膜电极框架组件及PEM电解堆

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2024-03-12 17:25:51

权利要求书： 1.一种膜电极框架组件，其特征在于，具备：框架本体，其形成为内空结构，在所述框架本体的内缘设置至少一个限定部件，在所述限定部件内开设有可穿过螺杆的通孔。

2.根据权利要求1所述的膜电极框架组件，其特征在于，所述限定部件包括相交设置第一限定部件及第二限定部件，所述第一限定部件及所述第二限定部件的相交处开设有通孔。

3.根据权利要求2所述的膜电极框架组件，其特征在于，所述第一限定部件及所述第二限定部件的端面与所述框架本体的端面水平设置。

4.根据权利要求3所述的膜电极框架组件，其特征在于，在所述第一限定部件及所述第二限定部件的一端面上分别设有水体/气体流道。

5.根据权利要求3所述的膜电极框架组件，其特征在于，所述通孔沿着所述第一限定部件或所述第二限定部件的端面向上延伸。

6.根据权利要求3所述的膜电极框架组件，其特征在于，在所述通孔的两个端面设有第一密封凸肋，所述第一密封凸肋与所述框架本体两个端面的第二密封凸肋的高度相同。

7.一种PEM电解堆，其特征在于，其包括权利要求1?6任一所述的膜电极框架组件及设置在所述膜电极框架组件两端的端板。

8.根据权利要求7所述的PEM电解堆，其特征在于，在所述端板的上设置与所述通孔相对应的第一贯穿孔，所述第一贯穿孔与所述通孔设置在同一轴线上。

9.根据权利要求8所述的PEM电解堆，其特征在于，在所述膜电极框架组件内层叠设置有阳极、钛网、质子交换膜、毡布、阴极及导电层，在所述阳极所述质子交换膜、所述阴极及所述导电层分别设有与所述通孔相对应的第三贯穿孔。

10.根据权利要求8所述的PEM电解堆，其特征在于，在所述框架本体内设有扩散层组件，所述扩散层组件的底侧外缘与所述框架本体抵接侧设置台阶，所述台阶与所述框架本体内缘的唇缘相互贴合。

