CN112133944A - 一种单侧边框质子交换膜燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单侧边框质子交换膜燃料电池，该燃料电池的膜电极包括边框、第一催化层、第二催化层、第一扩散层、第二扩散层和质子交换膜，第一催化层、第二催化层涂覆在质子交换膜两侧有效区域形成CCM，边框内尺寸与第一催化层外尺寸相同，仅在第一催化层一侧固定边框；第一扩散层固定在边框上，第二扩散层固定在第二催化层的另一侧；第一扩散层、第二扩散层和第二催化层的大小相同且同轴心。与传统电堆密封方式相比，本发明的燃料电池节约一半的密封件成本，简化装堆的操作程序，提高了装堆的精度，减少了对齐误差，最重要的可以完全保障电堆的密封要求。

Description

一种单侧边框质子交换膜燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种单侧边框质子交换膜燃料电池。

背景技术

目前常见的电堆密封方式有以下几种：1、手工将独立密封件与极板贴合进行装堆；2、采用点胶或注塑的方式将密封件固定在极板密封槽内；3、在膜电极边框上注塑密封件；4、将膜电极边框材料改为具有弹性结构的密封材料。

以上方案均各有弊端，1、独立密封件为软性结构易变形，电堆组装过程中难以保证密封件垂直面的一致性，并且移动过程中易发生移位错位现象；2、点胶工艺有难点，即在厚度精度控制方面，误差多在5丝以上，特别时在接口处或交叉处尤为明显，注塑工艺则会造成石墨极板受压损坏等情况的发生而导致良品率低下；3、膜电极由于自身质子交换膜的溶胀特性而极易变形，若是膜电极变形则粘附在其边框上的密封件也必会变形，在电堆组装过程中会出现密封件难以放入极板密封槽的现象；4、这种方案别称软边框，即使膜电极经过特殊处理后变形情况得以改善，也会因为软质边框自身材料特性的问题，在耐候性、耐老化性等方面难以达到电堆寿命要求。

因此，本领域急需一种经济实用、简单稳定的燃料电池。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种经济实用、简单稳定的燃料电池。

为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种单侧边框质子交换膜燃料电池，所述燃料电池包括中部的膜电极及分别分布在膜电极两侧的阴极板和阳极板，所述膜电极包括边框、第一催化层、第二催化层、第一扩散层、第二扩散层和质子交换膜，其中，所述第一催化层与第二催化层分别涂覆在质子交换膜两侧，所述边框与第一催化层同侧并固定在质子交换膜上，所述第一催化层与边框内壁固定，所述第一扩散层固定在所述边框上，所述第二扩散层固定在所述第二催化层的另一侧；所述第一扩散层、第二扩散层和第二催化层的大小相同且同轴心，所述质子交换膜与所述第二扩散层同轴设置，所述质子交换膜的大小大于所述第二催化层且小于等于所述边框的外壁。在本申请中，质子交换膜、第一催化层、第二催化层、边框、第一扩散层、第二扩散层固定形成六合一的膜电极结构，且整体由扩散层作为主要支撑，四周粘贴牢固，膜电极不易变形。另外，相对于现有的燃料电池，减少了一侧边框，因此少了一半边框材料的使用即节省膜电极的材料成本，相应减少一半粘贴边框的工作量，提高了工作效率。

在第一方面的一种实施方式中，所述边框的材质为PET、PEN或PI中的一种，所述边框的厚度为25-100μm。

在第一方面的一种实施方式中，所述第一催化层和第二催化层为CCM催化层，所述边框上设有粘结层，并通过所述粘结层使得边框与质子交换膜及第一催化层粘结。

在第一方面的一种实施方式中，所述粘结层选用的材质为热熔胶或压敏胶。

在第一方面的一种实施方式中，所述第一扩散层的边缘通过胶水或聚酰亚胺胶带固定在边框上，所述第一扩散层完全覆盖所述边框内壁，且所述第一扩散层的外缘与所述边框内壁之间的距离为1～3mm。

在第一方面的一种实施方式中，所述第二扩散层的边缘通过胶水或聚酰亚胺胶带固定在所述质子交换膜的边缘上。

在第一方面的一种实施方式中，当所述边框上不设置公共流道，所述质子交换膜的外缘与所述边框的外壁齐平。

在第一方面的一种实施方式中，当所述边框上设置公共流道，则所述质子交换膜的大小小于所述边框的外壁，且所述质子交换膜不覆盖所述公共流道，以避免质子交换膜的浪费。

在第一方面的一种实施方式中，所述阴极板和阳极板分别固定在所述膜电极两侧，所述阴极板和阳极板的中部设有流道脊和流道槽，且所述阴极板和阳极板中流道脊及流道槽的位置相同。

在第一方面的一种实施方式中，所述阴极板的边缘设有密封槽或密封脊，所述阳极板的边缘设有与阴极板相对应的密封脊或密封槽，所述阴极板或阳极板边缘的密封脊及密封槽的外侧与所述质子交换膜的外缘齐平，所述阴极板或阳极板边缘的密封脊及密封槽的内侧与所述第一扩散层的外缘齐平。

