CN112002924A - 燃料电池膜电极组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池膜电极组件，包含：三层膜电极，三层膜电极由依次层叠设置的正极、质子交换膜、负极构成；一对边框膜，一对边框膜分别设置在三层膜电极的正极和负极两侧的非电极的部分；一对双极板密封垫，一对双极板密封垫设置在一对边框膜上；正极集电体和负极集电体，正极集电体和负极集电体分别设置在一对双极板密封垫上，并分别与正极和负极电连接。本发明通过在边框膜上涂布或注塑具有良好气密性和耐酸性的变性液体硅胶，替代了传统的橡胶材质的双极板用的密封垫，保证气密性和耐酸性的同时，还解决了橡胶材质容易弯折不易自动化规模生产的问题，并降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池膜电极组件。
背景技术
高分子电解质燃料电池的中间有膜电极组件（Membrane-Electrode Assembly，MEA），该膜电极组件的结构为“正极-质子交换膜-负极”(Anode-Membrane-Cathode)的3层，所以称为“3layer”或“MEA3”，而在电极的外两侧增加边框膜以后，称它为“5layer”或“MEA5”。
这样构成的“5layer”或“MEA5”，是与双极板（Bipolar Plate，BP) 用的密封垫（Gasket）结合以后，往发生氧化/还原反应的中央位置提供燃料，把该反应而产生的水排出时，MEA密封（Sealing）的侧面起防止漏出燃料气体和水的作用。
在燃料电池电堆（Stack）采用的BP用的Gasket需要在合适范围的硬度条件下，要确保优秀的弹性和低压缩永久变形率（Compression set），且要满足在燃料电池驱动时产生的pH2酸性的环境上，不变形、耐酸性、耐加水分解性、耐气体透过性，还要为了生产效率的加工性及满足上述物质属性的低价材料的特点。
一般燃料电池的BP用的Gasket的构成物质多采用氟系、硅系、碳氢化合物系。
氟系BP用的Gasket的分子结构上粘着氟（Fluoride），它的弹性、耐酸性、耐热性是非常优秀，在氢气燃料电池车的驾驶条件上长时间使用后，还能保持优秀耐久性，而在开发初期被广泛使用。不过由于注塑成型方式制造，其生产效率降低，还有不好的耐寒性和很高的材料价格，所以采用很有限。为了改善氟系BP用的Gasket的耐寒性，而开发了使用过氧化物（Peroxide） 架桥后，在-30℃也能确保气密特性的材料。但因为价格更贵的缺点，及在-40℃以下环境下还是不能保持气密特性，目前大部分制造公司不采用氟系BP用的Gasket。
炭化水素系BP用的Gasket 多采用三元乙丙橡胶（Ethylene Propylene DieneMonomer，EPDM）、乙丙橡胶（Ethylene Propylene Rubber，EPR）、异戊二烯橡胶（IsopreneRubber，IR）等，其耐寒性是以-40℃左右很优秀，但是，在100℃以上高温上长时间暴露时，会出现弹性和耐氧化性降低，因而会发生漏电的问题。
硅系BP用的Gasket来说的话，聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）等一般型和包含氟的高价变性硅是容易确保机械和化学物物性，但由于加工性的问题采用液体硅胶（Liquid Silicone Rubber，LSR）。这样的硅橡胶有优秀的加工性和耐热性，还有广泛的使用温度条件等的优点，所以氢气燃料电池电堆的开发初期阶段多倍采用了。但有耐酸性脆弱的缺点，硅碎片会在酸性条件下长时间露出后被老化掉落，污染到铂金相似的催化表面，最终降低燃料电池效率。因此，为了使用LSR需要采用提高耐酸性的变性硅。
还有，从列的燃料电池用电堆的叠层工程是采用将提前以注塑方式制造的带形或者 O形 (O-ring) 状态的橡胶在BP上固定叠层的方式，但因为BP用的Gasket的材质组成是橡胶类而容易弯折的材质特点，不容易在自动化工程上采用而降低生产效率，还有提高制造成本的缺点。
发明内容
根据本发明实施例，提供了一种燃料电池膜电极组件，包含：
三层膜电极，三层膜电极由依次层叠设置的正极、质子交换膜、负极构成；
一对边框膜，一对边框膜分别设置在三层膜电极的正极和负极两侧的非电极的部分；
一对双极板密封垫，一对双极板密封垫设置在一对边框膜上；
