一种AEM电解槽密封结构及其密封方法

技术领域

本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其涉及一种AEM电解槽密封结构及其密封方法。

背景技术

电解水制氢是一种较为方便的制取氢气的方法，在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。目前，电解水制氢主要有四种方式，分别为碱性水电解水制氢(ALK)、阴离子交换膜电解水制氢(AEM)、质子交换膜电解水制氢(PEM)和高温固体氧化物电解水制氢(SOEC)。AEM作为最新的电解水技术，其潜力在于将碱性电解槽的低成本与PEM的简单、高效相结合，具有很大的应用前景，被人们作为研究热点。市面上技术较为成熟及在售的ALK电解槽和PEM电解槽一般采用密封垫进行密封，需要针对不同的电解槽定制特定结构的密封垫，不仅成本较高，而且装配较为复杂，并且组装成的电解槽的体积较大、重量较大，不适于AEM电解水使用。

发明内容

为解决现有技术中的上述缺陷，本发明的目的之一在于提供一种AEM电解槽密封结构，具有密封效果好的特点，且能够减小电解槽的体积和重量。

为解决现有技术中的上述缺陷，本发明的目的之二在于提供一种AEM电解槽密封方法，具有成本低、装配简单、适用性高、易于工业连续化生产的特点。

根据本发明的目的之一所提供的技术方案如下：

一种AEM电解槽密封结构，包括：

沿第一方向依次设置的阳极框、阳极扩散层、隔膜、阴极扩散层和阴极框；

阳极框的朝向阳极扩散层的一侧面开设有一圈阳极凹槽，阳极凹槽位于阳极扩散层的外围，阴极框的朝向阴极扩散层的一侧面开设有一圈阴极凹槽，阴极凹槽位于阴极扩散层的外围，阳极凹槽和阴极凹槽内均填充有密封胶。

进一步地，阳极框和阴极框均为塑料极框，厚度为2-10mm。

进一步地，阳极凹槽和阴极凹槽的深度为0.2-1mm，宽度为0.5-3mm。

进一步地，密封胶的高度为0.3-1.2mm，宽度为0.8-3.2mm。

进一步地，密封胶的高度比阳极凹槽和阴极凹槽的深度高0.1-0.5mm，密封胶的宽度比阳极凹槽和阴极凹槽的宽度大0.2-0.5mm。

进一步地，密封结构还包括阳极板和阴极板，阳极板设在阳极框远离阳极扩散层的一侧，阴极板设在阴极框远离阴极扩散层的一侧，阳极板和阴极板均为金属极板。

进一步地，隔膜为阴离子交换膜。

进一步地，阳极扩散层和阴极扩散层均为多孔结构的金属扩散层。

进一步地，阳极板、阳极框、阳极扩散层、隔膜、阴极扩散层、阴极框和阴极板依次设置至少一组以形成电解单元，电解单元的阳极侧设有阳极绝缘板，电解单元的阴极侧设有阴极绝缘板，阳极绝缘板和阴极绝缘板均为塑料绝缘板。

进一步地，阳极绝缘板远离电解单元的一侧设有阳极端板，阴极绝缘板远离电解单元的一侧设有阴极端板，阳极端板和阴极端板均为金属端板。

根据本发明的目的之二所提供的技术方案如下：

一种AEM电解槽的密封方法，包括以下步骤：

S1、准备阳极框、阳极扩散层、隔膜、阴极扩散层和阴极框，在阳极框和阴极框的相对侧面分别加工一圈阳极凹槽和阴极凹槽，且一圈阳极凹槽和一圈阴极凹槽的尺寸大于阳极扩散层和阴极扩散层的外周尺寸；

S2、使用点胶机将胶水在阳极凹槽和阴极凹槽内点胶，固化，以形成密封胶，密封胶的高度大于阳极凹槽和阴极凹槽的深度；

S3、将阳极框、阳极扩散层、隔膜、阴极扩散层和阴极框依次紧密设置以完成密封。

进一步地，步骤S1中，阳极扩散层和阴极扩散层的材质为泡沫镍、钛毡、镍毡、镍网、不锈钢毡中的至少一种。

进一步地，步骤S2中，胶水为聚烯烃胶、改性硅胶、环氧胶、改性聚氨酯胶中的至少一种。

进一步地，步骤S2中，固化方式为热固化、吸湿固化、UV固化、挥发固化、厌氧固化中的至少一种。

进一步地，步骤S3中，在阳极框远离阳极扩散层的一侧紧密设置阳极板，在阴极框远离阴极扩散层的一侧紧密设置阴极板，以使至少一组阳极板、阳极框、阳极扩散层、隔膜、阴极扩散层、阴极框和阴极板依次紧密设置以形成电解单元。