说明书：膜电极框架组件及PEM电解堆技术领域[0001] 本发明涉及PEM电解堆技术领域，更具体地说，涉及一种膜电极框架组件及PEM电解堆。背景技术[0002] 层叠的膜电极组件在电解堆或水电解系统是用于产生氢气和氧气的部件。通常，膜电极组件由可以通过氢离子(质子)的全氟磺酸离聚物类膜及分别堆叠在质子交换膜相对侧的阳极和阴极组成。[0003] 目前，PEM电解堆通常由多层(如30层?50层)膜电极组件层叠组成，在两端的端板及外围上增加多根拉杆以对层叠的膜电极组件进行锁紧，可以有效降低集电层与质子膜之间的间隙。但装配及使用过程发现，虽然增加拉杆可以减少膜电极之间的贴合间隙，在标定的功率下，电解产氢的效率不能达到设计值，表明在多层集电层与质子膜层叠时，带框架及其内部集电层组件存在虚位鼓起形变，导致其间距增大的问题，导致其集电层组件的电阻增加，电解产氢的性能不够理想。[0004] 因此，如何保证质子多层集电层与质子膜层叠时平整度，以降低膜电极组件的电阻成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。发明内容[0005] 本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述在标定的功率下，电解产氢的效率不能达到设计值，表明在多层集电层与质子膜层叠时，质子膜存在鼓起的问题，导致其电阻增加，电解产氢的性能不够理想的缺陷，提供一种具备膜电极组件层叠结构较为紧密的膜电极框架组件及PEM电解堆。[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种膜电极框架组件，具备：[0007] 框架本体，其形成为内空结构，在所述框架本体的内缘设置至少一个限定部件，在所述限定部件内开设有可穿过螺杆的通孔。[0008] 在一些实施方式中，所述限定部件包括相交设置第一限定部件及第二限定部件，[0009] 所述第一限定部件及所述第二限定部件的相交处开设有通孔。[0010] 在一些实施方式中，所述第一限定部件及所述第二限定部件的端面与所述框架本体的端面水平设置。[0011] 在一些实施方式中，在所述第一限定部件及所述第二限定部件的一端面上分别设有水体/气体流道。[0012] 在一些实施方式中，所述通孔沿着所述第一限定部件或所述第二限定部件的端面向上延伸。[0013] 在一些实施方式中，在所述通孔的两个端面设有第一密封凸肋，所述第一密封凸肋与所述框架本体两个端面的第二密封凸肋的高度相同。[0014] 第二方面，一种PEM电解堆，其包括上述任一所述的膜电极框架组件及设置在所述膜电极框架组件两端的端板。[0015] 在一些实施方式中，在所述端板的上设置与所述通孔相对应的第一贯穿孔，所述第一贯穿孔与所述通孔设置在同一轴线上。[0016] 在一些实施方式中，在所述膜电极框架组件内层叠设置有阳极、钛网、质子交换膜、毡布、阴极及导电层，在所述阳极、所述质子交换膜、所述阴极及所述导电层分别设有与所述通孔相对应的第三贯穿孔。[0017] 在一些实施方式中，在所述框架本体内设有扩散层组件，所述扩散层组件的底侧外缘与所述框架本体抵接侧设置台阶，所述台阶与所述框架本体内缘的唇缘相互贴合。[0018] 第一密封凸肋[0019] 在本发明所述的膜电极框架组件中，包括形成为内空结构的框架本体，在框架本体的内缘设置至少一个限定部件，在限定部件内开设有可穿过螺杆的通孔。与现有技术相比，通过在框架本体内设置至少一个限定部件，在限定部件内设置通孔，在层叠膜电极组件时，通过在端板的中间位置的螺杆再配合外缘的螺杆对端板及膜电极组件进行锁紧，以提高集电层、质子交换膜及扩散层组件之间的贴合度，可有效解决多层集电层与质子膜层叠时，质子膜存在鼓起的问题，以降低膜电极的电阻，提升电解堆电解的效率。附图说明[0020] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：[0021] 图1是本发明提供PEM电解堆一实施例的爆炸图；[0022] 图2是本发明提供PEM电解堆一实施例的局部剖视图；[0023] 图3是本发明提供端板一实施例的立体图；[0024] 图4是本发明提供膜电极框架组件一实施例的立体图；[0025] 图5是本发明提供膜电极框架组件另一实施例的立体图；[0026] 图6是本发明提供扩散层组件一实施例的立体图；[0027] 图7是本发明提供扩散层组件另一实施例的立体图。具体实施方式[0028] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。[0029] 如图1所示，在本发明的PEM电解堆的第一实施例中，PEM电解堆包括至少膜电极框架组件、集电层、扩散层组件104、多块密封垫层105及质子交换膜106。[0030] 其中，框架本体(对应110或130)形成为内空结构(对应111及113)，其采用PPSU材料注塑而成，其形状可为方形或圆形。[0031] 集电层堆叠于膜电极之前，作为相邻膜电极之间传导电流。[0032] 质子交换膜106设置在密封垫层105、扩散层组件104及框架本体(对应110或130)之间，具体为，质子交换膜106设置在阳极电极与阴极电极之间，电解时，纯净水在阳极电极处电解反应以形成氧气、电子、和氢离子(质子)。氧气和部分纯净水回流至储水部件，同时质子和水穿过质子交换膜106迁移到阴极侧，通过阴极催化层及阴极扩散层，使得氢离子在阴极处形成氢气。[0033] 扩散层组件104包括阳极组件及阴极组件，其中阳极组件通常包括钛网、钛毡等，阴极组件通常包括毡层和板层，如毡布(例如碳毡布或不锈钢毡)和不锈钢板层等。[0034] 具体地，如图4及图5所示，框架本体(对应110或130)形成为内空结构，作为扩散层组件104及质子交换膜106的限定空间，以形成水体流场或气体流场。[0035] 进一步地，在框架本体(对应110或130)的内缘(对应内空结构内)设置至少一个横向或纵向的限定部件(对应112、113或132、133)，当框架本体(对应110或130)为方形时，限定部件(对应112、113或132、133)设置在框架本体(对应110或130)的相对边上；[0036] 当框架本体(对应110或130)为圆形时，限定部件(对应112、113或132、133)设置在框架本体(对应110或130)的直径或与直径相邻的边上，限定部件(对应112、113或132、133)与框架本体(对应110或130)一体注塑成型。[0037] 进一步地，在限定部件(对应112、113或132、133)内开设有可穿过螺杆的通孔(对应115或135)，层叠集电层、质子交换膜106及扩散层组件104。[0038] 在膜电极框架组件的两端设置不锈钢的端板(对应10a及10b)，如图3所示，在端板(对应10a及10b)的外缘设置与膜电极框架组件相应于的贯穿孔10c，该贯穿孔10c与通孔(对应115或135)设置在同一轴线上，再通过螺杆将端板(对应10a及10b)进行锁紧，进而保证质子交换膜106及扩散层组件104在层叠多层(如40层或50层)时，由于框架本体(对应110或130)的中间位置或与中间位置相近区域缺少拉力，导致质子交换膜106鼓起而造成电阻增加的问题。[0039] 使用本技术方案，通过在框架本体(对应110或130)内设置至少一个限定部件(对应112、113或132、133)，在限定部件(对应112、113或132、133)内设置通孔(对应115或135)，在层叠膜电极组件时，通过在端板(对应10a及10b)的中间位置的螺杆再配合外缘的螺杆对端板及膜电极组件进行锁紧，以提高集电层、质子交换膜及扩散层组件之间的贴合度，可有效解决多层集电层与质子膜层叠时，质子膜存在鼓起的问题，以降低膜电极的电阻，提升电解堆电解的效率。[0040] 在一些实施方式中，如图4及图5所示，为了提高质子交换膜106及扩散层组件104贴合的紧密度，可在限定部件中设置第一限定部件(对应112或132)及第二限定部件(对应113或133)，其中，第一限定部件(对应112或132)及第二限定部件(对应113或133)相交设置在框架本体(对应110或130)内，在第一限定部件(对应112或132)及第二限定部件(对应113或133)的相交处开设有通孔(对应115或135)，该通孔(对应115或135)与端板(对应10a及

