CN110875485B - 膜电极组件 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种膜电极组件，其包括：电解质膜；催化剂电极层，该催化剂电极层包括设置在该电解质膜上的阴极催化剂电极和设置在该电解质膜下的阳极催化剂电极；和子垫片，该子垫片设置在该电解质膜上以与该催化剂电极层的边缘接触。该子垫片中的每一种包括穿透该子垫片以使该电解质膜的一部分暴露于外部的排水分孔。

Description

膜电极组件

技术领域

本公开涉及一种膜电极组件。更具体地，本公开涉及包括排水分孔(排水孔，排湿气孔，moisture drain hole)的膜电极组件，该排水分孔用于去除在电解质膜中生成的水分。

背景技术

燃料电池为通过氢气与氧气之间的化学反应生成电的电化学设备，其中氢气和氧气为反应物。使用允许氢离子渗透作为电解质的聚合物膜的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)是具有比其它燃料电池更高的电流密度的高输出燃料电池。PEMFC可在100℃或更低的温度下驱动并且具有简单的结构。另外，PEMFC适用于各种领域，诸如，例如零排放车辆的电源、分布式现场发电设施、军用动力源、航天器动力源等。PEMFC类似于蓄电池，因为它通过化学反应发电。然而，与蓄电池不同，由于燃料电池从外部接收作为反应材料的氢气和氧气，因此它不需要充电并且只要向其供应燃料就可连续发电。另外，与传统的内燃机不同，由于燃料电池在没有燃料燃烧反应的情况下生成能量，因此不会排放有毒污染物(诸如硫或氮氧化物)并且二氧化碳的排放显著降低。因此，燃料电池最近作为低污染和高效率的下一代能源受到越来越多的关注。

然而，在电化学反应期间可在电解质膜中生成水分，这可使燃料电池的性能劣化。通常，通过设置在催化剂电极层上和催化剂电极层下的气体扩散层排出水分，但是电解质膜内部生成的水分积聚在电解质膜的表面上。

在背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对于本公开背景的理解，并且因此，它可包含不构成该国的本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开已致力于解决与现有技术相关联的上述问题，以及本公开的目的是提供膜电极组件，该膜电极组件包括排水分孔，该排水分孔用于排出积聚在电解质膜与子垫片(子垫圈，sub-gasket)之间的水分。

在一个方面中，本发明提供了一种膜电极组件，其包括：电解质膜；催化剂电极层，该催化剂电极层包括设置在电解质膜上的阴极催化剂电极和设置在电解质膜下的阳极催化剂电极；以及子垫片，该子垫片设置在该电解质膜上和该电解质膜下以与催化剂电极层的边缘接触，其中子垫片包括穿透(贯穿，penetrating)该子垫片以使电解质膜的一部分暴露在外部的排水分孔。

该排水分孔可设置成与该催化剂电极层的边缘间隔开。

膜电极组件可进一步包括分别设置在子垫片上和子垫片下的上部(upper)隔板(隔膜，分隔板，分隔膜，分隔片，separator)和下部(lower)隔板。上部隔板和下部隔板中的每一种可配置有隔板排气孔，并且与该排水分孔相比，该隔板排气孔可设置成距离该催化剂电极层更远。

子垫片可包括设置在电解质膜上的上部子垫片和设置在电解质膜下的下部子垫片。排水分孔可包括形成在上部子垫片中的上部排水分孔和形成在下部子垫片中的下部排水分孔。上部排水分孔和下部排水分孔中的每一种可配置为多个。

上部排水分孔和下部排水分孔可布置成不垂直地彼此重叠。

上部排水分孔和下部排水分孔可非对称地(不对称地，asymmetrically)布置。

上部排水分孔和下部排水分孔可在电解质膜延伸的方向上交替地布置在电解质膜上和电解质膜下。

膜电极组件可进一步包括主垫片(main gasket)和按顺序设置在子垫片上的隔板。主垫片可包括朝向催化剂电极层延伸的多个垫片突出部(突出，突起，突起部，protrusion)。该垫片突出部可在与从主垫片到隔板的方向垂直的方向上延伸。

