阴极导流层上设置有环形流道5.1，环形流道5.1有多个，多个环形流道5.1沿阳极导流层或阴极导流层的外周向中心方向依次设置，各环形流道5.1之间可均连通，也可以依次连通，在阳极导流层和阴极导流层上还设置有多个导流孔5.2，多个导流孔5.2沿阳极导流层和阴极导流层依次间隔设置，导流孔5.2可以对应设置在环形流道5.1内，如此使得各导流孔5.2和环形流道5.1依次相互连通，环形流道5.1也可以通过连接流道5.3与各导流孔5.2依次相连接，如此通过各导流孔5.2和环形流道5.1实现气体或液体的分散均匀流动的效果。
41.本实施例中，催化剂层2的尺寸小于质子交换膜1的尺寸，而使得催化剂层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6.1，即质子交换膜1的周缘部露出，同理气体扩散层3的尺寸小于催化剂层2的尺寸，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6.2，即气体扩散层3的周缘部露出，如此从质子交换膜1、催化剂层2和气体扩散层3 依次形成阶梯式的结构，保护组件6包括相对设置的第一保护件和第二保护件，第一保护件和第二保护件可以是条形的结构，第一保护件和第二保护件之间可以形成弧形的结构，第一保护件与催化剂层2相对应，第二保护件与气体扩散层3相对应，第一保护件和第二保护件之间通过连接件相连接，即在连接件上设置两个第一保护件和两个第二保护件，两个第一保护件之间形成与膜电极相对应的保护部，如此通过连接件、第一保护件和第二保护件将质子交换膜 1和气体扩散层3相分隔开，由于气体扩散层3外周端部存在有微细的突起即毛刺，通过保护组件6和阶梯式的结构可避免气体扩散层3的毛刺刺入质子交换膜1，可能会引起反应气体的交叉泄漏、电极彼此的短路，另外，pem电解水工作过程中，有时氢透过质子交换膜1而向阴极侧移动，或者氧透过质子交换膜1而向阳极侧移动。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1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2中，在催化剂的作用下，变换为水、氧，消失的可能性高。如气体扩散层3和质子交换膜1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3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1，使质子交换膜1劣化的可能性高，因此通过保护组件6和阶梯式的结构对质子交换膜1起到保护的作用。
42.本实用新型实施例提供的pem电解水用膜电极，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，质子交换膜1、催化剂层2和气体扩散层3依次形成阶梯式的结构，保护组件6包括与阶梯式结构相对应的第一保护件和第二保护件，通过保护组件6和阶梯式结构可避免气体扩散层3的毛刺刺入质子交换膜1，从而引起反应气体的交叉泄漏、电极彼此短路的情况，还可以避免过氧化氢自由基可直接通过气体扩散层3输送至膜电极上，使得过氧化氢自由基在催化剂的作用下，变换为水和氧而消失。
43.本实用新型实施例提供的pem电解水用膜电极，还包括设置在电极板与气体扩散层3之间的导流件5，导流件5上设置有环形流道5.1和多个导流孔5.2，通过环形流道5.1和多个导流孔5.2，从而使得便于气体和液体的流动。
44.本实施例中，优选的，连接件为设置在膜电极上的密封部，第一保护件包括与与质子交换膜1相对应的第一条形件6.3和与催化剂层2相对应的第二条形件6.4，第一条形件6.3和第二条形件6.4上均设置有第一保护层6.5，第二保护件包括与气体扩散层3相对应的第三条形件6.6，第三条形件6.6上设置有第二保护层6.7；第一条形件6.3、第二条形件6.4和第三条形件6.6并列平行设置在密封部上，即在密封部与膜电极相对应的一侧依次设置有第三条形件6.6、第二条形件6.4、第一条形件6.3、第一条形件6.3、第二条形件 6.4和第三条形件6.6，通过第一保护层6.5、第二保护层6.7能够对质子交换膜1、催化剂层2和气体扩散层3进行保护。
45.本实施例中，优选的，气体扩散层3的周向断面上设置有倾斜部6.8，倾斜部6.8上
覆盖有疏水层4，倾斜部6.8使得气体扩散层3和催化剂层2之间形成一个锐角的连接角，进一步增加对质子交换膜1的保护。
46.本实施例中，优选的，还包括粘结部4.1，粘结部4.1间隔设置在疏水层 4上；粘结部4.1提升气体扩散层3和气体扩散层3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；在疏水层4上可形成依次间隔设置的多个条形的粘结部4.1，通过多个条形的粘结部4.1使得气体扩散层3与催化剂层2能够紧密连接。
47.本实施例中，优选的，环形流道5.1至少有一个，环形流道5.1沿导流件 5的周向设置，环形流道5.1内设置有导流部；导流部可以是设置在环形流道 5.1的多个通孔或者弧形导流孔5.2，多个通孔或弧形导流孔5.2沿环形流道 5.1的周向依次间隔设置。
48.本实施例中，优选的，环形流道5.1有多个，多个环形流道5.1沿导流件 5的周向从外向内依次设置，各环形流道5.1之间相互连通；多个环形流道5.1 的大小不同，但多个环形流道5.1同心设置，即多个环形流道5.1从外向内依次设置，各个环形流道5.1之间均相互连接，也可以依次交错式的连接。
49.本实施例中，优选的，还包括连接流道5.3，其设置在环形流道5.1和导流孔5.2之间，用于将各导流孔5.2与环形流道5.1相连接；连接流道5.3 包括依次交错设置的竖直流道5.4和水平流道5.5，竖直流道5.4和水平流道 5.5相连通；竖直流道5.4和水平流道5.5均有多个，多个竖直流道5.4和水平流道5.5沿导流件5的长度方向或者宽度方向依次间隔设置，通过多个导流孔5.2、竖直流道5.4和水平流道5.5从而使得导流件5能够对气体或者液体进行均匀的导流。
50.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。