10b)上的贯穿孔10c配合螺杆对端板(对应10a及10b)及框架本体(对应110或130)施加拧紧力，进而提高质子交换膜106及扩散层组件104贴合的紧密度。

[0041] 其中，在框架本体(对应110或130)上设有多个定位孔140，该定位孔140的直径小于或等于通孔(对应115或135)的直径。[0042] 在一些实施方式中，如图4及图5所示，为了保证膜电极组件层叠结构贴合的紧密性，可将第一限定部件(对应112或132)及第二限定部件(对应113或133)的端面与框架本体(对应110或130)的端面水平设置。[0043] 可以理解为，第一限定部件(对应112或132)及第二限定部件(对应113或133)的上端与框架本体(对应110或130)的上端面(对应150)水平设置。[0044] 其中，第一限定部件(对应112或132)及第二限定部件(对应113或133)的宽度大于或等于框架本体(对应110或130)的宽度。[0045] 在一些实施方式中，如图4及图5所示，为了保证流场的通畅性，可在第一限定部件(对应112或132)及第二限定部件(对应113或133)的一端面上分别设有多条水体/气体流道，如，通入的纯净水从进水孔117通入，经水体流道在框架本体(对应110或130)形成水体流场，电解后产生氢气及氧气，氧气与电解后纯水从回水口118输出至纯水箱，氢气从框架本体(对应110或130)两端的出氢口(对应119及120)输出。[0046] 在一些实施方式中，如图4所示，为了提高框架本体(对应110或130)的密封性，可将通孔(对应115或135)沿着第一限定部件(对应112或132)或第二限定部件(对应113或133)的端面向上延伸(对应114)，且在通孔(对应115或135)的外延设有第一密封凸肋(对应

116)。

[0047] 其中，在框架本体(对应110或130)的外延设有多个间距相等或不相等的定位孔140，在定位孔140的外延设有第二密封凸肋(对应125)，其中，第一密封凸肋(对应116)与框架本体(对应110或130)的端面的第二密封凸肋(对应125)的高度相同。

[0048] 在一些实施方式中，如图3所示，为了提高质子交换膜106及扩散层组件104贴合的紧密度，可在端板10a的上设置与通孔(对应115或135)相对应的第一贯穿孔10c，第一贯穿孔10c与通孔(对应115或135)设置在同一轴线上，将螺杆10d穿过第一贯穿孔10c、通孔(对应115或135)及端板10b上的第二贯穿孔10f，进而在框架本体(对应110或130)的中间位置施加拧紧力，进而提高多层膜电极层叠时，质子交换膜106及扩散层组件104贴合的紧密度。[0049] 进一步地，在膜电极框架组件内层叠设置有阳极102、质子交换膜106、毡布、阴极(未图示)及导电层，在阳极102、质子交换膜106、阴极(未图示)及导电层分别设有与通孔(对应115或135)相对应的第三贯穿孔(未图示)。[0050] 在一些实施方式中，如图2及图7所示，为了提高框架本体(对应110或130)与扩散层组件104装配的可靠性，可在框架本体(对应110或130)内设有扩散层组件104。[0051] 其中，如图6所示，扩散层组件104装配在框架本体(对应110或130)的内空结构(对应111及113)内，且扩散层组件104的底侧外缘设置台阶104a，在二者配合时，台阶104a与框架本体(对应110或130)的内侧相抵接，且台阶104a与框架本体(对应110或130)内缘的唇缘相互贴合，进而提高扩散层组件104与质子交换膜106贴合的平整性。[0052] 其中，在端板(对应10a)与阳极102之间设置有绝缘垫层101，通过设置绝缘垫层101以避免电解堆工作时，端板(对应10a)携带电流，以提高使用的安全性。

[0053] 另一端板(对应10b)与阴极(未图示)也对应设置绝缘垫层(未图示)。[0054] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。