排水分孔可设置在相邻的垫片突出部之间。

膜电极组件可进一步包括设置在隔板上的集流体(集电器，集流器，currentcollector)。该集流体可包括氧气歧管(manifold)、氢气歧管和冷却剂歧管。当在平面中观察时，排水分孔可设置在氧气歧管与催化剂电极层之间以及设置在氢气歧管与催化剂电极层之间。

以下讨论本公开的其它方面和实施方式。

附图说明

现在将参考在附图中示出的某些示例性实施方式来详细描述本公开的上述和其它特征，附图在下文中仅以示例的方式给出，并且因此不限制本公开，并且其中：

图1为示出根据本公开的实施方式的膜电极组件的平面图；

图2为沿图1中的线A-A'截取的剖视图；

图3为示出根据本公开的实施方式的排水分孔的视图；

图4为示出根据本公开的实施方式的通过排水分孔排出水分的路径的视图；

图5为示出根据本公开的实施方式的主垫片的视图；以及

图6为示出根据本公开的实施方式的通过排水分孔排出水分的原理的视图。

应当理解，附图不必按比例绘制，呈现说明本公开的基本原理的各种优选特征的略微简化的表示。如本文所公开的本公开的具体设计特征(包括例如具体的尺寸、方向、位置和形状)将部分地由特别预期的应用和使用环境确定。

在附图中，附图标记在若干附图中指代本公开的相同或等同的部分。

具体实施方式

本公开的优点和特征以及用于实现该优点和特征的方法将从下面参考附图详细描述的实施方式中变得清楚。然而，本公开可以以许多不同的形式实施，并且不应当被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式是为了使本公开全面和完整，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。本公开仅由权利要求的范围限定。在整个说明书中使用的相同的附图标记表示相同的组成元件。

将参考截面图和/或平面图(其为本公开的理想示例性视图)描述说明书中的示例性实施方式。在附图中，可夸大膜和区域的厚度以有效地解释技术内容。因此，附图中所示的形状可通过制造技术和/或允许的误差来改变。因此，本公开的示例性实施方式不限于附图中所示的具体形状，但是包括取决于制造工艺的形状变型。例如，示出为具有直角的蚀刻区域可为圆形的，或可具有预定的曲率。因此，附图中示例性示出的区域具有示意性质，并且附图中示出的区域的形状仅仅为了示出元件的具体形状，而不是为了限制本公开的范围。

图1为示出根据本公开的实施方式的膜电极组件的平面图，图2为沿图1中的线A-A'截取的剖视图。

参考图1和图2，膜电极组件1可包括电解质膜50、催化剂电极层100、子垫片200、主垫片300、隔板400和集流体500。根据本公开的实施方式的膜电极组件1可为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，其使用允许氢离子渗透作为电解质的聚合物膜。膜电极组件1可通过氢气与氧气之间的电化学反应生成电能。

电解质膜50可为聚合物电解质膜，其仅允许氢离子渗透。电解质膜50既可用作电子阻挡膜，也可用作燃料电池内的氢离子导体。

催化剂电极层100可设置在电解质膜50上和电解质膜50下。催化剂电极层100可包括设置在电解质膜50上的阴极催化剂电极100a和设置在电解质膜50下的阳极催化剂电极100b。阳极催化剂电极100b可通过氧化反应将作为燃料的氢气分解成电子和氢离子。分解的氢离子可通过电解质膜50移动到阴极催化剂电极100a。阴极催化剂电极100a可用于通过从阳极催化剂电极100b转移的电子和氢离子与氧气之间的还原反应生成水分和热量。

子垫片200可包括设置在电解质膜50上的上部子垫片200a和设置在电解质膜50下的下部子垫片200b。例如，子垫片200可由聚合物材料(诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)或聚丙烯(PP)和/或涂有聚合物材料的材料)制成。子垫片200可设置成与催化剂电极层100的边缘接触并且使催化剂电极层100暴露在外部。即，上部子垫片200a的一部分可与阴极催化剂电极100a的顶表面的边缘部分接触，并且下部子垫片200b的一部分可与阳极催化剂电极100b的顶表面的边缘部分接触。当在平面中观察时，子垫片200可设置成围绕催化剂电极层100。

