具体实施方式

以下结合附图对本申请中的技术方案作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种板框式可叠加的水电解制氢PEM电解装置。请参照图1，电解装置包括多组相互独立的电解槽1、夹设在电解槽1之间的双极板2以及对电解槽1和双极板2进行固定的固定装置3。

其中，电解槽1包括至少两个具有绝缘属性的板框11和与板框11平行的膜电极12，一个电解槽1内的板框11可以设有两个，也可以是多个小型的板框11拼接形成两个面积较大的板框11，两个板框11互为轴对称结构，膜电极12夹设在两个板框11之间。板框11可以是塑料材质，例如：聚亚苯基砜树脂（PPSU）材质、聚乙烯（PE）材质等，在一些小型的电解装置中，板框11的厚度在2~5mm之间，具有良好的绝缘性的同时，还具有较轻的重量以及较高的结构强度和可塑性。

参照图2和图3，板框11的中间部分开设有通槽，即通槽贯穿板框11的两侧面，两个板框11分别贴合至膜电极12的两侧面上，即可形成一个独立的电解槽1，位于同一个膜电极12两侧的板框11的通槽分别形成阳极室13和阴极室14，在阳极室13和阴极室14内填充有电极材料15，电极材料15与膜电极12电性接触，用于通电并在注水后产生电解反应。双极板2夹设在相邻两个电解槽1之间，即多个电解槽1和双极板2交错叠加，形成电解槽串。

参照图2~图4，板框11、双极板2和膜电极12上均开设有进水孔43、氧气孔41和氢气孔42，进水孔43位于下方，氧气孔41和氢气孔42位于上方两侧。当板框11、双极板2和膜电极12堆叠在一块时，氧气孔41正相对并形成氧气通道，进水孔43正相对，并形成进水通道，氢气孔42正相对并形成氢气通道。电解槽1的其中一个板框11上还开设有第一流道71，用于使氧气通道和进水通道与板框11上的通槽连通，即氧气通道和进水通道均与阳极室13连通；另一板框11上开设有第二流道72，用于使氢气通道与该板框11上的通槽连通，即氢气通道与阴极室14连通。

膜电极12的面积大于板框11上的通槽面积，用于隔离阳极室13与阴极室14，同时用于接触电极材料15使电流通过，膜电极12可以是离子交换膜、石棉隔膜或金属隔膜中的一种，膜电极12具备一定的孔隙率，用于使离子通过，同时具备隔离水分子的作用。

阳极室13内的电极材料15可以是铂、铱、钌中的一种或多种的组合，也可以是包含上述一种或多种元素的其他合金，可对于氧析出反应具有较高的活性；阴极室14内的电极材料15可以是铂、钯中的一种或含有上述一种或多种元素合金的活性炭；双极板2为钛或钛合金材质，具有良好的结构强度和耐腐蚀度，同时具备良好的导电性且容易制作。

工作过程中，将电解槽串的阳极一端连接直流电源的正极，另一端连接直流电源的负极，如图1所示，电流依次经过阳极室13内的电极材料15、膜电极12阴极室14内的电极材料15、双极板2，并再次经过相邻电解槽1阳极室13内的电极材料15，最终至直流电源的负极；水通过进水孔43进入至进水管道，并通过各个板框11上的第一流道71进入至各个电解槽1的阳极室13内，水流接触阳极板后产生电解反应并析出氧气、氢离子和电子，氧气和多余的水流通过第一流道71进入至氧气通道并排出至电解槽串；电子通过外围电路传递到阴极，氢离子以水合的形式通过膜电极12到阴极室14内的电极材料15上，氢离子和电子重新结合形成氢气，氢气通过与阴极室14连通的第二流道72进入氢气通道，直至从电解槽串中排出。

参照图2和图3，为了提高阳极室13和阴极室14的密封性，减少产出的气体和水流的泄露，在板框11朝向膜电极12的一侧面开设有呈环状的卡槽51，卡槽51内卡设有同样呈环状的密封件52，密封件52可以是橡胶材质或氟橡胶材质，密封件52卡设在卡槽51内所围成的区域在板框11上的投影涵盖通槽所在的区域。

