CN109473707A - 质子交换膜燃料电池的质子交换膜 - Google Patents

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Abstract

一种质子交换膜燃料电池的质子交换膜结构，塑料边框固设在质子交换膜的四个侧边、并有部份塑料边框黏固在质子交换膜的四个侧边，藉此利用部份塑料边框包覆并黏固在塑料边框的四个侧边，以增加质子交换膜板的材料强度。

Description

质子交换膜燃料电池的质子交换膜
技术领域
本发明是揭露一种燃料电池，特别是有关于一种质子交换膜燃料电池的的质子交换膜结构。
背景技术
燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电极上的电催化反应直接转化为电能的发电装置。燃料电池主要由质子交换膜和双极板构成，其中，质子交换膜是燃料电池的核心，是一种致密的质子选择透过的功能膜，因此为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键部件之一，起到分隔燃料和氧化剂，并防止它们直接发生反应作用。同时也起到了传导质子对电子绝缘的作用，其性能的优劣直接影响着燃料电池的性能、能量转化效率和使用寿命。
现在广泛研究和采用的是聚合物高分子质子交换膜，例如全氟质子交换膜、非氟质子交换膜及非全氟质子交换膜等等。虽然聚合物高分子质子交换膜具有质子导电率优异、甲醇透过率低、成膜简单的优点，但聚合物高分子材料本身具有易降解、原材料来源少、合成工艺复杂、化学性能较活波的性能导致其制备的质子交换膜存在成本高昂、不耐高温和使用寿命短的重大缺陷，而且有安装上的不便利性。再加上质子交换膜上的催化剂和扩散层容易因为热胀冷缩造成本身材料疲劳而破裂，因子制约了质子交换膜的大规生产利用，也导致质子交换膜燃料电池的市场推广和应用受到限制。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的质子交换膜，其中质子交换膜的四周具有塑料边框用以提高质子交换膜的材料强度，以解决现有技术中，质子交换膜上的催化剂及扩散层因材料疲乏及热胀冷缩的操作下，材料破料而导致整个质子交换膜燃料电池的效能降低或是无法使用。
本发明的另一目的在于利用加热及加压的方式，让设置在质子交换膜四个侧边的由热塑性高分子材料由固体因加热而软化变成液体，而使得有部份液态化的热塑性高分子材料流向质子交换膜板的四个侧边上，在冷却之后，由热塑性高分子材料形成的塑料边框黏固并包覆住质子交换膜的四个侧边。
本发明的再一目的在于利用由热塑性高分子材料所构成的塑料边框来取代原本设置在质子交换膜上的密封件。更能增加密封性及提高质子交换膜的强度。
根据上述目的，本发明提供一种质子交换膜燃料电池的质子交换膜结构，塑料边框固设在质子交换膜的四个侧边、并有部份塑料边框黏固在质子交换膜的四个侧边，藉此利用部份塑料边框黏固在塑料边框的四个侧边以增加质子交换膜板的材料强度。
附图说明
图1是根据本发明所揭露一实施例的质子交换膜燃料电池中的一组电池的侧视图。
图2是根据本发明所揭露一实施例的质子交换膜燃料电池中的一组电池组的金属极板与质子交换膜的侧视图。
图3是根据本发明所揭露一实施例的具有塑料边框的质子交换膜的俯视图。
图4是根据本发明所揭露一实施例的具有塑料边框及设置有加强肋的质子交换膜的俯视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术特征及优点，能更为相关技术领域人员所了解，并得以实施本发明，在此配合所附的图式、具体阐明本发明的技术特征与实施方式，并列举较佳实施例进一步说明。以下文中所对照的图式，为表达与本发明特征有关的示意，并未亦不需要依据实际情形完整绘制。而关于本案实施方式的说明中涉及本领域技术人员所熟知的技术内容，亦不再加以陈述。
首先，请同时参考图1及图2。图1表示本发明的一实施例中，质子交换膜燃料电池中的一组电池的侧视图。图2表示本发明的一实施例中，质子交换膜燃料电池中的一组电池组的金属极板与质子交换膜的侧视图。一般来说，质子交换膜燃料电池是由多组电池所组成的一个燃料电池，而每一组电池1则是至少包含了阳极板10、阴极板20及设置在阳极板10及阴极板20之间的质子交换膜30，其中阳极板10、阴极板20及质子交换膜30分别具有燃料气体通道121、122、221、222、321、322、氧化剂气体通道161、162、261、262、361、362以及冷却介质通道141、142、241、242、341、342、冷却介质通道141、142、241、242、341、342设置在燃料气体通道121、122、221、222、321、322与氧化剂气体通道161、162、261、262、361、362之间。在本发明的实施例中，阳极板10及阴极板20的基材包括不锈钢、钛材、钛合金材、铝材或是铝合金材。且阳极板10及阴极板20以焊接方式结合。于另一实施例，阳极板10与阴极板20采用密封橡胶密封，其中，密封橡胶可以是聚对苯二甲酸乙二酯(PET,polyethyleneterephthalate)或是聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN,poly(ethylene naphtalate))，通过热融或粘合的方式，使阳极板10、密封橡胶和阴极板20形成一体，起到密封作用。
要说明的是，在本发明主要是针对质子交换膜30来说明，而在电池1中还包括有水路密封件及氧化剂气体密封件等结构，其材料及其功能并不在本发明所讨论的范围内，另外对于阳极板10、阴极板20的结构和功能已为现有技术，也不在此多加陈述。
接着，请参考图3。图3是根据本发明的一实施例，表示具有塑料边框的质子交换膜的俯视图。在图3中，质子交换膜30上对应阳极板10及阴极板20的流场(未在图中表示)的区域，依序设置催化剂40及扩散层50，其中催化剂40设置在质子交换膜30上，扩散层50设置在催化剂40上。在质子交换膜30上还包括多个定位孔302，这些定位孔302是为了将阳极板10、阴极板20与质子交换膜30结合时用以定位并对准各个部件，用以质子交换膜燃料电池的各个部件能组装完成。另外，要说明的是，图3为俯视图，因此由上往下俯视质子交换膜30的时候，被扩散层50覆盖住的催化剂40其实是看不到的，在此是为了说明方便，将被扩散层50覆盖住的催化剂40以虚线来表示。