子垫片200可配置有排水分孔205。排水分孔205可穿透子垫片200，并且电解质膜50可通过排水分孔205暴露。排水分孔205可设置为与催化剂电极层100的边缘间隔开。排水分孔205可在电化学反应期间排出在电解质膜50中生成的水分。电解质膜50中生成的水分通常从催化剂电极层100的上侧通过气体扩散层250排出到外部。然而，水分可在电解质膜50延伸的方向上在亲水的电解质膜50内移动。如果水分在电解质膜50内水平移动，则水分可渗透到被子垫片200覆盖的部分。此外，如果在子垫片200与电解质膜50之间存在间隙，则可将水分引入并且收集在间隙中。因此，由于水的积聚，在子垫片200与电解质膜50之间可发生膨胀现象，这可降低子垫片200与电解质膜50之间的界面结合力。另外，由于膨胀现象而膨胀的气泡可抑制氧气和氢气的平稳流入和流出，这可使燃料电池的性能劣化。因此，根据本公开的实施方式，排水分孔205穿透子垫片200并且用于将存在于子垫片200与电解质膜50之间的水分排出到外部。

排水分孔205可包括形成在上部子垫片200a中的上部排水分孔205a和形成在下部子垫片200b中的下部排水分孔205b。上部排水分孔205a和下部排水分孔205b中的每一种都可设置为多个。上部排水分孔205a和下部排水分孔205b可布置成使得它们不垂直地彼此重叠。

气体扩散层250可设置在阴极催化剂电极100a上和阳极催化剂电极100b上。气体扩散层250可与设置在阴极催化剂电极100a和阳极催化剂电极100b上的子垫片200接触。气体扩散层250可设置在子垫片200上，以避免直接接触催化剂电极层100。气体扩散层250可由具有高孔隙率的多孔介质形成，以允许反应气体和生成的水分易于通过。例如，气体扩散层250可由碳纤维和基于聚四氟乙烯(PTFE)的疏水材料制成。

主垫片300可设置在子垫片200与隔板400之间，以便支撑隔板400。主垫片300可包括多个垫片突出部310，该多个垫片突出部310朝向催化剂电极层100延伸。垫片突出部310可在与从主垫片300到隔板400的方向垂直的方向上延伸。当在平面中观察时(参考图1)，排水分孔205可设置在两个相邻的垫片突出部310之间。即，多个排水分孔205可设置在多个垫片突出部310之间。另外，隔板排气孔405可设置在两个相邻的垫片突出部310之间。隔板排气孔405可设置在排水分孔205与主垫片300之间。即，排水分孔205可设置成比隔板排气孔405更靠近催化剂电极层100。即，与排水分孔205相比，隔板排气孔405可设置成距离催化剂电极层100更远。排水分孔205可设置成邻近隔板排气孔405。

隔板400可提供燃料或空气流过的流动路径，以便向催化剂电极层100和电解质膜50供应燃料或空气。另外，隔板400可用于将产物(诸如在电化学反应之后生成的水)排出到外部。隔板400可设置在气体扩散层250上，并且可设置在上部子垫片200a和下部子垫片200b中的每一种上。隔板400可具有隔板排气孔405，使得燃料或空气可通过其引入或排出。隔板排气孔405可包括设置在上部子垫片200a上的上部隔板排气孔405a和设置在下部子垫片200b上的下部隔板排气孔405b。隔板排气孔405可设置在两个相邻的垫片突出部310之间。

集流体500可设置在隔板400上。集流体500可设置在上部子垫片200a和下部子垫片200b中的每一种上。集流体500可具有歧管550，以便向催化剂电极层100和电解质膜50供应燃料或空气。歧管550可包括供应氧气的氧气歧管520、供应冷却剂的冷却剂歧管530以及供应氢气的氢气歧管540。氧气歧管520、冷却剂歧管530和氢气歧管540可彼此间隔开，并且当在平面中观察时可与催化剂电极层100间隔开。此外，当在平面中观察时，氧气歧管520、冷却剂歧管530和氢气歧管540可设置在与垫片突出部310延伸的方向垂直的方向上。此外，当在平面中观察时，排水分孔205可设置在氧气歧管520与催化剂电极层100之间以及氢气歧管540与催化剂电极层100之间。然而，排水分孔205可不设置在冷却剂歧管530与催化剂电极层100之间。