参照图4，在第一流道71和第二流道72内设有台阶槽，在台阶槽上搭设固定有承压板73，承压板73的材质与板框11的材质相同，其固设或搭设在台阶槽上时与板框11的外表面平齐，承压板73的外表面开设有卡槽51，并与板框11上的卡槽51首尾相接，这样密封件52卡设在卡槽51内，可使密封件52的各个位置均匀承压，减少密封件52在第一流道71和第二流道72的位置承压不足导致的密封性变差。

为了能够使承压板73承受板框11与膜电极12之间较大的挤压力，在第一流道71和第二流道72内固设有等间距排列的至少一个支撑柱74，支撑柱74与承载板呈垂直状态。支撑柱74可以是矩形柱状结构，此时支撑柱74的长侧边与第一流道71或第二流道72的轴向平行；支撑柱74也可以是圆形柱状结构，此时支撑柱74的轴线正对承载板卡槽51位置的背部。支撑柱74的设置在提高承压板73的结构强度时，不影响水流或气体从支撑柱74之间的缝隙通过。

参照图1和图5，固定装置3包括若干个螺杆32、与螺杆32同数量的螺帽33和两个端板31。板框11、双极板2以及膜电极12上均开设有若干固定孔（图中未示出），并通过固定孔穿设在螺杆32上。两个端板31分别抵接在电解槽串的两端部，螺杆32将端板31和电解槽串贯穿连接，通过螺帽33螺纹连接在螺杆32上并抵接在端板31的外侧面，从而可将多个独立的电解槽1以及交错夹设在电解槽1之间双极板2进行固定。

其中，端板31可以是任意具有良好的结构强度的板材，例如木板、塑料板以及金属板等，作为优选，端板31为金属板，例如端板可以是碳钢、铁、铝或金属合金等，端板31和螺杆32的外表面均喷涂有绝缘漆，用于隔绝电解槽1内电极材料15和双极板2上的电流；螺帽33可以是普通六角螺母，也可以是蝶形螺母，以便于工作人员使用工具或徒手紧固螺帽33。进一步的，在端板31与邻近的板框11之间夹设有绝缘板61和接线板62，其中，绝缘板61朝向垫板并与端板31抵接，接线板62朝向板框11并与板框11以及该板框11内的电极材料15抵接，以进一步防止出现电流通过端板31发生漏电现象。

绝缘板61、接线板62以及端板31上开设有与氧气通道正相对的氧气孔41、与氢气通道正相对的氢气孔42、与进水通道连通的进水孔43以及用于穿设在螺杆32上的固定孔。

参照图5，在端板31上的氧气孔41、氢气孔42和进水孔43上可拆卸连接有密封塞44，在其中一个可实现的方式中，密封塞44为橡胶材质，其与氧气孔41、氢气孔42和进水孔43为过盈配合，实现对氧气孔41、氢气孔42和进水孔43的密封；在另一个可实现的方式中，密封塞44为橡胶、塑料、金属材质中的一种，密封塞44与氧气孔41、氢气孔42和进水孔43为螺纹连接，以实现对氧气孔41、氢气孔42和进水孔43的密封，用于在本装置的一端进行水流注入和气体收集，同时可在非工作状态下，减少各个通道内进入杂物造成堵塞的现象。

本申请实施例的实施原理为：在靠近电解槽1两端部的接线板62上分别连接直流电源的正极和负极，接线板62与邻近的板框11以及该板框11内的电极材料15抵接，电流从接线板62依次经过阳极室13内的电极材料15、膜电极12、阴极室14内的电极材料15、双极板2、邻近的电解槽1内阳极室13的电极材料15，直至到直流电源的负极。水流从进水通道注入，并进入阳极室13内，水流在阳极室13内于电极材料15与板框11之间的缝隙漫向上部，此时水流与阳极室13内的电极材料15接触，析出氢气、氢离子和电子，电子通过外围电路移动至各个电解槽1的阴极，氢离子以水合的形式通过膜电极12与阴极室14内的电极材料15接触，由于膜电极12隔离阳极室13和阴极室14的作用，可使氢离子与自由电子结合形成氢气从氢气通道排出，部分水流和氧气均从阳极室13进入氧气通道并从氧气通道排出。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。