进一步地，在电解单元的靠近阳极板的一端依次放置阳极绝缘板和阳极端板，在电解单元的靠近阴极板的一端依次放置阴极绝缘板和阴极端板，然后紧固连接，以完成AEM电解槽的密封。

进一步地，阳极框、阴极框、阳极绝缘板和阴极绝缘板的材质为聚苯硫醚、聚砜、聚四氟乙烯、聚醚醚酮中的至少一种。

进一步地，阳极板、阴极板、阳极端板和阴极端板的材质为钛、不锈钢、纯镍、碳钢镀镍、碳钢、铸铁中的至少一种。

有益效果：

(1)本发明的AEM电解槽密封结构，通过在阳极框上开设有阳极凹槽，在阴极框上开设阴极凹槽，并在阳极凹槽和阴极凹槽内填充密封胶以实现密封，不仅能达到很好的密封效果，而且无需设计特定的密封垫，从而降低了生产成本，并且减小了电解槽的体积以及重量。同时，本发明的密封结构方便拆卸和维修，且可重复利用。

(2)本发明的AEM电解槽的密封方法，采用点胶的方式的在阳极凹槽和阴极凹槽内填充密封胶，不仅工艺简单，而且方便电解槽的组装和拆卸，同时简化了电解槽的内部结构，具有成本低、装配简单、适用性高、易于工业连续化生产的特点。

附图说明

图1为实施例中AEM电解槽的分解图；

图2为实施例中阳极框的结构示意图；

图3为实施例中阴极框的结构示意图。

附图标记：

1、阳极端板；2、阳极绝缘板；3、阳极板；4、阳极框；41、阳极凹槽；5、阳极扩散层；6、隔膜；7、阴极扩散层；8、阴极框；81、阴极凹槽；9、阴极板；10、阴极绝缘板；11、阴极端板。

具体实施方式

为了更好地理解和实施，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。

本实施例提供一种AEM电解槽密封结构，参阅图1，AEM电解槽包括沿第一方向依次设置的阳极端板1、阳极绝缘板2、电解单元、阴极绝缘板10和阴极端板11。其中，电解单元包括至少一组沿第一方向依次设置的阳极板3、阳极框4、阳极扩散层5、隔膜6、阴极扩散层7、阴极框8和阴极板9。当组装电解槽时，可根据需要设计阳极板3、阳极框4、阳极扩散层5、隔膜6、阴极扩散层7、阴极框8和阴极板9的组数，以更好的完成电解水制氢。

在上述结构的基础上，本实施例的AEM电解槽的密封是通过如下结构实现的：

阳极框4的沿第一方向的至少一侧面开设有一圈阳极凹槽41，阳极凹槽41位于阳极扩散层5的外围，阴极框8的沿第一方向的至少一侧面开设有一圈阴极凹槽81，阴极凹槽81位于阴极扩散层7的外围。阳极凹槽41和阴极凹槽81内均填充有密封胶，密封胶沿第一方向的高度大于阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度。由此，本实施例不仅能达到很好的密封效果，而且无需设计特定的密封垫，从而降低了生产成本，并且减小了电解槽的体积以及重量。同时，本实施例的密封结构方便拆卸和维修，且可重复利用。

在此需要说明的是，一般情况下，阳极框4和阴极框8的结构相同或相似，阳极扩散层5和阴极扩散层7的结构、尺寸等相同或相似。因此，在对阳极框4设计阳极凹槽41，以及对阴极框8设计阴极凹槽81时，阳极凹槽41的结构和尺寸可以与阴极凹槽81相同。当然，此处是针对一般情况进行的说明，对于特殊结构的电解槽，则需要针对特定结构特别设置。

本实施例限定密封胶沿第一方向的高度大于阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度，从而使得密封胶能够凸出于阳极框4和阴极框8，由此可以达到很好的密封效果。