在本发明的实施例中，为了要解决现有技术中由于质子交换膜上的催化剂及扩散层因材料疲乏及热胀冷缩的操作下，材料破料的问题，因此，在质子交换膜30的四个侧边设置有塑料边框60，用以强化整个质子交换膜30的材料强度，其塑料边框60设置在质子交换膜30的四个侧边的方式如下所述。
首先，在质子交换膜30的四个侧边设置有热塑性高分子材料，接着利用加热以及加工加压程序，让在质子交换膜30的四个侧边的热塑性高分子开始软化，由固体变成液态，然后让液态的热塑性高分子由于持续的受热液化而以液体的方式朝向质子交换膜30的四个侧边的内侧流动，使得热塑性高分子除了设置在质子交换膜30的四个侧边之外，也由于加热及加工加压程序，使得有部份热塑性高分子覆盖在质子交换膜30的四个侧边的上、下表面，因此，当热塑性高分子的温度冷却之后，热塑性高分子回复到固态的结构，使得由热塑性高分子所形成的塑料边框60除了设置在质子交换膜30的四个侧边之外，还包覆住质子交换膜30的四个侧边的上、下表面，藉由塑料边框60来增加整个质子交换膜30的材料强度。在本实施例中，对热塑性高分子的加热温度范围在200℃以下，较优选的是在180℃-195℃之间及施加于热塑性高分子的形成塑料边框60的压力范围为2-10bar。
要说明的是，在本发明中利用热塑性高分子材料的目的乃是因为热塑性高分子材料受热之后会软化，而变成液态时，具有可塑性，当冷却时则会回复到固态。此现象可以交替反复进行，因此利用热塑性高分子受热软化的特性，来包覆质子交换膜30的四个侧边而加强质子交换膜30的材料强度。此外，在本发明的实施例中所使用的热塑性高分子材料可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVV)、尼龙(Nylon)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或是聚甲醛(POM)。
请继续参考图4。图4是本发明的一实施例中，表示塑料边框及设置有加强肋的质子交换膜的俯视图。在图4中，为了要再加强质子交换膜30的材料强度，除了在质子交换膜30的四个侧边设置有塑料边框60之外，在本发明的一实施例中，在形成图3的塑料边框60的步骤之前，先在质子交换膜30上设置至少一片具有中空结构702的加强肋70，使得催化剂40及扩散层50可以由加强肋70的中空结构702曝露出来。接着，进行如图3中在质子交换膜30的四个侧边形成塑料边框60的步骤，在质子交换膜30的四个侧边设置热塑性高分子，利用加热以及加工加压程序让在质子交换膜30的四个侧边的热塑性高分子开始由固体变成液态，然后让液态的热塑性高分子朝向质子交换膜30的四个侧边内流动，使得热塑性高分子除了设置在质子交换膜30的四个侧边之外，也由于加热及加工加压的程序使得有部份热塑性高分子包覆住质子交换膜30的四个侧边的上、下表面以及加强肋70的四个侧边，因此，当热塑性高分子的温度冷却之后，热塑性高分子回复到固态的结构，使得由热塑性高分子所形成的塑料边框60除了设置在质子交换膜30的四个侧边之外，还包覆住质子交换膜30的四个侧边的上、下表面，并有部份热塑性高分子包覆住部份设置在质子交换膜30上的加强肋70。藉由塑料边框60以及加强肋70可以增加整个质子交换膜30的材料强度。同样的，在本实施例中，对热塑性高分子的加热的温度范围在200℃以下，较优选的是在180℃-195℃之间及施加于热塑性高分子的形成塑料边框60的压力范围为2-10bar。另外，由于加强肋70是使用热固性材料，因此在对热塑性高分子材料进行加热及加工加压程序时，加强肋70不会因高温产生形变或是软化，对制程来说不会有任何影响。
综观上述，在本发明中利用由热塑性高分子材料构成的塑料边框60来包覆质子交换膜30的四个侧边以加强质子交换膜30的材料强度可以解决质子交换膜上的催化剂及扩散层因材料疲乏及热胀冷缩的操作下，材料破料而导致整个质子交换膜燃料电池的效能降低或是无法使用的问题。另外，塑料边框60可以用来取代原本设置在质子交换膜30上的密封件。更能增加密封性及提高质子交换膜30的强度。
以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明之权利要求；同时以上的描述，对于相关技术领域之专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示之精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求范围中。

Claims (5)

1.一种质子交换膜燃料电池的质子交换膜，所述质子交换膜上设置有催化剂和扩散层，其特征在于:
塑料边框固设在质子交换膜四周、并有部份所述塑料边框黏固在所述质子交换膜的四周侧边。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的质子交换膜，其特征在于，所述塑料边框为热塑性高分子材料。
3.如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池的质子交换膜，其特征在于，所述热塑性高分子材料可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVV)、尼龙(Nylon)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或是聚甲醛(POM)。
4.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的质子交换膜，其特征在于，还包含具有中空结构的加强肋设置在所述质子交换膜上，以曝露出所述质子交换膜上的催化剂及扩散层。
5.如权利要求4所述的质子交换膜燃料电池的质子交换膜，其特征在于，具有所述中空结构的所述加强肋为热固性高分子材料。
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