在第一方面的一种实施方式中，所述边框与第一扩散层固定的一侧固定有密封件，所述密封件的外缘与所述质子交换膜的外缘齐平，所述密封件的内缘与所述第一扩散层的外缘紧贴。密封件的材质为硅胶。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：将传统膜电极的阴阳双侧边框改为单侧边框，边框侧与极板的密封采用硅胶密封件或其他密封材料，另一侧密封利用质子交换膜自身的弹塑性与极板紧密贴合，此种方案既可以较少边框材料和密封材料的使用量，节省大量成本，又可以简化生产工艺提高生产效率，还可以减少装堆过程中出现的密封件对齐误差。

附图说明

图1为实施例1中燃料电池的结构示意图。

在附图中，1为阴极板，11为密封槽，12为流道槽，13为流道脊，2为阳极板，21为密封脊，22为流道槽，23为流道脊，3为膜电极，31为边框，32为第一催化层，33为第二催化层，34为质子交换膜，35为第一扩散层，36为第二扩散层，37为密封件。

具体实施方式

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本发明的保护范围之内。

本发明采用的膜电极为单侧边框膜电极，由两个CCM催化层、单个边框、阴阳极扩散层组成。边框内框尺寸与第一催化层尺寸相同，外框比第二催化层尺寸略大，整体呈回字形，通过定位将第一催化层与边框准确粘合，在粘合好边框的CCM两面分别粘贴阴阳极扩散层，最后冲压成型制得单侧边框膜电极。

单个边框由基材与粘结层组成，基材为PET、PEN或PI，粘结层为热熔胶或压敏胶。

边框材料基材厚度为25-100um，粘结层厚度为10-20um；

第一催化层与边框的粘结应根据边框材料的选择而采用不同的粘结工艺，可采用辊压或平板热压。

扩散层尺寸比第二催化层四周宽1-3mm，可采用点胶法或喷射法在扩散层边缘处涂覆一层厚度为0.2-0.5mm宽度为0.3-0.7mm的胶水。使用定位工装或者机器人将第一扩散层与催化区域居中放置，适度按压第一扩散层，使第一扩散层的胶水与边框粘贴紧密并固化，另一侧的第二扩散层可通过上述方法直接与质子交换膜粘合。

扩散层粘贴也可使用聚酰亚胺胶带，宽度为2-3mm，厚度为0.2-0.5mm，将第一扩散层边缘与边框粘贴一起。

以上就形成包括质子交换膜、双侧催化层、单侧边框、双侧催化层这种六合一膜电极结构。

单侧边框膜电极也可将边框设计成常规带有公共流道的形式，非回字形，不过这种形式如果边框整体全部覆盖质子交换膜的话，对质子交换膜材料的浪费会很严重，所以在公共流道部分不需要覆盖质子交换膜。对于这种单侧边框膜电极质子交换膜一侧的密封方式最好选择正常的硅胶或其他材质的密封件。

单侧边框膜电极结构区别于软边框以及边框注塑密封件等形式，因其不具有公共流道，整体由扩散层作为主要支撑，四周粘贴牢固，膜电极不易变形。而且减少了一半边框材料的使用即节省膜电极的材料成本，相应减少一半粘贴边框的工作量，提高了工作效率。

实施例

下面将对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种单侧边框31质子交换膜34燃料电池，其结构如图1所示，包括阴极板1、阳极板2以及中间的膜电极3，其中，膜电极3包括边框31、第一催化层32、第二催化层33、第一扩散层35、第二扩散层36、质子交换膜34，其具体结构如下：

在质子交换膜34的两侧分别涂覆第一催化层32和第二催化层33，然后放置边框，使得第一催化层32固定在边框31中间，并与边框31的内框壁通过热熔胶粘连，该质子交换膜34的大小刚好与边框31相同，且与外框壁齐平，通过热熔胶固定边框31和质子交换膜34。第一扩散层35的边缘采用点胶法涂覆厚度为0.3mm，宽度为0.5mm的胶水，然后将第一扩散层35与边框31粘接，此时，第一扩散层35完全覆盖第一催化层32，且第一扩散层35比第一催化层32的四周宽1mm。在第二催化层33的另一侧利用胶水固定第二扩散层36，其中，第二催化层33、第二扩散层36的大小与第一催化层32相同，且在边框31上的投影重合。如此，就形成了六合一的单侧边框31膜电极3。

单侧边框31膜电极3中边框31位于阴极板1侧。设计极板时应将阳极板2侧公共流道区域加高，形成密封脊21，其高度由膜电极3厚度决定，并且密封脊21与膜电极3接缝处的缝隙应尽可能缩小(＜0.2mm)，阳极板2四周密封脊21区域应比中间流场区域的流道脊23高一片扩散层的厚度，即形成一个中间略微凹陷的槽状结构以使膜电极3扩散层正好可以嵌进去，方便装堆过程中膜电极3的定位，减少装堆误差。注：上述扩散层厚度应由接触电阻实验等计算综合得出。