而对于本实施例说明的阳极框4的沿第一方向的至少一侧面开设有一圈阳极凹槽41，阴极框8的沿第一方向的至少一侧面开设有一圈阴极凹槽81，阳极凹槽41可以设在阳极框4的沿第一方向的一侧面，也可以设在阳极框4的沿第一方向的相对两侧面。相应地，阴极凹槽81可以设在阴极框8的沿第一方向的一侧面，也可以设在阴极框8沿第一方向的相对两侧面。当阳极凹槽41和阴极凹槽81均设在一侧面时，阳极框4设有阳极凹槽41的一侧面朝向阳极扩散层5，阴极框8设有阴极凹槽81的一侧面朝向阴极扩散层7，装配时需要特别注意阳极框4和阴极框8的装配方向。当阳极凹槽41和阴极凹槽81均设在相对两侧面时，阳极凹槽41和阴极凹槽81在相对两侧面的结构可以完全相同，由此，可以随意装配，不必注意阳极框4和阴极框8的装配方向，使得装配更加简单。

由于阳极凹槽41开设在阳极框4上，阴极凹槽81开设在阴极框8上，因此，阳极凹槽41的总深度小于阳极框4的厚度，阴极凹槽81的总深度小于阴极框8的厚度，避免开槽穿透阳极框4和阴极框8，而造成漏液。

下面对本实施例的AEM电解槽的各结构进行详细说明。

阳极框4和阴极框8的厚度均为2-10mm，以满足常规AEM电解水制氢的需求。在该厚度范围内，将阳极框4、阴极框8的厚度与强度较好的结合，既不会占用较大体积，使得电解槽过厚过重，又保证了电解过程的顺利进行。例如，阳极框4和阴极框8的厚度均为5mm，阳极框4和阴极框8不会过厚，组成电解槽时体积较小、重量较轻，并且该厚度的阳极框4和阴极框8强度较高，在电解水制氢的过程中不易腐蚀、破损，以保证电解槽的长期密封性，保证电解水制氢长期、有效进行，避免频繁拆卸电解槽更换阳极框4和/或阴极框8，简化了操作，且节约了成本。

若阳极框4和阴极框8的厚度小于2mm，使得阳极框4和阴极框8的强度过低，在对阳极框4开阳极凹槽41，对阴极框8开阴极凹槽81，以及装配、或长期使用的过程中，阳极框4和阴极框8容易破损而影响密封效果，导致电解水制氢不能顺利进行。例如，当阳极框4和阴极框8的厚度仅有1mm时，阳极框4和阴极框8太薄，强度较低，在电解水制氢过程中容易腐蚀、破损，仅能短时间使用或者使用较少次数，便需要拆卸电解槽更换阳极框4和/或阴极框8，不仅操作繁琐、提高成本，甚至会影响电解水制氢的顺利进行。并且，经比较，厚度为1mm的阳极框4和阴极框8用于电解水制氢的使用时间不足厚度为5mm的阳极框4和阴极框8用于电解水制氢的使用时间的四分之一，且不足厚度为2mm的阳极框4和阴极框8用于电解水制氢的使用时间的一半。可以得知，当阳极框4和阴极框8的厚度小于2mm时，阳极框4和阴极框8的强度大幅降低，使用寿命明显缩短。

若阳极框4和阴极框8的厚度大于10mm，阳极框4和阴极框8过厚，不仅增加了装配难度，而且使得电解槽的体积和重量过大。例如，阳极框4和阴极框8的厚度为15mm时，阳极框4和阴极框8过于厚重，不仅增加了电解槽的装配难度，难以保证电解槽的密封性，而且明显增加了电解槽的重量和体积，不利于搬运和放置。经比较，厚度为15mm的阳极框4和阴极框8组装成的电解槽经短时间使用常出现密封性问题、漏液问题，导致电解水制氢不能顺利进行，而厚度不超过10mm的阳极框4和阴极框8组装成的电解槽不会出现该问题。可以得知，当阳极框4和阴极框8的厚度大于10mm时，阳极框4和阴极框8组装成电解槽的装配难度大幅提高，且不能有效保证电解槽的密封性。

阳极框4和阴极框8均为塑料极框，该塑料极框的塑料材质为聚苯硫醚、聚砜、聚四氟乙烯、聚醚醚酮中的至少一种。由此，制备阳极框4和阴极框8时，可以根据测试环境等选择合适的一种或两种或两种以上的塑料作为原材料进行制备。

阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度均为0.2-1mm，宽度为0.5-3mm，且阳极凹槽41的总深度小于阳极框4的厚度，阴极凹槽81的总深度小于阴极框8的厚度，以免贯穿阳极框4和阴极框8。本实施例通过对阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度、宽度范围进行限定，在保证阳极框4和阴极框8强度的基础上，保证了填充密封胶的密封效果。例如，阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度为0.5mm，宽度为1.5mm，该深度的设置不会影响阳极框4和阴极框8的强度，并且该深度和宽度的设置能够填充足够多的密封胶，从而保证了电解槽在电解水制氢过程中的密封效果以及长期使用。

若阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度小于0.2mm，宽度小于0.5mm，阳极凹槽41和阴极凹槽81过浅、过窄，能够填充密封胶的量过少，装配时，密封胶经挤压变形基本全部位于阳极凹槽41和阴极凹槽81内，不会凸出于阳极凹槽41和阴极凹槽81，导致密封效果变差。例如，阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度为0.1mm，宽度为0.3mm，阳极凹槽41和阴极凹槽81过浅、过窄，能够填充的密封胶的量极少，在组装成电解槽的过程中，极少量的密封胶经挤压变形后，基本被挤压在阳极凹槽41和阴极凹槽81内，并不会凸出于阳极框4和阴极框8表面，不能起到很好的密封效果，导致电解水制氢不能顺利进行。

若阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度大于1mm，宽度大于3mm,阳极凹槽41和阴极凹槽81过深、过宽，使得阳极框4和阴极框8的强度明显降低，在电解水过程中，阳极框4和阴极框8容易损坏，从而影响电解水的顺利进行。并且，阳极凹槽41和阴极凹槽81过深、过宽，需要填充密封胶过多，不仅造成密封胶的浪费，而且装配时，密封胶过厚很容易挤压变形不均匀，导致装配时部分位置出现缝隙而影响密封效果。例如，阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度为2mm，宽度为4mm，且不会贯穿阳极框4和阴极框8。一方面，由于阳极凹槽41和阴极凹槽81过深，使得阳极框4和阴极框8的强度大幅降低，影响电解槽的使用寿命。另一方面，该深度和宽度的阳极凹槽41和阴极凹槽81要想达到很好的密封效果，需要填充大量密封胶，成本明显升高。并且，在组装成电解槽时，大量密封胶经挤压变形难以在阳极框4和阴极框8表面保持平整，从而影响电解槽的密封效果。

阳极凹槽41和阴极凹槽81只需要为闭合结构即可，不必为规则的圆环形、椭圆形等，可以根据需求随意设计形状。

密封胶的高度为0.3-1.2mm，宽度为0.8-3.2mm，密封胶的高度比阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度高0.1-0.5mm，密封胶的宽度比阳极凹槽41和阴极凹槽81的宽度大0.2-0.5mm，以使装配时密封胶被挤压变形能够凸出于阳极凹槽41和阴极凹槽81，提高密封效果。若密封胶的高度小于阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度，密封胶的宽度小于阳极凹槽41和阴极凹槽81的宽度，装配时，密封胶因挤压变形容易全部填充于阳极凹槽41和阴极凹槽81内，并不会凸出于阳极凹槽41和阴极凹槽81，由此导致密封效果变差。

对于密封胶的深度、宽度与阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度、宽度的尺寸差异以及效果，具体举例说明。例如，当密封胶的高度比阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度高0.2mm，密封胶的宽度比阳极凹槽41和阴极凹槽81的宽度大0.3mm时，填充密封胶且组装电解槽后，密封胶经挤压变形能够平整凸出于阳极框4和阴极框8，从而密封电解槽。而当密封胶的高度比阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度高0.05mm，密封胶的宽度比阳极凹槽41和阴极凹槽81的宽度大0.1mm时，组装电解槽后，密封胶几乎被压扁并位于阳极凹槽41和阴极凹槽81内，从而不能凸出于阳极框4和阴极框8，达不到密封效果。当密封胶的高度比阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度高0.6mm，密封胶的宽度比阳极凹槽41和阴极凹槽81的宽度大0.6mm时，组装电解槽后，经挤压变形的密封胶不平整地凸出于阳极框4和阴极框8表面，导致电解槽密封性变差。