根据本公开的实施方式，排水分孔205可邻近隔板排气孔405设置，使得水分可易于通过形成在隔板400中的隔板排气孔405排出。另外，因为排水分孔205穿透子垫片200以暴露电解质膜50，所以可防止流过电解质膜50中的孔的水分积聚在具体区域中。即，由于排水分孔205，可防止在电解质膜50与子垫片200之间生成水泡。另外，因为在上部子垫片200a和下部子垫片200b中的每一种中形成排水分孔205，所以可平稳地排出在电解质膜50的上侧和下侧中生成的水分。因此，可改善燃料电池的性能和耐久性。

图3为示出根据本公开的实施方式的排水分孔的视图。

参考图3，排水分孔205可包括用于暴露电解质膜50的顶表面50a的上部排水分孔205a和用于暴露电解质膜50的底表面50b的下部排水分孔205b。上部排水分孔205a可排出积聚在电解质膜50的顶表面50a与上部子垫片200a之间的水分，并且下部排水分孔205b可排出积聚在电解质膜50的底表面50b与下部子垫片200b之间的水分。排水分孔205a和排水分孔205b中的每一种的横截面可具有任何各种形状，诸如矩形、圆形、三角形等。

上部排水分孔205a和下部排水分孔205b可分别设置在电解质膜50的上侧和电解质膜50的下侧，并且可非对称地布置。例如，上部排水分孔205a和下部排水分孔205b可布置成使得它们不垂直地彼此重叠。即，上部排水分孔205a和下部排水分孔205b可在横向方向上交替布置。横向方向为与从上部子垫片200a到下部子垫片200b的方向垂直的方向。因为上部排水分孔205a和下部排水分孔205b非对称地布置，所以在电解质膜50的顶表面50a中生成的水分流动的路径和在电解质膜50的底部表面50b中生成的水分流动的路径彼此不同，从而更有效地排出水分。另外，因为上部排水分孔205a和下部排水分孔205b非对称地布置，所以可防止气体通过暴露的电解质膜50流入和流出。如果上部排水分孔205a和下部排水分孔205b布置成垂直重叠，则水分可通过上部排水分孔205a和下部排水分孔205b中的任何一个排出，但是可不通过剩余的排水分孔排出。在这种情况下，可通过不排出水分的排水分孔引入气体。然而，根据本公开的实施方式，上部排水分孔205a和下部排水分孔205b非对称地布置，使得它们不垂直地彼此重叠，从而防止气体通过任何排水分孔引入。

图4为示出根据本公开的实施方式的水分通过排水分孔排出的路径的视图。为了便于说明，将参考图4描述由设置在电解质膜50上的部件限定的排水路径。由设置在电解质膜50下的部件限定的排水路径可类似于由设置在电解质膜50上的部件限定的排水路径。

参考图4，可通过电解质膜50中的电化学反应生成水分。通常，在电解质膜50中生成的水分可通过气体扩散层250移动到上部隔板排气孔405a，并且然后可排出到外部。然而，在电解质膜50中生成的一部分水分在电解质膜50内水平移动，并且移动到上部子垫片200a和电解质膜50彼此接触的部分。水分可通过形成在上部子垫片200a中的上部排水分孔205a移动到上部隔板排气孔405a，并且然后可排出。这里，为了有利于排出水分，上部排水分孔205a和上部隔板排气孔405a可彼此相邻地设置。

图5为示出根据本公开的实施方式的主垫片的视图。

参考图2和图5，主垫片300可包括通道420、通道430和通道440，分别通过形成在集流体500中的氧气歧管520、冷却剂歧管530和氢气歧管540引入的氧气、冷却剂和氢气通过通道420、通道430和通道440移动。通道420、通道430和通道440可包括氧气移动通过的第一通道420、冷却剂移动通过的第二通道430以及氢气移动通过的第三通道440。

主垫片300可包括沿一个方向延伸的垫片突出部310。垫片突出部310可设置为多个，并且排水分孔205可选择性地设置在两个相邻的垫片突出部310之间。排水分孔205可形成为穿透子垫片200。这里，排水分孔205可设置在由两个垫片突出部310限定的空间中。

排水分孔205可设置在由邻近第一通道420和第三通道440设置的垫片突出部310限定的空间中。排水分孔205可不设置在从第二通道430沿一个方向延伸的垫片突出部310之间。