正极集电体和负极集电体，正极集电体和负极集电体分别设置在一对双极板密封垫上，并分别与正极和负极电连接。
进一步，双极板密封垫为混合了含氟硅烷的变性液体硅胶在边框膜上涂布或注塑后硬化而形成。
进一步，变性液体硅胶包含：单一液体硅胶，或，不少于两种液体硅胶；变性液体硅胶的硬度范围为30~70硬度（ASTM D2240， Shore A硬度）。
进一步，含氟硅烷与变性液体硅胶的重量比不超过1:100。
进一步，双极板密封垫的厚度范围为50μm~500μm。
进一步，边框膜包含：层叠设置的黏着层和基材层，黏着层设置在燃料电池的膜电极组件两侧的非电极的部分和基材层之间。
进一步，黏着层包含热硬化性树脂。
进一步，黏着层的厚度范围为5μm~100μm。
进一步，基材层为聚酰亚胺或聚萘二甲酸乙二醇酯膜材。
进一步，基材层的厚度范围为10μm~70μm。
根据本发明实施例的燃料电池膜电极组件，通过在边框膜上涂布或注塑具有良好气密性和耐酸性的变性液体硅胶，替代了传统的橡胶材质的双极板用的密封垫，保证气密性和耐酸性的同时，还解决了橡胶材质容易弯折不易自动化规模生产的问题，并降低了成本。
要理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述两者都是示例性的，并 且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。
附图说明
图1为根据本发明实施例燃料电池膜电极组件的立体拆解图；
图2为图1中三层膜电极的结构示意图；
图3为图1中边框膜和三层膜电极的安装结构示意图；
图4为图1中边框膜的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，详细描述本发明的优选实施例，对本发明做进一步阐述。
首先，将结合图1~4描述根据本发明实施例的燃料电池膜电极组件，用于燃料电池电池，其应用场景很广。
如图1所示，本发明实施例的燃料电池膜电极组件，具有一对边框膜1、一对双极板密封垫2、三层膜电极3、正极集电体4和负极集电体5。
具体地，如图1~2所示，三层膜电极3由依次层叠设置的正极31、质子交换膜32、负极33构成，一对边框膜1分别设置在三层膜电极3的正极31和负极33两侧的非电极的部分，一对双极板密封垫2设置在一对边框膜1上，一对双极板密封垫2设置在一对边框膜1上，分别用于连接边框膜1与正极集电体4、负极集电体5，正极集电体4和负极集电体5分别设置在一对双极板密封垫2上，并分别与正极31和负极33电连接。
具体地，如图3、4所示，每个边框膜1具有：层叠设置的黏着层11和基材层12，黏着层11设置在三层膜电极3两侧的非电极的部分和基材层12之间。
进一步，在本实施例中，黏着层11包含热硬化性树脂，黏着层11的厚度范围为5μm~100μm，优选地，黏着层11的厚度范围为10μm~50μm。如果黏着层11的厚度小于5μm，质子交换膜31和基材层12之间不能正常密封，会发生泄漏；而如果厚度超过100μm的话，黏着质子交换膜31和基材层12的过程中，黏着剂11会往外漏出。
进一步，在本实施例中，基材层12为机械性能、化学性能优秀的聚酰亚胺（PI）或聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）膜材，基材层12的厚度范围为10μm~70μm，如果基材层12的厚度小于10μm，则燃料电池缔结时会造成燃料电池的气体扩散层压缩，从而不能供应燃料，降低燃料电池的性能；而如果基材层12的厚度大于70μm，则会由于气体扩散层浮在燃料电池的集电体之间，造成与正极集电体4、负极集电体5之间的阻抗增加，同样会降低燃料电池的性能。
具体地，如图1所示，双极板密封垫2为混合了含氟硅烷的变性液体硅胶在边框膜1上涂布或注塑后硬化而形成，替代了传统的橡胶材质的双极板用的密封垫，不易弯折变性，能够实现自动化规模生产。在本实施例中，变性液体硅胶包含：单一液体硅胶，或，不少于两种液体硅胶；变性液体硅胶的硬度范围为30~70硬度（ASTM D2240， Shore A硬度）。一般燃料电池电堆是数百个膜电极组件和集电体组成的，为了通过部件之间均一的接触表面而保持气密性，需要调节适当的硬度，如果边框膜1上涂布的变性液体硅胶的硬度超过70，则会由于太坚硬而不易保证气密稳定性，而如果硬度低于30，则会由于交联密度太低，弹性减小，压缩永久变形率会提高，则缔结电堆后一部分的气密性会降低，从而发生泄漏。