同时，本实施例对密封胶高度和深度范围的限定既避免了密封胶的浪费，也保证了密封胶的密封效果。例如，密封胶的高度为1mm，宽度为2mm，在阳极凹槽41和阴极凹槽81内填充的密封胶量较少，不会造成成本的升高以及密封胶的浪费。并且，在组装电解槽时，该高度和宽度的密封胶经挤压变形能够平整凸出于阳极框4和阴极框8表面，以保证电解槽的密封效果。

若密封胶的高度小于0.3mm，宽度小于0.8mm，例如密封胶的高度为0.1mm，宽度为0.5mm，装配时，密封胶经挤压变形基本全部位于阳极凹槽41和阴极凹槽81内，不会凸出于阳极凹槽41和阴极凹槽81，不能达到密封效果。若密封胶的高度大于1.2mm，宽度大于3.2mm，例如密封胶的高度为2mm，宽度为4mm，不仅造成密封胶的浪费，而且装配时，密封胶过厚很容易挤压变形不均匀，导致装配时部分位置出现缝隙而影响密封效果。

密封胶通过胶水固化得到，胶水为高分子胶黏剂，可为聚烯烃胶、改性硅胶、环氧胶、改性聚氨酯胶中的至少一种。胶水的具体选择由测试条件等决定。胶水固化时的固化方式可以为热固化、吸湿固化、UV固化、挥发固化、厌氧固化中的至少一种，可以直接采用一种固化方式，或者两种及以上的固化方式进行配合以缩短固化时间，达到更好的固化效果。

阳极板3和阴极板9均为金属极板，金属极板的金属材质可以为钛、不锈钢、纯镍、碳钢镀镍中的至少一种，根据测试条件进行选择。

隔膜6为阴离子交换膜，以适用于本实施例的AEM电解槽进行电解水制氢。

阳极扩散层5和阴极扩散层7均为多孔结构的金属扩散层，多孔结构的设置便于电解水制氢时气液传输。阳极扩散层5和阴极扩散层7的多孔结构的孔径大小在此不进行限定，根据测试条件进行设置即可。阳极扩散层5和阴极扩散层7的金属材质一般选择为泡沫镍、钛毡、镍毡、镍网、不锈钢毡中的至少一种，同样地，根据测试条件进行选择即可。

阳极绝缘板2和阴极绝缘板10均为塑料绝缘板，塑料材质为聚苯硫醚、聚砜、聚四氟乙烯、聚醚醚酮中的至少一种，根据测试条件进行选择。

阳极端板1和阴极端板11均为金属端板，金属材质选择为碳钢、铸铁、不锈钢、碳钢镀镍、纯镍中的至少一种，根据测试条件进行选择。

在对AEM电解槽的各部件进行说明后，本实施例还根据上述结构、材质、参数特征等提供了一种AEM电解槽的密封方法，包括以下步骤：

S1、准备阳极端板1、阳极绝缘板2、阳极板3、阳极框4、阳极扩散层5、隔膜6、阴极扩散层7、阴极框8、阴极板9、阴极绝缘板10和阴极端板11，在阳极框4和阴极框8的沿第一方向的至少一侧面分别加工一圈阳极凹槽41和阴极凹槽81，且一圈阳极凹槽41和一圈阴极凹槽81的尺寸大于阳极扩散层5和阴极扩散层7的外周尺寸；

S2、使用点胶机将胶水在阳极凹槽41和阴极凹槽81内点胶，固化，以形成密封胶，密封胶沿第一方向的高度大于阳极凹槽41和阴极凹槽81的深度；

S3、将至少一组阳极板3、阳极框4、阳极扩散层5、隔膜6、阴极扩散层7、阴极框8和阴极板9沿第一方向依次设置以形成电解单元；

S4、在电解单元的靠近阳极板3的一端依次放置阳极绝缘板2和阳极端板1，在电解单元的靠近阴极板9的一端依次放置阴极绝缘板10和阴极端板11，然后紧固连接，以形成AEM电解槽。

上述密封方法为概括性叙述，具体实施条件可以根据需要进行调节，而对于各部件的材质、参数特征、固化方式等参照前述叙述即可。本实施例在制备好各部件进行组装时，可通过螺栓将各部件进行紧固连接，以免松动。

本实施例的AEM电解槽的密封方法，采用点胶的方式的在阳极凹槽41和阴极凹槽81内填充密封胶，不仅工艺简单，而且方便电解槽的组装和拆卸，同时简化了电解槽的内部结构，具有成本低、装配简单、适用性高、易于工业连续化生产的特点。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。