图6为示出根据本公开的实施方式的通过排水分孔排出水分的原理的视图。

参考图6，通过电化学反应在电解质膜50中生成的水分可在电解质膜50内移动并且可渗透到与子垫片200a和子垫片200b接触的部分。如果在子垫片200a和子垫片200b与电解质膜50之间存在间隙，则可将水分引入并且积聚在间隙中。因此，子垫片200a和子垫片200b与电解质膜50之间的界面结合力可通过由于水的积聚导致的膨胀现象而减弱。此外，由于膨胀现象而膨胀的气泡可抑制氧气和氢气的平稳流入和流出，这可使膜电极组件的性能劣化。

根据本公开的实施方式，水分可通过扩散原理集中在形成流动路径的排水分孔205a处。通过排水分孔205a流出膜电极组件的水分可移动到邻近隔板排气孔405a(参见图2)，并且可稳定地排出到外部。可通过暴露电解质膜50的排水分孔205a来防止由电解质膜50与子垫片200a和子垫片200b之间的水积聚致使的膨胀现象，并且氧气和氢气可平稳地流入或流出膜电极组件，从而改善燃料电池的性能和耐久性。

从以上描述显而易见，本公开具有以下效果。

可防止在电解质膜与子垫片之间生成水泡，并且通过形成的排水分孔将电解质膜内部或电解质膜表面上生成的水分排出到外部，以便暴露电解质膜。结果，可改善燃料电池的性能和耐久性。

已经参考其优选实施方式详细描述了本公开。然而，本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的原理和精神的情况下，可在这些实施方式中进行改变，本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种膜电极组件，其包括：

电解质膜；

催化剂电极层；

子垫片，所述子垫片设置在所述电解质膜上和所述电解质膜下以与所述催化剂电极层的边缘接触，

其中所述催化剂电极层包括：

阴极催化剂电极，所述阴极催化剂电极设置在所述电解质膜上；以及

阳极催化剂电极，所述阳极催化剂电极设置在所述电解质膜下；并且

其中所述子垫片包括穿透所述子垫片以使所述电解质膜的一部分暴露于外部的排水分孔，

其中所述子垫片包括：

上部子垫片，所述上部子垫片设置在所述电解质膜的上部表面上；以及

下部子垫片，所述下部子垫片设置在所述电解质膜的下部表面上，

其中所述排水分孔包括：

上部排水分孔，所述上部排水分孔在所述上部子垫片中，以及

下部排水分孔，所述下部排水分孔在所述下部子垫片中，以及

其中，所述上部排水分孔和所述下部排水分孔中的每一种配置为多个。

2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述排水分孔与所述催化剂电极层的所述边缘间隔开。

3.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述膜电极组件是聚合物电解质膜燃料电池，且进一步包括：

设置在所述上部子垫片上的上部隔板和设置在所述下部子垫片下的下部隔板，

其中所述上部隔板和所述下部隔板中的每一种包括隔板排气孔，以及

其中，与所述排水分孔相比，所述隔板排气孔距离所述催化剂电极层更远。

4.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述上部排水分孔和所述下部排水分孔在横向方向上交替布置。

5.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述上部排水分孔和所述下部排水分孔非对称地布置。

6.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述上部排水分孔和所述下部排水分孔在所述电解质膜延伸的方向上交替地布置在所述电解质膜上和所述电解质膜下。

7.根据权利要求1所述的膜电极组件，进一步包括：

主垫片和隔板，所述主垫片和隔板按顺序设置在所述子垫片上，

其中所述主垫片包括多个朝向所述催化剂电极层延伸的垫片突出部，以及

其中多个垫片突出部在与从所述主垫片到所述隔板的方向垂直的方向上延伸。

8.根据权利要求7所述的膜电极组件，其中所述排水分孔设置在所述垫片突出部之间。

9.根据权利要求7所述的膜电极组件，其中所述膜电极组件是聚合物电解质膜燃料电池，且进一步包括：

集流体，所述集流体设置在所述隔板上，

其中所述集流体包括氧气歧管、氢气歧管和冷却剂歧管，以及

其中，当在平面中观察时，所述排水分孔设置在所述氧气歧管与所述催化剂电极层之间以及设置在所述氢气歧管与所述催化剂电极层之间。

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