进一步，由于混合了含氟硅烷的变性液体硅胶在边框膜1上涂布后需要干燥硬化，但基材层12和变性液体硅胶硬化后的材料属性不同，会发生界面脱离，即双极板密封垫2从基材层12上脱落，在本实施例中，为了改善界面脱离现象，在涂布变性液体硅胶前，在基材层12上采用逗号涂布机涂布底漆进行表面处理。
进一步，在本实施例中，双极板密封垫2的厚度范围为50μm~500μm，如果双极板密封垫2的厚度小于50μm时，集电体或边框膜1会发生厚度差异，或由于燃料电池电堆的缔结压力不均匀而一部分达到压抑临界点，从而会发生泄漏；而如果双极板密封垫2的厚度大于500μm，三层膜电极3的中央部分的气体扩散层则不能连接到集电体表面，会造成燃料电池电堆性能降低。
进一步，在本实施例中，含氟硅烷与变性液体硅胶的重量比不超过1:100，能够保证边框膜1的耐酸性，而如果含氟硅烷含量偏高，液体硅胶的基本物理特性会发生变化，其密封效果会大大降低。
以上，参照图1~4描述了根据本发明实施例的燃料电池膜电极组件，通过在边框膜上涂布或注塑具有良好气密性和耐酸性的变性液体硅胶，替代了传统的橡胶材质的双极板用的密封垫，保证气密性和耐酸性的同时，还解决了橡胶材质容易弯折不易自动化规模生产的问题，并降低了成本。
需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包含燃料电池膜电极组件”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种燃料电池膜电极组件，其特征在于，包含：
三层膜电极，所述三层膜电极由依次层叠设置的正极、质子交换膜、负极构成；
一对边框膜，所述一对边框膜分别设置在三层膜电极的正极和负极两侧的非电极的部分；
一对双极板密封垫，所述一对双极板密封垫设置在所述一对边框膜上；
正极集电体和负极集电体，所述正极集电体和负极集电体分别设置在所述一对双极板密封垫上，并分别与所述正极和所述负极电连接。
2.如权利要求1所述燃料电池膜电极组件，其特征在于，所述双极板密封垫为混合了含氟硅烷的变性液体硅胶在所述边框膜上涂布或注塑后硬化而形成。
3.如权利要求2所述燃料电池膜电极组件，其特征在于，所述变性液体硅胶包含：单一液体硅胶，或，不少于两种液体硅胶；所述变性液体硅胶的硬度范围为30~70硬度（ASTMD2240， Shore A硬度）。
4.如权利要求2所述燃料电池膜电极组件，其特征在于，所述含氟硅烷与所述变性液体硅胶的重量比不超过1:100。
5.如权利要求1或2所述燃料电池膜电极组件，其特征在于，所述双极板密封垫的厚度范围为50μm~500μm。
6.如权利要求1所述燃料电池膜电极组件，其特征在于，所述边框膜包含：层叠设置的黏着层和基材层，所述黏着层设置在所述燃料电池的膜电极组件两侧的非电极的部分和所述基材层之间。
7.如权利要求6所述燃料电池膜电极组件，其特征在于，所述黏着层包含热硬化性树脂。
8.如权利要求6或7所述燃料电池膜电极组件，其特征在于，所述黏着层的厚度范围为5μm~100μm。
9.如权利要求6所述燃料电池膜电极组件，其特征在于，所述基材层为聚酰亚胺或聚萘二甲酸乙二醇酯膜材。
10.如权利要求6或9所述燃料电池膜电极组件，其特征在于，所述基材层的厚度范围为10μm~70μm。
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112002924A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023004533A1 (zh) * | 2021-07-26 | 2023-02-02 | 罗伯特·博世有限公司 | 用于制造燃料电池的方法和相应的燃料电池 |
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2020
- 2020-09-27 CN CN202011030275.1A patent/CN112002924A/zh not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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