阴极板1可采用常规设计，密封件37仍可采用点胶或者模具贴合等形式粘贴在阴极板1四周的密封槽11内，在安装时，阴极板1上的密封槽11和阳极板2上的密封脊21将边框31夹持，阴极板1的流道脊13和阳极板2上的流道脊23分别与第一扩散层35和第二扩散层36抵接，从而将膜电极3夹持。阴极板1的流道槽12和阳极板2上的流道槽22在膜电极3上的投影重合。因为只有阴极板1需要用到密封件37，所以整堆组装过程中减少一半的密封件37投入，整堆成本下降，工作量减少，并且整堆的对齐误差也相应减少。

经实验证明，利用质子交换膜34自身的弹塑性特点，与石墨极板贴合后在电堆中其密封性完全可以得到保障，阴阳极两侧均无泄漏情况的发生。

实施例2

采用与实施例1相同的燃料电池结构，不同之处在于两者的制作方法不同，区别在于：

依次将第二催化层和第二扩散层固定在质子交换膜上，然后将质子交换膜与阳极板用胶水粘贴紧密，形成阳极板整体。将第一催化层固定在边框上，再将第一扩散层固定在边框上，形成一个膜电极整体。然后将阴极板、膜电极整体、阳极板整体固定，得到燃料电池。

单面边框质子交换膜燃料电池膜电极结构与传统膜电极结构相比，制造工艺简单，节约一半的边框成本，减少相应的工作量，提高了膜电极自身的结构强度，增大了膜电极的适用性。

所述单面边框质子交换膜燃料电池膜电极密封方式与传统电堆密封方式相比，节约一半的密封件成本，减少相应的工作量，简化装堆过程中的操作程序，提高了装堆的精度，减少了对齐误差，最重要的可以完全保障电堆的密封要求。

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims (10)

1.一种单侧边框质子交换膜燃料电池，所述燃料电池包括中部的膜电极及分别分布在膜电极两侧的阴极板和阳极板，其特征在于，所述膜电极包括边框、第一催化层、第二催化层、第一扩散层、第二扩散层和质子交换膜，其中，

所述第一催化层与第二催化层分别涂覆在质子交换膜两侧，所述边框与第一催化层同侧并固定在质子交换膜上，所述第一催化层与边框内壁固定，所述第一扩散层固定在所述边框上，所述第二扩散层固定在所述第二催化层的另一侧；

所述第一扩散层、第二扩散层和第二催化层的大小相同且同轴心，所述质子交换膜与所述第二扩散层同轴设置，所述质子交换膜的大小大于所述第二催化层且小于等于所述边框的外壁。

2.如权利要求1所述的单侧边框质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述边框的材质为PET、PEN或PI中的一种，所述边框的厚度为25-100μm。

3.如权利要求1所述的单侧边框质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述第一催化层和第二催化层为CCM催化层，所述边框上设有粘结层，并通过所述粘结层使得边框与质子交换膜及第一催化层粘结。

4.如权利要求3所述的单侧边框质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述粘结层选用的材质为热熔胶或压敏胶。

5.如权利要求1所述的单侧边框质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述第一扩散层的边缘通过胶水或聚酰亚胺胶带固定在边框上，所述第一扩散层完全覆盖所述边框内壁，且所述第一扩散层的外缘与所述边框内壁之间的距离为1～3mm。

6.如权利要求1所述的单侧边框质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述第二扩散层的边缘通过胶水或聚酰亚胺胶带固定在所述质子交换膜的边缘上。

7.如权利要求1所述的单侧边框质子交换膜燃料电池，其特征在于，当所述边框上不设置公共流道，所述质子交换膜的外缘与所述边框的外壁齐平；

当所述边框上设置公共流道，则所述质子交换膜的大小小于所述边框的外壁，且所述质子交换膜不覆盖所述公共流道。

8.如权利要求1所述的单侧边框质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述阴极板和阳极板分别固定在所述膜电极两侧，所述阴极板和阳极板的中部设有流道脊和流道槽，且所述阴极板和阳极板中流道脊及流道槽的位置相同；

所述阴极板的边缘设有密封槽或密封脊，所述阳极板的边缘设有与阴极板相对应的密封脊或密封槽。

9.如权利要求8所述的单侧边框质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述阴极板或阳极板边缘的密封脊及密封槽的外侧与所述质子交换膜的外缘齐平，所述阴极板或阳极板边缘的密封脊及密封槽的内侧与所述第一扩散层的外缘齐平。

10.如权利要求1所述的单侧边框质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述边框与第一扩散层固定的一侧固定有密封件，所述密封件的外缘与所述质子交换膜的外缘齐平，所述密封件的内缘与所述第一扩散层的外缘紧贴。

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